JP2003083739A - 三次元形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で測定精度の良い三次元形状計測
装置を提供する。 【解決手段】 被測定物２１の周囲でこれを保持する保
持治具２２に３つ以上のマーカー３３ａ〜３３ｃを形成
する。被測定物２１の表面とともに併せてマーカー３３
ａ〜３３ｃの三次元形状を計測する工程を、被測定物２
１と保持治具２２を回転軸２７を中心に回転させて異な
った角度で複数回実行して複数の三次元データを得、こ
れらの複数の三次元データについて、マーカー３３ａ〜
３３ｃの位置を目安に合わせ込んで統合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、被測定物をスキ
ャンしてその三次元形状を計測する三次元形状計測装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１０の如く、レーザービームによる光
切断方式で被測定物１の三次元形状を入力する非接触方
式の三次元形状入力装置２がある。この三次元形状入力
装置２は、スリット状のレーザー光３で被測定物１を走
査し、その反射光を三次元形状入力装置２内のＣＣＤカ
メラ４で受光（スキャン）する。三角測距の原理で被測
定物１との距離情報を得て、三次元データ化する。レー
ザー光３を例えばガルバノミラーで上下に走査すること
により、一回のスキャンで照射画像全体で所定画素（例
えば、２００×２００ドットまたは４００×４００ドッ
ト）の距離画像を入力する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ここで、三次元形状入
力装置２の一回のスキャンでは、被測定物１の一面側の
三次元形状しか入力することができない。このため、被
測定物１の裏表両面の三次元形状を入力したい場合は、
少なくとも裏面側からと表面側からの２回以上のスキャ
ンを行う必要がある。このように、被測定物１の裏面側
と表面側の三次元形状をそれぞれスキャンして被測定物
１全体の三次元形状を入力する場合、裏面側スキャンで
得られた三次元形状と表面側スキャンで得られた三次元
形状とを相互に対応付けて、仮想的三次元空間内で合わ
せ込む作業が必要となる。

【０００４】ここで、例えば特開平０６−０７２７２３
号公報（第１従来技術）では、図１１の如く、所定の一
軸方向Ｘについて所定の平面状の基準位置６を予め設定
しておき、被測定物１を基準位置６の付近に配置する。
そして、測定器７で被測定物１の一面８の三次元形状を
レーザースキャンにて入力する際、併せて基準位置６の
一軸方向Ｘでの位置をも測定器７で測定する。これによ
り、測定器７では、基準位置６に対する被測定物１の一
面８の相対的な座標ｘ１，ｘ２，ｘ３…を得することが
できるため、基準位置６の絶対座標と合わせ込むこと
で、被測定物１の一面８の三次元形状を絶対座標として
得ることが可能となる。かかる方法により、被測定物１
の一面８だけでなく複数面（例えば裏表面）の絶対座標
を求めて全体的な三次元形状を入力することができる。

【０００５】しかしながら、かかる第１従来技術では、
一軸方向Ｘについては比較的正確に被測定物１の一面８
の絶対座標を得ることが可能であるが、この一軸方向Ｘ
に直交する方向にずれが生じた場合に、その旨を検出す
ることが困難であり、したがって必ずしも精度良い三次
元形状を入力できるとは言えなかった。

【０００６】あるいは、特開平０９−２５７４２７号公
報（第２従来技術）で開示されている方法もある。この
第２従来技術では、複数の測定器１１ａ，１１ｂを用い
て被測定物１の三次元形状を入力する場合に、相互の位
置関係が既知である相対応する交差平面１２の組を交線
１３の方向が異なるように少なくとも２組有する寸法既
知の基準物体１４を被測定物１に近接させて配置し、基
準物体１４と被測定物１に対して投影装置１５ａ，１５
ｂで光をそれぞれ投影し、その投影された光の反射光を
撮像装置１６ａ，１６ｂで撮像する。この際、基準物体
１４の交線１３の位置情報に基づいて、複数の測定器１
１ａ，１１ｂの計測結果を位置及び方向について合わせ
込んで統合し、統合後の被測定物１の各面の位置関係か
ら寸法を算出していた。

【０００７】ただし、この第２従来技術では、交差平面
１２の加工精度が交線１３の位置精度に影響を与えると
いう問題がある。特に基準物体１４が複雑な形状になる
ので、精密計測する場合には高精度の加工が必要とな
り、基準物体１４が高価なものとなってしまう。また、
基準物体１４が立体形状である必要があるため、被測定
物１の周囲に配置するのに特別の固定具を工夫する必要
がある。

【０００８】この他、基準物体として球体を使用し、こ
の球体の球面座標を基準にして、多方向から検出した被
測定物の三次元形状データを合わせ込む技術（第３従来
技術：図示省略）がある。しかしながら、この第３従来
技術では、測定光束とかなり傾斜した面が含まれること
から、多方向からの測定誤差が生じ、精度良い合成がで
きないという問題があった。

【０００９】そこで、この発明の課題は、簡単な構成で
測定精度の良い三次元形状計測装置を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく、
請求項１に記載の発明は、被測定物の表面の三次元形状
を入力する入力手段と、前記被測定物の周囲に配置さ
れ、前記入力手段で前記被測定物の表面の三次元形状が
入力される際に、併せてそれぞれの三次元形状が入力さ
れる３つ以上のアライメント手段と、前記入力手段と前
記被測定物及び前記アライメント手段との間の位置関係
を変える手段と、前記位置関係を変えて前記入力手段に
より得られた三次元データについて、前記入力手段で入
力された前記アライメント手段の三次元形状から抽出さ
れる三次元位置に基づき、複数の前記三次元データを合
わせ込んで統合する制御手段とを備えるものである。

【００１１】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の三次元形状計測装置であって、前記アライメント手段
が、前記被測定物を保持する保持治具に形成されるもの
である。

【００１２】請求項３に記載の発明は、請求項１または
請求項２に記載の三次元形状計測装置であって、前記各
アライメント手段が、表裏面が平行とされた平面板を使
用されるものである。

【００１３】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
の三次元形状計測装置であって、前記各アライメント手
段が、前記平面板に所定形状のマーク孔が穿設されてな
るものである。

【００１４】請求項５に記載の発明は、請求項３または
請求項４に記載の三次元形状計測装置であって、前記各
アライメント手段が、円形または少なくとも一つの斜線
部分を含むパターンを有するものである。

【００１５】請求項６に記載の発明は、請求項１ないし
請求項５のいずれかに記載の三次元形状計測装置であっ
て、前記各アライメント手段の厚みが、互いに同一の既
知の寸法に設定され、前記制御手段が、前記既知の寸法
に基づいて前記アライメント手段の厚みを補正して複数
の前記三次元データを合わせ込んで統合するものであ
る。

【００１６】請求項７に記載の発明は、請求項１ないし
請求項６のいずれかに記載の三次元形状計測装置であっ
て、前記制御手段が、複数の前記アライメント手段の三
次元位置を頂点とする多角形を複数の前記三次元データ
毎に抽出し、当該複数の三次元データについて、当該多
角形を合致させるように座標変換して統合し、複数の前
記アライメント手段の三次元位置を頂点とする前記多角
形の頂点のうち任意の３つのアライメント手段の三次元
位置が同一線上にないように配置されるものである。

【００１７】請求項８に記載の発明は、請求項７に記載
の三次元形状計測装置であって、前記制御手段が、前記
多角形の重心点と、当該多角形の前記被測定物の一方向
に対応する法線ベクトルを複数の前記三次元データ毎に
求め、複数の前記三次元データについて、前記法線ベク
トルを一致させるとともに、前記重心点が一致するよう
に平行移動し、多角形の各頂点がほぼ一致するように回
転座標変換して、当該複数の三次元データを統合するも
のである。

【００１８】請求項９に記載の発明は、請求項３に記載
の三次元形状計測装置であって、前記平面板の裏表両面
が拡散面とされたものである。

【００１９】請求項１０に記載の発明は、請求項３に記
載の三次元形状計測装置であって、全ての前記アライメ
ント手段が、平行関係であるものである。

【００２０】尚、望ましくは、前記アライメント手段
が、反射または発光パターンである。

【００２１】さらに望ましくは、三次元形状計測装置
が、前記位置関係を変える手段として所定の軸を中心に
前記被測定物及びアライメント手段を回転させる回転手
段をさらに備える。

【００２２】さらに望ましくは、前記アライメント手段
が３つ形成され、前記多角形が三角形である。

【００２３】さらに望ましくは、前記三次元形状計測装
置が前記被測定物及び前記アライメント手段に投光する
投光手段をさらに備え、前記入力手段が受光手段であ
り、前記制御手段が前記アライメント手段のパターンに
応じて前記投光手段の投光を制御する。

【００２４】さらに望ましくは、前記アライメント手段
が、前記制御手段で認識される測定座標系内で既知座標
の近傍に配置される。

【００２５】動作時には、被測定物の周囲に３つ以上の
アライメント手段を配置し、前記被測定物の表面ととも
に、併せてアライメント手段の三次元形状を入力手段に
入力する工程を、前記被測定物と前記アライメント手段
の三次元形状が所定の回転軸を中心に回転することで前
記入力手段に対して異なった角度で複数回実行し、この
ように入力された複数の三次元データについて、前記入
力手段で入力された前記アライメント手段の三次元形状
から算出される三次元位置に基づいて、複数の前記三次
元データを合わせ込んで統合する。

【００２６】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の一の実施の形態
に係る三次元形状計測装置を示すブロック図である。こ
の三次元形状計測装置は、アライメント手段を厚み（既
知）の薄い平面ディスクで構成して精度良いデータ合成
を行うものである。

【００２７】具体的に、この三次元形状計測装置は、図
１の如く、被測定物２１を保持するとともに当該被測定
物２１の表面の三次元形状入力の際の基準位置を特定す
る保持治具２２と、被測定物２１及び保持治具２２に光
束を投光する投光手段２３と、被測定物２１及び保持治
具２２の反射光を計測する受光手段（入力手段）２４
と、受光手段２４での計測結果に基づいて被測定物２１
の位置を仮想的に位置合わせするよう演算する制御手段
２５と、制御手段２５での制御に基づいて投光手段２３
を制御する投光制御手段２６と、保持治具２２を回転軸
２７を中心に回転させる回転手段２８とを備える。

【００２８】保持治具２２は、図２に示す如く、被測定
物２１の周囲を囲むフレーム体３１と、このフレーム体
３１内に配置される被測定物２１を内側方向に締め付け
て挟持する複数の締め付けネジ（保持部品）３２と、受
光手段２４で反射光を計測する際の保持治具２２の位置
の目印となる複数のマーカー（アライメント手段）３３
ａ〜３３ｃとを備える。保持治具２２の下辺部は、回転
手段２８の回転軸２７が固定されて支持される。

【００２９】フレーム体３１は被測定物２１より大きな
内周で形成された枠体であり、熱膨張率の低い金属部材
等で形成されている。フレーム体３１の複数箇所には、
締め付けネジ３２が螺設貫通するためのネジ孔３５が形
成されている。

【００３０】締め付けネジ３２は先端が針状または半球
状になっている巻ネジであって、フレーム体３１のネジ
孔３５を貫通して当該フレーム体３１の内側方向に向け
て進退可能となっている。

【００３１】複数のマーカー３３ａ〜３３ｃは、フレー
ム体３１に一体的に形成されて中央部に直径φの正面視
円形のマーク孔３６がエッチング等により形成された薄
厚状の平面板３７である（図７参照）。これらのマーカ
ー３３ａ〜３３ｃの平面板３７の厚みは互いに同一の微
少寸法（＝δ）に設定されており、各マーカー３３ａ〜
３３ｃの表面と裏面は互いに平行とされている。また、
マーカー３３ａ〜３３ｃは、後述する位置合わせの目安
となるため、可及的に小さい寸法（直径φ）で且つ可及
的に薄厚に形成することが望ましい。また、平面板３７
の裏表両面は、投光手段２３から投光されたレーザー光
が反射して受光手段２４に確実に向かうように、エッチ
ング処理が施されて拡散面状に形成されている。

【００３２】これらのマーカー３３ａ〜３３ｃは、フレ
ーム体３１の上辺部の両隅部にそれぞれ１つずつ形成さ
れた第１及び第２のマーカー３３ａ，３３ｂと、同じく
フレーム体３１の片側辺部の下端部付近に１つだけ形成
された第３のマーカー３３ｃの合計３つがあり、これら
が同一平面（以下「主面」と称す）上に配置されてい
る。そして、第３のマーカー３３ｃがフレーム体３１の
片側辺部の下端部付近に１つだけ形成されることで、３
つのマーカー３３ａ〜３３ｃを頂点とする三角形は、回
転手段２８の回転軸２７に対して非線対称に形成され
る。

【００３３】また、各マーカー３３ａ〜３３ｃのマーク
孔３６の表面側の形状の重心と裏面側の形状の重心と
は、各主面に平行な平面上で同一の座標になる（即ち、
各マーク孔３６の重心軸が成す方向が主面に対して法線
方向になる）ように設定されている。これにより、保持
治具２２を受光手段２４に対して投影した場合に、その
投影像におけるマーク孔３６は、各マーカー３３ａ〜３
３ｃの表面と裏面の両方の座標が精度良く一致するよう
になる。

【００３４】投光手段２３は、レーザ発振器から出射さ
れたレーザー光を水平方向（横方向）に高速に往復させ
て擬似的に横長のスリット状レーザー光を生成するか光
学的に横長のスリット状リーざー光を生成し、当該スリ
ット状レーザー光を例えばガルバノミラーで上下に走査
することにより、静止状態の被測定物２１を走査するよ
うになっている。

【００３５】受光手段２４は、投光手段２３から投光さ
れたスリット状レーザー光の被測定物２１における反射
光を受光するＣＣＤカメラであり、投光手段２３の近傍
に隣接して配置される。

【００３６】制御手段２５は、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＭＰ
Ｕを備え、ＲＯＭ等に予め格納されたソフトウェアプロ
グラムに定義された手順通りに動作する機能要素であ
る。ここで、当該ソフトウェアプログラムによって規律
される機能としては、受光手段２４で受光した光に基づ
いて被測定物２１との距離情報を得てその表面の三次元
データを得る三次元化機能と、三次元化機能により得ら
れた三次元データから保持治具２２に形成された複数
（３個）のマーカー３３ａ〜３３ｃ（図３及び図４
（Ａ）（Ｂ）参照）を抽出するマーカー抽出機能と、抽
出した複数（３個）のマーカー３３ａ〜３３ｃの中心位
置を頂点とする多角形（三角形：図５（Ａ）（Ｂ）参
照）３９ａ，３９ｂを抽出する多角形抽出機能と、回転
手段２８により回転軸２７を中心に回転されて複数回計
測された被測定物２１及び保持治具２２の三次元形状に
ついて、抽出された多角形（三角形）の対比を行って位
置の合わせ込みを行う位置合わせ機能と、マーカー３３
ａ〜３３ｃの厚みδを補正するマーカー厚み補正機能
と、投光制御手段２６に投光手段２３の制御を指示する
制御機能とを備える。これらの各機能は後述の動作を規
定するものであり、詳細は後述する。

【００３７】投光制御手段２６は、制御手段２５からの
指示に基づいて投光手段２３でのレーザー光の投光制御
を行う。特に、この投光制御手段２６が制御手段２５の
指示を受けてマーカー３３ａ〜３３ｃのマーク孔３６の
パターンに応じて投光手段２３の投光を制御すること
で、被測定物２１だけでなくマーカー３３ａ〜３３ｃを
も確実に投光してマーカー３３ａ〜３３ｃの三次元形状
を受光手段２４で入力できるようになっている。尚、被
測定物２１とマーカ３３ａ〜３３ｃからの反射光強度が
著しく異なった場合でも対応できるように、例えば、被
測定物２１とマーカ３３ａ〜３３ｃのスキャン時にそれ
ぞれ異なるレーザー光強度や計測感度が設定できるよう
にしてもよい。

【００３８】回転手段２８は、例えば図２の如く、ステ
ッピングモーター４０を用いて、台座４１上で鉛直方向
に立設した回転軸２７を水平方向に回転させる回転ステ
ージである。特に、回転軸２７の回転角度を精度良く調
整することが可能となっており、保持治具２２のフレー
ム体３１を、少なくとも、複数のマーカー３３ａ〜３３
ｃがなす主面が受光手段２４に対してほぼ法線方向に配
置された状態（表面状態）と、当該表面状態から回転軸
２７を中心に１８０度回転させた状態の裏面状態とに切
り替えることが可能となっている。この回転手段２８
は、手作業によるスイッチ操作でステッピングモーター
４０を駆動するようにしてもよいし、あるいは制御手段
２５によりステッピングモーター４０を自動的に駆動す
るようにしてもよい。尚、その他にも表面状態または裏
面状態から３０度、６０度、１２０度及び１５０度等の
任意の中間角度に回転させることが可能なことが望まし
い。尚、回転手段２８の回転軸２７により支持される保
持治具２２は投光手段２３及び受光手段２４に対向配置
されており、これにより保持治具２２に保持される被測
定物２１も投光手段２３及び受光手段２４に対向配置さ
れることになる。

【００３９】＜動作＞上記構成の三次元形状計測装置の
動作を図６のフローチャートに沿って説明する。ここで
は、まず被測定物２１の表面側の三次元データを収集し
た後、その裏面側の三次元データを収集し、これらの三
次元データを合わせ込んで統合する方法を説明する。

【００４０】まず、図６中のステップＳ０１の如く、被
測定物２１を図２に示すように保持治具２２のフレーム
体３１の内周内に配置し、締め付けネジ（保持部品）３
２をフレーム体３１で進退させて、被測定物２１をフレ
ーム体３１の内部に固定する。

【００４１】次に、ステップＳ０２において、回転手段
２８を調整し、回転軸２７を中心に保持治具２２のフレ
ーム体３１を回転させて、被測定物２１の表面が投光手
段２３及び受光手段２４に対向するように設定する。こ
のとき、マーカー３３ａ〜３３ｃの主面の法線方向と受
光手段２４の受光方向の平均とがほぼ一致するような角
度に設定する。またこの際、マーカー３３ａ〜３３ｃ
は、制御手段２５において認識される測定座標系内で既
知座標位置Ｖ０（図７参照）の近傍に配置される（後
述）。

【００４２】そして、ステップＳ０３で、制御手段２５
の制御機能が投光制御手段２６に指示を与え、その指示
に従って投光制御手段２６が投光手段２３を制御し、投
光手段２３が被測定物２１及び保持治具２２に対して横
長のスリット状レーザー光を縦方向に走査する。そし
て。このときの被測定物２１及び保持治具２２での反射
光を受光手段２４で受光（スキャン）し、制御手段２５
の三次元化機能で、三角測距、干渉法、焦点検出、飛行
時間測定などのうちのいずれかの所定の方法により、例
えば図３及び図４（Ａ）に示したような三次元データを
得る（三次元計測）（ただし、図３及び図４（Ａ）では
三次元データを簡略化して示している）。

【００４３】続いてステップＳ０４に進む。ステップＳ
０４では、制御手段２５のマーカー抽出機能において、
ステップＳ０３で得られた三次元データの中から複数
（３個）のマーカー３３ａ〜３３ｃを抽出する。ここ
で、図７の如く、マーカー３３ａ〜３３ｃのマーク孔３
６の中心点の大凡の位置は、予め制御手段２５において
認識される測定座標系内で既知の座標位置Ｖ０として認
識されている。このように、大凡の位置が解っていれ
ば、他の孔と間違って認識されることがなく、また自動
的にマーカ３３ａ〜３３ｃを抽出するのに好適である。
但し、実際に回転手段２８上で支持された保持治具２２
の位置ずれ誤差によって、実際のマーク孔３６の中心点
の位置Ｖ１が予め制御手段２５内で認識された座標位置
Ｖ０から若干ずれることがあるため、ここでは、既知の
ものとして予め認識していた大凡の座標位置に最近接続
しているマーク孔３６のエッジを三次元データの中から
抽出し、このエッジに対してエッジに対する最小二乗近
似などの方法により当該エッジの円の正確な中心位置Ｖ
１を抽出する。マーク孔３６は、直径φの円形をなして
いるため、その円形のエッジの座標を求め、そのエッジ
の座標より容易に中心位置Ｖ１の座標を求めることがで
きる。

【００４４】次に、ステップＳ０５において、制御手段
２５の多角形抽出機能は、複数のマーカー３３ａ〜３３
ｃ（マーク孔３６）の各中心位置Ｖ１を頂点とする多角
形（三角形）を求める。図５（Ａ）は、被測定物２１の
表側の三次元データを収集した際にマーカー３３ａ〜３
３ｃの中心位置Ｖ１によって形成された三角形３９ａを
示す図である。ここでは、多角形（三角形）の頂点（各
マーク孔３６の中心位置Ｖ１）を点Ａ１，点Ｂ１，点Ｃ
１と標記している。そして、当該三角形３９ａの３個の
頂点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１の座標から重心点Ｇ１の座標を求
める。さらに、三角形３９ａの面に対する法線方向のベ
クトルＮ１（以下「三角形ベクトル」と称す）を求め、
この三角形ベクトルＮ１を被測定物２１の表面側の方向
ベクトル（以下「被測定物ベクトル」と称す）Ｍ１と擬
制する。尚、三角形ベクトルＮ１（＝被測定物ベクトル
Ｍ１）は、ベクトルＡ１Ｂ１とベクトルＡ１Ｃ１の外積
により容易に求めることができる。このときの被測定物
ベクトルＭ１は、後述（ステップＳ０８）のマーカー３
３ａ〜３３ｃの厚み補正を行う際に使用するものであ
る。

【００４５】この段階で、被測定物２１の表面側と保持
治具２２の三次元データ及びこれに対応する三角形３９
ａの各パラメータを得ることができたので、次に被測定
物２１の裏面側についても同様の処理を行う必要があ
る。そこで、ステップＳ０６でその旨を判断し、ステッ
プＳ０２に戻って、回転手段２８により回転軸２７を中
心に保持治具２２を水平方向に１８０°回転させ、被測
定物２１の裏面側が受光手段２４に対向するように配置
する。そして、この被測定物２１の裏面側について、ス
テップＳ０３〜ステップＳ０５の処理を行う。ここで、
この段階でのステップＳ０３での三次元データは図４
（Ｂ）のようになる（ただし、図４（Ｂ）では三次元デ
ータを簡略化して示している）。そして、この三次元デ
ータからステップＳ０４でマーカー３３ａ〜３３ｃを抽
出してステップＳ０５での処理を行うと、図５（Ｂ）に
示したような三角形３９ｂを得ることができる。この三
角形３９ｂは、被測定物２１の裏面側の三次元データを
収集した際にマーカー３３ａ〜３３ｃの中心位置Ｖ１を
頂点として得られるものであり、これらの頂点（各マー
ク孔３６の中心位置Ｖ１）を点Ａ２，点Ｂ２，点Ｃ２と
標記している。そして、当該三角形３９ｂの３個の頂点
Ａ２，Ｂ２，Ｃ２の座標から重心点Ｇ２の座標を求め
る。さらに、三角形３９ｂの面に対する法線方向のベク
トルを三角形ベクトルＮ２とする。この場合、この三角
形ベクトルＮ２と、既に求められた被測定物２１の被測
定物ベクトルＭ２とは負の関係になる。尚、三角形ベク
トルＮ２は、ベクトルＡ２Ｂ２とベクトルＡ２Ｃ２との
外積により容易に求めることができる。このときの被測
定物ベクトルＭ２は、後述（ステップＳ０８）のマーカ
ー３３ａ〜３３ｃの厚み補正を行う際に使用するもので
ある。

【００４６】こうして、被測定物２１及び保持治具２２
の裏表両面の各三次元データ及び両三角形３９ａ，３９
ｂのパラメータ等を得た段階で、次のステップＳ０７に
進む。

【００４７】ステップＳ０７では、制御手段２５の位置
合わせ機能により、三角形３９ａ，３９ｂのパラメータ
を基準として、被測定物２１の裏表両面側の三次元デー
タを合わせ込んで統合する。

【００４８】具体的に、まず図５（Ａ）（Ｂ）に示した
両方の三角形ベクトルＮ１，Ｎ２が一致するように、被
測定物２１及び保持治具２２の裏表両面側の三次元デー
タを座標変換する。

【００４９】次に、図５（Ｂ）に示した三角形３９ｂの
頂点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２を三角形ベクトルＮ２（この時点
で三角形ベクトルＮ１に一致している）を回転軸として
回転し、図５（Ａ）（Ｂ）に示した両方の三角形３９
ａ，３９ｂの姿勢を一致させる。

【００５０】そして、図５（Ｂ）に示した三角形３９ｂ
を平行移動し、図５（Ａ）（Ｂ）に示した両方の三角形
３９ａ，３９ｂの重心点Ｇ１，Ｇ２を一致させる。

【００５１】尚、実際には、このステップＳ０７の全て
の処理手順を一度に実現するような行列Ｍｘ１を求めて
おく。

【００５２】しかる後、ステップＳ０８に進み、制御手
段２５のマーカー厚み補正機能にて、マーカー３３ａ〜
３３ｃの厚み分の補正（オフセット）を行う。

【００５３】具体的に、図４（Ｂ）に示した被測定物２
１及び保持治具２２の裏面側の三次元データを、図５
（Ｂ）に示したＭ２方向に、既知の値としてのマーカー
３３ａ〜３３ｃの厚みδだけ平行移動する。尚、実際に
は、このステップＳ０８の処理を実現するような行列Ｍ
ｘ２を求め、ステップＳ０７で求めた行列Ｍｘ１と行列
積算した変換行列Ｍｘ（＝Ｍｘ１×Ｍｘ２）を求め、図
４（Ｂ）に示した被測定物２１及び保持治具２２の裏面
側の三次元データを変換行列Ｍｘにより一気に変換す
る。

【００５４】そして、これらの裏表両面側の三次元デー
タを統合して、処理を終了する。

【００５５】以上のように、被測定物２１の裏表両面側
の三次元データをスキャンすると共に、保持治具２２に
形成されている複数のマーカー３３ａ〜３３ｃをも併せ
てスキャンし、マーカー３３ａ〜３３ｃの位置に基づく
多角形の各種パラメータに基づいて被測定物２１の裏表
両面側の三次元データを合わせ込んで統合するので、被
測定物２１の周囲に配置しやすい保持治具２２のシンプ
ルな形状で、被測定物２１の裏表両面側の三次元データ
を高精度の位置合わせで統合することができる。

【００５６】また、複数のマーカー３３ａ〜３３ｃのそ
れぞれは極めて小さく形成しても差し支えないので、各
マーカー３３ａ〜３３ｃの寸法及び厚さを可及的に小さ
く設定することができ、三次元データの合わせ込み動作
において、三次元のどの方向についても精度を向上する
ことができる。

【００５７】さらに、小型且つ軽量な保持治具２２を用
いるだけで被測定物２１の裏表両面側の三次元データを
高精度に位置合わせできるので、回転手段２８（回転ス
テージ）上に配置したときに差し支えが無く便利であ
る。

【００５８】尚、上記実施の形態では、マーカー３３ａ
〜３３ｃの各マーク孔３６の形状として円形を採用して
いたが、これに限るものではなく、例えば図８のような
Ｘ字型や図９のような略楔形等の斜線部分を含むパター
ンであってもよい。ただし、投光手段２３及び受光手段
２４が横長（図中Ｕ方向）等のスリット状レーザー光を
用いてスキャンする方式である場合には、計測精度を向
上するために、スリット状レーザー光の長手方向Ｕに対
して角度を持たせた形状（例えばＸ字型や略楔形等のよ
うに、方向Ｕに対して斜め線が多い形状）であることが
望ましい。尚、例えば図８のようなＸ字型の場合では、
上述した重心点Ｇ１，Ｇ２に代えて、斜め線の交点の座
標を合わせ込みの基準点としてもよい。また、例えば図
９のような略楔形の場合は、パターンピッチを測定器の
空間分解能を考慮し設定すればよい。

【００５９】さらに、マーカー３３ａ〜３３ｃについて
は、マーク孔３６に代えて、例えばガラス基板に反射パ
ターンを蒸着してもかまわない。この場合、マーカー３
３ａ〜３３ｃが中抜き状に形成されても外抜き状に形成
されても良い。この場合には、蒸着層の厚み分がパター
ン厚となる。

【００６０】さらに、他方向からの計測を可能とするた
めに、マーカー３３ａ〜３３ｃ自体に電気的な発光体を
取り付ける構成とし、マーカー３３ａ〜３３ｃ自体が発
光するようにしても差し支えない。

【００６１】さらに、上記の実施の形態では、被測定物
２１の裏表両面側のみを計測して三次元データを得るよ
うにしていたが、表面状態または裏面状態から３０度、
６０度、１２０度及び１５０度等の任意の中間角度（斜
め角度に配置して三次元データを採取し、上記した同様
の方法で合わせ込んで統合することも可能である。

【００６２】また、上記実施の形態中のステップＳ０８
では、マーカー３３ａ〜３３ｃの平面板３７の厚みδ分
だけオフセット処理を行っていたが、マーカー３３ａ〜
３３ｃの平面板３７の厚みδが極めて薄く形成されてい
る場合であって、平面板３７の厚みδを無視できる場合
は、ステップＳ０８を省略しても差し支えない。

【００６３】さらに、上記実施の形態では、３つのマー
カー３３ａ〜３３ｃを形成しておき、このマーカー３３
ａ〜３３ｃにより三角形を形成するようにしていたが、
４つ以上のマーカーを用いて、そのマーカーに関する所
定点（例えば中心点等）を頂点とした多角形を形成する
ようにしてもよい。

【００６４】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、被測定
物の周囲に３つ以上のアライメント手段を配置し、入力
手段と被測定物及びアライメント手段との間の位置関係
を変えながら入力手段により得られた三次元データにつ
いて、入力手段で入力されたアライメント手段の三次元
形状から抽出される三次元位置に基づき、複数の三次元
データを合わせ込んで統合するので、第１従来技術に比
べて三次元のあらゆる方向に精度良く三次元データを統
合することができる。また、小型のアライメント手段を
複数設置するだけで、これらのアライメント手段の配置
により被測定物の周囲を囲んだ目安により位置合わせを
行うことができ、第２従来技術及び第３従来技術に比べ
て安価で簡単な構成で安価となり、且つ小型化による省
スペース化を達成できる。

【００６５】請求項２に記載の発明によれば、アライメ
ント手段が、被測定物を保持する保持治具に形成される
ので、角度を変更して被測定物の三次元形状を入力する
際に、アライメント手段と被測定物との位置ずれが生じ
にくくなる。

【００６６】請求項３に記載の発明によれば、各アライ
メント手段が、表裏面が平行とされた平面板を使用され
ているので、入力手段に入射する光軸に対してほぼ直角
に配置することが容易になり、光軸に対して傾斜した面
が含まれる第３従来技術に比べて精度良い位置合わせを
行うことができる。特に、請求項１０によれば、さらに
全ての前記アライメント手段が、平行関係であるので、
すべてのアライメント手段が光軸に対してほぼ直角に配
置でき、より精度の良い位置合わせを行うことができ
る。

【００６７】請求項４に記載の発明によれば、各アライ
メント手段として、平面板に所定形状のマーク孔が穿設
されたものを使用しているので、マーク孔が空いている
か否かを検出することで、入力手段が容易にマーク孔を
検出することができる。

【００６８】請求項５に記載の発明によれば、各アライ
メント手段が、円形または少なくとも一つの斜線部分を
含むパターンを有するので、例えばスリット状レーザー
等を用いてアライメント手段をスキャンする場合に、ス
リット状レーザーの長手方向に長いまたは直交するパタ
ーンのみを採用する場合に比べて計測精度が高くなる。

【００６９】請求項６に記載の発明によれば、各アライ
メント手段の厚みが、互いに同一の既知の寸法に設定さ
れ、制御手段が、既知の寸法に基づいてアライメント手
段の厚みを補正して複数の三次元データを合わせ込んで
統合するので、アライメント手段の厚み方向の位置合わ
せを正確に実行できる。

【００７０】請求項７及び請求項８に記載の発明によれ
ば、制御手段が、複数のアライメント手段の三次元位置
を頂点とする多角形を複数の三次元データ毎に抽出し、
当該複数の三次元データについて、当該多角形を合致さ
せるように座標変換して統合し、複数のアライメント手
段が、任意の３つのアライメント手段の三次元位置が同
一直線状にないように配置されるので、被測定物の裏表
の別を、非線対称の多角形の向きにより容易に区別して
座標変換及び統合を行うことができる。特に、請求項８
に記載の発明によれば、複数の三次元データについて法
線ベクトルを一致させ、且つ重心点が一致するように平
行移動し、多角形の各頂点が一致するように回転座標変
換するだけで、当該複数の三次元データを容易に統合で
きる。

【００７１】請求項９に記載の発明によれば、平面板の
裏表両面が拡散面とされているので、平面板の表面での
光の散乱により、アライメント手段が入力手段の光軸に
対して傾いても入力手段に確実に光を入光でき、入力手
段で確実にアライメント手段の三次元形状を入力でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一の実施の形態に係る三次元形状計
測装置を示すブロック図である。

【図２】この発明の一の実施の形態に係る三次元形状計
測装置の保持治具、マーカー及び回転手段を示す斜視図
である。

【図３】この発明の一の実施の形態に係る三次元形状計
測装置で計測された三次元データを示す斜視図である。

【図４】この発明の一の実施の形態に係る三次元形状計
測装置で計測された三次元データを示す図である。

【図５】マーカーの位置を頂点とする多角形を示す図で
ある。

【図６】この発明の一の実施の形態に係る三次元形状計
測装置の動作を示すフローチャートである。

【図７】マーカーを示す斜視図である。

【図８】マーカーの変形例を示す正面図である。

【図９】マーカーのさらなる変形例を示す正面図であ
る。

【図１０】一般的な三次元形状入力装置での三次元形状
入力動作を示す模式図である。

【図１１】第１従来技術の三次元形状計測装置を示す模
式図である。

【図１２】第２従来技術の三次元形状計測装置を示す斜
視図である。

【符号の説明】

Ｎ１，Ｎ２ 三角形ベクトル Ｇ１，Ｇ２ 重心点 Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，Ｃ１，Ｃ２ 頂点 ２１ 被測定物 ２２ 保持治具 ２３ 投光手段 ２４ 受光手段（入力手段） ２５ 制御手段 ２６ 投光制御手段 ２７ 回転軸 ２８ 回転手段 ３１ フレーム体 ３２ ネジ（保持部品） ３３ａ〜３３ｃ マーカー（アライメント手段） ３３ａ〜３３ｃ 各マーカー ３６ マーク孔 ３７ 平面板 ３９ａ，３９ｂ 三角形 ４０ ステッピングモーター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原田 孝仁 大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 阿部 芳久 大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 亀沢 仁司 大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA12 AA17 AA53 BB27 BB29 FF01 FF07 FF42 MM14 QQ18 2F069 AA04 AA13 AA66 GG04 GG07 JJ04 MM02 MM23 MM34 NN17

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物の表面の三次元形状を入力する
   入力手段と、 前記被測定物の周囲に配置され、前記入力手段で前記被
   測定物の表面の三次元形状が入力される際に、併せてそ
   れぞれの三次元形状が入力される３つ以上のアライメン
   ト手段と、 前記入力手段と前記被測定物及び前記アライメント手段
   との間の位置関係を変える手段と、 前記位置関係を変えて前記入力手段により得られた三次
   元データについて、前記入力手段で入力された前記アラ
   イメント手段の三次元形状から抽出される三次元位置に
   基づき、複数の前記三次元データを合わせ込んで統合す
   る制御手段とを備える三次元形状計測装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の三次元形状計測装置で
   あって、 前記アライメント手段が、前記被測定物を保持する保持
   治具に形成されることを特徴とする三次元形状計測装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の三次元
   形状計測装置であって、 前記各アライメント手段が、表裏面が平行とされた平面
   板を使用されることを特徴とする三次元形状計測装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の三次元形状計測装置で
   あって、 前記各アライメント手段が、前記平面板に所定形状のマ
   ーク孔が穿設されてなることを特徴とする三次元形状計
   測装置。
5. 【請求項５】 請求項３または請求項４に記載の三次元
   形状計測装置であって、 前記各アライメント手段が、円形または少なくとも一つ
   の斜線部分を含むパターンを有することを特徴とする三
   次元形状計測装置。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項５のいずれかに記
   載の三次元形状計測装置であって、 前記各アライメント手段の厚みが、互いに同一の既知の
   寸法に設定され、 前記制御手段が、前記既知の寸法に基づいて前記アライ
   メント手段の厚みを補正して複数の前記三次元データを
   合わせ込んで統合することを特徴とする三次元形状計測
   装置。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項６のいずれかに記
   載の三次元形状計測装置であって、 前記制御手段が、複数の前記アライメント手段の三次元
   位置を頂点とする多角形を複数の前記三次元データ毎に
   抽出し、当該複数の三次元データについて、当該多角形
   を合致させるように座標変換して統合し、 複数の前記アライメント手段の三次元位置を頂点とする
   前記多角形の頂点のうち任意の３つのアライメント手段
   の三次元位置が同一線上にないように配置されることを
   特徴とする三次元形状計測装置。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の三次元形状計測装置で
   あって、 前記制御手段が、前記多角形の重心点と、当該多角形の
   前記被測定物の一方向に対応する法線ベクトルを複数の
   前記三次元データ毎に求め、 複数の前記三次元データについて、前記法線ベクトルを
   一致させるとともに、前記重心点が一致するように平行
   移動し、多角形の各頂点がほぼ一致するように回転座標
   変換して、当該複数の三次元データを統合することを特
   徴とする三次元形状計測装置。
9. 【請求項９】 請求項３に記載の三次元形状計測装置で
   あって、 前記平面板の裏表両面が拡散面とされたことを特徴とす
   る三次元形状計測装置。
10. 【請求項１０】 請求項３に記載の三次元形状計測装置
    であって、 全ての前記アライメント手段が、平行関係であることを
    特徴とする三次元形状計測装置。