JP2007108002A - 光切断法を用いた三次元形状計測装置及び三次元形状計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 スリット光源と，このスリット光源のスリット光の照射方向に対して光軸を所定角度ずらして配置したカメラと，カメラで撮像した二次元画像における光切断線の輝度のデータにより測定対象物の位置データを求める画像処理手段とから構成される光切断法を用いた三次元形状計測装置では，計測精度は，測定対象物の反射率のむらや大きな凹凸差等の影響を受けやすく，また背景光下での計測が難しい等の問題点があった。
【解決手段】 そこで本発明では，カメラ５の光軸６を所定角度から調節可能に構成すると共に，調節された角度において撮像した二次元画像９’から求めた位置データから上記所定角度における位置データを求めるように画像処理手段８を構成した光切断法を用いた三次元形状計測装置を提案している。
【選択図】 図１

Description

本発明は，光切断法を用いた三次元形状計測装置及び三次元形状計測方法に関するものである。

光を用いた三次元形状計測技術として，光切断法を用いた三次元形状計測技術がある。この技術は，スリット光源から測定対象物に対して扇状に拡がるスリット光を照射し，それにより測定対象物の表面に，その断面形状に対応して形成される光切断線，即ち，乱反射光の輝線を，スリット光源のスリット光の照射方向に対して光軸を所定角度ずらして配置したカメラにより撮像して，断面形状に対応する位置データを求め，スリット光が照射される測定対象物の位置を走査することにより，測定対象物の三次元形状を計測するものであり，その簡便性，非接触性及び定量性のために従来から広く用いられている。

この光切断法を用いた三次元計測技術では，測定対象物に照射されたスリット光の乱反射光を観測するものであるため，測定対象物の表面の反射率が一様でないと，乱反射光の輝線の輝度も一様にならないため，光切断線自体を背景から抽出することが必ずしも容易ではなかった。例えば，反射率の低い部分における光切断線を検出するためにスリット光の強度を強くすると，反射率の高い部分では飽和してしまい，光切断線の分解能が落ちてしまうという問題があった。このように光切断法における計測精度は，測定対象物の反射率のむらや大きな凹凸差等の影響を受けやすく，また背景光下での計測が難しい等の問題点があった。

このような問題点を有する光切断法に対して，例えば特許文献１では，表面光沢が強いために形状測定が難しい測定対象物に対して，鏡面反射抑制剤を塗布して，測定精度を向上させる提案がなされている。

また特許文献２では，測定対象物の表面に酸素を過剰に含む空気を吹き付けることにより表面の酸化を促進し，表面からの乱反射強度を測定に適した状態にした後に乱反射光を検出するという提案がなされている。
特開平３−２１８４０４号公報 特開平８−９４３３４号公報

しかしながら特許文献１の方法では，測定対象物の表面に光の反射が抑制される程度に厚く異物を付着させることになるため，製品品質に影響が生じる恐れがある上に，鏡面反射抑制剤は，予め測定不可能領域のマップを作成し，そのマップに従って塗布していることから，塗布作業が繁雑であり，また鏡面反射抑制剤を別途用意しなければならないことから，コストアップの原因となるという問題点があった。

また特許文献２の方法では，特許文献１に対しては，鏡面反射抑制剤が必要でないという利点はあるが，測定対象物の表面を酸化させなくてはならないことから，時間も手間もかかるという問題点があった。
本発明は以上の課題を解決することを目的とするものである。

以上の課題を解決するために，本発明では，まず，スリット光源と，このスリット光源のスリット光の照射方向に対して光軸を所定角度ずらして配置したカメラと，カメラで撮像した二次元画像における光切断線の輝度のデータにより測定対象物の位置データを求める画像処理手段とから構成される光切断法を用いた三次元形状計測装置において，カメラの光軸を上記所定角度から調節可能に構成すると共に，画像処理手段は，調節された角度において撮像した二次元画像から求めた位置データから上記所定角度における位置データを求めるように構成した光切断法を用いた三次元形状計測装置を提案する。

また本発明では，以上の３次元形状計測装置において，測定対象物を載置する支持台を回転可能に構成することを提案する。

また本発明では，スリット光源と，このスリット光源のスリット光の照射方向に対して光軸を所定角度ずらして配置したカメラと，カメラで撮像した二次元画像における光切断線の輝度のデータにより測定対象物の位置データを求める画像処理手段とから構成される光切断法を用いた三次元形状計測装置において，カメラの光軸を上記所定角度から調節可能に構成し，画像処理手段は，所定角度に維持されたカメラで撮像した二次元画像における輝度のデータに画素抜けを検出した場合には，カメラの光軸を調節しながら画素抜けに対応する個所の輝度を監視し，輝度を検出した時点においてカメラの光軸を固定して位置データを求め，次いでカメラの光軸の，上記所定角度からの調節角度を用いて，上記所定角度における位置データを求めることとした光切断法を用いた三次元形状計測方法を提案する。

更に本発明では，スリット光源と，このスリット光源のスリット光の照射方向に対して光軸を所定角度ずらして配置したカメラと，カメラで撮像した二次元画像における光切断線の輝度のデータにより測定対象物の位置データを求める画像処理手段とから構成される光切断法を用いた三次元形状計測装置において，カメラの光軸を上記所定角度から調節可能に構成し，画像処理手段は，所定角度に維持されたカメラで撮像した二次元画像における輝度のデータに画素抜けを検出した場合には，カメラの光軸を調節しながら画素抜けに対応する個所の輝度を監視し，輝度を検出した時点においてカメラの光軸を固定して位置データを求め，次いでカメラの光軸の，上記所定角度からの調節角度を用いて，上記所定角度における位置データを求めると共に，カメラの光軸の調節範囲内で輝度を検出しない場合には，測定対象物を適宜角度回転させ，その状態で上記手順の計測を行うこととした光切断法を用いた三次元形状計測方法を提案する。

以上の構成において，本発明では，スリット光源から照射されたスリット光が測定対象物の表面において乱反射して形成される光切断線の少なくとも一部がカメラにより検出されない場合，即ち，所定角度に維持されたカメラで撮像した二次元画像における輝度のデータに画素抜けを検出した場合には，カメラの光軸を調節しながら画素抜けに対応する個所の輝度を監視し，輝度を検出した時点においてカメラの光軸を固定して位置データを求める。次いで，輝度を検出した時点におけるカメラの，上記所定角度からの調節角度を用いることにより，この所定角度における位置データを求めることができ，測定対象物に対応する光切断線の全ての輝度のデータを求めることができる。

また本発明では，カメラの光軸の調節だけでは光切断線の輝度を検出できない場合には，測定対象物を適宜角度回転させ，その状態で上記手順の計測を行うことにより，測定対象物に対応する光切断線の全ての輝度のデータを求めることができる。

次に本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る装置と方法を概念的に示す模式図，また図２，図６及び図８は本発明装置における計測動作を示す模式図であり，これらの図において，符号１は測定対象物２を載置する支持台であり，その面が基準面となり，図２と図６においてはＸ軸方向として示している。

支持台１の上方には，基準面に対して所定角度θを成す方向に，扇状に拡がるスリット光３を照射するようにスリット光源４を配置している。そして，このスリット光源４からのスリット光３の照射方向に対して光軸を所定角度ずらしてカメラ５を配置している。カメラ５は，その光軸６を，鉛直方向を基準として，そこから角度調節可能に構成している。そして，カメラ５で撮像した二次元画像における光切断線７の輝度のデータにより測定対象物２の位置データを求める画像処理手段８を構成しており，この画像処理手段８を構成するコンピュータ等には，カメラ５の光軸６の角度を調節するための駆動機構（図示省略）を制御するための制御手段（図示省略）を構成している。尚，カメラ５は，ＣＣＤやＣＭＯＳ等の二次元撮像素子を使用したカメラを使用することができる。尚，図３〜図５において，実線が輝度を検出している部分を示しており，破線は，輝度を検出していないが測定対象物２の断面形状を示すために便宜的に示したものである。

以上の構成において，スリット光源４から測定対象物２に対して扇状に拡がるスリット光３を照射し，それにより測定対象物２の表面に，その断面形状に対応して形成される光切断線７，即ち，乱反射光の輝線を，カメラ５で撮像した二次元画像９を画像処理手段８により画像処理して，上記断面形状に対応する光切断線７の輝度のデータから，その位置データを求め，スリット光３が照射される測定対象物２の位置を走査することにより，測定対象物２の三次元形状を計測することができる。尚，走査は，測定対象物２側を図２のＸ方向に移動させて行う他，スリット光源４とカメラ５側を同方向に移動させて行うこともできる。

ここで光切断線７の輝度のデータにより測定対象物２の位置のデータ，この場合，光切断線７の各所の基準面からの高さｈと，カメラ５の鉛直下方からの距離ｘは，図２から次式の関係がある。
ｈ＝ｘ・tanθ (１)
即ち，測定対象物２の表面に対応する光切断線７の高さｈは，θが既知であることから，ｘの値が決まれば，一義的に決まることが分かる。そしてｘの値は，カメラ５の光軸６が鉛直方向であることから，二次元画像９における縦方向の距離に相当することが分かる。即ち，ｘの値は，二次元画像９により容易に計測可能である。

従って，画像処理手段８は，図３中に２点鎖線で示すように，二次元画像９の左右方向に順次，光切断線７の輝度を読み込んで行き，夫々の点において，上記関係式から位置のデータを求めて記憶して行き，この動作を各走査において行うことにより，上述したとおり，測定対象物２の表面の夫々の個所の高さｈを計測することができる。

ここで，測定対象物２の，ある個所が鏡面等に形成されているような場合，カメラ５の配置によっては，例えば図４に示すように，その個所において反射するスリット光３がカメラ５によって撮像されず，輝度の画素抜け１０が生じる場合がある。

そこで本発明では，二次元画像９中の光切断線７の輝度のデータ中から，このような輝度の抜け１０を検出した場合には，画像処理手段８は，図６に示すように，カメラ５の光軸６を調節しながら，輝度の画素抜け１０に対応する二次元画像９の個所を監視し，輝度１０’を検出した時点においてカメラ５の光軸６を固定して，上述したように位置データを求め，次いでカメラ５の光軸６を調節した角度，即ち調節角度θ₁を用いて，基準位置のカメラ５に対応する位置を求める。

図６に示すように，求めるべき位置データは，基準位置のカメラ５の鉛直下方からの距離ｘ₁と，基準面からの高さｈ₁であり，これらの位置データは，図２により求めるｘ，ｈに相当する。

上述したとおり，カメラ５の光軸６は，基準位置から角度θ₁だけ回転しているので，この状態で撮像した二次元画像９による基準面も，図６のＸ軸方向に相当する面から，Ｘ’軸方向に相当する面に変化している。従って，この状態の二次元画像９’から上記(1)式により位置データを求めても，その位置データは，図中のｘ₂，ｈ₂であり，これらの求められた位置データから，上記ｘ₁，ｈ₁を求める必要がある。

ここで，変化した基準面に対応するＸ’軸方向に対してスリット光源４によるスリット光３の照射方向が成す角度をθ₂とすると，高さｈ₂と距離ｘ₂とは図から次式の関係がある。
ｈ₂＝ｘ₂・tanθ₂ （２）
上述と同様に，ｘ₂の値は，二次元画像９’における縦方向の距離として容易に計測することができ，またθ₂＝θ−θ₁であるから，これらにより，ｈ₂を求めることができる。

一方，図６から，下記の関係式が導出される。
cosθ₂＝ｘ₂／ｂ （３）
ｂ＝ｘ₂／cosθ₂ （４）
ｘ₁＝ｂ・cosθ （５）
上記（４）式と（５）式とから，下式が導出される。
ｘ₁＝ｘ₂・cosθ／cosθ₂ （６）
一方，図６から，下式が導出され，
ｈ₁＝ｘ₁・tanθ （７）
これらの（６）式と（７）式から次式が導出される。
ｈ₁＝ｘ₂・cosθ・tanθ／cosθ₂ （８）

以上の（６）式及び（８）式により，カメラ５の光軸６が基準位置から調節角度θ₁だけ回転させた状態で撮像した二次元画像９’により容易に，即ち図５中の縦方向の距離として容易に計測することができる距離ｘ₂と，調節角度θ₁及び既知の角度θとから，求めるべき距離ｘ₁と高さｈ₁とを導出できることが分かる。

図７は，以上の計測，処理手順を示す流れ図である。尚，この流れ図は，ある時点の走査において照射したスリット光３に対しての計測，処理手順を示すもので，実際には，この流れ図に示す手順を，各走査毎に行って三次元形状を計測するものである。
まずステップＳ１においては，基準位置のカメラ５により二次元画像９を撮像する。
次いでステップＳ２においては，二次元画像９中の光切断線７の輝度のデータに画素抜け１０が有るか，否かを判断する。
ステップＳ２において画素抜け１０がないと判断した場合には，ステップＳ３に移行し，二次元画像９から基準面方向の距離ｘを求める。この距離ｘは，図３に示すように縦方向の距離として直接的に計測することができる。
次いでステップＳ４では，ステップＳ３において計測により求められたｘから，（１）式を用いて高さｈを求める。
一方，ステップＳ２において画素抜け１０が有ると判断した場合には，ステップＳ５に移行し，カメラ５の角度調節機構を駆動して，カメラ５の光軸６の角度を調節する。
ステップＳ５においてカメラ５の角度調節を行うと共に，ステップＳ６においてカメラ５により二次元画像９’を撮像し，監視して，上記画素抜け１０があった位置に輝度を検出したか否かを判断する。
ステップＳ６において，検出していないと判断した場合には，ステップＳ５に移行し，更に角度調節を行う。
ステップＳ６において，輝度を検出したと判断した場合には，ステップＳ７に移行し，カメラ５の角度調節を停止して，その時点までの調節角度θ₁を求め，これを記憶する。
次いでステップＳ８ではカメラ５の角度調節により変化した基準面に対してのスリット光３の照射角度θ₂（＝θ−θ₁）を求める。
次いでステップＳ９では，変化した基準面方向の距離ｘ₂を二次元画像９’から求める。
次いでステップＳ１０では，（２）式により高さｈ₂を導出する。
次いでステップＳ１１では，（６）式により，基準面方向の距離ｘ₁を求め，次いでステップＳ１２において，（８）式により基準面に対しての高さｈ₁を導出して処理を終了する。

以上の流れ図は，画素抜け１０の原因としての測定対象物２の表面状態が同様な場合の処理の流れに対応するもので，測定対象物２の反射状態が異なり，従って同一の調節角度では，同時に輝度検出ができない複数の画素抜けがある場合には，全ての画素抜け１０個所の処理が完了したか否かの判定をして条件分岐を行うステップを，ステップＳ１２の次に配置し，このステップにおいて完了していないと判定した場合にはステップＳ５に移行し，完了したと判定した場合には終了するようにすれば良い。

以上の計測，処理により，本発明では，スリット光源４から照射されたスリット光３が測定対象物２の表面において乱反射して形成される光切断線７の少なくとも一部がカメラ５により検出されない場合，即ち，所定角度に維持されたカメラ５で撮像した二次元画像９における輝度のデータに画素抜けを検出した場合には，カメラ５の光軸６を調節しながら画素抜け１０に対応する個所の輝度を監視し，輝度を検出した時点においてカメラ５の光軸６を固定して位置データを求め，次いで，輝度を検出した時点におけるカメラ５の，上記所定角度からの調節角度θ₁を用いることにより，この所定角度における位置データを求めることができ，こうして測定対象物２に対応する光切断線７の全ての輝度のデータを求めることができる。

尚，画素抜け１０に対応する個所の輝度を監視においては，その他の個所の輝度データをノイズと見なし，ノイズフィルタで除去することにより，上記対応個所の輝度の検出を良好に行うことができる。

ここで，画素抜け１０の原因としての測定対象物２の表面状態により，カメラ５の光軸６を上述したように調節したとしても，調節範囲内で輝度を検出することができなかった場合には，本発明では，次の構成として，例えば測定対象物２を載置する支持台１を，図中鉛直方向の回転軸の回りに回転可能に構成し，カメラ５の光軸６の調節範囲内で輝度を検出しない場合には，支持台１等により測定対象物２を適宜角度回転させ，その状態で上記手順の計測を行うようにすることができる。

このような構成とすることにより，上述したカメラ５の光軸６の角度調節では輝度が検出できない測定対象物２の表面状態であっても，上記対応個所の輝度の検出を良好に行うことができる。

従って，このような構成とすることにより，本発明において三次元形状計測可能な測定対象物２の表面状態の範囲を，飛躍的に拡大することができる。

本発明は以上のとおりであるので，従来のように，測定対象物の表面に光の反射が抑制される程度に厚く異物，即ち鏡面反射抑制剤を塗布したり，測定対象物の表面を酸化させたりという面倒で煩雑な作業が不要となり，時間と手間を低減することができると共に，コストアップを生じないという利点が生じ，産業上の利用可能性が極めて大である。

本発明に係る装置と方法を概念的に示す模式図である。 本発明装置における計測動作を示す模式図である。 カメラで撮像した二次元画像の一例を示すものである。 カメラで撮像した二次元画像の他の一例を示すものである。 光軸を調節したカメラで撮像した二次元画像の一例を示すものである。 本発明装置における計測動作を示す模式図である。 本発明における計測，処理手順を示す流れ図である。 本発明に係る装置と方法の他の構成を概念的に示す模式図である。

符号の説明

１ 支持台
２ 測定対象物
３ スリット光
４ スリット光源
５ カメラ
６ 光軸
７ 光切断線
８ 画像処理手段
９，９’ 二次元画像
１０ 画素抜け
１０’ 輝度

Claims (4)

1. スリット光源と，このスリット光源のスリット光の照射方向に対して光軸を所定角度ずらして配置したカメラと，カメラで撮像した二次元画像における光切断線の輝度のデータにより測定対象物の位置データを求める画像処理手段とから構成される光切断法を用いた三次元形状計測装置において，カメラの光軸を上記所定角度から調節可能に構成すると共に，画像処理手段は，調節された角度において撮像した二次元画像から求めた位置データから上記所定角度における位置データを求めるように構成したことを特徴とする光切断法を用いた三次元形状計測装置。
2. 測定対象物を載置する支持台を回転可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載の光切断法を用いた三次元形状計測装置。
3. スリット光源と，このスリット光源のスリット光の照射方向に対して光軸を所定角度ずらして配置したカメラと，カメラで撮像した二次元画像における光切断線の輝度のデータにより測定対象物の位置データを求める画像処理手段とから構成される光切断法を用いた三次元形状計測装置において，カメラの光軸を上記所定角度から調節可能に構成し，画像処理手段は，所定角度に維持されたカメラで撮像した二次元画像における輝度のデータに画素抜けを検出した場合には，カメラの光軸を調節しながら画素抜けに対応する個所の輝度を監視し，輝度を検出した時点においてカメラの光軸を固定して位置データを求め，次いでカメラの光軸の，上記所定角度からの調節角度を用いて，上記所定角度における位置データを求めることを特徴とする光切断法を用いた三次元形状計測方法。
4. スリット光源と，このスリット光源のスリット光の照射方向に対して光軸を所定角度ずらして配置したカメラと，カメラで撮像した二次元画像における光切断線の輝度のデータにより測定対象物の位置データを求める画像処理手段とから構成される光切断法を用いた三次元形状計測装置において，カメラの光軸を上記所定角度から調節可能に構成し，画像処理手段は，所定角度に維持されたカメラで撮像した二次元画像における輝度のデータに画素抜けを検出した場合には，カメラの光軸を調節しながら画素抜けに対応する個所の輝度を監視し，輝度を検出した時点においてカメラの光軸を固定して位置データを求め，次いでカメラの光軸の，上記所定角度からの調節角度を用いて，上記所定角度における位置データを求めると共に，カメラの光軸の調節範囲内で輝度を検出しない場合には，測定対象物を適宜角度回転させ，その状態で上記手順の計測を行うことを特徴とする光切断法を用いた三次元形状計測方法。
   

Images