JP2001349713A - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課 題】不連続面や段差がある測定対象面を１回の撮
影で、撮像範囲全般にわたって三次元形状を測定するこ
とが可能な三次元形状測定装置で、しかもカメラ位置に
制限無く撮像ができる三次元形状測定装置を提供する。 【解決手段】光源１より発生した光は、前処理レンズ郡
２を通過し、パターンプリズム３で２つの周波数領域に
測定格子パターン２２と位置格子パターン２３でそれぞ
れの格子パターンが作成され、投影レンズ４より測定対
象物５に投影される。撮像レンズ６で集光された光は、
反射プリズム７で２つの周波数領域に振り分けられ、位
置格子パターンはＣＣＤセンサ１０で撮像され、測定格
子パターンはＣＣＤセンサ１４で撮像される。撮像され
た画像は、形状解析装置２１で３次元座標に変換され
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、三次元形状を持っ
た測定物の計測において、振動や空気のゆらぎに影響さ
れにくい１ショット撮像で得られた画像を利用した、三
次元形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】対象物に格子パターンを投影し、対象物
の三次元形状に応じて変形したパターン画像から三次元
形状を計測する方法においては、モアレ法や投影パター
ンを対応付けの目印としたステレオ画像法等が知られて
いる。モアレ法では二つの規則的な格子状パターンが合
成されたときに生じるモアレ縞の見かけの間隔が面の傾
きの程度を表し、縞の見かけの傾きが面の上下方向への
傾きの程度を表すことを利用している。パターンを対応
付けの目印としたステレオ画像法では格子線に番号付け
を行い、縦横同じ番地の交点を対応点として三角測量法
により三次元形状を計測している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のモアレ
法やステレオ画像法は、局所的な面の傾斜を精度良く求
める場合や、物体表面がなだらかで、投影した像の不連
続な切断が生じない表面に対しては有効であるが、大き
な段差を持つ表面や不連続な切断を含む表面を計測する
場合、１つの段差や１つの連続面で１回の計測を行い、
１回の計測で複数の段差面や不連続面を計測できないと
いう問題点があった。

【０００４】また、格子パターンの不連続面対策とし
て、ヘテロダイン法を用いた、特開平１０−２４６６１
２公報に、縦と横の格子線の周期を変えたパターンを投
影し、インパルス応答関数の計算と２次元コンボルーシ
ョン演算を繰り返すことにより位置情報を取得する方法
が提案されているが、撮像した画像の参照平面に結像レ
ンズの光軸を垂直に移動し測定する必要があるため、カ
メラの位置を微妙に調整する必要があり撮像位置は制限
される。

【０００５】本発明の目的は、上述した問題を鑑みてな
されたものであり、自動車のように、複数の３次元形状
を持った部品を組み立てた、複合的な３次元測定物の測
定をする場合や、自立移動型ロボット等が自動作業を行
うため視覚装置として、測定対象外物体の影の影響や不
連続面が有っても形状測定を可能であり、さらにカメラ
の位置に自由度もたせ測定のできる三次元測定装置を提
供することを目的とする。請求項１は、測定対象物のま
わりに、測定を阻害する段差や他部品の影が影響し、撮
像された像に不連続面があっても、３次元形状を測定で
きる三次元計測装置を提供することにある。請求項２
は、前記請求項の光の周波数領域に対応する格子パター
ン膜に代わり、光の偏向方向に対応する格子パターン膜
を用いた手法で三次元測定装置を提供することである。
請求項３は、１種類の格子パターンで３次元形状を測定
できる三次元測定装置を提供することである。請求項４
は、格子内に設けられたコードパターンの数が不足する
場合に、コードパターンの並びを変えることで、同じコ
ードを複数使用した三次元測定装置を提供することであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の三次元形状測
定装置では、光源は複数の周波数領域に分けられる光を
発行し、パターンを形成するパターンプリズムに、特定
周波数域の光を反射する膜で形成された格子パターンを
２つ作成し、１つの格子パターン膜の格子内に２次元位
置情報を示すコードパターンを設ける。光の周波数領域
を分けてパターンを投影する手段の弱点は、光の周波数
で屈折率が変化し結像位置がずれる現象や回析現象に差
がでることである。そこで、鮮明に投影するパターンと
多少のボケが生したパターンに別々の機能を持たせるこ
とで、光周波数の違いによる問題を解決している。撮像
手段は、レンズより集光された光を平行光に変え、誘電
体多層膜で２つの周波数領域に光を分離し所定の周波数
領域だけ通過させる干渉フィルターを経てＣＣＤセンサ
で撮像することにより、投影された格子パターン像を持
つ画像と、番号付けされた格子パターン画像を、２つの
ＣＣＤセンサが同時に取得を可能とする手段で構成され
る。

【０００７】請求項２の三次元形状測定装置は、前記請
求項の光の周波数領域に対応する格子パターン膜に代わ
り、光の偏向方向に対応する格子パターン膜を用いた場
合の構成である。請求項３は、前記測定用格子を用いず
番号付けされた格子パターン画像だけ計測できる構成で
ある。

【０００８】請求項４は、格子内に設けられたコードパ
ターンの数が不足する場合に、コードパターン並び方向
を変え隣接する１つのコードパターンと２つを用い、格
子の２次元位置を認識して、同じコードを使用しできる
手段で構成される。

【０００９】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について
図面を参照して説明する。本発明の請求項１の一実施例
の構成を示す図１は、格子パターン投影の光源である光
源１と、フィルターやレンズを含む前処理レンズ群２
と、２次元位置情報用格子パターンの位置格子パターン
膜２３と形状測定用格子パターンの測定格子パターン膜
２２を含むパターンプリズム３と、投影レンズ群４と、
三次元形状の測定対象物５と、対物レンズ群６と、５４
０ｎｍ以上の光を反射する反射プリズム７と、干渉フィ
ルター８と、結像レンズ９と、ＣＣＤセンサ１０と、光
の全周波数域を反射するミラー１１と、干渉フィルター
１２と、結像レンズ１３と、ＣＣＤセンサ１４と、３次
元形状データを作成する形状解析装置２１で構成され
る。形状解析装置２１はＣＣＤセンサから画像データか
ら取り込む画像入力手段１５と、取り込んだ画像から格
子像を抽出する画像処理手段１７と、格子の番地付けを
行う格子番地解析手段１８と、格子番地などのデータを
解析し３次元位置情報を解析する形状解析手段１９と、
計測された３次元情報をモニタや外部記憶装置へ記憶す
る計測座標出力手段２０とを制御する制御手段１６で構
成される。

【００１０】光源１は、光の特定周波数領域に相対強度
のピークを持つショートアークのメタルハライドランプ
で光を発生する。発生した光は、前処理レンズ群２に入
光され、赤外光や紫外光の除去と均質な光とするための
フィルターと平行光に変換するレンズで平行光に変換さ
れ通過する。

【００１１】つぎに、光はパターンプリズム３に入光さ
れる。パターンプリズム３は、平行光の光軸に入光面が
垂直に設置されパターン膜は光軸に４５度傾いて設置さ
れる。測定格子パターン膜２２は、測定格子パターン膜
の一部を示す図２で黒色部分に約４７０ｎｍ以下の周波
数特性を持つ光を反射する誘電体多層膜で形成される。
位置情報取得用の位置格子パターン膜２３は、位置格子
パターン膜の一部を示す図３で黒色部分に約５４０ｎｍ
以上の光を反射する誘電体多層膜で形成される。ただし
図２および図３は光源方向から見た図である。入光され
た光は、それぞれのパターンで通過する光と光軸と９０
度方向に反射される光に分かれる。通過した光は、投影
レンズ群４で測定対象物５に投影される。

【００１２】３次元形状を持った測定対象物の立面図を
示す図４において、測定対象物の特徴を説明する。ま
ず、１ショットの撮像で３次元形状を測定しようとした
場合に、対象物に段差があり格子の番号付けができない
部分ができてしまい全体の形状を測定できない点であ
る。

【００１３】測定対象物５に投影されたパターン像を対
物レンズ群６で集光し、平行光に変換する。反射プリズ
ム７は平行光の光軸に入光面が垂直に設置され誘電体多
層膜面は平行光に４５度傾いて設置される。平行光は、
約５４０ｎｍ以上の光を光軸より９０度方向に反射す
る。反射した平行光は干渉フィルター８で５６０ｎｍか
ら６２０ｎｍ領域の光を通過させ、結像レンズ９に入光
する。入光された光でＣＣＤセンサ１０上に位置格子像
が結像される。

【００１４】反射プリズム７で反射せず通過した約５４
０ｎｍ未満の光は、ミラー１１で光軸より９０度方向に
反射する。反射した平行光は干渉フィルター１２で４０
０ｎｍから４４０ｎｍ領域の光を通過させ、結像レンズ
１３に入光する。入光された光でＣＣＤセンサ１４上に
測定格子像が結像される。

【００１５】以下、形状解析装置２１の動作のフローチ
ャートを示す図８で説明する。まず、２つのＣＣＤセン
サ上に結像された像は電気信号に変換され、画像入力手
段１５で形状解析装置２１に取り込まれる（ステップ１
０１）。ＣＣＤセンサ１０で撮像された像を図６に示し
ＣＣＤセンサ１４で撮像された像を図５に示す。

【００１６】図２で示される測定格子パターン膜は投影
された画像上で、格子を認識可能であり、更に各格子線
で囲まれた範囲の中心位置が正確に算出できる大きさで
可能な限り細かい格子とする。これは各格子で囲まれた
範囲の中心点の間隔がが、計測上の解像度に相当するた
め、可能な限り密な格子を投影することが望ましい。ま
た、図３で示される位置格子パターンは測定格子パター
ン４個に１個の割合の大きさで定義する。位置格子パタ
ーン膜の格子内の二次元位置情報を有するコードパター
ンは３×３のグリッドを仮定し、９個のグリッド（９ビ
ット）で白黒を組み合わせることによりコードパターン
を作成する。９ビットでパターンを作成する場合５１２
種類のパターンを作成可能である。例えば測定格子パタ
ーンの格子数を１００×１００の１万格子とした場合、
コードパターンはその４分の１の２５００種類必要にな
るが、５１２種類のコードパターンを利用し、全体を５
分割してその分割された範囲内でコードパターンの並び
を５種類作成する。コードパターンは１つのコードパタ
ーンに隣接するコードの組み合わせを５種類用意し、５
分割された範囲内で同じコードパターンは存在するが、
隣接コードパターンは、隣接８方向において、同じ位置
に同じコードパターンが存在しない条件で組み合わせ
る。これにより最小で位置格子パターンが２個連続して
取得できる画像においては、コードパターンの位置を画
像全体で一意的に特定化する事が可能になる。図７はコ
ードパターンの組み合わせをコードパターンの番号で表
示した例で、組み合わせのパターン例を３種類定義した
図である。（請求項４の説明）

【００１７】図５の撮像された像に対してエッジ特徴抽
出オペレーター処理を施し、投影された格子パターンの
みを効果的に抽出する。さらに、抽出された各格子の中
心位置を画像上の座標値として正確に算出する（ステッ
プ１０２）。

【００１８】図６の撮像された像に対してエッジ特徴抽
出オペレーター処理を施し、投影された格子内に２次元
位置情報を示すコードパターンを有する格子パターンの
みを効果的に抽出する。さらに、抽出されたコードパタ
ーンを認識し、個々のコードパターンに隣接するコード
パターンの配置により、どの領域のコードパターンであ
るかを認識し、全体画像における各コードパターンの位
置を画像上の座標値として算出する（ステップ１０
３）。

【００１９】１つの位置格子パターンの中心位置が４つ
の測定格子パターンの中心位置に相当するため、全体画
像上で位置が特定化されたコードパターンに対応する測
定格子パターンを４個抽出し、測定格子パターン個々の
画像上の位置と順番を特定する（ステップ１０４）。

【００２０】撮像された画像上で位置が特定された測定
格子パターンのそれぞれの格子線で囲まれた中心位置を
対応点として、投影側の測定格子パターンの位置関係を
利用して対応点の３次元座標を算出する（ステップ１０
５）。

【００２１】投影された画像上で、位置と順番が特定さ
れた測定格子パターン全てに対し３次元座標の算出が行
われたかどうかを確認し、全て終了していない場合はス
テップ１０５に戻り３次元座標の算出を繰り返す（ステ
ップ１０６）。

【００２２】位置と順番が特定された全ての測定格子パ
ターンの三次元座標算出が終了した後、対応点の三次元
座標で構成される点群データをディスプレイ等に画像と
して表示する。さらに各対応点の三次元座標値をＸ、
Ｙ、Ｚの値でファイル等に保存することが可能になって
いる（ステップ１０７）。

【００２３】本発明の請求項２の一実施例の構成を図９
で説明する。光源１は約６５０ｎｍのレーザー光を発生
するレーザー光源である。発生した光は、前処理レンズ
群２に入光され、小さな面光源を拡大するレンズと光軸
に平行な平行光に変換するレンズで平行光に変換され通
過する。

【００２４】つぎに、光はパターンプリズム３に入光さ
れる。パターンプリズム３は、図１０に示す光学要素部
品で構成される。偏向ビームスプリッタ３１の入光面は
光軸に垂直に配置され、入光した光は誘電体多層膜でＳ
波を９０度反射し、Ｐ波を通過する。

【００２５】反射したＳ波は、反射ミラー３３と３４で
反射し、格子パターン膜３６に入光する。格子パターン
膜３６は、位置情報取得用の格子パターンで、位置格子
パターン膜を示す図３で黒色部分に光を反射する金属蒸
着膜で形成され、パターン膜を通過した光は、偏向ビー
ムスプリッタ３２の誘電体多層膜で９０度反射して、投
影レンズ群４を通過し測定対象物５に投影される。

【００２６】前記通過したＰ波は、格子パターン膜３５
に入光される。格子パターン膜３５は、形状測定用の格
子パターンで、測定格子パターン膜を示す図２で黒色部
分に光を反射する金属蒸着膜で形成され、パターン膜を
通過した光は、偏向ビームスプリッタ３２の誘電体多層
膜を通過して、投影レンズ群４を通過し測定対象物５に
投影される。

【００２７】測定対象物５に投影されたパターン像を対
物レンズ群６で集光し、平行光に変換する。平行光は、
６３０ｎｍから６８０ｎｍの領域の光を通過する干渉フ
ィルター８を通過し、偏向ビームスプリッタ７に入光さ
れる。Ｓ波は光軸に９０度反射し、Ｐ波は偏向ビームス
プリッタ７通過する。反射したＳ波は結像レンズ９を通
過しＣＣＤセンサ１０上に結像する。Ｐ波は、ミラー１
１で反射し、結像レンズ１３を通過しＣＣＤセンサ１４
上に結像する。

【００２８】以下請求項１と同じで有るため説明を省略
する。

【００２９】本発明請求項３の実施例は請求項１と請求
項２の一部に含まれている。相違点は測定格子パターン
使用しないで位置格子パターンだけで３次元計測を行う
点である。また、格子パターンが１つで有るため光の周
波数領域や偏向方向で分離も行わない。撮像手段もＣＣ
Ｄセンサ１つ光の分離用の光学系部品も必要としない。
また、取得画像から２次元位置情報を解析後、格子内の
コードパターンの穴埋め処理を実行し、格子の中心座標
を算出する手段を用い３次元位置情報の対応点とするこ
とである。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の三次元形
状測定装置は、大きな段差や不連続部分等が含まれる測
定対象面の三次元情報を１回の撮影で、撮像範囲全般に
わたって取得することができるため、多くの不連続面や
段差を含む実在する様々な物体を瞬間的に撮像範囲全体
で計測することが可能になる。さらに、投影と撮像する
カメラヘッドの位置は、参照平面を必要としないため測
定対象物内で参照平面を捜すためにカメラの移動を必要
とせず、より自由な位置で測定が可能になった。また、
１回の撮像で測定格子パターンと位置格子コードパター
ンを取得することが可能なため、１秒間に多数のサンプ
リングが可能で高速な計測を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１の一実施例の構成を示すブロ
ック図である。

【図２】形状測定用の測定格子パターン膜の一部分であ
る。

【図３】位置情報取得用の位置格子パターン膜の一部分
である。

【図４】三次元形状をもった測定対象物の立面図であ
る。

【図５】形状測定用の測定格子パターン膜で投影された
像を撮像した画像である。

【図６】位置情報取得用の位置格子パターン膜で投影さ
れた像を撮像した画像である。

【図７】コードパターンの組み合わせをコードパターン
の番号で表示した例である。

【図８】形状解析装置２１の動作のフローチャートであ
る。

【図９】本発明の請求項２の一実施例の構成を示すブロ
ック図である。

【図１０】請求項２の実施例におけるパターンプリズム
である。

【符号の説明】

１：光源 ２：前処
理レンズ群 ３：パターンプリズム ４：投影
レンズ群 ５：測定対象物 ６：対物
レンズ群 ７：反射プリズム ８：干渉
フィルター ９：結像レンズ １０：ＣＣ
Ｄセンサ １１：ミラー １２：干渉
フィルター １３：結像レンズ １４：ＣＣ
Ｄセンサ １５：画像入力手段 １６：制御
手段 １７：画像処理手段 １８：格子
番地解析手段 １９：形状解析手段 ２０：計測
座標出力手段 ２１：形状解析装置 ２２：測定
格子パターン膜 ２３：位置格子パターン膜 ３１：偏向
ビームスプリッタ ３２：偏向ビームスプリッタ ３３：反射
ミラー ３４：反射ミラー ３５：測定
格子パターン膜 ３６：位置格子パターン膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA53 BB05 DD00 DD06 FF01 FF07 FF49 GG03 GG04 GG12 GG24 HH07 HH09 JJ03 JJ05 JJ26 LL12 LL22 LL37 LL47 QQ25 QQ38 SS03 SS13 UU05 UU08

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】三次元形状の測定対象物に格子パターンを
   投影する投影手段と、測定対象物に投影された像を撮像
   する撮像手段と、撮像された画像とを用いた三次元形状
   測定装置において、投影手段は光を周波数領域別に複数
   の格子パターンを作成し、少なくとも１つの格子パター
   ンには、格子内に格子の二次元位置情報を示すコードパ
   ターンを有することと、撮像手段は光の周波数領域別に
   撮像する手段を備えたことを特徴とする三次元形状測定
   装置。
2. 【請求項２】三次元形状の測定対象物に格子パターンを
   投影する投影手段と、測定対象物に投影された像を撮像
   する撮像手段と、撮像された画像とを用いた三次元形状
   測定装置において、投影手段は光の偏向方向別に複数の
   格子パターンを作成し、少なくとも１つの格子パターン
   には、格子内に格子の二次元位置情報を示すコードパタ
   ーンを有することと、撮像手段は光の偏向方向別に撮像
   する手段を備えたことを特徴とする三次元形状測定装
   置。
3. 【請求項３】三次元形状の測定対象物に格子パターンを
   投影する投影手段と、測定対象物に投影された像を撮像
   する撮像手段と、撮像された画像とを用いた三次元形状
   測定装置において、投影手段は格子パターンの格子内に
   格子の二次元位置情報を示すコードパターンを有するこ
   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と請求項２と請求項３の三次元形
   状測定装置において、投影手段は格子パターン膜の格子
   内に設けられた二次元位置情報を示すコードパターンの
   並び順を変え同じコードパターンを複数回使用すること
   を特徴とする三次元形状測定装置