JP2003172610A - ３次元色形状検出装置及び３次元スキャナー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定物の全体にわたって、正確に色及び３
次元形状を測定することができる３次元色形状検出装置
を提供すること。 【解決手段】３次元色形状検出装置１は、レーザユニッ
ト１２及びカラーＣＣＤカメラ１１を備えた測定ヘッド
１０と、測定ヘッド１０を上下動させるリニアステージ
２０と、被測定物３を設置する被測定物設置部４０と、
被測定物設置部４０を側方、上方、及び下方から囲むよ
うに配置された側面散乱板３２ａ，３２ｂ、上面散乱板
３４、下面散乱板３５と、側面散乱板３２ａ、３２ｂの
表面上に、等間隔で設置された線状蛍光灯３０と、上記
各部材を収容する暗箱５０とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３次元形状及び色
を正確に測定することができる３次元色形状検出装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、被測定物からの反射光を用い
て、被測定物の３次元形状と、表面の色とを測定するこ
とができる３次元色形状検出装置が知られていた。例え
ば、特開２００１−１４５１１６号に記載されている装
置では、１箇所のレーザーユニットから、赤、緑、青３
色のレーザ光を順次被測定物に照射し、その反射光を２
次元ＣＣＤで受光する。そして、２次元ＣＣＤ（受光手
段）が受光した反射光の像（被測定物の表面上にレーザ
ー光が形成する像）に基づいて、被測定物の各部分まで
の距離情報を求め、被測定物の３次元形状を検出する。
更に、この装置では、３色のレーザ光のそれぞれについ
て、被測定物からの反射光を受光手段で受光し、被測定
物の色を検出する。

【０００３】また、被測定物の色を検出する別の方法と
しては、点光源照明（例えばストロボ等のフラッシュ）
を用いて被測定物に光を照射し、その反射光を受光手段
で受光して、被測定物の色を検出する方法が知られてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の様に、
１カ所の光源から被測定物に光を照射し、その反射光を
受光して被測定物の色を測定する方法では、被測定物全
体の色を正確に測定することは困難であった。

【０００５】つまり、図１４に示す様に、被測定物Ｐ３
の正面側（図１４の左側）に、点光源Ｐ３０とＣＣＤカ
メラＰ１１とを配した３次元色形状検出装置では、被測
定物Ｐ３の側面に位置するＢ点に点光源から入射する光
は、正面に位置するＡ点に入射する光に比べて、面法線
に対する入射角度が大きい。

【０００６】そのため、反射光正反射成分のカメラに対
する角度が大きく異なることから、Ｂ点からＣＣＤカメ
ラＰ１１に入る反射光の光パワーは小さくなり、このＢ
点の色を正確に測定することができないという問題があ
った。また、これとは別に、３次元色形状検出装置を用
いて、被測定物Ｐ３の色及び３次元形状の像を、様々な
角度から測定し、それらの像を結合させることにより、
被測定物Ｐ３全体の色及び３次元形状の像（全体像）を
作成する方法が知られているが、この３次元色形状検出
装置では、全体像に、実際の被測定物Ｐ３にはない色の
段差が生じてしまうという問題があった。以下、具体的
に説明する。

【０００７】被測定物Ｐ３の全体像を作成するには、ま
ず、図１５ａに示す様に、被測定物Ｐ３の正面から、色
及び３次元形状を測定し、次に、図１５ｂに示す様に、
被測定物Ｐ３を９０°回転させ、左側面の色及び３次元
形状を測定する。同様に、背面、右側面の測定も行う。
そして、それぞれの方向から測定した像を結合して、図
１６に示す様な全体像を作成する。この全体像におい
て、図１６に示す境界線Ｃの左側は、被測定物Ｐ３が図
１５ａの位置にある時に測定された像であり、境界線Ｃ
の右側は、被測定物Ｐ３が図１５ｂの位置にある時に測
定された像である。

【０００８】前述したように、従来の３次元色形状検出
装置では、点光源Ｐ３０に対して側面となる部分の色は
正確に測定できないので、被測定物Ｐ３が図１５ａの位
置にある時の境界線Ｃ付近の色は正確に測定することが
できない。従って、図１６に示す全体像において、境界
線Ｃより左側の部分（被測定物Ｐ３が図１５ａの位置に
ある時に測定された部分）は、被測定物Ｐ３の実際の色
とは異なる色である。

【０００９】一方、図１６に示す全体像において、境界
線Ｃより右側の部分は、被測定物Ｐ３が図１５ｂの位置
にある時（つまり境界線Ｃ付近が点光源に正対する位置
にある時）に測定された部分であるので、被測定物Ｐ３
の実際の色を反映している。従って、図１６に示す全体
像では、境界線Ｃを境に、実際の被測定物Ｐ３にはない
色の段差が生じてしまう。

【００１０】本発明は以上の点に鑑みなされたものであ
り、被測定物の全体にわたって、正確に色及び３次元形
状を測定することができる３次元色形状検出装置を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】（１）請
求項１の発明は、被測定物からの反射光に基づいて、該
被測定物の３次元形状と、色とを測定する３次元色形状
検出装置であって、前記被測定物に対し光を照射する光
照射手段と、前記光が前記被測定物により反射した反射
光を受光する受光手段と、を備えるとともに、前記光照
射手段は、所定の広がりを有する領域から、前記光を照
射することを特徴とする３次元色形状検出装置を要旨と
する。

【００１２】本発明の３次元色形状検出装置では、被測
定物に対して、広い範囲から光が照射されるので、被測
定物の表面上の光の当たり方は、広い範囲に渡って均一
となる（影ができにくい）。そのため、被測定物の表面
から受光手段に入る反射光の強さは、その反射光が被測
定物の表面上のどの位置からの反射であるかに依存せ
ず、広い範囲に渡って均一となる。

【００１３】その結果、本発明の３次元色形状検出装置
は、被測定物の（受光手段に面している側の）表面上の
広い範囲に渡って、色を正確に測定することができる。 （２）請求項２の発明は、前記受光手段が２次元撮像素
子であることを特徴とする前記請求項１に記載の３次元
色形状検出装置を要旨とする。

【００１４】本発明の３次元色形状検出装置は、受光手
段として２次元撮像素子（例えば２次元ＣＣＤカメラ）
を備えているので、測定範囲が広く測定の自由度が高
い。また、色測定を高速で行うことができる。 （３）請求項３の発明は、前記所定の広がりを有する領
域は、前記被測定物から見て、前記受光手段を挟んで対
向する部分を有することを特徴とする前記請求項１又は
２に記載の３次元色形状検出装置を要旨とする。

【００１５】本発明の３次元色形状検出装置では、受光
手段の両側から、被測定物に対して光が照射されるの
で、受光手段は、被測定物の表面において、特に光の当
たり方が均一な側に面している。よって、受光手段に入
る反射光の強さは、その反射光が被測定物のどの部分か
らの反射光であるかに依らず、特に均一となり、被測定
物の（受光手段に面している側の）広い範囲に渡って、
色を正確に測定することができる。 （４）請求項４の発明は、所定の測定中心位置に対し、
前記所定の広がりを有する領域のなす立体角が、１ステ
ラジアン以上であることを特徴とする前記請求項１〜３
のいずれかに記載の３次元色形状検出装置を要旨とす
る。

【００１６】本発明の３次元色形状検出装置では、被測
定物に対して、立体角１ステラジアン以上の広い範囲か
ら光が照射されるので、被測定物の表面上の光の当たり
方が均一となる（影ができにくい）。そのため、被測定
物の表面から受光手段に入る反射光の強さは、被測定物
表面上の広い範囲に渡って均一となり、被測定物の（受
光手段に面している側の）広い範囲に渡って、色を正確
に測定することができる。 （５）請求項５の発明は、前記光が散乱光を含むことを
特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載の３次元
色形状検出装置を要旨とする。

【００１７】本発明の３次元色形状検出装置では、散乱
光を照射することにより、被測定物の表面に、均一に光
を照射することができる。そのため、被測定物の表面か
ら受光手段に入る反射光の強さは、被測定物表面上の広
い範囲に渡って均一となる。その結果、被測定物の（受
光手段に面している側の）表面上の広い範囲に渡って、
色を正確に測定することができる。

【００１８】また、多数の光源を用いる場合に比べて、
装置構成を簡略化できる。 （６）請求項６の発明は、前記散乱光は白色光であるこ
とを特徴とする前記請求項５に記載の３次元色形状検出
装置を要旨とする。

【００１９】本発明の３次元色形状検出装置では、白色
光を用いることにより、色の測定に際し、光照射が１度
で済むという効果がある。つまり、Ｒ、Ｇ、Ｂの光をそ
れぞれ照射する場合に比べて、高速な測定が可能にな
る。 （７）請求項７の発明は、前記光照射手段は、光源と、
該光源から照射された光を散乱させる散乱部材とを備え
ることを特徴とする前記請求項５又は６に記載の３次元
色形状検出装置を要旨とする。

【００２０】本発明は光照射手段を例示する。このよう
な光照射手段は、被測定物の表面に、均一に光を照射す
ることができる。これにより、本発明の３次元色形状検
出装置は、被測定物の（受光手段に面している側の）表
面上の広い範囲に渡って、色を正確に測定することがで
きる。

【００２１】（８）請求項８の発明は、前記散乱部材
を、前記被測定物から見て、前記光源の背面側に設けた
ことを特徴とする前記請求項７に記載の３次元色形状検
出装置を要旨とする。本発明は光照射手段を例示する。
このような光照射手段は、被測定物の表面に、均一に光
を照射することができる。これにより、本発明の３次元
色形状検出装置は、被測定物の（受光手段に面している
側の）表面上の広い範囲に渡って、色を正確に測定する
ことができる。

【００２２】（９）請求項９の発明は、前記散乱部材
を、前記被測定物から見て、前記光源の手前側に設けた
ことを特徴とする前記請求項７又は８に記載の３次元色
形状検出装置を要旨とする。本発明は光照射手段を例示
する。このような光照射手段は、被測定物の表面に、均
一に光を照射することができる。これにより、本発明の
３次元色形状検出装置は、被測定物の（受光手段に面し
ている側の）表面上の広い範囲に渡って、色を正確に測
定することができる。

【００２３】（１０）請求項１０の発明は、前記被測定
物を保持し、回動することができる被測定物回動手段を
備えることを特徴とする前記請求項１〜９のいずれかに
記載の３次元色形状検出装置を要旨とする。

【００２４】本発明の３次元色形状検出装置は、被測定
物に対して、例えば、３次元形状及び色の測定と、所定
角度（例えば９０度）の被測定物の回動とを交互に行う
ことにより、被測定物の全周に渡って、３次元形状と色
とを測定することができる。 （１１）請求項１１の発明は、前記被測定物を外部から
の光に対して遮光する遮光手段を備えることを特徴とす
る前記請求項１〜１０のいずれかに記載の３次元色形状
検出装置を要旨とする。

【００２５】本発明の３次元色形状検出装置では、外部
からの光を遮光することにより、例えば、外部からの光
のために、３次元形状測定時に用いる光（例えばレーザ
ーのスリット光）が被測定物の表面に形成する像のコン
トラストが低くなったりすることがない。よって、３次
元形状測定を正確に行うことができる。

【００２６】また、外部からの光を遮光することによ
り、被測定物の色測定時に、被測定物の表面に外部から
の光に起因する明暗が生じたりすることがないので、正
確に被測定物の色を測定することができる。 （１２）請求項１２の発明は、前記被測定物に対してス
リット光を照射するスリット光発生手段と、前記スリッ
ト光が前記被測定物の表面に形成する像に基づいて、前
記被測定物の３次元形状を検出する３次元形状検出手段
と、を備えることを特徴とする前記請求項１〜１１のい
ずれかに記載の３次元色形状検出装置を要旨とする。

【００２７】本発明の３次元色形状検出装置では、スリ
ット光が被測定物の表面に形成する像を、例えば、受光
手段を用いて捉え、その像に基づいて被測定物の３次元
形状を測定することができる。これにより、本発明の３
次元色形状検出装置は、被測定物の３次元形状を正確に
測定することができる。

【００２８】（１３）請求項１３の発明は、前記スリッ
ト光が前記被測定物の表面に形成する像を、前記受光手
段を用いて検出することを特徴とする前記請求項１２に
記載の３次元色形状検出装置を要旨とする。

【００２９】本発明の３次元色形状検出装置では、受光
手段は、色測定時に、被測定物からの反射光を受光する
ことに加えて、３次元形状測定に、スリット光が被測定
物の表面に形成する像を受像するために用いられる。つ
まり、本発明では、共通の受光手段を用いて、３次元形
状測定と、色測定を行う。

【００３０】従って、本発明の３次元色形状検出装置
は、３次元形状測定と、色測定のために、独立の受光手
段を備える必要がないので、装置構成を簡略化できる。 （１４）請求項１４の発明は、前記被測定物の３次元形
状を測定する際には、前記光照射手段による前記光の照
射を禁止するとともに、前記被測定物の色を測定する際
には、前記スリット光発生手段による前記スリット光の
発生を禁止することを特徴とする前記請求項１２又は１
３に記載の３次元色形状検出装置を要旨とする。

【００３１】本発明の３次元色形状検出装置では、３次
元形状測定時には、光照射手段が光を照射しないので、
スリット光が被測定物上に形成する像のコントラストが
低くなることがない。よって、本発明の３次元色形状検
出装置は、３次元形状測定を正確に行うことができる。

【００３２】また、色測定時には、スリット光が発生し
ないので、被測定物上の照度が不均一になることがな
い。よって、本発明の３次元色形状検出装置は、被測定
物の（受光手段に面している側の）表面上の広い範囲に
渡って、正確に色測定を行うことができる。

【００３３】（１５）請求項１５の発明は、前記スリッ
ト光発生手段及び前記受光手段を、前記被測定物との間
で、前記スリット光に交差する方向に相対移動し、前記
被測定物を走査することができるスリット光走査手段を
備えることを特徴とする前記請求項１２〜１４のいずれ
かに記載の３次元色形状検出装置を要旨とする。

【００３４】本発明の３次元色形状検出装置は、例え
ば、被測定物の表面上にスリット光が形成する像が、被
測定物全体を走査するように、スリット光発生手段及び
受光手段を、被測定物に対して、スリット光に交差する
方向に相対移動させることができる。そのことにより、
被測定物の（受光手段に面している側の）全体の３次元
形状を測定することができる。

【００３５】尚、スリット光発生手段及び受光手段を、
被測定物に対して相対移動させる方法としては、例え
ば、スリット光発生手段及び前記受光手段を移動させて
もよく、又は、被測定物を移動させてもよい。更には、
両者を移動させてもよい。 （１６）請求項１６の発明は、前記請求項１〜１５のい
ずれかに記載の３次元色形状検出装置を備えることを特
徴とする３次元スキャナーを要旨とする。

【００３６】本発明の３次元色形状検出装置は、被測定
物の色と形状とを読み取り、そのデータを、例えば、外
部装置（例えばパソコン）に出力することができる。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の３次元色形状検出
装置の実施の形態の例（実施例）を説明する。 （実施例１） ａ）まず、３次元色形状検出装置１の全体構成を図１及
び図２を用いて説明する。

【００３８】３次元色形状検出装置１は、被測定物３の
色及び３次元形状を測定する測定ヘッド１０と、測定ヘ
ッド１０を上下方向に移動させるリニアステージ２０
と、被測定物３を設置する被測定物設置部４０と、被測
定物３の色を測定する際の光源である側面散乱板３２
ａ、３２ｂ、上面散乱板３４、下面散乱板３５、及び線
状蛍光灯３０と、外部からの光を遮光する暗箱５０（遮
光手段）と、を備えている。

【００３９】上記測定ヘッド１０は、レーザユニット１
２（スリット光発生手段）を備えている。このレーザユ
ニット１２は、波長６５０ｎｍのレーザ光を発する赤色
レーザ１８と、レーザ光を集光するコリメートレンズ１
６及びシリンドリカルレンズ１４とから成る。また、測
定ヘッド１０は、カラーＣＣＤカメラ１１（受光手段、
２次元撮像素子）を備えている。更に、測定ヘッド１０
の側面（図１における手前側の面）上で、リニアステー
ジ２０に近接した位置には、測定ヘッド基準点１９が設
けられている。この測定ヘッド基準点１９は、リニアス
テージ２０に設けられた目盛りとともに、測定ヘッド１
０の（移動方向における）位置を示す。

【００４０】上記リニアステージ２０には、測定ヘッド
１０が取り付けられており、駆動ベルト２２を介してベ
ルト駆動モータ２４から伝えられる駆動力により、測定
ヘッド１０を、（図１における上下方向）に移動させ
る。上記被測定物設置部４０は、基体部４２と、その基
体部４２の上方に設けられた円盤状の回転ステージ４１
とを備えている。この回転ステージ４１は、その中心に
位置する測定中心４１ａを通り、図１における上下方向
に伸びる軸を回転軸として、ステージ駆動モータ４４に
より回転駆動される。また、この回転ステージ４１の上
面（図１における上面）は、白色散乱面の加工が施され
ており、光を散乱させることができる。

【００４１】上記側面散乱板３２ａ，３２ｂの形状は、
それぞれ、緩やかに湾曲した板状部材である。この側面
散乱板３２ａと側面散乱板３２ｂとは、図２に示す様
に、測定ヘッド１０を挟み、また、湾曲の内側を被測定
物設置部４０に向けて配置される。尚、側面散乱板３２
ａ、３２ｂの材質は白色オパールガラス又は白色ＡＢＳ
であり、その表面粗さはＲｚ＝１μｍ程度に加工されて
いる。

【００４２】上記上面散乱板３４及び下面散乱板３５
は、白色散乱面からなる板状部材であり、側面散乱板３
２ａ、３２ｂと同等の材質で、後述する暗箱５０の上面
及び下面に取り付けられている。上記線状蛍光灯３０は
６本から成り、３本ずつが、それぞれ、側面散乱板３２
ａ及び側面散乱板３２ｂの内側（被測定物設置部４０に
面する側）に、等間隔に取り付けられている。

【００４３】上記暗箱５０は、上述した各部材をその内
部に取り付ける箱形容器であり、外部からの光を遮光す
ることができる。また、暗箱５０の側面（図２における
下面）には、被測定物３を取り出すための被測定物取り
出し窓５１が設けられている。

【００４４】また、本実施例１では、測定中心４１ａか
ら見て、線状蛍光灯３０、側面散乱板３２ａ、３２ｂ，
上面散乱板３４、及び下面散乱板３５がなす立体角は、
３ステラジアンである。尚、線状蛍光灯３０、側面散乱
板３２ａ、３２ｂ，上面散乱板３４、及び下面散乱板３
５は、光照射手段を構成する。

【００４５】ｂ）次に、３次元色形状検出装置１の電気
回路の構成を、図３を用いて説明する。図３は本実施例
１の３次元色形状検出装置の電気回路構成を示すブロッ
ク図である。カラーＣＣＤカメラ１１は、撮影レンズ１
１１を備えており、その撮影レンズ１１１の中には絞り
１２５が設けられている。また、撮影レンズ１１の光軸
上には、ＣＣＤ（撮像部）１２８が配設されている。こ
のＣＣＤ１２８には、撮影レンズ１１１によって被測定
物３の像（被写体像）が形成され、被写体像に対応した
電荷が発生する。ＣＣＤ１２８における電荷の蓄積動
作、電荷の読出動作等の動作は、ＣＣＤ駆動回路１３０
によって制御される。ＣＣＤ１２８から読み出された電
荷信号すなわち画像信号は、アンプ１３１において増幅
され、Ａ／Ｄ変換器１３２においてアナログ信号からデ
ジタル信号に変換される。デジタルの画像信号は、撮像
信号処理回路１３３においてガンマ補正等の処理を施さ
れ、画像メモリ１３４に一時的に格納される。上記ＣＣ
Ｄ駆動回路１３０及び撮像信号処理回路１３３は、シス
テムコントロール回路１３５によって制御される。

【００４６】システムコントロール回路１３５には、イ
ンターフェース回路１４０が接続されており、そのイン
ターフェース回路１４０はインターフェースコネクタ１
２１に接続されている。したがって３次元色形状検出装
置１を外部に設けられたコンピュータとインターフェー
スケーブルを介して接続すれば、画像メモリ１３４から
読み出された画像信号をコンピュータに伝送可能であ
る。

【００４７】レーザユニット１２は、発光装置１１３を
備えており、その発光装置１１３は、発光素子１１３ａ
と照明レンズ１１３ｂにより構成される。発光素子１１
３ａは、レーザダイオード（ＬＤ）であり、その発光素
子１１３ａから照射されたレーザ光は、照明レンズ１１
３ｂを介して被測定物３に照射される。このレーザ光
は、スリット光（図２における上下方向に広がるスリッ
ト光）であり、後述するように、被測定物３の３次元形
状測定に用いられる。発光素子１１３ａの発光動作は発
光素子制御回路１４４によって制御される。

【００４８】システムコントロール回路１３５には、線
状蛍光灯３０の制御を行うための蛍光灯制御回路１４８
と、リニアステージ２０のベルト駆動モータ２４の制御
を行うためのリニアステージ制御回路１４９と、ステー
ジ駆動モータ４４の制御を行うための回転ステージ制御
回路１５０が接続されている。

【００４９】また、システムコントロール回路１３５に
は、通常の２次元画像を撮影する際に照明が必要か否か
を判断するための測光手段１４６、レリーズスイッチ１
１５、モード切替ダイヤル１１７、Ｖ／Ｄモード切替ス
イッチ１１８から成るスイッチ群１４５、液晶表示パネ
ル（表示素子）１１６が接続されている。

【００５０】ｃ）次に、３次元色形状検出装置１を用い
て被測定物３の３次元形状を測定する原理を、図４乃至
図６に基づいて説明する。 i)まず、説明に用いる図について説明する。図４は、発
光素子１１３ａ、ＣＣＤ１２８、及び被測定物３の位置
関係を、断面（図１において紙面の奥から手前方向を観
察した時の断面）方向から見た図である。図５は、発光
素子１１３ａ、ＣＣＤ１２８、及び被測定物３の位置関
係を、上方（図１における上方）方向から見た図であ
る。また、図６は、ＣＣＤ１２８の検出画像において、
スリット光が被測定物３の表面に形成する反射光像を示
す図である。

【００５１】図４において紙面の奥から手前に向かう方
向（図５において上から下へ向かう方向）をｘ方向と
し、図４において紙面の下から上に向かう方向（図５に
おいて紙面の奥から手前に向かう方向）をｙ座標とし、
図４及び図５において紙面の右から左へ向かう方向をｚ
座標とする。

【００５２】そして、ｚ＝０であるｘ−ｙ平面を投影面
とし、ＣＣＤ１２８のカメラ点の座標（ｘ座標、ｙ座
標、ｚ座標）を（０，０，３８０）とし、発光素子１１
３ａの座標を（０、１００、３８０）とする。また、発
光素子１１３ａが発するスリット光が投影面に交差する
位置のｙ座標を、−２６．６７とする。また、投影面の
ｘ方向におけるカメラ視野の範囲を、Ｘfstart〜Ｘfend
とし、ｙ方向におけるカメラ視野の範囲を、Ｙftopから
Ｙfbottomとする。

【００５３】被測定物３上の注目点（スリット光が照射
されている部分のうちの一点）の座標を（Ｘ、Ｙ、Ｚ）
とし、ＣＣＤ１２８のカメラ点から見て、注目点がｘ−
ｙ平面に投影する点の座標を（Ｘtarget、Ｙtarget、
０）とする。また、注目点のＣＣＤ１２８の画像上にお
ける座標を（ccdx，ccdy）とする。

【００５４】ii)次に、注目点の３次元座標を決定する
方法について説明する。注目点の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）
は、図４及び図５における幾何学上の関係から、他のパ
ラメータを用いて、以下の数式（１）〜数式（３）によ
り表すことができる。

【００５５】 Ｙ＝（１／３）Ｚ−２６．６７・・・数式（１） Ｙ＝−（Ｙtarget／３８０）Ｚ＋Ｙtarget・・・数式（２） Ｘ＝−（Ｘtarget／３８０）Ｚ＋Ｘtarget・・・数式（３） また、Ｘtarget、Ｙtargetは、他のパラメータを用い
て、以下の数式（４）〜数式（５）の様に表すことがで
きる。

【００５６】 Ｘtarget＝Ｘfstart＋（ccdx／６４０）（Ｘfend−Ｘfstar）・・・数式（４） Ｙtarget＝Ｙftop−（ccdy／４８０）（Ｙftop−Ｙfbottom）・・・数式（５） 従って、これらの数式（１）〜（５）を用いて、ＣＣＤ
１２８の検出画像上の注目点の座標（ccdx、ccdy)か
ら、注目点の３次元座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を求めることが
できる。つまり、被測定物３のうちで、スリット光が照
射されている部分の３次元形状を測定することができ
る。

【００５７】更に、発光素子１１３ａ及びＣＣＤ１２８
をＹ方向に移動させることにより、スリット光を被測定
物３の表面上を走査させながら、上記測定を繰り返し実
行することにより、被測定物３全体の３次元形状測定を
行うことが出来る。 ｄ）次に、３次元色形状検出装置１により、被測定物３
の色及び３次元形状を測定する処理について、図７及び
図８を用いて説明する。

【００５８】ステップ２００では、被測定物３を、回転
ステージ４１上に設置する。ステップ２１０では、コン
ピュータ１４１から、検出開始の信号を入力する。ステ
ップ２２０では、回転ステージ４１の位置（角度）を、
初期位置（θ＝０°）とする。

【００５９】ステップ２３０では、測定ヘッド１０をホ
ームポジションに移動させる。このホームポジジョンと
は、図８に示す様に、測定ヘッド１０がリニアステージ
２０の可動範囲における下限にある位置である。このホ
ームポジションでは、レーザユニット１２の光軸は、被
測定物３よりも下側を通過する。

【００６０】ステップ２４０では、線状蛍光灯３０を消
灯し、レーザユニット１２を点灯する。ステップ２５０
では、測定ヘッド１０のｙ座標（ｙ_shift）をシステム
コントロール回路１３５に入力する。尚、ｙ座標は、図
８における上下方向の座標である。

【００６１】ステップ２６０では、カラーＣＣＤカメラ
１１により、被測定物３の画像を取得し、画像メモリ１
３４に記憶する。この画像は、レーザユニット１２が照
射するスリット光が被測定物３（又は被測定物設置部４
０）の表面で反射して生じる像であり、図６に示す様
に、横方向（ｘ方向）に伸びる像である。

【００６２】ステップ２７０では、前記ステップ２６０
にて取得した画像に基づいて、被測定物３の３次元形状
データを算出する。つまり、前記ｃ）で述べた方法を用
いて、スリット光が被測定物３の表面上に形成する像の
座標（ccdx、ccdy）に基づき、（スリット光が照射され
ている部分の）被測定物３の３次元形状（Ｘ、Ｙ、Ｚ）
を算出する。

【００６３】ステップ２８０では、測定ヘッド１０の位
置を、規定量だけ上方（ｙ座標が増す方向）に移動させ
る。具体的には、リニアステージ制御回路１４９からの
信号により、リニアステージ２０のベルト駆動モータ２
４を所定量回転させる。そして、測定ヘッド１０のｙ座
標（ｙ_shift）の値を、上記規定量だけ増し、更新す
る。

【００６４】ステップ２９０では、測定ヘッド１０の位
置（ｙ_shift）が、３次元形状測定をする際の上限の位
置（ｙ_max＝２６０ｍｍ）まで達したか否かを判断す
る。ＹＥＳの場合はステップ３００に進み、ＮＯの場合
はステップ２５０に進む。ステップ３００では、測定ヘ
ッド１０の位置を、撮影ポジション（ｙ_shift＝１３０
ｍｍの位置）とする。この撮影ポジジョンは、図９に示
す様に、測定ヘッド１０が、リニアステージ２０の可動
範囲における中心付近にある位置である。この時、被測
定物３は、カラーＣＣＤカメラ１１の撮像範囲の略中心
に位置する。

【００６５】ステップ３１０では、レーザユニット１２
を消灯し、線状蛍光灯３０を点灯する。この時、図１０
に示す様に、被測定物３の表面のうち、カラーＣＣＤカ
メラ１１に面する半面は、線状蛍光灯３０、側面散乱板
３２ａ、３２ｂ、上面散乱板３４、下面散乱板３５から
の白色光を受ける。

【００６６】ステップ３２０では、線状蛍光灯３０が安
定するまで所定時間（２秒間）待機する。ステップ３３
０では、カラーＣＣＤカメラ１１を用いて被測定物３の
カラー画像を取得し、画像メモリ１３４に記録する。
尚、このカラー画像に基づいて、被測定物３の色が決定
される。

【００６７】ステップ３４０では、線状蛍光灯３０を消
灯する。ステップ３５０では、回転ステージ４１の角度
を、９０°だけ回転する（θの値を９０だけ増す）。具
体的には、回転ステージ制御回路１５０からの信号によ
り、ステージ駆動モータ４４を所定量駆動する。

【００６８】ステップ３６０では、θの値（単位は度）
が３６０°に達しているか否かを判断する。ＹＥＳの場
合は本処理を終了する。ＮＯの場合はステップ２３０に
進む。 ｅ）本実施例の３次元色形状検出装置１が奏する効果を
説明する。

【００６９】本実施例１の３次元色形状検出装置１で
は、図１０に示す様に、線状蛍光灯３０、側面散乱板３
２ａ、３２ｂ、上面散乱板３４、及び下面散乱板３５が
被測定物３を囲むように配置されており、被測定物３の
表面には、広い範囲から光が照射される。

【００７０】そのことにより、被測定物３の表面では、
広い範囲（例えば図１０におけるＡ点、Ｂ点を含む範
囲）に渡って、線状蛍光灯３０から均等な光量を受ける
ことができる。よって、被測定物３の表面からカラーＣ
ＣＤカメラ１１に入る反射光は、被測定物３の表面上の
広い範囲に渡って、充分な光量を有している。例えば、
図１０において、Ｂ点からカラーＣＣＤカメラ１１に入
る光量は、Ａ点からカラーＣＣＤカメラ１１に入る光量
とはほぼ等しく、被測定物３の色の測定をするのに充分
である。

【００７１】従って、本実施例１の３次元色形状検出装
置１は、被測定物３の表面上の広い範囲に渡って、正確
に色を測定することができる。 特に本実施例１の３次元色形状検出装置１では、測定
中心４１ａから見て、光源（線状蛍光灯３０、側面散乱
板３２ａ、３２ｂ，上面散乱板３４、下面散乱板３５）
のなす立体角が３ステラジアン（１ステラジアン以上）
であるので、上記の効果が特に高い。図１１及び図１
２を用いてこのことを説明する。

【００７２】図１１は、被測定物３、回転ステージ４
１、カラーＣＣＤカメラ１１、及び光照射手段（線状蛍
光灯３０、側面散乱板３２ａ，３２ｂ、上面方散乱板３
４、下面散乱板３５）の位置関係を示す上面図であり、
光照射手段については、測定中心４１ａから見た立体角
が仮想的に、０．２〜２ステラジアンの範囲で変化した
場合が記載されている。

【００７３】ここではこれら光照射手段を、以下に説明
するように単純な円形光源とモデル化した。円形光源の
広さは、光軸上の１点から始まり、その１点を端点とし
て、Ｂ点が存在する側の半球方向に、被測定物３から見
た光源の立体角ΩＩＬＬに従って円形に広くなっていく
とする。

【００７４】上面図（図１１）中には、被測定物３から
見た円形光源の立体角ΩＩＬＬが、０．２、０．５、
１、２［ｓｒ］の時の、上面から見た時の光源の拡がり
角全角φ［ｄｅｇ］を示す。ここで、光源の拡がり角全
角φと光源の立体角ΩＩＬＬには、下記の関係がある。

【００７５】φ＝２＊ａｒｃｃｏｓ（１−（ΩＩＬＬ／
２π））［ｓｒ］ 図１１中には、ΩＩＬＬ＝０［ｓｒ］の円形光源が白丸
にて図示してあり、ΩＩＬＬ＝０．２［ｓｒ］の円形光
源が実線の楕円で斜視的に図示してあり、ΩＩＬＬ＝
０．５［ｓｒ］の円形光源が波線の楕円で斜視的に図示
してある。

【００７６】また、被測定物３も単純な球体としてモデ
ル化した。被測定物３はカメラ光軸上に位置している。
被測定物３の表面上で、光軸上の１点をＡ点とし、光軸
外の１点をＢ点とする。そのＢ点と球体（被測定物３）
の中心を結ぶ直線は、光軸と６０°を成す。被測定物３
の表面の散乱特性は、散乱光の半分が正反射方向からの
偏角θｒに対してｃｏｓ＾２（θｒ）で分布する正反射
成分であり、残り半分が面法線からの偏角θｎに対して
ｃｏｓ（θｎ）で分布する完全散乱成分である。

【００７７】以上のモデル化によって、カラーＣＣＤカ
メラ１１から見たＡ点、Ｂ点の輝度比を算出することが
できる。理想的な点光源の時、つまりΩＩＬＬ＝０［ｓ
ｒ］の円形光源である時は、被測定物３から見た散乱照
明の立体角ΩＩＬＬはゼロであり、この時、Ａ点からカ
メラに戻ってくる光パワーを１と正規化すると、Ｂ点に
おいては、正反射成分でカラーＣＣＤカメラ１１に戻っ
てくる量は、正反射方向からの偏角θｒが９０°を超え
るためゼロである。また、完全散乱成分でカメラに戻っ
てくる光パワーは、偏角θｎ＝６０°であるので、完全
散乱成分に分配される比率０．５＊散乱成分０．５／方
向余弦ｃｏｓ（θｎ）＝０．５である。つまり、Ａ点に
比べ、Ｂ点は輝度が５０％となり、被測定物３の表面色
が全面で均一であるにも係わらず、Ａ点に対して暗い輝
度として検出され、これが正確な色が検出できないとい
う従来の課題となるわけである。

【００７８】円形光源の立体角ΩＩＬＬが０〜６．２８
と広くなった場合にも、数値解析シミュレーションによ
り、Ａ点及びＢ点からカラーＣＣＤカメラ１１に戻って
くる光パワーを計算することができる。つまり、広い光
源の各部分からの光に対する正反射成分と完全散乱成分
のうち、カラーＣＣＤカメラ１１に戻ってくる値を、上
記の手順に従い、それぞれの正反射方向からの偏角θ
ｒ、面法線からの偏角θｎを用いて求め、それらを、広
い光源の全範囲に渡って積分することにより、Ａ点及び
Ｂ点からカラーＣＣＤカメラ１１に戻る光パワーを数値
計算することができる。

【００７９】図１２は、図１１に示す様に、測定中心４
１ａから見た光照射手段の立体角が変化した場合に、カ
ラーＣＣＤカメラ１１から見たＡ点，Ｂ点それぞれの輝
度（Ａ点，Ｂ点のそれぞれの単位面積からカラーＣＣＤ
カメラ１１に入る光パワー）の比率の推移を示した図で
ある。

【００８０】図１２に示す様に、測定中心４１ａから見
た光照射手段の立体角が１ステラジアン以上であるなら
ば、Ｂ点の輝度は、Ａ点の輝度の７０％以上となるの
で、被測定物３の色を測定する上で充分である。つま
り、測定中心４１ａから見た光源の立体角が１ステラジ
アン以上であることにより、被測定物３の表面上の広い
範囲（少なくとも、図１１におけるＢ点を含む領域）
で、被測定物３の色を正確に測定することができる。

【００８１】本実施例１の３次元色形状検出装置１
は、受光手段として２次元撮像素子（２次元ＣＣＤカメ
ラ）を備えているので、測定範囲が広く測定の自由度が
高い。また、色測定を高速で行うことができる。 本実施例１の３次元色形状検出装置１は、光照射手段
として、線状蛍光灯３０、側面散乱板３２ａ，３２ｂ，
上面散乱板３４、及び下面散乱板３５を備えており、被
測定物３の色を測定する際には、白色光を照射する。そ
のため、被測定物３の色を測定する際に、Ｒ、Ｇ、Ｂの
光を順次照射して色を測定する方法に比べて、高速な測
定が可能である。

【００８２】本実施例１の３次元色形状検出装置１
は、光照射手段として、線状蛍光灯３０、側面散乱板３
２ａ、３２ｂ，上面散乱板３４、及び下面散乱板３５を
備えており、被測定物３に対し、散乱光を照射すること
ができる。そのことにより、被測定物３の表面に、均一
に光を照射することができ、カラーＣＣＤカメラ１１か
ら見た被測定物３の表面上の輝度は、広い範囲に渡って
均等になる。その結果、被測定物３の表面上の広い範囲
に渡って、色を正確に測定することができる。また、多
数の光源を用いる場合に比べて、装置構成を簡略化でき
る。

【００８３】本実施例１の３次元色形状検出装置１
は、回転ステージ４１により、被測定物３を回転させる
ことができるので、被測定物３の全周に渡って、３次元
形状及び色を測定することができる。 本実施例１の３次元色形状検出装置１は、暗箱５０に
より、外部からの光を遮光することができるので、外部
からの光のために、３次元形状測定時に用いる光（スリ
ット光）が被測定物３の表面に形成する像のコントラス
トが低くなったりすることがない。よって、３次元形状
測定を正確に行うことができる。

【００８４】また、外部からの光を遮光することによ
り、被測定物３の色測定時に、被測定物３の表面に外部
からの光に起因する明暗が生じたりすることがないの
で、正確に被測定物３の色を測定することができる。 本実施例１の３次元色形状検出装置１では、３次元
形状測定時には、線状蛍光灯３０は消灯しているので、
スリット光が被測定物３上に形成する像のコントラスト
が低くなることがない。よって、３次元形状測定を正確
に行うことができる。

【００８５】また、色測定時には、レーザユニット１２
は消灯しているので、スリット光によって被測定物３上
の照度が不均一になることがない。よって、正確に色測
定を行うことができる。 （実施例２） ａ）本実施例２の３次元色形状検出装置２の構成は、基
本的には前記実施例１の３次元色形状検出装置１と同様
である。

【００８６】但し、この実施例２においては、図１３に
示す様に、線状蛍光灯３０は、側面散乱板３２ａ，３２
ｂの背面側（被測定物３に面する側とは反対側）に設け
られている。 ｂ）本実施例２の３次元色形状検出装置２は、前記実施
例１の３次元色形状検出装置１と同様に、被測定物３の
色及び３次元形状の測定を行う。

【００８７】ｃ）本実施例２の３次元色形状検出装置２
は、前記実施例１の３次元色形状検出装置１と同様の効
果を奏する。更に、本実施例２の３次元色形状検出装置
２では、線状蛍光灯３０が発する光が直接被測定物３に
入射しないので、被測定物３の表面上の光量を、一層均
一にすることができる。そのことにより、被測定物３の
色を、一層正確に測定することができる。

【００８８】尚、本発明は上記の形態に何等限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
形態で実施することができる。例えば、実施例１又は２
において、測定ヘッド１０は固定し、被測定物設置部４
０を上下動させることにより、スリット光が被測定物３
をｙ方向に走査するようにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の３次元色形状検出装置１の全体構
成を示す説明図である。

【図２】 実施例１の３次元色形状検出装置１の全体構
成を示す説明図である。

【図３】 実施例１の３次元色形状検出装置１における
電気回路の構成を示す説明図である。

【図４】 実施例１において３次元形状を測定する原理
を示す説明図である。

【図５】 実施例１において３次元形状を測定する原理
を示す説明図である。

【図６】 実施例１において３次元形状を測定する原理
を示す説明図である。

【図７】 実施例１の３次元色形状検出装置１が被測定
物３の色及び３次元形状を測定する処理を示すフロー図
である。

【図８】 実施例１の３次元色形状検出装置１において
測定ヘッド１０がホームポジションにあるときの状態を
示す説明図である。

【図９】 実施例１の３次元色形状検出装置１において
測定ヘッド１０が撮影ポジションにあるときの状態を示
す説明図である。

【図１０】 実施例１において被測定物３の表面上の光
量の分布を示す説明図である。

【図１１】 光源の立体角の大きさと被測定物上の光量
分布との関係を示す説明図である。

【図１２】 光源の立体角の大きさと被測定物上の光量
分布との関係を示す説明図である。

【図１３】 実施例２の３次元色形状検出装置１の全体
構成を示す説明図である。

【図１４】 従来の３次元色形状検出装置を用いて被測
定物の色及び３次元形状を測定する方法を示す説明図で
ある。

【図１５】 従来の３次元色形状検出装置を用いて被測
定物の色及び３次元形状を測定する方法を示す説明図で
ある。

【図１６】 従来の３次元色形状検出装置を用いた測定
像を示す説明図である。

【符号の説明】

１，２・・・３次元色形状検出装置 ３・・・被測定物 １０・・・測定ヘッド ２０・・・リニアステージ １１・・・カラーＣＣＤカメラ １２・・・レーザユニット ３０・・・線状蛍光灯 ３２ａ、３２ｂ・・・側面散乱板 ３４・・・上面散乱板 ３５・・・下面散乱板 ４０・・・被測定物設置部 ４１・・・回転ステージ ４１ａ・・・測定中心 ５０・・・暗箱

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA53 GG04 GG07 GG24 HH05 JJ03 JJ26 LL08 LL30 MM04 MM14 MM24 PP02 PP13 PP22 SS02 2G020 AA08 DA22 DA23 DA31 DA34 DA35 DA51 5B057 BA12 CA01 CA08 CA13 CA16 CB01 CB08 CB13 CB16

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物からの反射光に基づいて、該被
   測定物の３次元形状と、色とを測定する３次元色形状検
   出装置であって、 前記被測定物に対し光を照射する光照射手段と、 前記光が前記被測定物により反射した反射光を受光する
   受光手段と、を備えるとともに、 前記光照射手段は、所定の広がりを有する領域から、前
   記光を照射することを特徴とする３次元色形状検出装
   置。
2. 【請求項２】 前記受光手段が２次元撮像素子であるこ
   とを特徴とする前記請求項１に記載の３次元色形状検出
   装置。
3. 【請求項３】 前記所定の広がりを有する領域は、前記
   被測定物から見て、前記受光手段を挟んで対向する部分
   を有することを特徴とする前記請求項１又は２に記載の
   ３次元色形状検出装置。
4. 【請求項４】 所定の測定中心位置に対し、前記所定の
   広がりを有する領域のなす立体角が、１ステラジアン以
   上であることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれか
   に記載の３次元色形状検出装置。
5. 【請求項５】 前記光が散乱光を含むことを特徴とする
   前記請求項１〜４のいずれかに記載の３次元色形状検出
   装置。
6. 【請求項６】 前記散乱光は白色光であることを特徴と
   する前記請求項５に記載の３次元色形状検出装置。
7. 【請求項７】 前記光照射手段は、光源と、該光源から
   照射された光を散乱させる散乱部材とを備えることを特
   徴とする前記請求項５又は６に記載の３次元色形状検出
   装置。
8. 【請求項８】 前記散乱部材を、前記被測定物から見
   て、前記光源の背面側に設けたことを特徴とする前記請
   求項７に記載の３次元色形状検出装置。
9. 【請求項９】 前記散乱部材を、前記被測定物から見
   て、前記光源の手前側に設けたことを特徴とする前記請
   求項７又は８に記載の３次元色形状検出装置。
10. 【請求項１０】 前記被測定物を保持し、回動すること
    ができる被測定物回動手段を備えることを特徴とする前
    記請求項１〜９のいずれかに記載の３次元色形状検出装
    置。
11. 【請求項１１】 前記被測定物を外部からの光に対して
    遮光する遮光手段を備えることを特徴とする前記請求項
    １〜１０のいずれかに記載の３次元色形状検出装置。
12. 【請求項１２】 前記被測定物に対してスリット光を照
    射するスリット光発生手段と、 前記スリット光が前記被測定物の表面に形成する像に基
    づいて、前記被測定物の３次元形状を検出する３次元形
    状検出手段と、を備えることを特徴とする前記請求項１
    〜１１のいずれかに記載の３次元色形状検出装置。
13. 【請求項１３】 前記スリット光が前記被測定物の表面
    に形成する像を、前記受光手段を用いて検出することを
    特徴とする前記請求項１２に記載の３次元色形状検出装
    置。
14. 【請求項１４】 前記被測定物の３次元形状を測定する
    際には、前記光照射手段による前記光の照射を禁止する
    とともに、 前記被測定物の色を測定する際には、前記スリット光発
    生手段による前記スリット光の発生を禁止することを特
    徴とする前記請求項１２又は１３に記載の３次元色形状
    検出装置。
15. 【請求項１５】 前記スリット光発生手段及び前記受光
    手段を、前記被測定物との間で、前記スリット光に交差
    する方向に相対移動し、前記被測定物を走査することが
    できるスリット光走査手段を備えることを特徴とする前
    記請求項１２〜１４のいずれかに記載の３次元色形状検
    出装置。
16. 【請求項１６】 前記請求項１〜１５のいずれかに記載
    の３次元色形状検出装置を備えることを特徴とする３次
    元スキャナー。