JP2008096439A - 物体の３次元座標を判定するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】既知の方法および装置を改良することである。
【解決手段】物体（２）の３次元座標を判定するための方法が提供される。この方法において、物体（２）上にフリンジパターンが投影される。物体（２）によって反射された光は記録・計測される。このような方法を改良するために、前記フリンジパターンは、結像素子によって物体（２）上に投影される。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体の３次元座標を判定するための方法およびこのような方法を実施するための装置に関する。

物体の３次元座標を判定するための光学式３次元測定方法が既に知られている。これに関しては、画像による有効な三角測量の方法が、データの質および測定速度の点で他の測定方法よりはるかに優れている。画像による有効な三角測量の方法では、測定対象の物体を１つ以上のフリンジパターンを用いて示すとともに、１つ以上のカメラ（特に、ディジタルエリアスキャンカメラ）を用いて、前記フリンジパターンを投影できる１つ以上の特定の角度で当該物体を観察する。様々な方向に向いているとともに様々な頻度（フリンジスペーシング、フリンジ周期）で現れ、かつ、様々に振幅が形成されているフリンジパターンを用いることができる。

測定された物体の３次元座標（３次元データ）は、通常、計測コンピュータにおいて前述のカメラが検出したフリンジ画像を計測することによって算出される。この場合には、グレイコードによる方法、移相器による方法、マルチ波長による方法など、あるいは、これらの方法の組み合わせを用いる。

既知の解決方法では、投影対象のフリンジパターンなどのパターンがスライドガラスに照射される。プロジェクタのビーム経路内でのスライドキャリアの回転または位置の変更、あるいは、その両方を行うことによって、測定工程中にパターンが修正される。この結果、スライドガラスの位置の変更および／または回転に高い精度が必要であるとともに、画像データを取り込んで画像を計測コンピュータに転送するのに時間がかかるため、測定時間が比較的長くなる。

本発明の目的は、冒頭に記載したような方法および装置の改良を提供することである。

本発明の目的は、本発明にかかる冒頭に記載したような方法に応じて、請求項１の特徴によって解決される。冒頭に記載したような装置については、本発明の請求項１０の特徴によって解決される。

物体の３次元座標を判定するための本発明に係る方法において、前記物体上にフリンジパターンが投影される。前記物体によって反射された光が記録・計測される。前記フリンジパターンは結像素子によって前記物体上に投影される。この結像素子は、具体的には、迅速なパターン投影のための結像素子である。前記結像素子は制御可能であってもよい。前記結像素子は、画素毎に制御可能なことが好ましい。結像素子を用いることによって、可動のスライドガラスを使用する必要がなくなる。このため、測定時間の短縮ができる。

更なる便利な発展が従属項に記載される。

前記フリンジパターンはＬＣＯＳディスプレイ（Liquid Crystal On Silicon Display）、ミラーアレイ、またはＬＣＤ（Liquid Crystal Display（液晶ディスプレイ））によって前記物体上に投影されることが好ましい。

前記フリンジパターンを生成するための光源の光が液体光導体を介して前記物体に供給されることが好ましい。こうして、測定時間を短縮することも可能になる。プロジェクタ用の光を液体光導体を介してプロジェクタに供給する外部の光源にランプを用いてもよい。こうして、非常に高出力のランプを用いて作業ができるようになる。なぜなら、ランプの電力損失によって、システムの精度に関係のない外部のランプ用ハウジングが熱くなって熱によって変形することはあっても、システムの精度に関連するプロジェクタの構造が熱くなって前記構造が熱によって変形することはないからである。ランプが高出力であれば、カメラの露光時間が短縮されるため、測定時間を短縮できる。

更なる便利な発展には、記録した画像データが、中間的にカメラ用メモリに記憶され、その後、計測のために転送されるという特徴がある。こうすることによっても、測定時間をさらに短縮できる。具体的には、ＣＣＤ技術またはＣＭＯＳ技術のある高速カメラを用いることができる。この高速カメラは、画像データが記憶されるカメラ用メモリを備えており、画像データまたはパターンの列が実際に検出されてはじめて、データが計測デバイスに比較的低速で転送される。

三角測量における底辺および／または三角測量における角度が可変であることが好ましい。こうすることによって、ばらばらの量を測定することができるようになる。その代わり、または、それに加えて、測定精度が可変であってもよい。

更なる便利な発展によれば、前記物体の局所的な反射率が判定されるとともに、前記フリンジパターンの輝度が物体の反射率に局所的に換算される。このことは、異なる反射率を有する物体の測定において特に重要である。ここでは、物体の輝度が反射率に局所的に換算されたフリンジパターンの投影が可能である。こうして、カメラのダイナミックレンジが理想的に利用できるとともに、物体の表面が途切れることなく検出できる。

この場合には、前記物体の反射率の判定および前記フリンジパターンの輝度の換算が繰り返し実行されることが好ましい。このために、以下の方法を用いてもよい。

第１の工程においては、物体の輝度がカメラを用いて判定される。第２の工程においては、投影パターンが調整されることなく「粗い」３次元測定が行われる。この測定に適した方法は、グレイコードによる方法、移相による方法、マルチ波長による方法などの方法、または、これらの方法の組み合わせである。第３の工程においては、物体の輝度に適応させた輝度分布を用いて、投影するフリンジパターンを求める。「粗い」３次元座標および各カメラ点についてのセンサの較正から、投影画素の順応輝度を求めることができる。第４の工程においては、「厳密な」３次元測定が、調整された投影パターン、すなわち、物体の輝度が反射率に局所的に換算されている投影パターンを用いて実行される。第２の工程についての上述の方法（グレイコード等）は、この目的にも適している。第５の反復工程においては、第３の工程および第４の工程を繰り返してもよい。数回この繰り返しをしてもよい。この反復工程によって精度を上げることができる。

更なる便利な発展には、判定された物体の３次元座標が所望の物体の３Ｄ座標と比較されるとともに、形状のずれが前記物体上に投影されるという特徴がある。測定された物体における当該物体の所望データに対する形状のずれは、前述の測定の後すぐに計測することができる。この形状のずれは前記物体上に投影できるため、このずれが見やすくなる。この形状のずれは、前記物体上に疑似色で投影されることが好ましい。別々の色によって、別々の次元の形状のずれを示してもよい。しかしながら、例えば、輪郭線のような他の表示方法も可能である。

以下の工程で前記物体上に形状のずれを投影できる。第１の工程においては、前記物体の３次元測定が行われる。第２の工程においては、自動調整および所望データからのずれの算出が行われる。前記所望のデータを、具体的には、所望のＣＡＤデータセットに記憶できる。第３の工程においては、投影パターンが、３次元の物体の点毎に算出されたり判定されたりするか、あるいは、その両方が行われる。このためにＬＣＯＳディスプレイを用いることが好ましい。そのため、３次元物体のすべての点についてのＬＣＯＳディスプレイの投影パターンは、算出されたり判定されたりするか、あるいは、その両方が行われる。投影パターンの算出および／または判定は、カラーチャンネル毎に行われることが好ましい。疑似色の表示のために、ＲＧＢ（red／green／blue）カラーホイールを用いてもよい。投影パターンの算出および／または判定の際に、対応する投影画素がカメラ画素毎に算出されたり判定されたりするか、あるいは、その両方が行われる。第４の工程においては、ＲＧＢカラーホイールが制御可能である。ＲＧＢカラーホイールは、測定された物体上に形状のずれを投影するための前記３つのカラーチャンネルに対応する結像素子、とりわけ、ＬＣＯＳディスプレイと同期して制御される。

物体の３次元座標を判定するための装置によれば、本発明の目的が請求項１０の特徴によって解決される。前記装置は、前記物体上にフリンジパターンを投影するためのプロジェクタと、前記物体によって反射された光を記録するための１つ以上のカメラと、記録した画像を計測するための計測デバイスとを備えている。前記プロジェクタは、前記物体上に前記フリンジパターンを投影するための結像素子を備えている。

更なる便利な発展は、別の従属項に説明されている。

前記プロジェクタが、前記フリンジパターンを前記物体上に投影するためのＬＣＯＳディスプレイ、ミラーアレイおよび／またはＬＣＤを備えていることが好ましい。

前記プロジェクタに光を供給するための光源および液体光導体があることが好ましい。

前記カメラが、記録した画像データを中間的に記憶するためのカメラ用メモリを備えていてもよい。

三角測量における底辺および／または三角測量における角度が可変であることが好ましい。

前記物体の局所的な反射率を判定するとともに、前記フリンジパターンの輝度を前記物体の反射率に局所的に換算するための計測デバイスがあることが好ましい。前記物体の反射率の判定および前記フリンジパターンの輝度の換算を繰り返し実行してもよい。

更なる便利な発展は、判定された物体の３次元座標を物体の所望の３次元座標と比較するとともに、形状のずれを前記物体上に投影するためのデバイスに特徴がある。形状のずれを前記物体上に疑似色で投影するためのカラーホイールが設けられることが好ましい。

本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

唯一の図面に示す物体２の３次元座標を判定するための装置には、フリンジパターンを物体２上に投影するために用いられるプロジェクタ１と、物体２によって反射された光を記録するためのカメラ３と、記録された画像を計測するための計測デバイス（図示せず）とが含まれている。プロジェクタ１には、結像素子８と、反射鏡９と、レンズ１０とが含まれている。結像素子８は、具体的には、ＬＣＯＳディスプレイ、ミラーアレイ、またはＬＣＤ（液晶ディスプレイ）である。

プロジェクタ１用の光は光源４から発生し、その光源４の光は、光導体（具体的には、液体光導体５）を介してプロジェクタ１に供給される。光源４からの光は、光結合器７を介して液体光導体５に供給されるとともに、結像素子８上に光を反射させる光取り出し装置１１を介して反射鏡９に放出される。結像素子８からは、レンズ１０を通って物体２上に光が投影される。光源４と光結合器７との間にはカラーホイール６が設けられている。カラーホイール６は、４つの領域、すなわち、赤、緑、青および透明の領域を有するＲＧＢカラーホイールである。

カメラ３は、記録した画像データを中間記憶するためのカメラ用メモリを有する。その後、中間記憶されている画像データは、計測のために、計測デバイスに転送される。

プロジェクタ１とカメラ３との間の間隔Ａは、三角測量における底辺となっている。この三角測量における底辺および三角測量における角度は可変である。

前記計測デバイスによって、物体２の局所的な反射率を判定できるとともに、フリンジパターンの輝度を物体２の反射率に局所的に換算することができるようになるとともに、物体２の反射率の判定およびフリンジパターンの輝度の換算が繰り返しできるようになる。さらに、前記計測デバイスには、判定された物体２の３次元座標をこの物体の所望の３次元座標と比較するとともに形状のずれを物体２に投影するためのデバイスが含まれている。この形状のずれは、カラーホイール６を通して物体２上に疑似色で投影できる。前記計測デバイスには、コンピュータが含まれていてもよい。あるいは、前記計測デバイスは、コンピュータ（具体的には、ＰＣ）によって構成されていてもよい。

本発明によって測定時間が短縮できる。試料調製は不要になる。光源４は、高出力光源（具体的には、白熱灯、放電ランプおよび／または１つ以上の高出力発光ダイオード）であってもよい。高出力光源４は外部のハウジング内にある。プロジェクタ用の光は、液体光導体５を介してプロジェクタ１に供給される。

物体の輝度が反射率に局所的に換算されたフリンジパターンが投影され、物体の表面を途切れなく検出するためのカメラのダイナミックレンジを理想的に利用できるようになるとともに、換算されたパターン投影の算出が繰り返し可能である。測定された物体の形状における所望のデータからのずれが判定されるとともに、この形状のずれは、物体上に疑似色で直接投影される。この投影は、物体の測定後すぐに実施されることが好ましい。このため、パターンの投影、すなわち、フリンジパターンの投影と同期するＲＧＢカラーホイール６を用いる。ＲＧＢカラーホイール６は、外部の光源用ハウジング内にある。しかしながら、ＲＧＢカラーホイール６は、プロジェクタ用のハウジングに設けられていてもよい。

既知の解決方法によれば、異なる反射率の物体は不完全にしか測定できない。なぜなら、前記物体に対して同じ輝度でパターンが投影されるが、カメラのダイナミックレンジが制限されることが原因で測定された物体の反射率が異なることによって、局所的に、焦点ずれがあったり画像の調整が不十分になったりするからである。そのため、簡単な露光時間での測定では、物体の３次元データを完全に検出できない。製造における品質保証のためのすでに有名な測定システムを使用すると、前述の短所がある。なぜなら、ここでは、測定時間を短くする必要があるとともに、試料調製をすることなく異なる反射率の物体を測定しなければならないからである。本発明をさらに発展させることによって、物体の局所的な反射率が判定されるとともに、フリンジパターンの輝度が物体の反射率に局所的に換算される。こうして、上述の短所を回避できる。

物体の３次元座標を判定するための装置の概略図である。

Claims (18)

1. 物体（２）の３次元座標を判定するための方法であって、物体（２）上にフリンジパターンが投影されるとともに、物体（２）によって反射された光が記録・計測される方法において、
   前記フリンジパターンは結像素子によって物体（２）上に投影されることを特徴とする方法。
2. 前記フリンジパターンがＬＣＯＳディスプレイ、ミラーアレイ、またはＬＣＤによって物体（２）上に投影されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記フリンジパターンを生成するための光源（４）の光が液体光導体（５）を介して物体（２）に供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 記録した画像データは、中間的にカメラ用メモリに記憶され、その後、計測のために転送されることを特徴とする請求項１ないし３のうち１項に記載の方法。
5. 三角測量における底辺および／または三角測量における角度は可変であることを特徴とする請求項１ないし４のうち１項に記載の方法。
6. 物体（２）の局所的な反射率が判定されるとともに、前記フリンジパターンの輝度が物体（２）の反射率に局所的に換算されることを特徴とする請求項１ないし５のうち１項に記載の方法。
7. 物体（２）の反射率の判定および前記フリンジパターンの輝度の換算が繰り返し実行されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 判定された物体（２）の３次元座標が物体（２）の所望の３次元座標と比較されるとともに、形状のずれが物体（２）上に投影されることを特徴とする請求項１ないし７のうち１項に記載の方法。
9. 形状のずれが疑似色で物体（２）上に投影されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 物体（２）の３次元座標を判定するための装置であって、
    物体（２）上にフリンジパターンを投影するためのプロジェクタ（１）と、物体（２）によって反射された光を記録するための１つ以上のカメラ（３）と、記録した画像を計測するための計測デバイスとを備えている装置において、
    プロジェクタ（１）が、物体（２）上に前記フリンジパターンを投影するための結像素子を備えていることを特徴とする装置。
11. 結像素子が、ＬＣＯＳディスプレイ、ミラーアレイおよび／またはＬＣＤであることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. プロジェクタ（１）に光を供給するための光源（４）および液体光導体（５）を備えていることを特徴とする請求項１０または１１に記載の装置。
13. カメラ（３）が、記録した画像データを中間的に記憶するためのカメラ用メモリを備えていることを特徴とする請求項１０ないし１２のうち１項に記載の装置。
14. 三角測量における底辺および／または三角測量における角度が可変であることを特徴とする請求項１０ないし１３のうち１項に記載の装置。
15. 計測デバイスが、物体（２）の局所的な反射率を判定するとともに前記フリンジパターンの輝度を物体（２）の反射率に局所的に換算することを特徴とする請求項１０ないし１４のうち１項に記載の装置。
16. 計測デバイスが、物体（２）の反射率の判定および前記フリンジパターンの輝度の換算を繰り返し実行することを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. 計測デバイスが、判定された物体（２）の３次元座標を物体（２）の所望の３次元座標と比較するとともに形状のずれを物体（２）上に投影するためのデバイスを備えていることを特徴とする請求項１０ないし１６のうち１項に記載の装置。
18. 形状のずれを物体（２）上に疑似色で投影するためのカラーホイール（６）を備えていることを特徴とする請求項１７に記載の装置。

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