JP2009270937A

JP2009270937A - ３次元形状計測装置

Info

Publication number: JP2009270937A
Application number: JP2008121725A
Authority: JP
Inventors: Hideo Fujii; 英郎藤井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2009-11-19

Abstract

【課題】従来の３次元形状計測装置は、三角測量を用いるものは対象物の形状により死角が生じる問題や、また拡散反射を前提とするため正反射する対象物を計測できないという問題があった。一方、これらの問題を解決している共焦点法では、対象物との距離を変化させることで計測するため広い範囲を高速に計測することが困難であった。
【解決手段】共焦点法による距離計測手法を応用することで、死角の問題や、正反射する対象物も正確に測れるようにするとともに、同一光学系に焦点位置をずらすように構成したレーザ光と光電センサの対を多数配置し、回転ミラーにて走査をおこなうことで、広い範囲を高速に３次元形状計測することを可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を利用した３次元形状計測装置に関するものである。

光を利用した３次元形状計測には、多様な方法がある。数ｍｍから数百ｍｍの奥行きを計測する場合は、多くの場合光切断法やパターン投影法が用いられるが、これらの基本原理は三角測量であり、対象物の形状により死角が生じる問題や、拡散反射を前提としているため複雑な形状物や光沢物の計測には向いてないなどの問題があった。また、三角測量ではない手法としては、共焦点法が用いられているが、この手法は対象物との距離を変化させる必要があり、広い範囲を計測する用途には向いていないため、主に数μｍから数百μｍの奥行きを測る顕微鏡などの用途に限られていた。

共焦点法は、同軸光学系で構成されるため、三角測量で発生する死角の問題を回避することができる。また、共焦点法は、被測定物との距離の変化により反射する光の強度が最大になる位置から奥行き情報を得るため、光沢物のような鏡面反射成分を多く含むものも安定して計測することが可能である。ただし、共焦点法では、高さ方向の計測を行うために、焦点位置を段階的にずらし、その都度反射光の強度を計測しピーク位置を求める必要がある。その為分解能をあげる、あるいは計測範囲を広げるためには、変化させる焦点位置の段数を増やす必要があり、非常に長い計測時間がかかることになる。

このような問題に対し、共焦点法を改良する方法がいくつか提案されており、高速化の例として、特許文献１が上げられる。この発明では、互いに厚さが異なる平行平板形の透明体を回転体に配列し、対物レンズの下に配置し、回転体を回すことで高速に焦点位置を変化させることを実現している。
特許第３３０６８５８号公報

本発明の目的は、自動車の機械部品などのような複雑な形状や光沢をもつものを測定対象とし、死角が生じにくく、鏡面反射を含んだ比較的大きなものの３次元形状の測定ができる３次元計測装置を得ることである。

共焦点法を用いることで、死角の問題や鏡面反射の問題は解決できるが、広いレンジを高速に計測することは、焦点位置を広い範囲で変化させる必要があり、前記特許第３３０６８５８号を用いても、数百ｍｍの奥行きを精度数十μｍで高速に計測することは困難である。また、共焦点法ではテレセントリックレンズを使用するため、水平方向の計測範囲もレンズ径を超えることはできないため、測定範囲は、水平方向がせいぜい数十ｍｍ、奥行き方向が数ｍｍ程度が限界となっている。本発明では、共焦点法を用いた３次元形状計測について、高速に奥行き方向、水平方向ともに広い範囲を計測する装置を提供することを目的とする。

本発明は、焦点位置を異にする共焦点をなすレーザと光電センサの複数の対を同一の光学系に配置し、ミラーによる走査機構により走査を行い、焦点位置の異なる複数の共焦点光学系が対象物の同一点を順次走査することにより、計測できる奥行き範囲を拡大したものである。

本発明の３次元形状計測方法は、複数の共焦点光学系を走査することにより、奥行き方向と水平方向に広い範囲を３次元計測することができるという利点がある。

また、従来の三角測量の原理を応用している光切断法やステレオ法などの３次元計測に対し、１つのレンズ系で構成されるため、小さな装置を構成することが出来、また左右の視差による計測を行ったときに発生する死角による計測不能箇所を格段に減らすことが出来るという利点と、共焦点の特徴である正反射を持つ光沢物の計測が可能であるという利点がある。

１次元方向の走査を行うように構成し、小型で高速に広範囲を計測できる共焦点による３次元計測を実現した。

図１は、本発明装置の１実施例のであって、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃはレーザダイオードであり、ここからレーザ光が照射される。１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃはコリメータレンズであり、レーザ光を絞る役割を果たす。１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは光電センサであり、ここではフォトダイオードを用いており、物体面で反射したレーザ光を受光し光電変換を行い、最終的に電圧に変換し、電圧の大きさにより光の強度を得るようにしたものである。１０４は、ハーフミラーであり、１０１から照射された投影レーザ光と物体面上で反射したレーザ光を分離し、それぞれ１０５のレンズと１０２の光電センサに導くものである。１０５は、レーザ光を物体面上に集光し、またレーザ光の反射光を１０２の光電センサに集光するためのレンズである。さらに、１０５は平行投影になるテレセントリックレンズを用い、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃのレーザ光が平行なまま物体面に投影されるようになっている。１０６は、１０５のレンズ、１０１，１０３のレーザ光源、１０２のフォトダイオード、１０４のハーフミラーを一体化したレンズユニットである。１０７は、このレンズユニット１０６を微小なステップで上下方向に移動させるリニアアクチュエータである。このアクチュエータにより、焦点位置を変化させることができ、この移動ピッチにあわせた高さ方向の分解能がえられる。１０８は、折り返しのためのミラーである。１０９は１次元方向に走査をするための所定の振幅で往復回転するミラーであり、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｏｒＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）応用の小型ミラーを使用している。この回転ミラーは、ガルバノミラーやポリゴンミラーを用いても同様の走査が可能である。１１１は、フォトダイオードの出力の最大値を検出する部分であり、１１２は、最大値をとったときのレンズユニットの位置とフォトダイオード番号と回転ミラー角度から３次元座標値を計算する部分である。

計測の一連の流れを、図２のフローチャートに沿って説明する。計測を開始すると、Ｓ１のステップで、レンズユニット１０６を初期位置に移動する。初期位置は、計測対象物からもっとも遠い位置になる。回転ミラー１０８は例えば、回転幅３０度、０．１秒間に１往復の一定速度という設定で往復回転を行う。ステップ２にて、読み出し回数を０にリセットし、ステップＳ３にて回転ミラー１０８の回転角０度の位置を検知し、フォトダイオードの読み出しステップに入る。Ｓ４のフォトダイオード読み出しステップでは、１０２ｃ、１０２ｂ，１０２ａのフォトダイオードを順次読み出していくが、１０２ｂと１０２ａの読み出しは、レーザ１０１ｃと１０１ｂ，１０１ａの物体面上での間隔と回転ミラーの回転速度から、物体面上で同一点を通過するように遅延時間をあらかじめ算出しておき、その遅延分だけ遅く読み出す。このようにフォトダイオードの読み出しに遅延時間を設定することで、レーザ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃがなすそれぞれの共焦点光学系は同一点を測定することになる。次に、ステップＳ５において、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのフォトダイオードの出力の最大値を検出する。さらに、同じ読み出し回数での過去の最大値と比較し、最大値を更新した場合は、ステップＳ６にて、最大値と最大値をとったフォトダイオード番号、そしてそのときのレンズユニット位置を記憶する。そして、Ｓ７にてフォトダイオードの読み出しが所定の回数を超えるかチェックを行い、超えていない場合はＳ９にて読み出し回数ｉを１つ増やし、所定の時間をおいて、再度Ｓ４に戻り繰り返しフォトダイオードの読み出しを行う。読み出し回数が所定の回数を超えた場合には、Ｓ８に進みレンズユニットを下方へ１段移動し、レンズ移動回数ｊを１つ増加させ、移動幅が所定の値を超えていない場合はＳ２に戻り、再びミラー走査とフォトダイオードの読み出しを繰り返す。

このようにして、ミラーの走査とフォトダイオードの読み出しとレンズユニットの移動を行うことで、各フォトダイオードの読み出し位置に対応した物体面上の各点に対し、１０１ａと１０２ａで構成する共焦点の焦点位置からレンズユニットの移動幅までの奥行きと１０１ｂと１０２ｂで構成する共焦点の焦点位置からレンズユニットの移動幅までの奥行きと１０１ｃと１０２ｃで共焦点の焦点位置からレンズユニットの移動幅までの奥行きを足し合わせた奥行きを計測できる範囲とすることができる。

３次元座標値の計算は、読み出し回数ｉから回転ミラーの回転角を算出する。そして、最大値をとったフォトダイオードの焦点位置とレンズユニットの移動量を足すことで奥行き距離が計算できる。回転角と奥行き距離から回転ミラーからの相対的な３次元座標値が計算できることになる。

図３は、本発明の別の実施例であり、２０１にハーフミラーを設け、２０３にミラーを設けており、１０１から照射されたレーザは、１０３のコリメータレンズ、そして１０５のレンズを通過し、さらにハーフミラー２０１を通過し、２０３のミラーで折り返す。そして、２０１のハーフミラーで反射し、１０９の回転ミラーで走査される。さらに、物体からの反射光は、１０９の回転ミラーで反射し２０１のハーフミラーでさらに反射し、２０３のミラーへ進み、そこで折り返して１０５のレンズを通過し、１０４のハーフミラーにより１０２のフォトダイオードへ導かれる。本実施例では、２０２のリニアアクチュエータによりミラー２０３を上下方向に移動することで、物体までの光路を変えることが可能であり、実施例１におけるレンズユニットの移動と同じ効果を得られる。さらに、ミラーによる折り返しがあるため、このミラーの移動距離は、レンズユニットの移動距離の半分で同じ効果を得ることができる。

図４は、本発明のさらに別の実施例であり、３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃは波長の異なるレーザダイオードである。さらに、３０２ａと３０３ａ、３０２ｂと３０３ｂ、３０２ｃと３０３ｃはそれぞれ３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃの１つのレーザ波長のみを反射し他の波長を透過するダイクロイックミラーである。この実施例では、波長の異なるレーザ光が重なって同一光路を通過するようになっている。フォトダイオード１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは前記ダイクロイックミラーにより、それぞれ１つのレーザ光のみを受光するように構成しており、同じタイミングで読み出すことになる。回転ミラーによる走査とレンズユニットのリニアアクチュエータによる移動を実施例１と同様に行うことで、フォトダイオードの読み出し位置に対応した物体面上の各点に対し、３０１ａと１０２ａで構成する共焦点の焦点位置からレンズユニットの移動幅までの奥行きと３０１ｂと１０２ｂで構成する共焦点の焦点位置からレンズユニットの移動幅までの奥行きと３０１ｃと１０２ｃで共焦点の焦点位置からレンズユニットの移動幅までの奥行きを足し合わせた奥行きが計測できる範囲となる。

本発明の実施形態を示す３次元計測装置の説明図である。（実施例１）フォトダイオード読み出しによる３次元計測のためのフローチャートである。本発明の実施形態を示す３次元計測装置の説明図である。（実施例２）本発明の実施形態を示す３次元計測装置の説明図である。（実施例３）

符号の説明

１０１レーザダイオード
１０２フォトダイオード
１０３コリメータレンズ
１０４ハーフミラー
１０５テレセントリックレンズ
１０６レンズユニット
１０７リニアアクチュエータ
１０８ミラー
１０９走査用回転ミラー
１１０走査方向を示す矢印
１１１フォトダイオード出力の最大値検出部
１１２３次元座標計算部
２０１ハーフミラー
２０２リニアアクチュエータ
２０３ミラー
３０１波長の異なるレーザダイオード
３０２ダイクロイックミラー
３０３ダイクロイックミラー

Claims

複数のレーザ光を射出する光源部と、レーザ光とその反射光を分岐させる光路分岐光学素子と、前記光路分岐光学素子を通過したレーザ光を集光し、さらに物体面上からのレーザ光の反射光を集光し前記光路分岐光学素子に送るレンズと、前記レンズを通過したレーザ光を左右上下方向に物体面上を走査する可動式ミラーを持ち、前記光路分岐光学素子により分岐された物体からの複数の反射光を受光し電気信号に変換するそれぞれのレーザ光に対応した複数の光電センサを持ち、前記複数のレーザ光と複数の光電センサは対になっておりそれぞれ異なる焦点位置を持つ共焦点光学系を構成し、物体までの光路長を変化させる手段を持ち、光路長の変化に合わせて前記光電センサの出力が最大になる位置を特定する手段を持ち、その最大となる位置から物体までの距離を算出することを特徴とする３次元形状計測装置。
請求項１において、前記可動式ミラーは一方向に回転し、前記複数のレーザ光と複数の光電センサは対になっており、それぞれ前記ミラーの回転方向と同一方向に一直線上に構成されており、それぞれのレーザ光は、前記ミラーの走査により一定の遅れを持って同一箇所を走査することを特徴とする３次元形状計測装置。
請求項１において、前記複数のレーザ光がすべて異なる波長を持ち、特定の波長域の光のみを反射するミラーを配置することにより前記複数の光電センサがそれぞれ対となるレーザ光のみの光を受光するようにしたことを特徴とする３次元形状計測装置。