JP2009265004A

JP2009265004A - ３次元画像走査装置

Info

Publication number: JP2009265004A
Application number: JP2008117015A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Suzuki; 敏鈴木; Yoichi Sano; 陽一佐野; Masahiro Suzuki; 雅大鈴木
Original assignee: Hexagon Metrology KK
Current assignee: Hexagon Metrology KK
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2008-04-28
Publication date: 2009-11-12

Abstract

【課題】レーザ光の照射位置における戻り光の正確な光量を測定することにより、正確な位置情報及び輝度情報に基づく正確な３次元画像を生成可能な３次元画像走査装置を提供すること。
【解決手段】レーザダイオード２と、第１光学系と、照射位置移動手段と、エンコーダ６ａと、第２光学系と、ＣＣＤラインセンサ部１３と、入射光量測定手段とを有し、検知手段から出力された検知信号により所定時間の間隔を有する複数のタイミング信号が生成され、タイミング信号によってＣＣＤのリセットタイミングが制御し、一のタイミング信号後に確認用レーザ光の光量を入射光量測定手段により測定し、この確認用レーザ光の光量から測定用レーザ光の発光量が決定され、入射光量測定手段からの出力に基づくデータ（一定光量出力の確認用レーザの光量）を陰影情報に利用して３次元画像を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は非接触センサを利用した３次元画像走査装置に関する。

従来の非接触センサを利用した３次元画像走査装置は、特許文献１に開示されているように非接触センサを利用して対象物の表面の形状を測定し同測定データを出力する形状測定装置と、この形状測定装置から出力された測定データを処理するコンピュータ本体と、このコンピュータ本体により制御されて対象物の表面の３次元画像を表示する表示装置とを有している。

図６は、上記形状測定装置の光学系の概略図である。レーザダイオード１１１から出射した出射光は、ビームエキスパンダ１１２、第１ミラー１１３、第２ミラー１１４、第３ミラー１１５を経て測定対象物に照射される。測定対象物の表面によって反射された戻り光は、第３ミラー１１５、第２ミラー１１４、第４ミラー１１６、結像レンズ部１１７を経て非接触センサであるＣＣＤラインセンサ部１１８に入射する。なお、この形状測定装置は、図６に示すＸ軸回りに当該光学系を収容したケース全体（図示せず）を回動させ、また、第３ミラー１１５をＹ軸回りに回動させることにより測定対象物の表面の走査を行うことができる。

図７は、この３次元画像走査装置の測定原理を示している。レーザダイオード１１１から出射したレーザ光が測定対象物の表面に照射され、この測定対象物の表面により反射された戻り光が結像レンズ部１１７の結像レンズ１１７ａにより収束されてＣＣＤラインセンサ部１１８のラインセンサ１１８ａ上に結像する。このラインセンサ１１８ａにより計測された戻り光の結像位置が測定データとして形状測定装置から出力される。この測定データに基づいて、コンピュータ本体は、距離計測に用いられている三角測量法を適用し、測定対象物の表面の３次元形状を算出する。また、このラインセンサ１１８ａにより計測された戻り光の光量を測定し、測定対象物の表面の陰影を表す陰影情報として利用して、測定対象物の３次元画像を生成する。

図８は、上記３次元画像走査装置のブロック図である。電気制御装置１５０は、レーザダイオード１１１を制御しており、また、第３ミラー１１５を回転させるモータ１１９の回転角度を検出するエンコーダ１２１と接続されている。電気制御装置１５０からの各信号はコンピュータ２００に出力され、コンピュータ２００内の座標変換部２１０を経て画像処理部２２０により３次元画像を表示することができる画像信号に変換される。

特許第３５５４２６４号公報

上記３次元画像走査装置では、図８に示すように、第３ミラー１１５を回動させるモータ１１９にエンコーダ１２１が取り付けられている。このエンコーダ１２１によって生成されるエンコーダパルス信号によって、上記Ｙ軸回りに第３ミラー１１５を回動されることで移動することができるレーザ光の照射位置を検出することができる。即ち、エンコーダパルス信号と次のエンコーダパルス信号との間の時間に当該照射位置における戻り光がＣＣＤラインセンサ部１１８のラインセンサ１１８ａのＣＣＤ素子に電荷として累積的に蓄積され、このエンコーダパルス信号間の時間内にＣＣＤ素子に蓄積された電荷の総量が当該照射位置における戻り光の光量となって計測される。

しかし、図９に示すように、このエンコーダ１２１のエンコーダパルス信号と、ＣＣＤラインセンサ部１１８のラインセンサ１１８ａの各ＣＣＤ素子に累積的に蓄積された電荷を排出するタイミング（以下、ＣＣＤのリセットタイミング）は、従来の３次元画像走査装置において同期していない場合、ＣＣＤ素子に蓄積される電荷の総量は、エンコーダパルス信号間の時間内に蓄積されたものではない。従って、上記のような３次元画像走査装置では、レーザ光の照射位置における戻り光の正確な光量の計測ができないという問題点が発生する場合がある。

上記問題点に鑑み、本発明は、レーザ光の照射位置における戻り光の正確な光量を測定することにより、正確な位置情報及び輝度情報に基づく正確な３次元画像を生成可能な３次元画像走査装置を提供することを目的とする。

本発明に係る３次元画像走査装置は、レーザ光を出射するレーザダイオードと、前記レーザダイオードから出射されたレーザ光を測定対象物の表面へ照射するための第１光学系と、前記レーザダイオードから出射されたレーザ光の照射位置を移動させるための照射位置移動手段と、前記照射位置移動手段の移動状態を検知する検知手段と、測定対象物の表面からの反射光であるレーザ光を結像させるための第２光学系と、前記第２光学系からのレーザ光の結像位置を検出するためのＣＣＤラインセンサ部と、前記第２光学系に設けられると共に、前記ＣＣＤラインセンサ部への入射光の光量を測定する入射光量測定手段とを有し、前記検知手段から出力された検知信号により所定時間の間隔を有する複数のタイミング信号が生成され、前記タイミング信号によって前記ＣＣＤラインセンサ部のＣＣＤのリセットタイミングが制御されており、前記一のタイミング信号後に、確認用レーザ光を前記レーザダイオードから前記所定時間よりも短い時間照射し、前記確認用レーザ光の光量を前記入射光量測定手段により測定し、前記入射光量測定手段により測定された前記確認用レーザ光の光量から、前記レーザダイオードが照射する測定用レーザ光の発光量が決定され、前記入射光量測定手段からの出力に基づくデータ（最適化していないフィードバックのかかっていない一定レーザ光による生データ）をそのまま利用して、測定対象物の３次元画像を生成することを特徴とする。

さらに、本発明に係る３次元画像走査装置は、レーザ光を出射するレーザダイオードと、前記レーザダイオードから出射されたレーザ光を測定対象物の表面へ照射するための第１光学系と、前記レーザダイオードから出射されたレーザ光の照射位置を移動させるための照射位置移動手段と、前記照射位置移動手段の移動状態を検知する検知手段と、測定対象物の表面からの反射光であるレーザ光を結像させるための第２光学系と、前記第２光学系からのレーザ光の結像位置を検出するためのＣＣＤラインセンサ部と、前記第２光学系に設けられると共に、前記ＣＣＤラインセンサ部への入射光の光量を測定する入射光量測定手段とを有し、前記検知手段から出力された検知信号により所定時間の間隔を有する複数のタイミング信号が生成され、前記タイミング信号によって前記ＣＣＤラインセンサ部のＣＣＤのリセットタイミングが制御されており、前記一のタイミング信号後に、確認用レーザ光を前記レーザダイオードから前記所定時間よりも短い時間照射し、前記確認用レーザ光の光量を前記入射光量測定手段により測定し、前記入射光量測定手段により測定された前記確認用レーザ光の光量から、前記レーザダイオードが照射する測定用レーザ光の発光量が決定され、前記測定用レーザ光の発光量により、前記ＣＣＤラインセンサ部から出力された電荷量に基づくデータを補正し、測定対象物の表面の陰影を表す陰影情報として利用して、測定対象物の３次元画像を生成することを特徴とする。

さらに、本発明に係る３次元画像走査装置は、前記測定用レーザ光の発光量が、前記レーザダイオードの発光時間の長短によって決定されることが好ましい。

さらに、本発明に係る３次元画像走査装置は、前記測定用レーザ光の発光量が、前記レーザダイオードの発光の強弱によって決定されることが好ましい。

さらに、本発明に係る３次元画像走査装置は、前記測定用レーザ光が一の前記所定時間の間に複数回照射され、一の前記測定用レーザの光量を前記入射光量測定手段により測定し、前記入射光量測定手段により測定された前記一の測定用レーザ光の光量から前記レーザダイオードが照射する次の前記測定用レーザ光の発光の強さが決定されることが好ましい。

さらに、本発明に係る３次元画像走査装置は、前記入射光測定手段が、レーザ光の強弱に応じた複数の増幅部を有していることが好ましい。

請求項１記載の本発明に係る３次元画像走査装置は、検知手段から出力された検知信号により所定時間の間隔を有する複数のタイミング信号が生成され、このタイミング信号によってＣＣＤラインセンサ部のＣＣＤのリセットタイミングが制御されているため、測定用レーザ光の照射位置と、当該照射位置におけるＣＣＤラインセンサ部への入射光量に対応する。従って、レーザ光の照射位置における戻り光の適正光量による計測に誤差が生じることを防止することができる。故に、３次元形状データが正確であるために陰影情報を正確な座標に割り当てることができるため、非常に鮮明且つ誤差のない３次元画像を生成することができる。

また、一のタイミング信号後に、確認用レーザ光をレーザダイオードから所定時間よりも短い時間照射し、確認用レーザ光の光量を入射光量測定手段により測定し、入射光量測定手段により測定された確認用レーザ光の光量から、レーザダイオードが照射する測定用レーザ光の発光量が決定されるため、測定対象物の表面の反射率や測定対象物と形状測定装置との間の距離に影響されることなく、常に測定用レーザ光が入射したＣＣＤラインセンサ部における戻り光の光量が当該センサ部の蓄積可能な電荷量の範囲内の光量となり、測定用レーザ光の戻り光の正確な光量による測定が可能となる。従って、正確な３次元形状データの座標に陰影情報を割り当てることにより、非常に鮮明且つ誤差のない３次元画像を生成することができる。

請求項２記載の本発明に係る３次元画像走査装置は、測定用レーザ光の発光量がレーザダイオードの発光時間の長短によって決定されるため、測定用レーザ光の発光強さを一定にすることができる。

請求項３記載の本発明に係る３次元画像走査装置は、測定用レーザ光の発光量がレーザダイオードの発光の強弱によって決定されるため、測定用レーザ光の発光時間を一定にすることができる。

請求項４記載の本発明に係る３次元画像走査装置は、一の測定用レーザ光の光量からレーザダイオードが照射する次の測定用レーザ光の発光の強さが決定されるため、測定対象物の表面の反射率や測定対象物と形状測定装置との間の距離に影響されることなく、常に測定用レーザ光が入射したＣＣＤ素子における戻り光の光量が当該ＣＣＤ素子の蓄積可能な電荷量の範囲内の光量となり、測定用レーザ光の戻り光のより正確な光量により測定することができ、この結果、正確な３次元形状データの座標に輝度情報を組み合わせることができる。

請求項５記載の本発明に係る３次元画像走査装置は、入射光測定手段がレーザ光の強弱に応じた複数の増幅部を有しているため、戻り光の光量の大小に対応できる広範なダイナミックレンジを確保することができる。このため、広範なダイナミックレンジを有する陰影情報を確保することができる。

以下、図１ないし図４を参照しつつ本発明の第１実施形態について詳細に説明する。本実施形態の３次元画像走査装置は、レーザ光を出射するレーザダイオード２と、レーザダイオード２から出射されたレーザ光を測定対象物の表面へ照射するための第１光学系と、レーザダイオード２から出射されたレーザ光の照射位置を移動させるための照射位置移動手段と、照射位置移動手段の移動状態を検知する検知手段であるエンコーダ６ａと、測定対象物の表面からの反射光であるレーザ光を結像させるための第２光学系と、第２光学系からのレーザ光の結像位置を検出するためのＣＣＤラインセンサ部１３と、第２光学系に設けられると共に、ＣＣＤラインセンサ部１３への入射光の光量を測定する入射光量測定手段とを有し、検知手段から出力された検知信号により所定時間の間隔を有する複数のタイミング信号が生成され、前記タイミング信号によって前記ＣＣＤラインセンサ部１３のＣＣＤのリセットタイミングが制御されており、一のタイミング信号後に、確認用レーザ光をレーザダイオード２から前記所定時間よりも短い時間照射し、確認用レーザ光の光量を入射光量測定手段により測定し、入射光量測定手段により測定された確認用レーザ光の光量から、レーザダイオード２が照射する測定用レーザ光の発光量が決定され、前記入射光量測定手段からの出力に基づくデータをそのまま測定対象物の表面の陰影を表す陰影情報として利用して、測定対象物の３次元画像を生成することを特徴とする。

なお、本実施形態において上記第１光学系は、ビームエキスパンダ３、第１鏡４、及び、第２鏡５とから構成されており、上記第２光学系は、第３鏡７、第４鏡８、第５鏡９、結像レンズ部１０、及び、ハーフミラー１１とから構成されている。

本実施形態の３次元画像走査装置は、主にＣＣＤラインセンサ部１３を使用して測定対象物の表面の形状を測定し同測定データを出力する形状測定装置と、この形状測定装置から出力された測定データを処理するコンピュータ３０と、このコンピュータ３０により制御されて測定対象物の３次元画像を表示する表示装置（ディスプレイ、図示せず。）とを有している。

なお、上記形状測定装置は、一般的にはコーディネイトメジャリングマシン（ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＭｅａｓｕｒｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ）（以下、「ＣＭＭ」とする。図示せず。）の先端部に装着される。形状測定装置をＣＭＭに装着した場合には、ＣＭＭの先端部の位置を示す座標データが後述するコンピュータ３０へ出力される。

図１は、本実施形態の３次元画走査装置の形状測定装置の光学系１を示す概略斜視図である。レーザダイオード２からの出射光は、第１光学系を通じて測定対象物の表面へ照射される。第１光学系において、ビームエキスパンダ３はレーザビーム径を計測距離範囲内に渡り小スポットを維持する為の光学系であり、また、第１鏡４と第２鏡５はレーザ光の方向を変更するために設けられている。

第２鏡５は、揺動モータ６の回動軸の一端に設けられており、図１に示すＹ軸回りに回動するようになっている。この第２鏡５の回動により、測定対象物の表面へのレーザ光の照射範囲を図１における水平方向に移動することができる。また、後述する第３鏡７も揺動モータ６の回動軸の他端に設けられており、第２鏡５と同一の角度に回動するようになっている。これら第２鏡５、揺動モータ６、及び、第３鏡７は、レーザダイオード２から出射されたレーザ光の照射位置を移動させるための照射位置移動手段を構成している。なお、本実施形態における形状測定装置の上記光学系は、図１に示すＸ軸回りに当該光学系を収容したケース全体（図示せず）を回動することにより、測定対象物の表面の垂直方向における走査を行うことができる。このケース全体の回動角度データも後述するコンピュータ３０へ出力される。

また、上記照射位置移動手段の移動状態を検知する検知手段として、揺動モータ６にはエンコーダ６ａ（図３参照）が取り付けられている。このエンコーダ６ａは、揺動モータ６の回動位置を検知信号として出力する。そしてこの検知信号から、後述するＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）２０（図３参照）によって所定時間の間隔を有する複数のタイミング信号が生成される。

測定対象物の表面からの反射光であるレーザ光を結像させるための第２光学系において、第３鏡７、第４鏡８、第５鏡９、及びハーフミラー１１は、戻り光であるレーザ光の方向の変更やレーザ光を透過するために設けられており、結像レンズ部１０は戻り光を集光しＣＣＤラインセンサ部１３のラインセンサ１３ａに結像するように配設されている。第３鏡７は、上述したように、揺動モータ６により図１に示すＹ軸回りに回動するようになっており、また、第２鏡５と連動することにより、測定対象物の表面へのレーザ光の照射角度に応じて、同表面において反射されたレーザ光の戻り光の入射角度が第３鏡７に与えられる。なお、結像レンズ部１０は、結像レンズ１０ａとバンドパスフィルター１０ｂとを有している。また、ＣＣＤラインセンサ部１３は、戻り光の結像位置を測定するためのラインセンサ１３ａを有している。

さらに、上記ハーフミラー１１の表面に反射したレーザ光を受光するフォトダイオード１２が設けられており、このフォトダイオード１２によって戻り光の光量が検出される。

図２は、この３次元画像走査装置の測定原理を示している。レーザダイオード２から出射したレーザ光が測定対象物の表面に照射され、この測定対象物の表面により反射された戻り光が結像レンズ部１０の結像レンズ１０ａにより収束されてＣＣＤラインセンサ部１３のラインセンサ１３ａ上に結像する。このラインセンサ１３ａにより計測された戻り光の結像位置が測定データとして形状測定装置から出力される。この測定データに基づいて、コンピュータ本体は、距離計測に用いられている三角測量法を適用し、測定対象物の表面の３次元形状を算出する。

以下、図３を参照しつつ形状測定装置１の制御系に関して説明する。
レーザダイオード２を駆動するレーザダイオードドライバ２ａは、後述するＦＰＧＡ２０により制御されていると共に、オートパワーコントロールによってフィードバック制御がなされている。このオートパワーコントロールは、レーザダイオード２内部の発光体の近傍に配設されているフォトセンサ（図示せず。）による発光量の検出値をベースにして行われている。このフォトセンサによって検出されたレーザダイオード２の発光量が増幅器２ｂに入力され、増幅器２ｂからの出力が比較器２ｃに入力される。また、レーザダイオード２の発光時間及び発光量は、ＦＰＧＡ２０により制御されている。ＦＰＧＡ２０から出力されたデジタル信号はＤ／Ａ変換部２０ａによってアナログ信号に変換され、比較器２ｃに入力される。比較器２ｃにより、オートパワーコントロールによるフィードバック制御信号とＦＰＧＡ２０による制御信号が合算され、レーザダイオードドライバ２ａに入力される。

揺動モータ６に取り付けられているエンコーダ６ａは、揺動モータ６の回動位置を検知信号として出力し、この検知信号はエンコーダ変換器６ｂを介してＦＰＧＡ２０に入力される。

ＣＣＤラインセンサ部１３は、ＣＣＤドライブ１３ｂを介してＦＰＧＡ２０に接続されており、ＦＰＧＡ２０によってラインセンサ１３ａの各ＣＣＤのリセットタイミングが制御されている。

フォトダイオード１２は、第１増幅器１２ａと第２増幅器１２ｃに接続されており、第１増幅器１２ａはＡ／Ｄコンバータ１２ｂを介して、また、第２増幅器１２ｃはＡ／Ｄコンバータ１２ｄを介してＦＰＧＡ２０に接続されている。フォトダイオード１２、第１及び第２増幅器１２ａ、１２ｃ、Ａ／Ｄコンバータ１２ｂ、１２ｄは、入射光量測定手段を構成している。

また、第１増幅器１２ａは高い増幅率が設定されており、また、第２増幅器１２ｃは低い増幅率が設定されている。従って、フォトダイオード１２が検出した戻り光の光量が小さい場合には、第１増幅器１２ａとＡ／Ｄコンバータ１２ｂによって検出信号がＦＰＧＡ２０に入力され、一方、フォトダイオード１２が検出した戻り光の光量が大きい場合には、第２増幅器１２ｃとＡ／Ｄコンバータ１２ｄによって検出信号がＦＰＧＡ２０に入力される。このように、レーザ光の光量の強弱に応じた複数の増幅部である第１増幅器１２ａと第２増幅器１２ｃを有していることにより、戻り光の光量の大小に対応できる広範なダイナミックレンジを確保することができる。

以下、図４を参照しつつ形状測定装置の制御系のタイミングチャートについて説明する。

最初に、検知手段であるエンコーダ６ａから出力された検知信号（図４に示す「エンコーダパルス」と表示されている波形を参照）がＦＰＧＡ２０へ送信され、ＦＰＧＡ２０はこの検知信号からタイミング信号を生成する。そして、エンコーダ６ａの一の検知信号から一のタイミング信号が生成され、次の検知信号とから次のタイミング信号が生成される。この一のタイミング信号と次のタイミング信号との時間間隔が所定時間の間隔となる。

次に、上記一のタイミング信号生成後に、このタイミング信号によりレーザダイオードドライバ２ａが制御され、確認用レーザ光（図４に示す「確認レーザ」と表示されている波形を参照）がレーザダイオード２から照射される。この確認用レーザ光の強さは予め定められており、この確認用レーザ光の強さは、第１及び第２増幅器１２ａ、１２ｃ及びＡ／Ｄコンバータ１２ｂ、１２ｄのダイナミックレンジ内にその戻り光の光量が収まるように設定されていることが好ましい。

また、確認用レーザ光の照射時間は上記所定時間よりも短い時間となっている。これは、上記所定時間の間に確認用レーザ光と測定用レーザ光とを照射する必要があるからである。

レーザダイオード２から確認用レーザ光が測定対象物の表面に照射され、その反射光が戻り光となり、ハーフミラー１１を通過して、フォトダイオード１２へ入射する。そして、入射光量測定手段により戻り光となった確認用レーザ光の光量が測定される（図４に示す「ＰＤ入力」と表示されている波形を参照）。測定対象物の表面が暗色であり、又は、測定対象物と形状測定装置との間の距離が長い場合には、測定される戻り光の光量は小さくなる。一方、測定対象物の表面が明色であったり、金属光沢面であったり、又は、測定対象物と形状測定装置との間の距離が短い場合には、測定される戻り光の光量は大きくなる。

確認用レーザ光の戻り光の光量の測定値はＡ／Ｄコンバータ１２ｂ又は１２ｄによってデジタル化され、ＦＰＧＡ２０へ入力される。本実施形態において、ＦＰＧＡ２０は確認用レーザ光の光量を基にしてレーザダイオード２から照射する測定用レーザ光の照射時間を決定する。即ち、確認用レーザ光の戻り光の光量が大きい場合には測定用レーザ光の照射時間を短くし、確認用レーザ光の戻り光の光量が小さい場合には測定用レーザ光の照射時間を長くする。

上記のように測定用レーザ光の照射時間を調整することにより、ＣＣＤラインセンサ部１３のラインセンサ１３ａの各ＣＣＤ素子における適正な電荷量の範囲内に測定用レーザ光の戻り光の光量を制御することができる。即ち、ＣＣＤ素子が蓄積可能な電荷量を超えた測定用レーザ光の戻り光の光量が、このＣＣＤ素子に入射すると戻り光の正確な光量による測定が不可能となり、また、測定用レーザ光の戻り光の光量が小さすぎるとノイズとの判別が困難になる。従って、上記のＣＣＤ素子における適正な電荷量の範囲とは、ＣＣＤ素子が蓄積可能な電荷量を上限とし、ノイズ領域よりも大きな電荷量を下限とする範囲をいう。

ＦＰＧＡ２０はレーザダイオードドライバ２ａを制御し、決定した測定用レーザ光の照射時間に基づいてレーザダイオード２を発光させる。このレーザダイオード２の発光は、発光の強さが予め定められており、その発光時間だけが調整される。従って、レーザダイオード２の発光はパルス波形（図４に示す「計測レーザＯＮ１」と表示されている波形を参照）となっている。

測定用レーザ光が測定対象物の表面で反射され、その戻り光がＣＣＤラインセンサ部１３のラインセンサ１３ａのＣＣＤ素子に入射すると、測定用レーザ光が入射したＣＣＤ素子が特定されて戻り光の結像位置が測定され、また、測定用レーザ光が入射したＣＣＤ素子における戻り光の光量がＣＣＤドライブ１３ｂを介してＦＰＧＡ２０により測定される。

従って、測定対象物の表面の反射率や測定対象物と形状測定装置との間の距離に影響されることなく、常に測定用レーザ光が入射したＣＣＤ素子における戻り光の光量が当該ＣＣＤ素子の蓄積可能な電荷量の範囲内の光量となり、測定用レーザ光の戻り光の正確な光量による測定することができる。

さらに、レーザダイオード２は、確認用レーザ光を照射する場合も測定用レーザ光を照射する場合もパルスレーザとして発光するため発熱が少なく、レーザダイオード２の熱による発光量の変動を防止することができる。レーザダイオード２の発光がパルスレーザであるため、レーザダイオード２の発光量を大きく設定することができるため、フォトダイオード１２におけるＳ／Ｎ比を改善することもできる。

上記実施形態では、レーザダイオード２が照射する測定用レーザ光は、発光の強さが予め定められており、その発光時間だけが調整される。しかし、レーザダイオード２の発光時間を予め定めておき、その発光の強さをＦＰＧＡ２０により調整することも可能である。即ち、ＣＣＤラインセンサ部１３のラインセンサ１３ａのＣＣＤ素子における適正な電荷量の範囲とは、ＣＣＤ素子が蓄積可能な電荷量を上限とし、ノイズ領域よりも大きな電荷量を下限とする範囲であるため、この範囲を超えないようにレーザダイオード２の発光時間と発光の強さを制御することができればよいからである。図４に示す「計測レーザＯＮ２」と表示されている波形は、この場合のレーザダイオード２の発光を示す波形であり、発光時間と発光の強さの乗積値が「計測レーザＯＮ１」と「計測レーザＯＮ２」において同値になっている。

上記のようにして測定対象物の表面の正確な三次元形状をＣＣＤ素子の出力に基づくデータから取得することができる。さらに、測定対象物の表面の陰影を表す陰影情報は、前記入射光量測定手段により取得された輝度情報を基にして生成される。

入射光量測定手段は、上述したようにフォトダイオード１２、第１及び第２増幅器１２ａ、１２ｃ、及び、Ａ／Ｄコンバータ１２ｂ、１２ｄから構成されており、戻り光の光量の大小に対応できる広範なダイナミックレンジを有している。従って、戻り光の光量の大小に係らず、正確な陰影情報を取得することができる。なお、ＣＣＤラインセンサ部１３のラインセンサ１３ａの各ＣＣＤ素子によって計測された輝度情報を陰影情報として用いることも可能である。この場合においても、測定用レーザ光の発光時間が予め定められ、その発光の強さだけが調整される場合（図４に示す「計測レーザＯＮ２」と表示されている波形を参照）には、その発光強さに基づいて補正されて陰影情報が取得される。

コンピュータ３０は、コンピュータ３０へ入力されたＣＭＭの座標データと、形状測定装置のケース全体の回動角度データと、エンコーダ６ａの回動位置のデータ及びラインセンサ１３ａの各ＣＣＤにより計測された距離情報により、正確な３次元形状データを作成する。さらに、コンピュータ３０は、この正確な３次元形状データに上記陰影情報が組み合わせ、測定対象物の３次元画像を生成する。

このように、本実施形態の３次元画像走査装置は、３次元形状データが正確であるために陰影情報が正確な座標に割り当てることができるため、非常に鮮明且つ誤差のない３次元画像を生成することができる。

次に、図５を参照しつつ本発明の第２実施形態について詳細に説明する。本実施形態の３次元画像走査装置の構成は、上記第１実施形態の３次元画像走査装置の構成と同様であり、測定用レーザ光が一の上記所定時間の間に複数回照射され、一の測定用レーザの光量を入射光量測定手段により測定し、入射光量測定手段により測定された一の測定用レーザ光の光量からレーザダイオード２が照射する次の測定用レーザ光の発光の強さが決定される点が異なる。

最初に、上記第１実施形態と同様に、最初にエンコーダ６ａから出力された検知信号（図５に示す「エンコーダパルス」と表示されている波形を参照）がＦＰＧＡ２０へ送信されタイミング信号が生成される。そして、タイミング信号によりレーザダイオードドライバ２ａが制御され、確認用レーザ光（図５に示す「レーザ出力」の「パルス１」を参照）がレーザダイオード２から照射される。この確認用レーザ光の強さは上記第１実施形態と同様に予め定められている。

次に、確認用レーザ光の戻り光がフォトダイオード１２へ入射すると、確認用レーザ光の戻り光の光量が測定され、この測定値からＦＰＧＡ２０は第１測定用レーザ光の強さを決定する。第１測定用レーザ光を照射するレーザダイオード２の発光は、パルス波形であり、その発光時間は予め定められている。

この第１測定用レーザ光が照射されると、測定対象物の表面に反射した第１測定用レーザ光が戻り光としてフォトダイオード１２に入射する。この第１測定用レーザ光の戻り光の光量が測定され、この測定値からＦＰＧＡ２０は第２測定用レーザ光の強さを決定する。第２測定用レーザ光も、第１測定用レーザ光と同様、パルス波形であり、その発光時間は予め定められている。さらに、第２測定用レーザ光が照射されると、その戻り光の光量が測定され、第３測定用レーザ光の強さが決定される。

このように、一の測定用レーザ光は、次の測定用レーザ光の発光の強さを決定するための確認用レーザ光として使用される。本実施形態によれば、複数回の測定用レーザ光が複数回の確認用レーザ光として利用されるため、測定対象物の表面の反射率や測定対象物と形状測定装置との間の距離に影響されることなく、常に測定用レーザ光が入射したＣＣＤ素子における戻り光の光量が当該ＣＣＤ素子の蓄積可能な電荷量の範囲内の光量となり、測定用レーザ光の戻り光のより正確な光量による測定することができる。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、ＣＣＤ素子により取得された測定対象物の表面の正確な三次元形状に測定対象物の表面の陰影を表す陰影情報を組み合わせて３次元画像を生成する。

一方、本実施形態は第１実施形態とは異なり、入射光量測定手段には、エンコーダ６ａの一のタイミング信号と次のタイミング信号との時間間隔である一の上記所定時間の間に複数回照射され測定用レーザ光による複数回の測定用レーザ光が入射する。即ち、フォトダイオード１２による測定用レーザ光の戻り光の光量の大きさは、複数回の測定用レーザ光のそれぞれの光の強さが異なっている。しかし、この形態の場合もエンコーダタイミングにより初めに確認用レーザ光を発して最適化のフィードバックのかかっていないこの入力を輝度情報とする。

本実施形態においても上記第１実施形態と同様に、コンピュータ３０が、コンピュータ３０へ入力されたＣＭＭの座標データと、形状測定装置のケース全体の回動角度データと、エンコーダ６ａの回動位置のデータ及びラインセンサ１３ａの各ＣＣＤにより計測された距離情報により、正確な３次元形状データを作成する。さらに、コンピュータ３０は、この正確な３次元形状データに上記陰影情報が組み合わせ、測定対象物の３次元画像を生成する。

本実施形態の３次元画像走査装置は、３次元形状データがより正確であるために陰影情報が正確な座標に割り当てることができるため、非常に鮮明且つ誤差のない３次元画像を生成することができる。

本発明の第１実施形態に係る３次元画像走査装置の形状測定装置の光学系１の概略斜視図である。図１に示す３次元画像走査装置の測定原理を示す説明図である。図１に示す本実施形態の形状測定装置の構成を示すブロック図である。図１に示す本実施形態の形状測定装置の制御系のタイミングチャートである。本発明の第２実施形態に係る３次元画像走査装置の形状測定装置の制御系のタイミングチャートである。従来の３次元画像走査装置の形状測定装置の光学系の概略図である。図６に示す形状測定装置の測定原理を示す説明図である。図６に示す形状測定装置の構成を示すブロック図である。図６に示す形状測定装置の制御系のタイミングチャートである。

符号の説明

１形状測定装置の光学系
２、１１１レーザダイオード
２ａレーザダイオードドライバ
２ｂ増幅器
２ｃ比較器
３、１１２ビームエキスパンダ
４第１鏡
５第２鏡
６揺動モータ
６ａエンコーダ
６ｂエンコーダ変換器
７第３鏡
８第４鏡
９第５鏡
１０、１１７結像レンズ部
１０ａ、１１７ａ結像レンズ
１０ｂバンドパスフィルター
１１ハーフミラー
１２フォトダイオード
１２ａ第１増幅器
１２ｂ、１２ｄＡ／Ｄコンバータ
１２ｃ第２増幅器
１３、１１８ＣＣＤラインセンサ部
１３ａ、１１８ａラインセンサ
１３ｂＣＣＤドライブ
２０ＦＰＧＡ
２０ａＤ／Ａ変換部
３０コンピュータ
１１３第１ミラー
１１４第２ミラー
１１５第３ミラー
１１６第４ミラー
１１９モータ
１２１エンコーダ
１５０電気制御装置
２００コンピュータ
２１０座標変換部
２２０画像処理部

Claims

レーザ光を出射するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードから出射されたレーザ光を測定対象物の表面へ照射するための第１光学系と、
前記レーザダイオードから出射されたレーザ光の照射位置を移動させるための照射位置移動手段と、
前記照射位置移動手段の移動状態を検知する検知手段と、
測定対象物の表面からの反射光であるレーザ光を結像させるための第２光学系と、
前記第２光学系からのレーザ光の結像位置を検出するためのＣＣＤラインセンサ部と、
前記第２光学系に設けられると共に、前記ＣＣＤラインセンサ部への入射光の光量を測定する入射光量測定手段とを有し、
前記検知手段から出力された検知信号により所定時間の間隔を有する複数のタイミング信号が生成され、前記タイミング信号によって前記ＣＣＤラインセンサ部のＣＣＤのリセットタイミングが制御されており、
前記一のタイミング信号後に、確認用レーザ光を前記レーザダイオードから前記所定時間よりも短い時間照射し、
前記確認用レーザ光の光量を前記入射光量測定手段により測定し、
前記入射光量測定手段により測定された前記確認用レーザ光の光量から、前記レーザダイオードが照射する測定用レーザ光の発光量が決定され、
前記入射光量測定手段からの出力を測定対象物の表面の陰影を表す陰影情報として利用して、測定対象物の３次元画像を生成する３次元画像走査装置。
レーザ光を出射するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードから出射されたレーザ光を測定対象物の表面へ照射するための第１光学系と、
前記レーザダイオードから出射されたレーザ光の照射位置を移動させるための照射位置移動手段と、
前記照射位置移動手段の移動状態を検知する検知手段と、
測定対象物の表面からの反射光であるレーザ光を結像させるための第２光学系と、
前記第２光学系からのレーザ光の結像位置を検出するためのＣＣＤラインセンサ部と、
前記第２光学系に設けられると共に、前記ＣＣＤラインセンサ部への入射光の光量を測定する入射光量測定手段とを有し、
前記検知手段から出力された検知信号により所定時間の間隔を有する複数のタイミング信号が生成され、前記タイミング信号によって前記ＣＣＤラインセンサ部のＣＣＤのリセットタイミングが制御されており、
前記一のタイミング信号後に、確認用レーザ光を前記レーザダイオードから前記所定時間よりも短い時間照射し、
前記確認用レーザ光の光量を前記入射光量測定手段により測定し、
前記入射光量測定手段により測定された前記確認用レーザ光の光量から、前記レーザダイオードが照射する測定用レーザ光の発光量が決定され、
前記測定用レーザ光の発光量により、測定対象物の表面の陰影を表す陰影情報として利用して、測定対象物の３次元画像を生成する３次元画像走査装置。
前記測定用レーザ光の発光量は、前記レーザダイオードの発光時間の長短によって決定される請求項１又は請求項２記載の３次元画像走査装置。
前記測定用レーザ光の発光量は、前記レーザダイオードの発光の強弱によって決定される請求項１又は請求項２記載の３次元画像走査装置。
前記測定用レーザ光は一の前記所定時間の間に複数回照射され、一の前記測定用レーザの光量を前記入射光量測定手段により測定し、前記入射光量測定手段により測定された前記一の測定用レーザ光の光量から前記レーザダイオードが照射する次の前記測定用レーザ光の発光の強さが決定されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の３次元画像走査装置。
前記入射光測定手段は、レーザ光の強弱に応じた複数の増幅部を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の３次元画像走査装置。