JP2004085565A - レーザ三次元デジタル化センサのキャリブレーション法およびキャリブレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】　操作が簡単で、高精度な上、低コストで実現できるレーザ三次元デジタル化センサのキャリブレーション法およびキャリブレーション装置を提供する。
【解決手段】　レーザセンサを用い、平板状ブロックのキャリブレート面にレーザ光平面を投射し、その反射光を検知して二次元デジタル画像を生成する。さらに、レーザセンサが発するレーザ光平面を基準平面と平行になるよう調整してから、平板状ブロックを、基準表面に平行な平行移動軸上を平行移動させると共に、基準表面に垂直な回転軸回りに所定の角度だけ回転させることにより、二次元デジタル画像を三次元座標に対応付けたマッピングテーブルが作成できる。
【選択図】　　　図２

Description

　本発明は、レーザ三次元（３Ｄ）センサを較正するための方法および装置に係り、特に、簡単な操作、高精度および低コストという長所を備えたレーザ３次元デジタル化センサのキャリブレーション法およびキャリブレーション装置に係るものである。

　三角測量を利用した光学式の三次元計測システムは、例えば、機械視覚、自動光学検査等の分野、特に、各種製品の製造や組み立ての工程で一般に応用されているシステムである。このような三次元計測システムの性能はシステム自体の較正精度に依存するところが大きいが、従来のキャリブレーション手段は、較正精度を高めるために、高いコストと複雑なプロセスを必要とする。よって、高精度で操作が簡単な上に、低コストで実現できるキャリブレーション手段の提供が切実に望まれている。

　図１に示すのは、従来の三次元計測システムの概略図である。当該システムは、レーザ発射装置１、第１の光学キャリブレートセット２、光学センサ２、および第２の光学キャリブレートセット２１から構成される。３は対象物を示す。レーザ発射装置１から光が発せられると、その光は第１の光学キャリブレートセット１１を通過してから対象物３に投射され、対象物３の表面に輝点を形成する。光学センサ２はカメラと同じように機能するもので、対象物３で反射し第２の光学キャリブレートセット２を通過した光をとらえてデジタル画像を生成する。よって、対象物３表面にできる各点の三次元座標の位置が判断できるようになり、さらに、３Ｄスキャンニング技術を用いれば対象物の完全な３Ｄモデルが再現される。

　しかし、このような三次元計測システムは、デジタル画像データと三次元座標との変換を行うにあたって、複雑なパラメータと計算は必ず考慮に入れなければならない事項であり、また、計測の高精度を実現するために各種の異なる光学構成要素を用いるので、例えば、撮像装置のパラメータの評価、レンズの歪み補償、座標変換やレーザパラメータの評価等といった繁雑な工程が要される。よって、この種のシステムにおけるキャリブレーションは、複雑且つ困難であると共に、コストがかかるものであった。

　こうした三次元計測システムが抱えるキャリブレーションの問題を解決するために、以下のような、光学式の三角計測原理に基づく三次元空間のキャリブレーションが提案されている（特許文献１参照）。これは、単点のレーザ光を照射するセンサの設計およびキャリブレーションの方法に関するものであって、Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸が互いに直交してなる、線形移動する平台上に、６面が完全に垂直なブロックを、その任意の隣接し合う３面とＸ，Ｙ，Ｚ軸とがそれぞれ平行になるように置く（以下、この３つの平面をＸＹ，ＹＺ，ＺＸ平面とする）。キャリブレーション実行にあたり、レーザ光とブロックの任意の１つの平面とが垂直または平行となってはならないため、光学センサは投射する平面に対して４５°に設置されるのが好ましいとされる。よって、レーザ光をＸＹ平面上に投射した時にＸＹ平面を移動させれば、その照射点のＺ軸方向座標が較正できることとなる。同様にして、レーザ光をＹＺ平面に投射すればＸ軸方向座標の較正が、レーザ光をＸＺ平面に投射すればＹ軸方向座標の較正がそれぞれ可能になる。

　しかし、上述のような従来のキャリブレーションは、一般のポイントスキャンニングのレーザセンサに適用すべく設計されているため、ラインスキャンニングのものには適用できない。また、このようなキャリブレーションでは、較正対象であるブロックの平面にレーザ光を斜め方向から投射するため、キャリブレーションの精度は当該平面の反射条件（例えば表面の平滑さの程度）に影響され易い。よって適宜補償・修正を行う必要があり、キャリブレーションプロセスがより複雑且つ困難となっている。さらに、斜め方向から光を投射するにはセンサを懸吊しなくてはならず、ボディスキャナ等の重量のある大型サイズのものへの応用には向かない。その他、このような従来のキャリブレーション手段には、線形移動する平台と測定ブロックからなる精度の極めて高い位置決め手段が必要となるため、システムに占める設置スペースが大きくなってしまう上、高価となる。
米国特許第４８２５３０８号公報

　よって本発明は、上述したような従来のキャリブレーションが抱える諸問題を解決するために、操作が簡単でありながら精度が高く、且つ低コストで実現できるレーザ三次元（３Ｄ）デジタル化センサのキャリブレーション法およびキャリブレーション装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明は、三次元座標のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸を定める工程、
　キャリブレート面を準備する工程、前記キャリブレート面を前記Ｚ軸に沿って平行移動させ、測定して得られた二次元デジタル画像と前記Ｚ軸の座標値とを対応付けた第１のマッピングテーブルを作成する工程、および前記キャリブレート面を前記Ｙ軸回りで所定の第１の角度だけ回転させてから、前記Ｚ軸に沿って平行移動させると共に、前記第１のマッピングテーブルを利用し、測定して得られた二次元デジタル画像と前記Ｘ軸の座標値とを対応付けた第２のマッピングテーブルを作成する工程からなる、レーザ三次元デジタル化センサのキャリブレーション法に関する。

　前記キャリブレート面を前記Ｘ軸回りで所定の第２の角度だけ回転させてから、前記Ｚ軸に沿って平行移動させると共に、前記第１のマッピングテーブルを利用し、測定して得られた二次元デジタル画像と前記Ｙ軸の座標値とを対応付けた第３のマッピングテーブルを作成する工程をさらに含んでなることが好ましい。

　本発明はまた、基準平面と、レーザ光平面を発生するレーザセンサと、キャリブレート面を有する平板状ブロックと、該基準平面に垂直な回転軸と、該回転軸に垂直な平行移動軸とを準備する工程、前記レーザ光平面を前記キャリブレート面に投射して輝線を形成する工程、前記基準平面と平行になるように前記レーザ光平面を調整する工程、前記キャリブレート面が前記平行移動軸と垂直になるように前記平板状ブロックを調整する工程、前記平行移動軸上に予め決めておいた複数個の第１キャリブレート位置を通るように、前記平行移動軸に沿って前記平板状ブロックを平行移動させてから、前記レーザセンサによって得られた、各第１キャリブレート位置に対応する輝線画像をそれぞれ記録する工程、および前記平板状ブロックを前記回転軸回りに所定の角度だけ回転させると共に、前記平行移動軸上に予め決めておいた複数個の第２キャリブレート位置を通るように、前記平板状ブロックを前記平行移動軸に沿って平行移動させてから、前記レーザセンサによって得られた、各第２較キャリブレート位置に対応する輝線画像をそれぞれ記録する工程からなる、レーザ三次元デジタル化センサのキャリブレーション法に関する。

　本発明はさらに、基準平面と、該基準平面に固定されてレーザ光平面を発生するレーザセンサと、キャリブレート面を持つ平板状ブロックを備え、該基準平面に固定されるキャリブレート機構とからなり、前記レーザ光平面が前記キャリブレート面上に投射されると輝線が形成され、前記レーザセンサがこの輝線を検知して対応するデジタル画像を生成する、レーザ三次元デジタル化センサのキャリブレーション装置に関する。

　前記キャリブレート機構が、その回転軸が前記基準平面に垂直な回転部をさらに備え、該回転部により前記平板状ブロックが該回転軸回りに回転することが好ましい。

　前記キャリブレート機構が、その平行移動軸が前記回転軸に垂直な平行移動部をさらに備え、該平行移動部により前記平板状ブロックが該平行移動軸に沿って平行移動することが好ましい。

　前記回転部が、減速機構と接続したモータに駆動される回転台であることが好ましい。

　前記平行移動部が線形のレールであることが好ましい。

　本発明が提供するレーザ３次元空間デジタル化センサのキャリブレーション法およびキャリブレーション装置によれば、回転軸と平行移動軸のみからなるシンプルなキャリブレート機構を用いるため、コストおよびスペースの節約となる他に、組み立てと操作の簡便化が図られ、また、測定ブロックに対して一定の角度を有するようにレーザセンサを傾斜させて吊懸する必要がなく、より自然な状態で平台上に載置できるため、キャリブレーション手段自体の精度と安定性が高まって、確率的誤差の発生を低減することができる。さらに、本発明によれば、二次元デジタル画像と三次元空間中の物体表面座標とを対応付けたマッピングテーブルを利用するため、コンピュータの計算時間を短縮し、且つ、各種光学構成要素を用いることに起因する撮像レンズセットの光学歪み等の問題を解決し、計測精度を確実に高めることができる。

　本発明がより理解されるように、以下に、図面と対応させながら好適な実施の形態を挙げて詳細に説明するが、これによって本発明を限定しようとするのではない。

　図２に示すのは、本発明に係るレーザ３次元センサのキャリブレーション装置を説明する概略図である。図２に示すように、本発明に係る装置は主に、レーザ光平面５を発するレーザセンサ４、キャリブレート機構６および基準平面７から構成される。先ず、三次元直交座標系のＸ,Ｙ,Ｚ軸を図示するように定める。レーザセンサ４およびキャリブレート機構６は基準平面７に固定されており、基準平面７はＸＺからなる平面に平行である。レーザセンサ４は光を検知して、図３Ｂに示されるような二次元デジタル画像８を生成する。さらに、レーザセンサ４にはコンピュータ（図示せず）が接続されており、撮像したデジタル画像を取り込んでデータを記録し、計算することができるようになっている。

　図２に示すように、キャリブレート機構６は平板状ブロック６１、回転部６２および平行移動部６１から構成されている。平板状ブロック６１は受光のためのキャリブレート面６１０を有している。キャリブレーション実行時、レーザセンサ４によりレーザ光平面５が投射されると、キャリブレート面６１０上に輝線５１が形成される。さらに、レーザセンサ４は輝線５１の反射光を受け、これに対応するデジタル画像を生成する。このように本発明によれば、レーザセンサ４に対応させてキャブレート機構６を操作するだけでキャリブレーションが達成できることとなる。

　本発明のキャリブレート機構６は主に、平板状ブロック６１を利用して較正を行うものである。図２に示すように、平板状ブロック６１は回転部６２と連結しており、さらに、回転部６２は平行移動部６３と連結している。こうした構成から、平板状ブロック６１は、平行移動部６３により平行移動軸６３１に沿って平行移動ができると共に、回転部６２により回転軸６２１回りに回転できるようになる。このうち、平行移動軸６３１はＺ軸と平行であり、回転軸６２１はＹ軸と平行、且つ基準平面７と垂直である。本実施形態では、平行移動部６３は線形のレールであり、また、回転部６２は、モータと接続した減速機構に駆動される回転台である。

　このような構成のキャリブレーション装置を用いたキャリブレーションプロセスは次のとおりである。

　（ステップ１：レーザ光平面の調整）
　先ず、レーザセンサ４から照射されるレーザ光平面５をＸＺ平面に平行となるように調整する。こうすることで、レーザ光平面５における全ての点のＹ座標が同一となって、キャリブレート面６１０上に投射される輝線５１も同じＹ座標値を有することとなる。

　（ステップ２：二次元デジタル画像と三次元のＺ座標とのマッピングテーブル作成）
　次に、二次元デジタル画像と三次元空間のＺ座標とのマッピングテーブルを作成する。ステップ１終了後に、キャリブレート面６１０がＺ軸に垂直になるよう平板状ブロック６１を回転させて調整してから、Ｚ軸上に複数個のキャリブレート位置を決めておき、これらキャリブレート位置を順次通過するように平板状ブロック６１を平行移動軸６３１に沿って移動させ、レーザセンサ４で各キャブレート位置におけるキャブレート面６１０上の輝線５１のデジタル画像をその都度撮像する。以下、この操作についてより詳細に説明する。

　図３Ａに示すのは、異なるキャリブレート位置にある平板状ブロック６１をそれぞれ示す図である。この図は、平板状ブロック６１が平行移動部６３に連動してＺ軸方向に平行移動する状態を表すものである。レーザセンサ４から発せられたレーザ光平面５が投光されると、平板状ブロック６１が開始位置にある時には輝線６１１が、第１の位置まで移動した時には輝線６１２が、第２の位置まで移動した時には輝線６１３がキャリブレート面６１０にそれぞれ形成される。そして、図３Ｂに示すように、レーザセンサ４は、キャリブレート面６１０に形成された輝線６１１，６１２，６１３を検知して、デジタル画像８上に上述の３つの位置の輝線をそれぞれ異なるパターンで再現する。図３Ｂにおいて、デジタル画像８上の輝線画像８１，８２，８３は、キャリブレート面６１０上の輝線６１１，６１２，６１３にそれぞれ対応している。

　このようにして、平板状ブロック６１がＺ軸方向に平行移動することにより、Ｚ軸上のそれぞれ異なる位置に対応するデジタル画像８が得られることになる。図３Ｂに示す輝線画像８１，８２，８３は、Ｚ座標が変化すると、これに伴って異なる位置に現れる。よって、レーザセンサ４の計測範囲内において、二次元デジタル画像と三次元Ｚ座標値とが一対一で対応付けられたマッピングテーブルが作成され、記録される。

　（ステップ３：二次元デジタル画像座標と三次元Ｘ座標とのマッピングテーブル作成）
　このステップで最初に行わなくてはならないのは、平板状ブロック６１を回転軸６２１回りに既知の角度θだけ回転させることである。本実施形態では、回転軸６２１は平板状ブロック６１の中心に位置している。ステップ２により、二次元デジタル画像に対応する三次元空間のＺ座標値が既にわかったため、平板状ブロック６１のキャリブレーション位置およびステップ２で得られた結果から、二次元デジタル画像に対応するＸ座標を算出することができるようになる。

　以下に、平板状ブロック６１を角度θ回転させてＸ座標を較正する方法を図４を用いて詳細に説明する。図４において、Ｚｐは平板状ブロック６１の中心位置のＺ座標を示し、これは既知の値である。Ｚｍはキャリブレート面６１０に形成された輝線の任意の一点から測定されるＺ座標を示す。Ｚｍは、デジタル画像を得た後に、ステップ２で作成された二次元デジタル画像とＺ座標とを対応付けたマッピングテーブルを用いて算出することができる値である。また、平板状ブロック６１は既知の角度θ回転している。よって、Ｚｐ，Ｚｍおよびθの値が既にわかったため、平板状ブロック６１の中心位置を座標の原点とした場合に、キャリブレート面６１０のＺｍの位置に対応するＸ軸の座標ｄｘは次の式（１）で求めることができる。

　　　　ｄＸ＝（Ｚｐ−Ｚｍ）ｃｏｔ（θ）　　　（１）
　この式（１）に基づいた上で、平板状ブロック６１を回転軸６２回りに角度θだけ回転させると共に、Ｚ軸上に複数個のキャリブレート位置を定めておけば、平板状ブロック６１がこれらキャリブレート位置を順に通過しながらＺ軸に沿って移動することで、レーザセンサ４は各キャリブレート位置におけるデジタル画像をその都度撮影できるようになる。このようにして、レーザセンサ４の計測範囲内で、二次元デジタル画と三次元空間のＸ座標とを一対一で対応付けたマッピングテーブルが作成され、各二次元デジタル画像に対応するＸ座標をそれぞれ記録することが可能になる。

　ステップ１において、レーザ光平面５はＸＺ平面に平行となるよう調節されたため、キャリブレート面６１０に投光された輝線５１中の各点はＹ座標がいずれも同じである。よって、デジタル画像８と三次元座標とを対応付けたマッピングテーブルが作成され得る。

　なお、ステップ１を実行しない場合、またはレーザ光平面５が固定されているもしくはＸＺ平面に平行となるように調整できない場合は、ステップ３と同じ意義を有するステップ４を行う必要がある。

　（ステップ４：二次元デジタル画像とＹ座標とのマッピングテーブルの作成）
　レーザ光平面５がＸＺ面に平行でないときは、平板状ブロック６１をＸ軸回りに既知の角度Φだけ傾斜させ、二次元デジタル画像と三次元空間のＹ座標とを対応付けたマッピングテーブルを作成する。

　以下に、平板状ブロック６１を角度Φ回転させてＹ座標を較正する方法を図５を用いて詳細に説明する。図５において、Ｚｐは平板状ブロック６１の中心位置のＺ座標を示し、これは既知の値である。Ｚｍはキャリブレート面６１０上の輝線における任意の一点のＺ座標を示し、デジタル画像を得た後に、ステップ２で作成されたマッピングテーブルを用いて算出することができる値である。

　よって、平板状ブロック６１がＸ軸を中心に角度Φだけ回転したことが既にわかっており、ＺｐおよびＺｍの値も既知であることから、平板状ブロック６１の中心位置をＸ軸の原点とすると、キャリブレート面６１０におけるＺｍのＹ軸の座標ｄＹが求められる。

　　　　ｄＹ＝（Ｚｐ−Ｚｍ）ｃｏｔ（Φ）　　　（２）
　この式（２）に基づいた上で、平板状ブロック６１をＸ軸回りに角度Φだけ回転させると共に、Ｚ軸上に複数個のキャリブレート位置を定めておけば、ステップ３と同じように、平板状ブロック６１がこれらキャリブレート位置を順に通過しながらＺ軸に沿って移動することで、レーザセンサ４は各キャリブレート位置におけるデジタル画像をその都度撮影できるようになる。こうして、レーザセンサ４の計測範囲内において、二次元デジタル画像と三次元空間のＹ座標とを一対一で対応付けたマッピングテーブルが作成され、各二次元デジタル画像に対応するＹ座標をそれぞれ記録することが可能になる。

　なお、この実施形態では、Ｙ軸回りに回転する回転軸のみを例示したが、Ｘ軸とＹ軸回りに回転させるようにしたいときは、上述した回転軸と平板状ブロックとに代えて、角度θまたはΦを有する多角形ブロック（angular block）を用い、そのキャリブレート面とレーザ光平面との間に所定の夾角が形成されるようにしてもよい。

　本発明によれば、上述した各ステップを行い、二次元デジタル画像とＸ，Ｙ，Ｚ軸それぞれとを対応付けたマッピングテーブルを作成することによって３次元空間のキャリブレーションが行えるようになる。なお、計測の精度は、各キャリブレート位置の間隔が細かいほど高まるので、隣接し合うキャリブレート位置間に存するブランクについては、補間法により対応する座標を推算して埋めるようにすればよい。

　以上説明したように、本発明に係る回転軸と平行移動軸のみからなるシンプルなキャリブレート機構によれば、スペースの節約となる他に、組み立ておよび操作が簡単になる。また、ブロックに対して一定の角度有するようにレーザセンサを傾斜させて吊懸する必要がなく、より自然な状態で平台上に載置できるため、キャリブレーション手段自体の精度と安定性が高まって、確率的誤差の発生を低減することができる。さらに、本発明は、二次元デジタル画像と三次元空間中の物体表面座標とを対応付けたマッピングテーブルを利用することにより、コンピュータの計算時間を短縮し、且つ、各種光学構成要素を用いることに起因する撮像レンズセットの光学歪み等の問題を解決して、計測精度を確実に高めることのできるものである。

　以上、好適な実施例を用いて本発明を説明したが、本発明はこれら実施例に限定はされないと解されるべきであり、つまり本発明は、（当業者であれば明白である）各種変更および均等なアレンジをカバーするものである。上に掲げた実施例は、本発明の原理を説明するための最良の態様を提示すべく選択し記載したものである。即ち、添付の特許請求の範囲は、かかる各種変更および均等なアレンジが全て包含されるように、最も広い意味に解釈されるべきである。

公知のレーザ三次元計測器を説明する概略図である。 本発明に係るレーザ三次元計測器のキャリブレート装置を説明する概略図である。 平板状ブロックがＺ軸上の異なる各キャリブレート位置にある状態を示す図である。 各キャリブレート位置に対してそれぞれ生成されたデジタル画像である。 平板状ブロックを既知の角度θ回転させてＸ軸方向の座標をキャリブレートする方法を説明する図である。 平板状ブロックを既知の角度Φ回転させてＹ軸方向の座標をキャリブレートする方法を説明する図である。

符号の説明

４　　　レーザセンサ
５　　　レーザ光平面
５１　　輝線
６　　　キャリブレート機構
６１　　平板状ブロック
６１０　キャリブレート面
６１１　開始位置の輝線
６１２　第１の位置の輝線
６１３　第２の位置の輝線
６２　　回転部
６２１　回転軸
６３　　平行移動部
６３１　平行移動軸
７　　　基準平面
８　　　デジタル画像
８１　　開始位置の輝線画像
８２　　第１の位置の輝線画像
８３　　第２の位置の輝線画像

Claims (6)

1. 　三次元座標のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸を定める工程、
   　キャリブレート面を準備する工程、
   　前記キャリブレート面を前記Ｚ軸に沿って平行移動させ、測定して得られた二次元デジタル画像と前記Ｚ軸の座標値とを対応付けた第１のマッピングテーブルを作成する工程、および
   　前記キャリブレート面を前記Ｙ軸回りに所定の第１の角度だけ回転させてから、前記Ｚ軸に沿って平行移動させると共に、前記第１のマッピングテーブルを利用し、測定して得られた二次元デジタル画像と前記Ｘ軸の座標値とを対応付けた第２のマッピングテーブルを作成する工程からなるレーザ三次元デジタル化センサのキャリブレーション法。
2. 　前記キャリブレート面を前記Ｘ軸回りに所定の第２の角度だけ回転させてから、前記Ｚ軸に沿って平行移動させると共に、前記第１のマッピングテーブルを利用し、測定して得られた二次元デジタル画像と前記Ｙ軸の座標値とを対応付けた第３のマッピングテーブルを作成する工程をさらに含んでなる請求項１記載のキャリブレーション法。
3. 　基準平面と、レーザ光平面を発生するレーザセンサと、キャリブレート面を有する平板状ブロックと、該基準平面に垂直な回転軸と、該回転軸に垂直な平行移動軸とを準備する工程、
   　前記レーザ光平面を前記キャリブレート面に投射して輝線を形成する工程、
   　前記基準平面と平行になるように前記レーザ光平面を調整する工程、
   　前記キャリブレート面が前記平行移動軸と垂直になるように前記平板状ブロックを調整する工程、
   　前記平行移動軸上に予め決めておいた複数個の第１キャリブレート位置を通るように、前記平行移動軸に沿って前記平板状ブロックを平行移動させてから、前記レーザセンサによって得られた、各第１キャリブレート位置に対応する輝線画像をそれぞれ記録する工程、および
   　前記平板状ブロックを前記回転軸回りに所定の角度だけ回転させると共に、前記平行移動軸上に予め決めておいた複数個の第２キャリブレート位置を通るように、前記平板状ブロックを前記平行移動軸に沿って平行移動させてから、前記レーザセンサによって得られた、各第２キャリブレート位置に対応する輝線画像をそれぞれ記録する工程からなるレーザ三次元デジタル化センサのキャリブレーション法。
4. 　基準平面と、該基準平面に固定されてレーザ光平面を発生するレーザセンサと、キャリブレート面を持つ平板状ブロックを備え、該基準平面に固定されるキャリブレート機構とからなり、
   　前記レーザ光平面が前記キャリブレート面上に投射されると輝線が形成され、前記レーザセンサがこの輝線を検知して対応するデジタル画像を生成するレーザ三次元デジタル化センサのキャリブレーション装置。
5. 　前記キャリブレート機構が、その回転軸が前記基準平面に垂直な回転部をさらに備え、該回転部により前記平板状ブロックが該回転軸回りに回転する請求項４記載のキャリブレーション装置。
6. 　前記キャリブレート機構が、その平行移動軸が前記回転軸に垂直な平行移動部をさらに備え、該平行移動部により前記平板状ブロックが該平行移動軸に沿って平行移動する請求項５記載のキャリブレーション装置。

Images