JP2011117832A - 光学式３次元形状計測装置及び光学式３次元形状計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鏡面などの光沢表面をもつ物体の光学式３次元形状測定を実現可能とするための光学式３次元形状計測装置及び光学式３次元形状計測方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る光学式３次元形状計測装置は、光線を測定対象物に照射する光源と、前記光線が前記測定対象物に照射された光線照射面で反射した反射光の入射ベクトルを検出する光入射ベクトル検出手段と、前記光線照射面の３次元位置を算出する照射面位置算出手段と、を備え、前記光入射ベクトル検出手段は、少なくとも２つの画像センサを含む光学系から構成され、前記２つの画像センサは、前記光線照射面から異なった距離に配置され、前記照射面位置算出手段が、前記２つの画像センサの受光位置および前記光学系の幾何学条件から、３次元ベクトル解析により前記反射光のベクトルを算出し、前記光線照射面の３次元位置を算出することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学式３次元形状計測装置及び光学式３次元形状計測方法、特に、光沢のある物体表面の３次元形状計測に適用可能な光学式３次元計測装置及び３次元計測方法に関するものである。

物体の３次元形状計測には、光学式３次元計測装置が工業的に良く用いられている。中でも、三角測量原理に基づく光学式３次元計測装置は、測定範囲、測定分解能、測定時間、信頼性の面などでバランスがとれている。

三角測量原理を用いた物体の３次元計測装置として、例えば特許文献１には、測定対象にスリット光を投光し、対象物体から反射した反射光をレンズで集光して画像センサで検出する形状計測装置が記載されている。

特許文献２には、光照射手段から被計測物の表面に照射されたスポット光の反射光を、ハーフミラーを介して分離し、分離した透過光の受光強度の重心位置を第１の光検出手段によって検出し、分離した反射光の受光強度の重心位置を第２の光検出手段によって検出し、第１及び第２の光検出手段の出力信号に基づき、所定の計測基準位置から被計測物までの距離を算出する演算手段を備えた光学式形状計が記載されている。

特許文献３には、特許文献２に記載の構成に加え、被計測物に対して集光された光をスポット走査光とする回転ミラーと、該スポット走査光を所定の入射角で被計測物に照射する光照射手段と、該被計測物の表面から反射される入射光を集光して反射させる２次曲面鏡と、所定の計測基準位置から被計測物までの距離を、前記回転ミラーの回転と同期させて演算する演算手段とを備えた光学式形状計が記載されている。

また、将来光学式３次元計測装置への適用が考えられる画像センサとして、非特許文献１には、分子の光学的異方性によって得られる偏光検出特性を透明電極に組み合わせて構成した透明イメージセンサ（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ）が記載されている。

特開平１１−１１８４４３号公報 特開平５−１９０４号公報 特開平５−６０５３２号公報

「Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｕｓｉｎｇ ａｎ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ」、Ｈ．Ｔａｎａｋａ ｅｔ ａｌ、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｖｏｌｕｍｅ１８、Ｉｓｓｕｅ１７、２００６、Ｐａｇｅｓ ２２３０−２２３３

特許文献１に記載の形状計測装置では、反射光は測定対象表面の３次元形状に応じて画像センサの対応する位置に結像するので、三角測量原理により、スリット光の物体表面上での反射点の３次元位置が検出できる。そして、スリット光を測定対象上に走査しつつ、測定対象から反射する反射光を受光し、それぞれの結像位置に対して、三角測量原理により測定対象の３次元形状を測定できる。

しかしながら、特許文献１に記載の三角測量原理による３次元位置の検出においては、被測定物が無光沢表面であることが前提とされている。これは、被測定物が無光沢表面である場合、被測定物の表面で光は乱反射するので、それをレンズにより集光して画像センサ上に結像させると、集光した光の光束の中心は必ずレンズ中心を通るので、物体表面の傾きにかかわらず、三角測量原理が適用でき、光の物体表面での反射位置が検出できるためである。

ところが、被測定物が金属表面などのような光沢のある表面では、被測定物の表面では反射光は乱反射せずに、光源から投光された光線の形状を維持したまま、正反射して、レンズを介して画像センサに結像する。この場合、物体表面が正確にレンズ焦点位置にあれば正反射光はレンズ中心を通るが、このような場合はまれで、光沢表面での反射光は、必ずしもレンズ中心を通らない。

特許文献２あるいは特許文献３に記載の光学式形状計は、所定の計測基準位置から被計測物の表面までの距離を算出するようにしてあるので、被計測物の表面が鏡面、または鏡面に近い場合に、オンラインで被計測物が傾斜変動したり、ハレーションを起こすようなときにも、非接触で被計測物の形状、変位または厚さを安定して連続計測することができるとされている。しかしながら、特許文献２あるいは特許文献３に記載の光学式形状計は、以下に述べる（１）理論的厳密性と（２）適用対象の制限の観点から、鏡面等の光沢表面をもつ物体の３次元形状計測には適用し得ないものである。

（１）理論的厳密性
特許文献２あるいは特許文献３に記載の光学式形状計は、特許文献２の段落［００２４］並びに特許文献３の段落［００４６］に「被計測物１１の表面は鏡面であるため光の正反射が生じ、入射光は反射角β´で反射される。」との記載があるように、被計測物表面の反射で正反射を仮定している。光の正反射を仮定していることから、特許文献２並びに特許文献３においては、入射角β＝反射角β´を仮定している。しかしながら、現実の物体においては、入射角＝反射角は厳密に成立しない。このため、入射角β＝反射角β´を仮定している特許文献２あるいは特許文献３に記載の光学式形状計は、入射角と反射角が異なる現実の物体において理論的な誤差が生じる。

（２）適用対象の制限
特許文献２あるいは特許文献３に記載の光学式形状計は、特許文献２の段落［００３０］並びに特許文献３の段落［００３６］に「平面幾何学的解析を行い、」との記載があるように、この仮定が成立する被計測物にしか適用できない。すなわち、特許文献２あるいは特許文献３に記載の光学式形状計は、一次元的な傾きしか考慮していないものであり、適用対象が当該仮定が許容できる範囲に限定されるものである。

このように、従来の三角測量原理に基づく光学式計測装置は、鏡面などの光沢表面をもつ物体の３次元形状計測には適用が困難であるという問題がある。

上記問題点に鑑み、本発明は、無光沢表面のみならず、鏡面などの光沢表面をもつ物体の光学式３次元形状測定を実現可能とするための光学式３次元形状計測装置及び光学式３次元形状計測方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、
光線を測定対象物に照射する光源と、前記光線が前記測定対象物に照射された光線照射面で反射した反射光の入射ベクトルを検出する光入射ベクトル検出手段と、前記光線照射面の３次元位置を算出する照射面位置算出手段と、を備え、
前記光入射ベクトル検出手段は、少なくとも２つの画像センサを含む光学系から構成され、
前記２つの画像センサは、前記光線照射面から異なった距離に配置され、
前記照射面位置算出手段が、前記２つの画像センサの受光位置および前記光学系の幾何学条件から、３次元ベクトル解析により前記反射光のベクトルを算出し、前記光線照射面の３次元位置を算出すること
を特徴とする光学式３次元形状計測装置を提供する。

また、本発明は、前記光入射ベクトル検出手段は、前記反射光を集光するレンズと、前記反射光を２方向に分割するハーフミラーと、第１画像センサと第２画像センサの２つの画像センサから構成され、
前記レンズは、一端面側が前記測定対象物に対向するよう配置され、
前記ハーフミラーは、前記レンズの他端面側に、中心が前記レンズの光軸と一致するよう前記レンズの光軸に対して傾けられて配置され、
前記第１画像センサは、前記レンズと前記ハーフミラー中心とを結ぶ軸線上に、該軸線に対してセンサ面が垂直となるよう配置され、
前記第２画像センサは、前記レンズと前記ハーフミラー中心とを結ぶ軸線の垂直方向の軸線上であって前記ハーフミラーが前記レンズに対して傾けられている方向に、該軸線に対してセンサ面が垂直となるよう配置され、
前記ハーフミラー中心と前記第１の画像センサとの間の距離と、前記ハーフミラー中心と前記第２画像センサとの間の距離が異なる距離とされること
を特徴とする光学式３次元形状計測装置を提供する。

また、本発明は、前記光入射ベクトル検出手段は、前記反射光を第１反射光と第２反射光の２方向に分割するハーフミラーと、前記第１反射光を集光する第１レンズと、前記第２反射光を集光する第２レンズと、前記第１反射光を受光する第１画像センサと、前記第２反射光を受光する第２画像センサとから構成され、
前記ハーフミラーは、前記測定対象物に対して傾けられて配置され、
前記第１レンズは、前記測定対象物と前記ハーフミラーを結ぶ軸線上に、該軸線に対して一端面側が垂直となるよう配置され、前記第１画像センサは前記第１レンズの他端面側とセンサ面が平行となるよう配置され、
前記第２レンズは、前記測定対象物と前記ハーフミラー中心とを結ぶ軸線の垂直方向の軸線上であって前記ハーフミラーが前記測定対象物に対して傾けられている方向に、該軸線に対して一端面側が垂直となるよう配置され、前記第１画像センサは前記第１レンズの他端面側とセンサ面が平行となるよう配置され、
前記ハーフミラー中心と前記第１レンズとの間の距離と、前記ハーフミラー中心と前記第２レンズとの間の距離は同じ距離とされ、
前記第１レンズと前記第１の画像センサとの間の距離と、前記第２レンズと前記第２画像センサとの間の距離が異なる距離とされること
を特徴とする光学式３次元形状計測装置を提供する。

また、本発明は、前記光入射ベクトル検出手段は、前記反射光を透過する透過センサと、前記透過センサを透過した透過光を受光する画像センサとから構成され、
前記透過センサは、センサ面が前記測定対象物に対向するように配置され、
前記画像センサは、前記透過センサと平行になるよう配置されること
を特徴とする光学式３次元形状計測装置を提供する。

また、本発明は、前記光源からの光線を前記測定対象物の表面上に走査させる光線走査手段を備えることを特徴とする光学式３次元形状計測装置を提供する。

上記目的を達成するため、本発明は、
光線を測定対象物に照射する光源と、前記光線が前記測定対象物に照射された光線照射面で反射した反射光の入射ベクトルを検出する光入射ベクトル検出手段と、前記光線照射面の３次元位置を算出する照射面位置算出手段と、を備えた光学式３次元形状計測装置を用いた光学式３次元形状計測方法であって、
前記光入射ベクトル検出手段は、少なくとも２つの画像センサを含む光学系から構成され、
前記２つの画像センサは、前記光線照射面から異なった距離に配置され、
前記照射面位置算出手段が、前記２つの画像センサの受光位置および前記光学系の幾何学条件から、３次元ベクトル解析により前記反射光のベクトルを算出し、前記光線照射面の３次元位置を算出すること
を特徴とする光学式３次元形状計測方法を提供する。

また、本発明は、前記光源からの光線を前記測定対象物の表面上を走査することで測定対象物の３次元形状を計測することを特徴とする光学式３次元形状計測方法を提供する。

本発明によれば、無光沢表面のみならず、鏡面などの光沢表面をもつ物体の光学式３次元形状測定を実現可能とするための光学式３次元形状計測装置及び光学式３次元形状計測方法が得られる。

本発明の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置の座標系を示す図である。 本発明の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置が備えるハーフミラー周辺の座標系を示す図である。 本発明の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置が備えるレンズ周辺の座標系を示す図である。 本発明の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置が備えるレンズ周辺の座標系を示す図である。 本発明の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置の測定対象物における光線照射面周辺の座標系を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置の座標系を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置が備えるハーフミラー周辺の座標系を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置の座標系を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置の構成を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

［第１の実施の形態］
図１に、本発明の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置の構成を示す。図１に示す光学式３次元形状計測装置１は、光入射ベクトル検出手段２と、照射面位置算出手段３と、光源４とから構成される。本実施の形態において、照射面位置算出手段として、演算機３３を用いている。

光入射ベクトル検出手段２は、レンズ２３と、ハーフミラー２４と、画像センサ２５であるところの第１画像センサ２５ａと、画像センサ２５であるところの第２画像センサ２５ｂとから構成される。

レンズ２３は、一端面側が測定対象物６に対向するよう配置される。ハーフミラー２４は、レンズ２３の他端面側、すなわち測定対象物６に対向する面の反対側の面側に配置される。このときハーフミラー２４は、その中心がレンズ２３の光軸と一致するように、該光軸に対して４５度傾けて配置される。

レンズ２３の光軸とハーフミラー２４を結ぶ軸線上に、該軸線に対してセンサ面が垂直となるよう第１画像センサ２５ａが配置される。第２画像センサ２５ｂは、レンズ２３の光軸とハーフミラー２４とを結ぶ軸線の垂直方向の軸線上であって、ハーフミラー２４がレンズ２３に対して傾けられている方向に、該軸線に対して第２画像センサ２５ｂのセンサ面が垂直となるよう配置される。このようにして配置された第１画像センサ２５ａ、第２画像センサ２５ｂは、ハーフミラー２４の中心からの距離は各々異なった距離となるよう配置される。

本実施の形態において、第１画像センサ２５ａ並びに第２画像センサ２５ｂには、例えばＣＣＤカメラ、あるいはＰＳＤカメラなどが好適に使用される。

第１画像センサ２５ａ並びに第２画像センサ２５ｂは、それぞれ照射面位置算出手段３である演算機３３に接続される。演算機３３は、第１画像センサ２５ａ及び第２画像センサ２５ｂの受光位置情報から、後述の方法により反射光７の軌跡を３次元ベクトル解析により逆追跡する。

光源４から測定対象物６に向けて照射された光線５は、測定対象物６表面の光線照射面５５で反射され、反射光７が光入射ベクトル検出手段２を構成するレンズ２３に入射する。

レンズ２３に入射した反射光７は、レンズ２３を通過後ハーフミラー２４に入射する。ハーフミラー２４に入射した反射光７は、ハーフミラー２４で２方向に分割され、一方が第１画像センサ２５ａで受光され、他方が第２画像センサ２５ｂで受光される。

（反射光７の軌跡の３次元ベクトル解析）
（１）本実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置１の座標系
本実施の形態においては、第１画像センサ２５ａ及び第２画像センサ２５ｂの２つの画像センサの受光位置から、反射光７の入射ベクトル、すなわち、図２に示す入射ベクトルｕ_１が求められることに特徴がある。

本実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置１の座標系を図２に示す。図２に示す座標系において、座標原点はレンズ２３の中心である。測定対象物６上のＰ_１点は、光線５が測定対象物６上に照射される光線照射面５５であり、Ｐ_１点が本解析で求める値である。Ｐ_０は光源４の位置ベクトル、Ｌは光源４の投光ベクトルである。

これらの値と、第１画像センサ２５ａと第２画像センサ２５ｂにおける反射光７の受光位置ベクトルの測定値であるＰ_４とＰ_５の値を基に、Ｐ_１を求める。

レンズ２３、ハーフミラー２４、第１画像センサ２５ａ、第２画像センサ２５ｂの位置関係は以下の通りである。
ハーフミラー２４中心の位置ベクトル…ｈ
ハーフミラー２４と第１画像センサ２５ａ間の距離…ｄ_１
ハーフミラー２４と第２画像センサ２５ｂ間の距離…ｄ_２
レンズ２３とハーフミラー２４間の距離…ｄ_３

また、レンズ２３の口径はｒｄ、レンズ厚みはｄである。さらに、ｕ_１、ｕ_２、ｕ_３は計算の途中で生ずる未知量であり、それぞれ測定対象物６の表面からの反射ベクトル、レンズ２３内部での反射光７の光線ベクトル、反射光７の光線の画像センサ２５ａ、２５ｂへの入射ベクトルを表している。

（２）画像センサ２５ａ、２５ｂへの入射ベクトルｕ_３の導出
本実施の形態に係る光学式３次元形状測定装置１が備えるハーフミラー２４周辺の座標系を図３に示す。本実施の形態においては、図３に示すように、ハーフミラー２４、第１画像センサ２５ａ、第２画像センサ２５ｂの位置関係と、ハーフミラー２４がレンズ２３の光軸に対して４５度傾けていることから、ｕ_３はＰ_４とＰ_５と鏡像の位置関係にあるＰ_５´から以下のように求めることができる。

今、既知量であるｈ、Ｐ_４、Ｐ_５の各成分を
ｈ＝（ｈ_ｘ、ｈ_ｙ、ｈ_ｚ） （１）
Ｐ_４＝（Ｐ_４ｘ、Ｐ_４ｙ、Ｐ_４ｚ） （２）
Ｐ_５＝（Ｐ_５ｘ、Ｐ_５ｙ、Ｐ_５ｚ） （３）
とおくと、ベクトルｕ_３のｘ成分とｚ成分はそれぞれ
ｕ_３ｘ＝Ｐ_５ｘ´−Ｐ_４ｘ＝ｄ_１−ｄ_２ （４）
ｕ_３ｚ＝Ｐ_５ｚ´−Ｐ_４ｚ＝Ｐ_５ｚ−Ｐ_４ｚ （５）
ここで、ｚ座標系はハーフミラー２４がｘｙ平面に垂直に設置されているので、鏡像の関係にあったとしても、その位置は不変であることを利用している。

一方、ｕ_３のｙ成分は以下のようにして求める。
ａ＝ｐ_５ｘ−ｈ_ｘ （６）
ｂ＝ａ （７）
ｃ＝Ｐ_４ｘ−ｈ_ｙ （８）
ｕ_３ｙ＝ｂ−ｃ＝Ｐ_５ｘ−ｈ_ｘ−（Ｐ_４ｘ−ｈ_ｙ） （９）

これより、ベクトルｕ_３は（１０）式のように求められる。

（３）レンズ２３の交点ベクトルＰ_３の導出
一般的に、レンズの焦点距離ｆ、レンズの材質の屈折率ｎ_ｄ、空気の屈折率ｎ、レンズ口径（半径）ｒ_ｄ、レンズの厚さｄとしたとき、レンズの曲率中心Ｃとレンズの曲率半径Ｒは以下のように求められる。

このとき、図４に示す、レンズ２３周りの座標系を参照して、Ｐ_３はレンズ２３の球面上にあり、かつＰ_４を始点するｕ_３上にあるので、以下の式を満足する。ここでＰ_４、ｕ_３、Ｃ_２はベクトルを表している。
（Ｐ_３−Ｃ_２）（Ｐ_３−Ｃ_２）＝Ｒ^２ （１３）
Ｐ_３＝Ｐ_４＋ｔ・ｕ_３ （１４）

（１３）式、（１４）式よりｔを計算すれば、Ｐ_３は次式で求まる。

（４）レンズ２３内の光線ベクトルｕ_２の導出
図４を参照し、屈折の式より、ｕ_２は以下のように求まる。

ここで、ｎ_ｄ、ｎはそれぞれガラスの屈折率と空気の屈折率を表している。Ｃ_２はレンズ２３の曲率中心を表し、ｅ_２は点Ｐ_３における法線ベクトルであり、以下の式で求めることができる。

（５）レンズ２３内の光線ベクトルｕ_２の導出
レンズ２３の交点ベクトルＰ_２は、図５に示す座標系を参照し、（３）と同様に以下の式が成り立つ。
（Ｐ_２−Ｃ_１）（Ｐ_２−Ｃ_１）＝Ｒ^２ （１８）
Ｐ_２＝Ｐ_３＋ｓ・ｕ_２ （１９）
（１８）式、（１９）式よりｓを計算して、Ｐ_２を次式で求める。ここでＣ_１、ｕ_２はベクトルである。

（６）測定対象物６からの反射光７の光線ベクトルｕ_１の導出
測定対象物６からの反射光７の光線ベクトルｕ_１は、（４）の場合と同様に、屈折の式を用いて以下の式で求める。

ここで、ｅ_１は点Ｐ２における法線ベクトルであり、以下の式で求めることができる。

（７）測定対象物６上の光線の反射位置ベクトルＰ_１の導出
図６に示す、測定対象物６における光線照射面５５（＝ベクトルＰ_１点）周辺の座標系により、Ｐ_１について以下の連立方程式が成り立つ。
Ｐ_１＝Ｐ_０＋ｓ・Ｌ （２３）
Ｐ_１＝Ｐ_２＋ｔ・ｕ_１ （２４）

Ｐ_０、Ｌ、Ｐ_２の各成分を以下のようにおいて、ｓとｔを求めれば、Ｐ_１を求めることができる。
Ｐ_０＝（Ｐ_０ｘ、Ｐ_０ｙ、Ｐ_０ｚ） （２５）
Ｌ＝（Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙ、Ｌ_ｚ） （２６）
Ｐ_２＝（Ｐ_２ｘ、Ｐ_２ｙ、Ｐ_２ｚ） （２７）

（本実施の形態の効果）
このように、本実施の形態においては、第１画像センサ２５ａ及び第２画像センサ２５ｂの２つの画像センサの受光位置から、反射光７の入射ベクトル、すなわち入射ベクトルｕ_１が求められる。そして、ｕ_１を基に、測定対象物６上の光線の反射位置ベクトルＰ_１が導出される。

これにより、三角測量原理を用いた光学式３次元形状計測の適用できる形状の制約が除かれ、測定対象物の表面反射特性（乱反射面（無光沢面）か、鏡面などの光沢表面か、等）の制約が除かれ、また光学式３次元形状の算出の際生ずる理論的誤差が除かれ、鏡面などの光沢表面をもつ物体の光学式３次元形状測定が実現可能となるものである。

［第２の実施の形態］
図７に、本発明の第２の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置の構成を示す。図７に示す光学式３次元形状計測装置１１は、光入射ベクトル検出手段１２の構成以外は図１に示す光学式３次元形状計測装置１と共通しているので、共通する構成部材については説明を省略する。

図７に示す光入射ベクトル検出手段１２は、ハーフミラー２４と、レンズ２３であるところの第１レンズ２３ａと、レンズ２３であるところの第２レンズ２３ｂと、画像センサ２５であるところの第１画像センサ２５ａと、画像センサ２５であるところの第２画像センサ２５ｂとから構成される。

ハーフミラー２４は、第１レンズ２３ａの光軸に対して、４５度傾けて配置される。

第１レンズ２３ａは、測定対象物６とハーフミラー２４の中心とを結ぶ軸線上に、該軸線に対して一端面側が垂直となるよう配置される。第２レンズ２３ｂは、測定対象物６とハーフミラー２４の中心とを結ぶ軸線の垂直方向の軸線上であって、ハーフミラー２４が第１レンズ２３ａの光軸に対して傾けられている方向に、該軸線に対して一端面側が垂直となるよう配置される。

このようにして配置された第１レンズ２３ａ、第２レンズ２３ｂは、ハーフミラー２４の中心からの距離が同じとなるよう配置される。

第１画像センサ２５ａは、第１レンズ２３ａの他端面側に、センサ面が第１レンズ２３ａと平行になるよう配置される。第２画像センサ２５ｂは、第２レンズ２３ｂの他端面側に、センサ面が第２レンズ２３ｂと平行になるよう配置される。

このようにして配置された第１画像センサ２５ａ、第２画像センサ２５ｂは、第１画像センサ２５ａと第１レンズ２３ａとの距離と、第２画像センサ２５ｂと第２レンズ２３ｂとの距離が、それぞれ異なった距離となるよう配置される。

光源４から測定対象物６に向けて照射された光線５は、測定対象物６表面の光線照射面５５で反射され、反射光７が光入射ベクトル検出手段１２を構成するハーフミラー２４に入射する。

ハーフミラー２４に入射した反射光７は、ハーフミラー２４で２方向に分割され、一方が第１レンズ２３ａを透過して第１画像センサ２５ａで受光され、他方が第２レンズ２３ｂを透過して第２画像センサ２５ｂで受光される。

（反射光７の軌跡の３次元ベクトル解析）
（１）本実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置１１の座標系
本実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置１１の座標系を図８に示す。図８に示す座標系において、座標原点は第１レンズ２３ａの中心である。パラメータは第１の実施の形態と基本的に同じであるので、異なる点のみ説明する。

ハーフミラー２４、第１レンズ２３ａ、第２レンズ２３ｂ、第１画像センサ２５ａ、第２画像センサ２５ｂの位置関係は以下の通りである。ハーフミラー２４の中心の位置ベクトルをｈ、第１レンズ２３ａと第１画像センサ２５ａ間の距離をｄ_１、第２レンズ２３ｂと第２画像センサ２５ｂとの距離をｄ_２、ハーフミラー２４とレンズ２３ａ、２３ｂとの距離をそれぞれｄ_３とする。また、レンズ２３ａ、２３ｂの２つのレンズの口径（半径）とレンズ厚みはそれぞれｒ_ｄ、ｄである。

（２）画像センサ２５ａ、２５ｂへの入射ベクトルｕ_３の導出
本実施の形態に係る光学式３次元形状測定装置１１が備えるハーフミラー２４周辺の座標系を図９に示す。本実施の形態においては、図９に示すハーフミラー２４、第１レンズ２３ａ、第２レンズ２３ｂ、第１画像センサ２５ａ、第２画像センサ２５ｂの位置関係から、ｕ_３は第１の実施の形態と全く同様に求めることができる。

すなわち、ベクトルｕ_３のｘ成分とｚ成分はそれぞれ、
ｕ_３ｘ＝Ｐ_５ｘ´−Ｐ_４ｘ＝ｄ_１−ｄ_２ （２９）
ｕ_３ｚ＝Ｐ_５ｚ´−Ｐ_４ｚ＝Ｐ_５ｚ−Ｐ_４ｚ （３０）

一方、ｕ_３のｙ成分も第１の実施の形態と同様に以下のようにして求める。
ａ＝ｐ_５ｘ−ｈ_ｘ （３１）
ｂ＝ａ （３２）
ｃ＝Ｐ_４ｘ−ｈ_ｙ （３３）
ｕ_３ｙ＝ｂ−ｃ＝Ｐ_５ｘ−ｈ_ｘ−（Ｐ_４ｘ−ｈ_ｙ） （３４）
となるので、ベクトルｕ_３は第１の実施の形態と同様に（３５）式で求める。

（３）測定対象物６上の光線の反射位置ベクトルＰ_１の導出
第２の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置１１の場合も、測定対象物６上の光線の反射位置ベクトルＰ_１は、第１レンズ２３ａを通った、ベクトルｕ_１と光源４からの方向ベクトルＬとの交点になるので、反射位置ベクトルＰ_１は第１の実施の形態と全く同じ式になる。

このように、本実施の形態においても、第１画像センサ２５ａ及び第２画像センサ２５ｂの２つの画像センサの受光位置から、反射光７の入射ベクトル、すなわち入射ベクトルｕ_１が求められる。そして、ｕ_１を基に、測定対象物６上の光線の反射位置ベクトルＰ_１が導出される。

これにより、三角測量原理を用いた光学式３次元形状計測の適用できる形状の制約が除かれ、測定対象物の表面反射特性（乱反射面か、鏡面などの光沢表面か、等）の制約が除かれ、また光学式３次元形状の算出の際生ずる理論的誤差が除かれ、鏡面などの光沢表面をもつ物体の光学式３次元形状測定が実現可能となる。

［第３の実施の形態］
図１０に、本発明の第３の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置の構成を示す。図１０に示す光学式３次元形状計測装置２１は、光入射ベクトル検出手段２２の構成以外は図１に示す光学式３次元形状計測装置１と共通しているので、共通する構成部材については説明を省略する。

図１０に示す光入射ベクトル検出手段２２は、レンズ２３と、透過センサ２６と、画像センサ２５とから構成される。

本実施の形態における透過センサ２６としては、例えば、非特許文献１に記載の透明イメージセンサ（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ）のように、光を透過しつつ受光位置を検出できるセンサを使用することができる。

レンズ２３は、一端面側が測定対象物６に対向するよう配置される。

測定対象物６とレンズ２３の光軸を結ぶ軸線上のレンズ２３の他端面側に、該軸線に対してセンサ面が垂直となるよう透過センサ２６が配置される。画像センサ２５は軸線上に、該軸線に対して画像センサ２５のセンサ面が垂直となるよう、透過センサと平行に配置される。

光源４から測定対象物６に向けて照射された光線５は、測定対象物６表面の光線照射面５５で反射され、反射光７が光入射ベクトル検出手段２を構成するレンズ２３に入射する。

レンズ２３に入射した反射光７は、レンズ２３を通過後透過センサ２６に入射する。透過センサ２６に入射した反射光７は、透過センサ２６で受光されつつ透過センサ２６を通過し、画像センサ２５で受光される。このとき、例えば透過センサ２６に非特許文献１に記載の透明イメージセンサを用いると、透過センサ２６に入射した反射光７が透過センサ２６で偏光され、透過センサ２６である透明イメージセンサを構成するフォトダイオードによって微量の光電流が検出される。このフォトダイオードによって検出される光電流によって、透過センサ２６が反射光７を受光した位置を検出することができる。

（反射光７の軌跡の３次元ベクトル解析）
（１）本実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置２１の座標系
本実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置２１の座標系を図１１に示す。図１１に示す座標系において、座標原点は第１レンズ２３の中心である。パラメータは第１の実施の形態と基本的に同じであるので、異なる点のみ説明する。

レンズ２３、透過センサ２６、画像センサ２５の位置関係は以下の通りである。レンズ２３と透過センサ２６間の距離をｄ_１、レンズ２３と画像センサ２５との距離をｄ_２とする。また、レンズ２３のレンズの口径とレンズ厚みはそれぞれｒ_ｄ、ｄである。

（２）透過センサ２６、画像センサ２６への入射ベクトルｕ_３の導出
本実施の形態においては、図１１に示すレンズ２３、透過センサ２６、画像センサ２５の位置関係から、ｕ_３は第１の実施の形態と全く同様に求めることができる。

すなわち、ベクトルｕ_３のｘ成分とｚ成分はそれぞれ、
ｕ_３ｘ＝Ｐ_５ｘ−Ｐ_４ｘ＝ｄ_１−ｄ_２ （３７）
ｕ_３ｚ＝Ｐ_５ｚ−Ｐ_４ｚ＝Ｐ_５ｚ−Ｐ_４ｚ （３８）

一方、ｕ_３のｙ成分も第１の実施の形態と同様に以下のようにして求める。
ａ＝ｐ_５ｘ （３９）
ｂ＝ａ （４０）
ｃ＝Ｐ_４ｘ （４１）
ｕ_３ｙ＝ｂ−ｃ＝Ｐ_５ｘ−Ｐ_４ｘ （４２）
となるので、ベクトルｕ_３は第１の実施の形態と同様に（４３）式で求める。

（３）測定対象物６上の光線の反射位置ベクトルＰ_１の導出
第３の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置２１の場合も、測定対象物６上の光線の反射位置ベクトルＰ_１は、レンズ２３を通った、ベクトルｕ_１と光源４からの方向ベクトルＬとの交点になるので、反射位置ベクトルＰ_１は第１の実施の形態と全く同じ式になる。

このように、本実施の形態においても、透過センサ２６及び画像センサ２５の２つの画像センサの受光位置から、反射光７の入射ベクトル、すなわち入射ベクトルｕ_１が求められる。そして、ｕ_１を基に、測定対象物６上の光線の反射位置ベクトルＰ_１が導出される。

これにより、三角測量原理を用いた光学式３次元形状計測の適用できる形状の制約が除かれ、測定対象物の表面反射特性（乱反射面（無光沢面）か、鏡面などの光沢表面か、等）の制約が除かれ、また光学式３次元形状の算出の際生ずる理論的誤差が除かれ、鏡面などの光沢表面をもつ物体の光学式３次元形状測定が実現可能となる。

［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置を図１２に示す。図１２に示す光学式３次元形状計測装置３１は、図１に示す本発明の第１の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置１の構成に光線走査手段を付加したものである。従って、図１に示す光学式３次元形状計測装置１と共通する部材については説明を省略する。

図１２に示す光学式３次元形状計測装置３１は、図１に示す本発明の第１の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置１の構成に、ＰＣ８１と、コントローラ８２と、６軸制御ロボット８３と、回転ステージ８４が付加されて構成される。なお、本実施の形態においては、光学式３次元形状計測装置１の構成において用いられていた演算機３３に代え、キャプチャーボード３４が用いられている。

光源４は、６軸制御ロボット８３のアーム部分に取り付けられる。６軸制御ロボット８３はコントローラ８２を介してＰＣ８１に接続され、ＰＣ８１によって制御される。

レンズ２３、ハーフミラー２４、第１画像センサ２５ａ、第２画像センサ２５ｂから構成される光入射ベクトル検出手段２は、回転ステージ８４の上に配置される。回転ステージ８４はコントローラ８２を介してＰＣ８１に接続され、ＰＣ８１によって制御される。

第１画像センサ２５ａ及び第２画像センサ２５ｂはキャプチャーボード３４に接続され、キャプチャーボード３４はＰＣ８１に接続される。当該構成により、第１画像センサ２５ａ及び第２画像センサ２５ｂで検出された受光情報は、キャプチャーボード３４を介してＰＣ８１に送信され、ＰＣ８１で３次元ベクトル解析が行われる。すなわち、本実施の形態において、キャプチャーボード３４と、ＰＣ８１とが照射面位置算出手段３を構成する。

ＰＣ８１の制御により、コントローラ８２によって、６軸制御ロボット８３は、アーム部分に取り付けられた光源４から照射される光線５が測定対象物６の表面上を走査するよう操作される。同時に、回転ステージ８４は、測定対象物６よりの反射光７がレンズ２３に入射するよう、ＰＣ８１の制御によりコントローラ８２によって回転動作がされる。すなわち、本実施の形態において、ＰＣ８１と、コントローラ８２と、６軸制御ロボット８３と、回転ステージ８４とから、光線走査手段８が構成される。

本実施の形態においては上述の構成により、光源４からの光線５が測定対象物６の表面上で走査され、測定対象物６の３次元形状の計測が可能となる。

［第４の実施の形態の変形例］
本発明の第４の実施の形態の変形例に係る光学式３次元形状計測装置を図１３に示す。図１３に示す光学式３次元形状計測装置４１は、図７に示す本発明の第２の実施の形態に係る光学式３次元形状計測装置１１の構成に光線走査手段８を付加したものである。

光学式３次元形状計測装置４１は、光入射ベクトル検出手段１２が備えられている以外の構成は、図１２に示す光学式３次元形状計測装置３１と同様である。

本実施の形態においても、ＰＣ８１の制御により、コントローラ８２によって、６軸制御ロボット８３は、アーム部分に取り付けられた光源４から照射される光線５が測定対象物６の表面上を走査するよう操作される。同時に、回転ステージ８４は、測定対象物６よりの反射光７がレンズ２３に入射するよう、ＰＣ８１の制御によりコントローラ８２によって回転動作がされる。すなわち、本実施の形態において、ＰＣ８１と、コントローラ８２と、６軸制御ロボット８３と、回転ステージ８４とから、光線走査手段８が構成される。

本実施の形態においては上述の構成により、光源４からの光線５が測定対象物６の表面上で走査され、測定対象物６の３次元形状の計測が可能となるものである。

１，１１，２１，３１，４１…光学式３次元形状計測装置、２，１２，２２，３２…光入射ベクトル検出手段、３…照射面位置算出手段、４…光源、５…光線、６…測定対象物、７…反射光、８…光線走査手段、２３…レンズ、２４…ハーフミラー、２５…画像センサ、２６…透過センサ、３３…演算機、３４…キャプチャーボード、５５…光線照射面、８１…ＰＣ、８２…コントローラ、８３…６軸制御ロボット、８４…回転ステージ。

Claims (7)

1. 光線を測定対象物に照射する光源と、前記光線が前記測定対象物に照射された光線照射面で反射した反射光の入射ベクトルを検出する光入射ベクトル検出手段と、前記光線照射面の３次元位置を算出する照射面位置算出手段と、を備え、
   前記光入射ベクトル検出手段は、少なくとも２つの画像センサを含む光学系から構成され、
   前記２つの画像センサは、前記光線照射面から異なった距離に配置され、
   前記照射面位置算出手段が、前記２つの画像センサの受光位置および前記光学系の幾何学条件から、３次元ベクトル解析により前記反射光のベクトルを算出し、前記光線照射面の３次元位置を算出すること
   を特徴とする光学式３次元形状計測装置。
2. 前記光入射ベクトル検出手段は、前記反射光を集光するレンズと、前記反射光を２方向に分割するハーフミラーと、第１画像センサと第２画像センサの２つの画像センサから構成され、
   前記レンズは、一端面側が前記測定対象物に対向するよう配置され、
   前記ハーフミラーは、前記レンズの他端面側に、中心が前記レンズの光軸と一致するよう前記レンズの光軸に対して傾けられて配置され、
   前記第１画像センサは、前記レンズと前記ハーフミラー中心とを結ぶ軸線上に、該軸線に対してセンサ面が垂直となるよう配置され、
   前記第２画像センサは、前記レンズと前記ハーフミラー中心とを結ぶ軸線の垂直方向の軸線上であって前記ハーフミラーが前記レンズに対して傾けられている方向に、該軸線に対してセンサ面が垂直となるよう配置され、
   前記ハーフミラー中心と前記第１の画像センサとの間の距離と、前記ハーフミラー中心と前記第２画像センサとの間の距離が異なる距離とされること
   を特徴とする請求項１に記載の光学式３次元形状計測装置。
3. 前記光入射ベクトル検出手段は、前記反射光を第１反射光と第２反射光の２方向に分割するハーフミラーと、前記第１反射光を集光する第１レンズと、前記第２反射光を集光する第２レンズと、前記第１反射光を受光する第１画像センサと、前記第２反射光を受光する第２画像センサとから構成され、
   前記ハーフミラーは、前記測定対象物に対して傾けられて配置され、
   前記第１レンズは、前記測定対象物と前記ハーフミラーを結ぶ軸線上に、該軸線に対して一端面側が垂直となるよう配置され、前記第１画像センサは前記第１レンズの他端面側とセンサ面が平行となるよう配置され、
   前記第２レンズは、前記測定対象物と前記ハーフミラー中心とを結ぶ軸線の垂直方向の軸線上であって前記ハーフミラーが前記測定対象物に対して傾けられている方向に、該軸線に対して一端面側が垂直となるよう配置され、前記第１画像センサは前記第１レンズの他端面側とセンサ面が平行となるよう配置され、
   前記ハーフミラー中心と前記第１レンズとの間の距離と、前記ハーフミラー中心と前記第２レンズとの間の距離は同じ距離とされ、
   前記第１レンズと前記第１の画像センサとの間の距離と、前記第２レンズと前記第２画像センサとの間の距離が異なる距離とされること
   を特徴とする請求項１に記載の光学式３次元形状計測装置。
4. 前記光入射ベクトル検出手段は、前記反射光を透過する透過センサと、前記透過センサを透過した透過光を受光する画像センサとから構成され、
   前記透過センサは、センサ面が前記測定対象物に対向するように配置され、
   前記画像センサは、前記透過センサと平行になるよう配置されること
   を特徴とする請求項１に記載の光学式３次元形状計測装置。
5. 前記光源からの光線を前記測定対象物の表面上に走査させる光線走査手段を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学式３次元形状計測装置。
6. 光線を測定対象物に照射する光源と、前記光線が前記測定対象物に照射された光線照射面で反射した反射光の入射ベクトルを検出する光入射ベクトル検出手段と、前記光線照射面の３次元位置を算出する照射面位置算出手段と、を備えた光学式３次元形状計測装置を用いた光学式３次元形状計測方法であって、
   前記光入射ベクトル検出手段は、少なくとも２つの画像センサを含む光学系から構成され、
   前記２つの画像センサは、前記光線照射面から異なった距離に配置され、
   前記照射面位置算出手段が、前記２つの画像センサの受光位置および前記光学系の幾何学条件から、３次元ベクトル解析により前記反射光のベクトルを算出し、前記光線照射面の３次元位置を算出すること
   を特徴とする光学式３次元形状計測方法。
7. 前記光源からの光線を前記測定対象物の表面上を走査することで測定対象物の３次元形状を計測することを特徴とする請求項６に記載の光学式３次元形状計測方法。

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