JP2011022034A - 三次元形状測定システム及び三次元形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の三次元形状の外観を効率良く把握できる三次元形状測定システム及び三次元形状測定方法を提供する。
【解決手段】色が規則的に変化する光パルスをパルス光源５６及びチャープ導入装置６０により生成し、生成された前記光パルスをワーク３０に照射し、該ワーク３０から反射された前記光パルスの反射光像をシャッタユニット４２により取得し、取得された前記反射光像の二次元情報及び色情報を用いてワーク３０の三次元情報をカラー二次元検出器８８により取得する。また、カラー二次元検出器８８により取得されたワーク３０の二次元情報に基づいて所定の箇所を選択し、該所定の箇所における三次元情報を取得する。
【選択図】図３

Description

本発明は、被測定物の三次元形状を測定する三次元形状測定システム及び三次元形状測定方法に関する。

被測定物の三次元形状、例えばワークの塗装面等の表面欠陥やその平滑さを測定する方法の一つとして、パルス光を用いたＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）法が挙げられる。

パルス光を用いたＴＯＦ法とは、パルス光源から照射されたパルス光が、被測定物の表面の照射領域で反射され、検出器により検出されるまでの飛行時間（ＴＯＦ）と光速度とから、奥行き方向の距離差として換算し、物体の三次元形状を測定するものである。

例えば、特許文献１には、波長が規則的に経時変化するパルス光（いわゆるチャープ光パルス）を用い、三次元情報を二次元画像である色付き等高線マップに変換して検出する技術が開示されている。このように構成すれば、被測定物の三次元形状を高精度且つ高速で測定することができる。

特許第２５００３７９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された装置を用いることにより被測定物の三次元形状を高精度に測定できる反面、その測定精度を確保するために、パルス光の照射領域（面積）を狭小の空間内に設定する必要がある。このため、以下のような測定上の不都合が生じ得る。

例えば、ワークの塗装面等の表面欠陥の有無について検査する場合、通常は欠陥が全く存在しないか、ごく稀に欠陥が存在する程度である。このとき、上述の装置を用いて三次元形状の測定を行うと、検査時間が膨大となり効率が悪い。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、被測定物の三次元形状の外観を効率良く把握できる三次元形状測定システム及び三次元形状測定方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明に係る三次元形状測定システムは、色が規則的に変化する光パルスを生成する光パルス生成手段と、前記光パルス生成手段により生成された前記光パルスを被測定物に照射し、該被測定物から反射された前記光パルスの反射光像を取得する反射光像取得手段と、前記反射光像取得手段により取得された前記反射光像の二次元情報及び色情報を用いて前記被測定物の三次元情報を取得する三次元情報取得手段と、前記被測定物の二次元情報を取得する二次元検出器と、を有することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、被測定物の二次元情報を取得する二次元検出器を設けたので、被測定物の二次元情報をあわせて取得可能であり、被測定物の三次元形状の外観を効率良く把握できる。

請求項２記載の発明に係る三次元形状測定システムは、被測定物の二次元情報を取得するための光を前記被測定物に照射し、該被測定物から反射された前記光の第１反射光像を取得する第１の反射光像取得手段と、色が規則的に変化する光パルスを生成する光パルス生成手段と、前記光パルス生成手段により生成された前記光パルスを前記被測定物に照射し、該被測定物から反射された前記光パルスの第２反射光像を取得する第２の反射光像取得手段と、前記第１の反射光像取得手段により取得された前記第１反射光像の二次元情報、又は前記第２の反射光像取得手段により取得された前記第２反射光像の二次元情報を取得する二次元検出器と、前記二次元検出器により取得された前記第２反射光像の二次元情報及び色情報を用いて前記被測定物の三次元情報を取得する三次元情報取得手段と、前記第１又は前記第２の反射光像取得手段の切替を行う切替手段と、を有することを特徴とする。

ここで、「被測定物の二次元情報を取得するための光」とは、被測定物の表面を表す平面画像を取得するために不可欠な光であり、自然光のみならず、蛍光灯・発光ダイオード・レーザ光等の人工的な照明光をも含む。従って、「被測定物の二次元情報を取得するための光」には、被測定物の三次元情報を取得するために調製された光、例えば、チャープ光やスリット光は含まれない。

請求項２記載の発明によれば、第１又は第２の反射光像取得手段の切替を行う切替手段を設けたので、被測定物の二次元情報と三次元画像とを選択的に取得可能であり、被測定物の三次元形状の外観を効率良く把握できる。

請求項３記載の発明に係る三次元形状測定システムは、請求項１又は２に記載の三次元形状測定システムにおいて、前記三次元情報取得手段により取得された前記被測定物の三次元情報と前記二次元検出器により取得された前記被測定物の二次元情報とを合成する三次元情報合成手段を有することを特徴とする。

請求項３記載の発明によれば、被測定物の三次元情報と二次元情報とを合成する三次元情報合成手段を設けたので、被測定物の三次元形状の外観を視覚的且つ容易に把握することができる。

請求項４記載の発明に係る三次元形状測定方法は、被測定物の二次元情報を取得するための光を前記被測定物に照射し、該被測定物から反射された前記光の第１反射光像を取得し、該第１反射光像の二次元情報を取得する二次元情報取得工程と、色が規則的に変化する光パルスを生成し、該光パルスを被測定物に照射し、該被測定物から反射された前記光パルスの第２反射光像を取得し、該第２反射光像の二次元情報及び色情報を用いて前記被測定物の三次元情報を取得する三次元情報取得工程と、を有し、前記二次元情報取得工程により取得された前記二次元情報に基づいて所定の箇所を選択し、該所定の箇所に対して前記三次元情報取得工程を行う工程を備えることを特徴とする。

請求項４記載の発明によれば、取得された二次元情報に基づいて所定の箇所を選択し、該所定の箇所に対して三次元情報取得工程を行う工程を設けたので、被測定物の二次元情報と三次元画像とを選択的に取得可能であり、被測定物の三次元形状の外観を効率良く把握できる。

本発明に係る三次元形状測定システムによれば、色が規則的に変化する光パルスを生成する光パルス生成手段と、生成された前記光パルスを被測定物に照射し、前記被測定物から反射された前記光パルスの反射光像を取得する反射光像取得手段と、取得された前記反射光像の二次元情報及び色情報を用いて前記被測定物の三次元情報を取得する三次元情報取得手段と、前記被測定物の二次元情報を取得する二次元検出器とを設けたので、被測定物の二次元情報をあわせて取得可能であり、被測定物の三次元形状の外観を効率良く把握できる。

また、本発明に係る三次元形状測定システムによれば、被測定物から反射された光の第１反射光像を取得する第１の反射光像取得手段と、前記被測定物から反射された、色が規則的に変化する光パルスの第２反射光像を取得する第２の反射光像取得手段との切替を行う切替手段とを設けたので、被測定物の二次元情報と三次元画像とを選択的に取得可能であり、被測定物の三次元形状の外観を効率良く把握できる。

さらに、本発明に係る三次元形状測定方法によれば、被測定物から反射された光の第１反射光像の二次元情報を取得する二次元情報取得工程により取得された前記二次元情報に基づいて所定の箇所を選択し、色が規則的に変化する光パルスを前記所定の箇所に照射し、該所定の箇所から反射された前記光パルスの第２反射光像を取得し、該第２反射光像の二次元情報及び色情報を用いて前記被測定物の三次元情報を取得する三次元情報取得工程を行うようにしたので、被測定物の二次元情報と三次元画像とを選択的に取得可能であり、被測定物の三次元形状の外観を効率良く把握できる。

第１の実施形態における三次元形状測定システムの概略側面図である。 第１の実施形態におけるシャッタ装置の概略断面図である。 第１の実施形態における三次元形状測定装置、チャープ光生成装置及びシャッタ装置の構成ブロック図である。 第１の実施形態の第１変形例における三次元形状測定装置、チャープ光生成装置及びシャッタ装置の構成ブロック図である。 第１の実施形態の第１変形例におけるシャッタ及び超高速シャッタの開閉タイミングチャートである。 第１の実施形態の第２変形例におけるシャッタ装置の概略断面図である。 第１の実施形態の第２変形例におけるシャッタ装置の概略断面図である。 第２の実施形態における三次元形状測定システムの概略側面図である。 第２の実施形態における三次元形状測定装置の構成ブロック図である。 第２の実施形態の変形例における三次元形状測定装置の構成ブロック図である。 図１１Ａ及び図１１Ｂは、第２の実施形態の変形例におけるシャッタ及び超高速シャッタの開閉タイミングチャートである。

以下、本発明に係る三次元形状測定システムについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

先ず、本発明に係る三次元形状測定システムの第１の実施形態について図１〜図３を参照しながら説明する。

図１は、第１の実施形態における三次元形状測定システム１０の概略側面図である。

この三次元形状測定システム１０は、三次元形状測定装置１２と、チャープ光生成装置１４と、シャッタ装置１６と、ファイバケーブル１８と、画像処理装置２０と、モニタ２２と、上位制御装置２４と、ロボット制御装置２６とを備える。

三次元形状測定装置１２の撮像面２８は、被測定物としてのワーク３０の表面３２側を指向する。また、三次元形状測定装置１２は、図示しないロボットのアームに装着されているので、前記ロボット制御装置２６による制御下に前記ロボットのアームの駆動に従って上下・左右方向に移動が自在である。

チャープ光生成装置１４は、三次元形状測定装置１２と同様に、ワーク３０の表面３２側を指向し、図示しないロボットのアームに装着されている。また、チャープ光生成装置１４の指向方向とワーク３０の表面３２の法線方向とのなす角は、三次元形状測定装置１２の指向方向と前記法線方向とのなす角と同一である位置関係にある。

シャッタ装置１６は、三次元形状測定装置１２に装着されており着脱が自在である。また、シャッタ装置１６は、チャープ光生成装置１４とファイバケーブル１８を介して光学的に接続されている。

画像処理装置２０は、三次元形状測定装置１２に電気的に接続されており、三次元形状測定装置１２から供給される撮像信号に対して種々の画像処理を行う。上位制御装置２４は、三次元形状測定装置１２、チャープ光生成装置１４、シャッタ装置１６、画像処理装置２０や、図示しないロボットの駆動制御を行うロボット制御装置２６に対して各種の指示を送信する。また、上位制御装置２４が備える図示しない操作部から測定モード（後述する二次元モード又は三次元モード）を設定可能である。

図２は、第１の実施形態におけるシャッタ装置１６の概略断面図である。

この三次元形状測定装置１２の先端部に嵌合されているシャッタ装置１６は、直方体状の本体３４を有している。この本体３４の内部には直方体状の空洞部３６が設けられており、この空洞部３６は、本体３４の一方の側面に設けられている開口部３８を介して外部と連通する。開口部３８は、三次元形状測定装置１２の受光面４０と対向する位置関係にある。

空洞部３６内にはシャッタユニット（反射光像取得手段）４２が設けられており、該シャッタユニット４２は図示しない駆動機構により白抜矢印方向に移動が自在である。

機械式又は電子式のシャッタ（第１の反射光像取得手段）４４は、遮光性を有する金属等からなる先幕４８と後幕５０とを備える。先幕４８と後幕５０は、後述するシャッタ開閉制御部の制御下にそれぞれ独立にＹ軸方向に移動（開閉）が自在である。

非線形光学シャッタ等から構成される超高速シャッタ（第２の反射光像取得手段）４６は、非線形光学材料からなるシャッタ幕５２を備える。シャッタ幕５２は、励起光の照射によって屈折率が変化する物性を有する。例えば、カー効果を利用するシャッタ（カーシャッタ）の場合は、非線形光学材料を透過する光の偏光状態を変化させることができる。

チャープ光生成装置１４から射出される後述するチャープ光パルスは、ワーク３０の表面３２上の照射領域５４に照射され、ワーク３０の表面３２上で反射され、三次元形状測定装置１２の撮像面２８に臨む。

ワーク３０の二次元情報を取得するための光としての自然光Ｎは、ワーク３０の表面３２上に種々の角度方向から入射又は反射されている。

図３は、第１の実施形態における三次元形状測定装置１２、チャープ光生成装置１４及びシャッタ装置１６の構成ブロック図である。

このチャープ光生成装置１４は、パルス光を射出するパルス光源５６と、該パルス光源５６により射出されたパルス光を分割するビームスプリッタ５８と、該ビームスプリッタ５８を透過されたパルス光をチャープすることでチャープ光パルスを生成するチャープ導入装置６０と、該チャープ導入装置６０により生成されたチャープ光パルスの光束を集光してワーク３０の表面３２上に焦点像（照射領域５４）を形成する対物レンズ６２とを備える。なお、色が規則的に変化する光パルスを生成する光パルス生成手段は、パルス光源５６とチャープ導入装置６０とから構成される。

また、チャープ光生成装置１４は、ビームスプリッタ５８により反射されたパルス光を所定の角度方向に反射する反射ミラー６６、６８と、該反射ミラー６６、６８からの反射光をファイバケーブル１８を介して三次元形状測定装置１２に伝送するファイバ結合用レンズ７０とを備える。

さらに、チャープ光生成装置１４は、上位制御装置２４からの測定開始指示を受信するＩ／Ｆ７２と、該Ｉ／Ｆ７２により受信された測定開始指示に基づいてパルス光源５６のパルス光の射出を制御するパルス光射出制御部７４とを備える。

シャッタ装置１６は、上述のように、本体３４、空洞部３６と、シャッタユニット４２と、シャッタ４４と、超高速シャッタ４６とを備え、さらに、チャープ光生成装置１４からのパルス光をファイバケーブル１８を介して受光するファイバ結合用レンズ８０と、該ファイバ結合用レンズ８０により受光されたパルス光を超高速シャッタ４６に供給する導光ファイバ８２と、上位制御装置２４からの測定開始指示を受信するＩ／Ｆ７６と、シャッタ４４による先幕４８及び後幕５０（図２参照）の開閉動作を制御するシャッタ開閉制御部７８とを備える。

また、シャッタ装置１６は、上位制御装置２４からの測定開始指示を受信するＩ／Ｆ７６と、該Ｉ／Ｆ７６により受信された前記測定開始指示に基づいてシャッタユニット４２を矢印方向に駆動が自在であるシャッタ切替部（切替手段）８４とを備える。

三次元形状測定装置１２は、該シャッタ４４により切り出されたチャープ光パルスを集光する対物レンズ８５と、該対物レンズ８５により集光されたチャープ光パルスから適切な反射光像を形成する結像光学系８６と、該結像光学系８６により生成された反射光像を撮像信号に変換するカラー二次元検出器８８と、該カラー二次元検出器（三次元情報取得手段、二次元検出器）８８により変換された撮像信号を画像処理装置２０に送信するＩ／Ｆ９０とを備える。

この第１の実施形態における三次元形状測定システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作について説明する。

先ず、ユーザである作業者は、図１に示す三次元形状測定システム１０によるワーク３０の表面３２の三次元形状測定を行うため、上位制御装置２４の図示しない操作部から測定モードを設定する。ここで、作業者は、ワーク３０の表面３２全体の外観を簡易的に測定（スクリーニング）できるように二次元撮像画像を取得する「二次元モード」を設定する。

作業者により二次元モードの設定がなされると、図３に示すように、上位制御装置２４からの指示がＩ／Ｆ７６を介し、シャッタ切替部８４により受信される。このシャッタ切替部８４は、照射領域５４と三次元形状測定装置１２の受光面４０との間にシャッタ４４が内挿されるようにシャッタユニット４２を白抜矢印方向に駆動制御する（図２参照）。

続いて、図１に示すように、作業者が上位制御装置２４の図示しない操作部から測定開始指示を行うと、三次元形状測定装置１２によるワーク３０の表面３２上の二次元モードでの測定（以下、「二次元測定」という。）が開始される。

図３に示すように、ワーク３０の表面３２上の照射領域５４周辺から反射された自然光Ｎは、シャッタ４４の先幕４８及び後幕５０（図２参照）の開閉動作により、所定のタイミングで所定の光量だけ切り出され、対物レンズ８５により集光され、結像光学系８６により適切な反射光像が形成され、カラー二次元検出器８８により撮像信号に変換される。該撮像信号は、Ｉ／Ｆ９０を介し、外部装置である画像処理装置２０に送信され、画像処理装置２０により所望の画像処理が施され、モニタ２２（図１参照）により二次元形状を表す可視画像として表示される。

図１に示すように、三次元形状測定装置１２により１回の二次元測定（二次元情報取得工程）が完了した後、上位制御装置２４の指示を受けたロボット制御装置２６は、三次元形状測定装置１２及びチャープ光生成装置１４が装着されている図示しないロボットのアームを所定の位置・姿勢になるように駆動する。これにより、三次元形状測定装置１２の撮像面２８がワーク３０の表面３２側に指向し、表面３２の次の測定箇所に照射領域５４（図２参照）が設定される。以下、三次元形状測定装置１２による二次元測定と、ロボット制御装置２６による測定箇所の設定とを繰り返し行う。

モニタ２２に表示される二次元画像の濃淡の変化等からワーク３０の表面３２上に塗装欠陥が存在すると疑われる箇所が発見された場合は、その箇所の周辺を詳細に検査するため、作業者は、上位制御装置２４の図示しない操作部から測定モードの変更を行う。ここで、作業者は、ワーク３０の表面３２上の特定箇所を高精度に測定できるように三次元撮像画像を取得する「三次元モード」を設定する。

作業者により三次元モードの設定がなされると、図３に示すように、上位制御装置２４からの指示がＩ／Ｆ７６を介し、シャッタ切替部８４に供給される。このシャッタ切替部８４は、照射領域５４と三次元形状測定装置１２の受光面４０との間に超高速シャッタ４６が内挿されるようにシャッタユニット４２を白抜矢印方向に駆動制御する（図２参照）。

続いて、図１に示すように、作業者が上位制御装置２４の図示しない操作部から測定開始指示を行うと、三次元形状測定装置１２によるワーク３０の表面３２上の三次元モードでの測定（以下、「三次元測定」という。）が開始される。

図３に示すように、上位制御装置２４、Ｉ／Ｆ７２、パルス光射出制御部７４を介して取得されたパルス射出指示に応じて、パルス光源５６からパルス光が射出されると、該パルス光は、ビームスプリッタ５８により透過され、チャープ導入装置６０によりチャープされ、対物レンズ６２によりその光束が集光され、ワーク３０の表面３２上の照射領域５４に照射される。

一方、ビームスプリッタ５８により反射されたパルス光は、反射ミラー６６、６８によりさらに反射され、ファイバ結合用レンズ７０によりパルス光の光束が集光され、ファイバケーブル１８によりシャッタ装置１６側に供給され、ファイバ結合用レンズ８０により集光され、導光ファイバ８２により導光された後に超高速シャッタ４６に供給される。励起光としてのパルス光の照射によって、非線形光学材料からなるシャッタ幕５２の屈折率が変化するので、超高速シャッタ４６はそのシャッタ機能を発揮することができる。

ワーク３０の表面３２上の照射領域５４で反射したチャープ光パルスは、超高速シャッタ４６への励起光の照射によって所定のタイミングで所定の光量だけ切り出され、対物レンズ８５により集光され、結像光学系８６により適切な反射光像が形成され、カラー二次元検出器８８により撮像信号に変換される。該撮像信号は、Ｉ／Ｆ９０を介し、外部装置である画像処理装置２０に送信され、画像処理装置２０により所望の画像処理が施され、モニタ２２により三次元形状を表す可視画像として表示される。

なお、チャープ光パルスとともに自然光Ｎが受光面４０を介して受光され得るが、その光量はチャープ光パルスと比して極微量である。

この可視画像の階調特性は、Ｘ−Ｙ軸平面上の各位置におけるチャープ光パルスの飛行時間の差（Ｚ軸方向の奥行き）が、超高速シャッタ４６の開閉動作により同時に切り出された光色（波長）によって表現される。具体的には、前縁である長波長側（赤色）から後縁である短波長側（紫色）まで色が連続的に変化するチャープ光パルスを用いる場合、Ｚ方向の奥行きが大きいＸ−Ｙ軸平面上の位置において、チャープ光パルスが超高速シャッタ４６に到達する時間が遅延する。従って、カラー二次元検出器８８では、チャープ光パルスの前縁の方である長波長側の光色が検出される傾向がある。

このようにして、ワーク３０の表面３２上の照射領域５４内において三次元形状を測定することができる（三次元情報取得工程）。

以上のように、作業者は、ワーク３０の表面３２全体の外観を撮像領域が比較的広大な二次元測定を用いて簡易的に検査する。作業者は、ワーク３０の表面３２上に欠陥が存在すると疑われる箇所を発見した場合は、撮像領域が比較的狭い三次元測定を用いてその特定箇所を高精度に検査する。かかる方法を繰り返すことにより、作業者は、ワーク３０の表面３２全体の三次元形状の外観を効率良く把握することができる。

なお、三次元情報合成手段としての画像処理装置２０は、二次元画像と三次元画像との測定位置が対応するように２つの画像を合成する機能を備える。これにより、作業者は、ワーク３０の表面３２全体の三次元形状の外観を視覚的且つ容易に把握することができる。

さらに、同様の趣旨により、画像処理装置２０は、三次元測定を行った箇所を記憶しておき二次元画像上の当該箇所に相当する位置にマークを付する機能等を備えるようにしてもよい。

次いで、本発明に係る三次元形状測定システム１０の第１の実施形態の第１変形例について図４及び図５を参照しながら説明する。なお、以下の変形例において第１の実施形態と同一である構成要素には、同一の参照符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

この第１変形例は、三次元形状測定装置１２がシャッタ４４を備える点において第１の実施形態と構成が異なる。

図４は、第１の実施形態の第１変形例における三次元形状測定装置１２、チャープ光生成装置１４及びシャッタ装置１６の構成ブロック図である。図４に示す三次元形状測定装置１２は、図３の構成と比較して、シャッタ４４と、シャッタ開閉制御部７８と、Ｉ／Ｆ９４とをさらに備えている。一方、シャッタ装置１６は、図３の構成と比較して、シャッタ４４、シャッタ開閉制御部７８を備えておらず、また、シャッタ４４の配設位置に開口９２が設けられている。

図５は、第１の実施形態の第１変形例に係るシャッタ４４及び超高速シャッタ４６の開閉タイミングチャートである。グラフの横軸は時間、縦軸はシャッタの開度を表す。破線で示した時点ｔ₀は、上位制御装置２４からの測定開始指示があった時点を示す。シャッタ４４は、時点ｔ₁から時点ｔ₄まで開かれており、それ以外の時間は閉じられている。超高速シャッタ４６は、時点ｔ₂から時点ｔ₃まで開かれており、それ以外の時間は閉じられている。超高速シャッタ４６の開放時間（ｔ₂〜ｔ₃）はきわめて短く、且つシャッタ４４の開放時間（ｔ₁〜ｔ₄）の範囲に包含されるように設定されている。

このように構成しているので、以下に説明するように、第１の実施形態と同様の動作が実現できる。

作業者によって二次元モードの設定がなされると、図４に示すように、シャッタ切替部８４は、照射領域５４と三次元形状測定装置１２の受光面４０との間に開口９２が内挿されるようにシャッタユニット４２を白抜矢印方向に駆動制御する。このようなシャッタユニット４２の配置状態で二次元測定を行うと、照射領域５４周辺から反射された自然光Ｎは、開口９２をそのまま通過し、シャッタ４４の先幕４８及び後幕５０（図２参照）の開閉動作により、所定のタイミングで所定の光量だけ切り出される。従って、所望の二次元撮像信号を得ることができる。

一方、三次元モードの設定がなされると、シャッタ切替部８４は、照射領域５４と三次元形状測定装置１２の受光面４０との間に超高速シャッタ４６が内挿されるようにシャッタユニット４２を矢印方向に駆動制御する。このようなシャッタユニット４２の配置状態で三次元測定を行うと、ワーク３０の表面３２上の照射領域５４で反射したチャープ光パルスは、超高速シャッタ４６への励起光の照射によって所定のタイミングで所定の光量だけ切り出され、対物レンズ８５を通過する。このときシャッタ４４は未だ開いたままの状態であるので（図５参照）、超高速シャッタ４６により切り出されたすべてのチャープ光パルスはシャッタ４４に一切遮断されることなく通過する。従って、所望の三次元撮像信号を得ることができる。

以上のようにして、ワーク３０の表面３２上の照射領域５４内において二次元又は三次元形状を測定することができる。この第１変形例によれば、二次元測定に用いるシャッタ４４が三次元形状測定装置１２側に設けられているので、シャッタ装置１６を取り外した状態でも三次元形状測定装置１２を単体で使用できる。さらに、三次元形状測定装置１２の設定を一切変更することなく、シャッタ装置１６の着脱のみで測定モード（二次元モード・三次元モード）の切替が可能である。

次いで、本発明に係る三次元形状測定システムの第１の実施形態の第２変形例について図６及び図７を参照しながら説明する。

この第２変形例は、シャッタ装置１６、特にシャッタユニット４２の内部構成が第１の実施形態と異なる。

図６に示すように、シャッタユニット４２は、反射ミラー９６、９８、１００、１０２と、超高速シャッタ４６とを備える。これらの構成要素はいずれもシャッタユニット４２に固定配置されている。開口部３８は、三次元形状測定装置１２の受光面４０と対向する位置から所定の距離だけ離れて設けられている。

シャッタ装置１６が備えるシャッタユニット４２は、照射領域５４周辺で反射された自然光Ｎを取得できるように適切に調整されている。すなわち、シャッタユニット４２が白抜矢印方向に駆動され、該シャッタユニット４２の一方の外壁が本体３４の空洞部３６の一方の内壁１０４に接触するとき、開口部３８、反射ミラー９６、９８、及び受光面４０は適切な位置関係となるように配置されている。かかる場合、ワーク３０の表面３２上の照射領域５４周辺で反射された自然光Ｎは、開口部３８から入射され、反射ミラー９６、９８により所定の角度だけ反射され、受光面４０に受光される。

図７に示すように、シャッタ装置１６が備えるシャッタユニット４２は、照射領域５４で反射されたチャープ光パルスを取得できるように適切に調整されている。すなわち、すなわち、シャッタユニット４２が白抜矢印方向に駆動され、該シャッタユニット４２の他方の外壁が本体３４の空洞部３６の他方の内壁１０６に接触するとき、開口部３８、反射ミラー１００、１０２、及び受光面４０は適切な位置関係となるように配置されている。かかる場合、ワーク３０の表面３２上で反射されたチャープ光パルスは、開口部３８から入射され、反射ミラー１００、１０２により所定の角度だけ反射され、受光面４０に受光される。

このように、測定モードあるいは撮像に用いる光の種類に応じて、三次元形状測定装置１２が取得する光の光路の一部を変更することで、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

次いで、本発明に係る三次元形状測定システムの第２の実施形態について図８及び図９を参照しながら説明する。以下の実施形態において第１の実施形態と同一である構成要素には、同一の参照符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図８は、第２の実施形態における三次元形状測定システム１０の概略側面図である。

三次元形状測定システム１０は、三次元形状測定装置１２と、画像処理装置２０と、モニタ２２と、上位制御装置２４と、ロボット制御装置２６とを備える。ここで、三次元形状測定装置１２には、図１に示すチャープ光生成装置１４及びシャッタ装置１６に相当する機能が一体的に組み込まれている点で第１の実施形態とは構成が異なる。

図９は、第２の実施形態における三次元形状測定装置１２の構成ブロック図である。

この三次元形状測定装置１２は、パルス光を射出するパルス光源５６と、該パルス光源５６により射出されたパルス光をチャープすることでチャープ光パルスを生成するチャープ導入装置６０と、該チャープ導入装置６０により生成されたチャープ光パルスのビーム径を拡大する拡大光学系１１０と、拡大光学系１１０によりビーム径が拡大されたチャープ光パルスを偏光方向に応じて分割する偏光ビームスプリッタ１１２と、該偏光ビームスプリッタ１１２を透過された前記チャープ光パルスを平行化するコリメートレンズ１１４と、該コリメートレンズ１１４により平行化されたチャープ光パルスの偏光方向を所定の方向に傾けるλ／４波長板１１６と、該λ／４波長板１１６により偏光されたチャープ光パルスの光束を集光してワーク３０の表面３２上に焦点像（照射領域５４）を形成する対物レンズ６２とを備える。

また、光路Ｌ上に、偏光ビームスプリッタ１１２からの反射光を所定の角度方向に反射する反射ミラー１１８と、該反射ミラー１１８により反射された反射光を切り出し可能なシャッタユニット４２と、該シャッタユニット４２により切り出された反射光から適切な反射光像を形成する結像光学系８６と、該結像光学系８６により生成された反射光像を撮像信号に変換するカラー二次元検出器８８と、該カラー二次元検出器８８により変換された撮像信号を画像処理装置２０に送信するＩ／Ｆ９０とを備える。なお、このシャッタユニット４２は、図２に示す構成と同様であるため、詳細な説明は割愛する。

さらに、この三次元形状測定装置１２は、パルス光源５６によるパルス光の射出動作を制御するパルス光射出制御部７４と、シャッタ４４の図示しないシャッタ幕の開閉動作を制御するシャッタ開閉制御部７８と、シャッタ切替部８４とを備える。

この第２の実施形態に係る三次元形状測定システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作について説明する。

第２の実施形態に係る三次元形状測定システム１０による動作手順は、第１の実施形態における上述した動作手順と同様である。ここでは、二次元測定及び三次元測定での撮像画像を取得する方法について、図９を参照しながら詳細に説明する。

作業者により二次元モードの設定がなされると、上位制御装置２４からの指示がＩ／Ｆ９４を介し、シャッタ切替部８４に供給される。このシャッタ切替部８４は、反射ミラー１１８と結像光学系８６との間にシャッタ４４が内挿されるようにシャッタユニット４２を白抜矢印方向に駆動制御する。その後、測定開始指示に応じて二次元測定が開始される。

照射領域５４周辺から反射された自然光Ｎは、対物レンズ６２により集光され、λ／４波長板１１６により円偏光から直線偏光とされ、コリメートレンズ１１４により平行化され、偏光ビームスプリッタ１１２により光路Ｌ方向に反射され、反射ミラー１１８により所定の角度方向に反射され、シャッタ４４により所定のタイミングで所定の光量だけ切り出され、結像光学系８６により適切な反射光像が形成され、カラー二次元検出器８８により撮像信号に変換される。該撮像信号は、Ｉ／Ｆ９０を介し、外部装置である画像処理装置２０に送信される。

作業者により三次元モードの設定がなされると、上位制御装置２４からの指示がＩ／Ｆ９４を介し、シャッタ切替部８４に供給される。このシャッタ切替部８４は、反射ミラー１１８と結像光学系８６との間に超高速シャッタ４６が内挿されるようにシャッタユニット４２を白抜矢印方向に駆動制御する。その後、測定開始指示に応じて三次元測定が開始される。

上位制御装置２４、Ｉ／Ｆ９４、パルス光射出制御部７４を介して取得されたパルス射出指示に応じて、パルス光源５６からパルス光が射出されると、該パルス光は、ビームスプリッタ５８により透過され、チャープ導入装置６０によりチャープされ、拡大光学系１１０によりビーム径が拡大され、偏光ビームスプリッタ１１２により透過され、コリメートレンズ１１４により平行化され、λ／４波長板１１６により直線偏光から円偏光とされ、対物レンズ６２によりその光束が集光され、ワーク３０の表面３２上の照射領域５４に照射される。

続いて、ワーク３０の表面３２上の照射領域５４で反射されたチャープ光パルスは、対物レンズ６２により集光され、λ／４波長板１１６により円偏光から直線偏光とされ、コリメートレンズ１１４により平行化され、偏光ビームスプリッタ１１２により光路Ｌ方向に反射され、反射ミラー１１８により所定の角度方向に反射され、超高速シャッタ４６により所定のタイミングで所定の光量だけ切り出され、結像光学系８６により適切な反射光像が形成され、カラー二次元検出器８８により撮像信号に変換される。該撮像信号は、Ｉ／Ｆ９０を介し、外部装置である画像処理装置２０に送信される。

なお、ビームスプリッタ５８により反射されたパルス光は、反射ミラー１２０により反射され、超高速シャッタ４６側に供給される。超高速シャッタ４６は、励起光としての前記パルス光の照射によって開閉される。

以上のようにして、ワーク３０の表面３２上の照射領域５４内において二次元又は三次元形状を測定することができる。第２の実施形態に係る三次元形状測定システム１０は、第１の実施形態に係る三次元形状測定システム１０と比較して構成が容易であり、省スペース化が可能となるので好ましい。

次いで、本発明に係る三次元形状測定システムの第２の実施形態の変形例について図１０及び図１１を参照しながら説明する。

この変形例は、シャッタ４４及び超高速シャッタ４６が同一光路Ｌ上に配設されている点において第２の実施形態と構成が異なる。

図１０は、第２の実施形態の変形例における三次元形状測定装置１２の構成ブロック図である。図１０に示す三次元形状測定装置１２は、図９の構成と比較して、シャッタ４４又は超高速シャッタ４６を切替可能なシャッタユニット４２に代替して、シャッタ４４及び超高速シャッタ４６が同一光路Ｌ上にそれぞれ配設されている。さらに、超高速シャッタ４６に励起光を供給する照明１２２と、該照明１２２の点灯・消灯を制御する照明制御部１２４とを備えている。

図１１Ａは、第２の実施形態の変形例におけるシャッタ４４及び超高速シャッタ４６の開閉タイミングチャートの一例である。グラフの定義は、図５と同様であるため詳細な説明は割愛する。シャッタ４４は、時点ｔ₁から時点ｔ₄まで開かれており、それ以外の時間は閉じられている。一方、上位制御装置２４からの照明点灯指示に基づき照明１２２が点灯させられ、この照明１２２からの励起光が超高速シャッタ４６に照射され続けるので、超高速シャッタ４６は常時開いた状態になっている。

図１１Ｂは、第２の実施形態の変形例におけるシャッタ４４及び超高速シャッタ４６の開閉タイミングチャートの一例である。超高速シャッタ４６は、時点ｔ₂から時点ｔ₃まで開かれており、それ以外の時間は閉じられている。一方、上位制御装置２４からのシャッタ開放指示に基づいて、シャッタ４４は常時開いた状態になっている。

このように構成しているので、以下に説明するように、第２の実施形態と同様の動作が実現できる。

図１０に示すシャッタ４４及び超高速シャッタ４６の配置構成で、且つ図１１Ａに示す開閉タイミング制御で二次元測定を行うと、図１０に示すように、偏光ビームスプリッタ１１２により光路Ｌ上に反射された自然光Ｎは、シャッタ４４の先幕４８及び後幕５０（図２参照）の開閉動作により、所定のタイミングで所定の光量だけ切り出され、反射ミラー１１８により反射され、常時開いた状態である超高速シャッタ４６（図１１Ａ参照）に一切遮断されることなくすべて通過する。従って、所望の二次元撮像信号を得ることができる。

一方、図１０に示すシャッタ４４及び超高速シャッタ４６の配置構成で、且つ図１１Ｂに示す開閉タイミング制御で三次元測定を行うと、図１０に示すように、偏光ビームスプリッタ１１２により光路Ｌ上に反射されたチャープ光パルスは、常時開いた状態であるシャッタ４４（図１１Ｂ参照）に遮断されることなくすべて通過し、反射ミラー１１８により反射され、超高速シャッタ４６により所定のタイミングで所定の光量だけ切り出される。従って、所望の三次元撮像信号を得ることができる。

以上のようにして、ワーク３０の表面３２上の照射領域５４内において二次元又は三次元形状を測定することができる。この変形例によれば、第２の実施形態に係る三次元形状測定システム１０と比較して、シャッタ切替の機構及び動作が不要となるので好ましい。

なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

例えば、本実施形態では、自然光Ｎがワーク３０の表面３２で反射され、その反射光像を三次元形状測定装置１２で撮像する構成を採っているが、補助光を用いてもよいし、自ら発光する被測定物の光像を三次元形状測定装置１２で撮像してもよい。

また、本実施形態では、自然光Ｎ及びチャープ光パルスの取得光路を共通に設けているが、異なる光路を設けるように構成してもよい。さらに、測定モードの変更に応じて、三次元形状測定装置１２の構成要素を自動的に付加、退避させ、又は置換させてもよい。例えば、二次元モードの際に、図９におけるλ／４波長板１１６を光路上から退避させ、且つ偏光ビームスプリッタ１１２を反射ミラーに置き換えることができる。

さらに、三次元形状の測定に用いられるチャープ光パルスは、可視領域の光波長に限定されることなく、紫外線や赤外線等を用いてもよい。

１０…三次元形状測定システム １２…三次元形状測定装置
１４…チャープ光生成装置 １６…シャッタ装置
２０…画像処理装置 ２８…撮像面
３０…ワーク ３２…表面
３４…本体 ３６…空洞部
３８…開口部 ４０…受光面
４２…シャッタユニット ４４…シャッタ
４６…超高速シャッタ ５４…照射領域
５６…パルス光源 ５８…ビームスプリッタ
６０…チャープ導入装置 ６２、８５…対物レンズ
６６、６８、９６、９８、１００、１０２、１１８、１２０…反射ミラー
７２、７６、９０、９４…Ｉ／Ｆ ７８…シャッタ開閉制御部
８４…シャッタ切替部 ８６…結像光学系
８８…カラー二次元検出器 ９２…開口
１１０…拡大光学系 １１２…偏光ビームスプリッタ
１１４…コリメートレンズ １１６…λ／４波長板
１２２…照明 １２４…照明制御部

Claims (4)

1. 色が規則的に変化する光パルスを生成する光パルス生成手段と、
   前記光パルス生成手段により生成された前記光パルスを被測定物に照射し、該被測定物から反射された前記光パルスの反射光像を取得する反射光像取得手段と、
   前記反射光像取得手段により取得された前記反射光像の二次元情報及び色情報を用いて前記被測定物の三次元情報を取得する三次元情報取得手段と、
   前記被測定物の二次元情報を取得する二次元検出器と、
   を有することを特徴とする三次元形状測定システム。
2. 被測定物の二次元情報を取得するための光を前記被測定物に照射し、該被測定物から反射された前記光の第１反射光像を取得する第１の反射光像取得手段と、
   色が規則的に変化する光パルスを生成する光パルス生成手段と、
   前記光パルス生成手段により生成された前記光パルスを前記被測定物に照射し、該被測定物から反射された前記光パルスの第２反射光像を取得する第２の反射光像取得手段と、
   前記第１の反射光像取得手段により取得された前記第１反射光像の二次元情報、又は前記第２の反射光像取得手段により取得された前記第２反射光像の二次元情報を取得する二次元検出器と、
   前記二次元検出器により取得された前記第２反射光像の二次元情報及び色情報を用いて前記被測定物の三次元情報を取得する三次元情報取得手段と、
   前記第１又は前記第２の反射光像取得手段の切替を行う切替手段と、
   を有することを特徴とする三次元形状測定システム。
3. 請求項１又は２に記載の三次元形状測定システムにおいて、
   前記三次元情報取得手段により取得された前記被測定物の三次元情報と前記二次元検出器により取得された前記被測定物の二次元情報とを合成する三次元情報合成手段を有する
   ことを特徴とする三次元形状測定システム。
4. 被測定物の二次元情報を取得するための光を前記被測定物に照射し、該被測定物から反射された前記光の第１反射光像を取得し、該第１反射光像の二次元情報を取得する二次元情報取得工程と、
   色が規則的に変化する光パルスを生成し、該光パルスを被測定物に照射し、該被測定物から反射された前記光パルスの第２反射光像を取得し、該第２反射光像の二次元情報及び色情報を用いて前記被測定物の三次元情報を取得する三次元情報取得工程と、を有し、
   前記二次元情報取得工程により取得された前記二次元情報に基づいて所定の箇所を選択し、該所定の箇所に対して前記三次元情報取得工程を行う工程を備える
   ことを特徴とする三次元形状測定方法。

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