JP2011145180A

JP2011145180A - 三次元計測装置

Info

Publication number: JP2011145180A
Application number: JP2010006370A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Noso; 千典農宗; Kazunari Nakao; 一成中尾
Original assignee: Nidec Tosok Corp
Current assignee: Nidec Tosok Corp
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2011-07-28

Abstract

【課題】被計測物体の表面に微少な面角度の変化があっても、均一な強度の反射光を得ることができる三次元計測装置を提供する。
【解決手段】被計測物体２を境とする一方側にレーザ装置１１を他方側にカメラ１２を設け、カメラ１２に画像処理装置１３を接続する。レーザ装置１１と被計測物体２間にレンチキュラレンズ７１を配設し、レンチキュラレンズ７１を透過したレーザライン光２３を被計測物体２に照射する。レンチキュラレンズ７１を、平板８１とシリンドリカルレンズアレイ８２で構成し、シリンドリカルレンズアレイ８２を、複数のシリンドリカルレンズ部８３，・・・で構成する。各シリンドリカルレンズ部８３，・・・を半円柱状に形成し、その周面を平面部８４と曲面部８５で構成する。平面部８４が平板８１に面接して固定し、各シリンドリカルレンズ部８３，・・・を幅方向に密着して並設する。
【選択図】図２

Description

本発明は、被計測物体を三次元計測する三次元計測装置に関する。

従来、被計測物体を三次元計測する際には、図３に示すような計測装置８０１が用いられていた。

この計測装置８０１は、被計測物体８１１の一方側にレーザ装置８１２が設けられており、該レーザ装置８１２からのレーザライン光８１３を前記被計測物体８１１に照射できるように構成されている。この計測装置８０１では、半導体レーザからの光を凸レンズ８１４やシリンドリカルレンズ８１５等を通過させることによって前記レーザライン光８１３を形成しており、このレーザライン光８１３は、照射される前記被計測物体８１１上で焦点を結ぶように構成されている。

また、前記被計測物体８１１の他方側には、カメラ８２１が設けられており、前記レーザライン光８１３が照射された計測箇所のレーザ輝線８２２を当該カメラ８２１で撮像できるように構成されている。このカメラ８２１で取得した取得画像は、画像処理装置で解析されるように構成されており、取得画像中のレーザ輝線８２２の位置から、いわゆる光切断法によって、その部位の高かさを計測するように構成されている。

しかしながら、このような従来の装置において、被計測物体８１１に届く光は、レーザ位置の一点からの光であり、方向性を有している。このため、前記被計測物体８１１の面がレーザ装置８１２の位置とカメラ８２１のレンズ位置とに正対する場合には、当該カメラ８２１において強い反射光８３１が得られるが、正対しない場合、前記反射光８３１は弱まってしまう。

一方、図４の（ａ）に示すように、一般的に前記被計測物体８１１は、その表面８４１の面角度に微少なバラツキを有しており、前記反射光８３１の反射強度も場所によってバラツキが生じてしまう。

このため、図４の（ｂ）の取得画像８５１に示すように、前記レーザ輝線８２２に基づいて取得される高さ計測値の曲線８５２には、高さ方向８５３のバラツキがノイズ８５４，・・・となって現れてしまう。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、被計測物体の表面に微少な面角度の変化があっても、均一な強度の反射光を得ることができる三次元計測装置を提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するために本発明の三次元計測装置にあっては、レーザライン光を被計測物体に照射するレーザライン光生成手段と、前記被計測物体上に照射された前記レーザライン光を撮像する撮像手段と、該撮像手段で撮像された画像から前記レーザライン光が前記被計測物体上に形成したレーザ輝線を求め、該レーザ輝線の位置から各所での高さを求める画像処理手段と、を有する三次元計測装置において、前記レーザライン生成手段と前記被計測物体との間にレンチキュラレンズを設け、該レンチキュラレンズを透過した前記レーザライン光が前記被計測物体に照射されるように構成するとともに、前記レーザライン光が当該レーザライン光の延在方向に拡散するように前記レンチキュラレンズを配設した。

すなわち、被計測物体を計測する際には、レーザライン光生成手段によってレーザライン光を被計測物体に照射するとともに、前記被計測物体上に照射された前記レーザライン光を撮像手段で撮像する。そして、該撮像手段で撮像された画像から前記レーザライン光が前記被計測物体上に形成したレーザ輝線を求めるとともに、該レーザ輝線の位置から各所での高さを求める。

このとき、前記レーザライン生成手段と前記被計測物体との間には、レンチキュラレンズが設けられており、該レンチキュラレンズを透過した前記レーザライン光が前記被計測物体に照射される。このため、前記被計測物体には、前記レンチキュラレンズを透過した前記レーザライン光が様々な角度で照射される。

また、前記レンチキュラレンズは、透過するレーザライン光を該レーザライン光の延在方向に拡散するように配設されている。

これにより、当該レーザラインのライン幅の広がりが防止される。

以上説明したように本発明の三次元計測装置にあっては、レーザライン光をレンチキュラレンズを介して被計測物体に照射することにより、前記レーザライン光を様々な角度で前記被計測物体に照射することができる。

このため、前記被計測物体表面の面角度に微少なバラツキがあっても、前記レーザライン光が様々な角度で照射されることにより、場所毎に生じ得る反射光の強度のバラツキを抑えることができる。

これにより、前記撮像手段では、均一な強度の反射光を取得することができるので、前記被計測物体上に照射された前記レーザライン光を撮像した画像より、当該画像上での前記レーザ輝線の位置を正確に求めることができ、各所での高さ測定精度の向上に寄与することができる。

また、透過するレーザライン光が延在方向に拡散するように前記レンチキュラレンズを配設することによって、前記被計測物体に照射されるレーザライン光のライン幅の広がりを防止しつつ、均一な強度の反射光を取得することができる。

本発明の第一の実施の形態を示す模式図で、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は側面図である。同実施の形態を示す図で、（ａ）は、要部を拡大した模式図であり、（ｂ）は、モニタ画面を示す図である。従来例を示す模式図で、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。同従来例を示す図で、（ａ）は、要部を拡大した模式図であり、（ｂ）は、モニタ画面を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態を図に従って説明する。

図１は、本実施の形態にかかる三次元計測装置１を示す図であり、該三次元計測装置１は、被計測物体２を三次元計測する装置である。

この三次元計測装置１は、図１の（ｂ）にも示すように、前記被計測物体２を境とする一方側に配置されたレーザライン光生成手段としてのレーザ装置１１と、前記被計測物体２を境とする他方側に配置された撮像手段としてのカメラ１２と、該カメラ１２に接続された画像処理手段としての画像処理装置１３とを備えている。

前記レーザ装置１１は、レーザ光を出力する半導体レーザを備えており、該半導体レーザから出力されたレーザ光は、焦点を結ぶための凸レンズ２１やライン光を形成する為のシリンドリカルレンズやプリズム等の光学体２２を介してライン状のレーザライン光２３を出力するように構成されている。

このレーザ装置１１は、前記レーザライン光２３を前記被計測物体２へ向けて出力するとともに、前記一方側の斜め上方から前記被計測物体２の表面３１に照射するように配置されており、当該レーザライン光２３が前記被計測物体２の前記表面３１で焦点を結ぶように構成されている。

前記カメラ１２は、前記被計測物体２上に照射された前記レーザライン光５１を撮像できるように配設されており、当該カメラ１２のレンズ部４１は、前記被計測物体２で反射した前記レーザライン光２３の反射光４２を入力できるように配置されている。

前記画像処理装置１３は、パソコンなどによって構成されており、前記カメラ１２で撮像した撮像画像を入力して処理するように構成されている。この画像処理装置１３は、予め記憶されたプログラムに従って動作することによって、前記カメラ１２より入力した撮像画像から前記レーザライン光２３が前記被計測物体２上に形成したレーザ輝線５１の位置を求めるように構成されており、この求めた前記レーザ輝線５１の位置から、いわゆる光切断法によって、当該レーザ輝線５１の各位置での高さを演算するように構成されている。

また、この画像処理装置１３は、前記レーザ輝線５１に基づいて演算した各所での高さの計測値を、図２の（ｂ）に示すように、高さ計測曲線６１としてモニター画面６２に表示するとともに、演算した各所での測定値が予め定められた規定値の範囲内にあるか否かを判断するように構成されている。これにより、例えば加工された前記被計測物体２の表面状態が規格内にあるか否かを判断できるように構成されている。

そして、図１に示したように、前記レーザ装置１１と前記被計測物体２との間には、レンチキュラレンズ７１が配設されており、該レンチキュラレンズ７１を透過した前記レーザライン光２３が前記被計測物体２に照射されるように構成されている。

このレンチキュラレンズ７１は、図２の（ａ）に示すように、無色透明の平板８１と、該平板８１の裏面に設けられたシリンドリカルレンズアレイ８２とによって構成されており、該シリンドリカルレンズアレイ８２は、複数のシリンドリカルレンズ部８３，・・・によって構成されている。各シリンドリカルレンズ部８３，・・・は、無色透明の樹脂によって半円柱状に形成されており、各シリンドリカルレンズ部８３，・・・の周面には、平坦に形成された平面部８４と、断面円弧状に形成された曲面部８５とが設けられている。

各シリンドリカルレンズ部８３，・・・は、前記平面部８４が前記平板８１の裏面に面接した状態で固定されており、前記曲面部８５が裏側を向くように配設されている。各シリンドリカルレンズ部８３，・・・は、幅方向に並設されており、各シリンドリカルレンズ部８３，・・・は、密着して配置されている。

このように形成された前記レンチキュラレンズ７１は、前記レーザ装置１１からの前記レーザライン光２３の照射方向に対して垂直に配置されており、前記各シリンドリカルレンズ部８３，・・・の前記曲面部８５が形成する裏面が前記レーザ装置１１に対向するととともに、前記平板８１の一面が構成する表面が前記被計測物体２側を向くように配置されている。

これにより、前記レーザ装置１１からの前記レーザライン光２３が前記各シリンドリカルレンズ部８３，・・・の前記曲面部８５から入力され前記平面部８４より出力される際に、直進するレーザライン光２３が各シリンドリカルレンズ部８３，・・・の幅方向に拡散するように構成されている。

また、前記各シリンドリカルレンズ部８３，・・・の並び方向が前記レーザ装置１１から出力された前記レーザライン光２３の延在方向９１と一致するように当該レンチキュラレンズ７１は配置されており、前記各シリンドリカルレンズ部８３，・・・は、その長さ方向が前記レーザライン光２３の延在方向９１に対して直交するように構成されている。

これにより、前記レーザライン光２３が前記レンチキュラレンズ７１を通過する際に、前記レーザライン光２３が当該レーザライン光２３の前記延在方向９１に拡散するように構成されている。

以上の構成にかかる本実施の形態において、前記被計測物体２の表面３１の状態を計測する際には、レーザ装置１１からのレーザライン光２３を前記被計測物体２に照射するとともに、該被計測物体２の表面３１に照射された前記レーザライン光２３をカメラ１２によって撮像する。

このとき、図２の（ａ）に示すように、前記被計測物体２の表面３１は、鏡面加工が施されていない限り、面角度に微少なバラツキを有する。

この状態において、直線性の強いレーザ光を前記被計測物体２に照射した場合、レーザ光が照射された前記表面３１がレーザ装置１１の位置とカメラ１２のレンズ部４１位置とに正対するときには、当該カメラ１２において強い反射光４２が得られる一方、面角度変化に伴って正対しない場合には、前記反射光４２が弱まってしまう。このため、直線性の強いレーザ光を直接前記被計測物体２に照射した際には、カメラ１２に入力される反射光４２の強さが反射する場所によって変化してしまう。

ここで、本実施の形態の三次元計測装置１では、前記レーザ装置１１と前記被計測物体２との間にレンチキュラレンズ７１が設けられており、該レンチキュラレンズ７１を透過する際に拡散された前記レーザライン光２３を様々な角度で前記被計測物体２に照射することができる。

このため、前記被計測物体２表面３１の面角度に微少なバラツキが存在する場合であっても、前記レーザライン光２３が様々な角度で照射されることにより、前記カメラ１２においては面角度が合致した箇所から強い反射光４２を得ることができ、場所毎に生じ得る反射光４２の強度のバラツキを抑えることができる。

また、前記レンチキュラレンズ７１は、透過するレーザライン光２３を該レーザライン光２３の延在方向９１に拡散するように配設されている。このため、前記被計測物体２に照射されるレーザライン光２３のライン幅の広がりを防止しつつ、均一な強度の反射光４２を取得することが可能となる。

したがって、均一な強度の反射光４２をレーザ輝線５１の全域に渡って取得することができ、前記被計測物体２上に照射された前記レーザライン光２３を撮像した撮像画像より、当該撮像画像上での前記レーザ輝線５１の位置を正確に求めることができる。これにより、各所での高さ測定精度を向上することができる。

また、もともと光源がレーザなので、明るく、焦点深度も深い。このため、黒い被計測物体２の計測や高さ変動がある場合であっても計測が可能となる。

そして、当該カメラ１２で撮像された撮像画像を画像処理装置１３に入力して解析することによって、入力した撮像画像から前記レーザライン光２３が前記被計測物体２の表面３１上に形成したレーザ輝線５１の位置を求めるとともに、該レーザ輝線５１の位置から各所での高さを演算する。これにより、得られた各所での測定値が予め定められた規定値の範囲内にあるか否かを判断することで、例えば前記被計測物体２の表面形状が規格内にあるか否かを判断することができる。

このとき、演算した各所での高さの計測値は、図２の（ｂ）に示すように、高さ計測曲線６１としてモニター画面６２に表示されるが、均一な強度の反射光４２より前記レーザ輝線５１の位置を求めることによって各所での高さを精度良く取得できるため、高さ位置の誤計測に起因して高さ計測曲線６１の高さ方向の現れるノイズを抑制することができる。

１三次元計測装置
２被計測物体
１１レーザ装置
１２カメラ
１３画像処理装置
２３レーザライン光
３１表面
５１レーザ輝線
７１レンチキュラレンズ
９１延在方向

Claims

レーザライン光を被計測物体に照射するレーザライン光生成手段と、
前記被計測物体上に照射された前記レーザライン光を撮像する撮像手段と、
該撮像手段で撮像された画像から前記レーザライン光が前記被計測物体上に形成したレーザ輝線を求め、該レーザ輝線の位置から各所での高さを求める画像処理手段と、
を有する三次元計測装置において、
前記レーザライン生成手段と前記被計測物体との間にレンチキュラレンズを設け、該レンチキュラレンズを透過した前記レーザライン光が前記被計測物体に照射されるように構成するとともに、前記レーザライン光が当該レーザライン光の延在方向に拡散するように前記レンチキュラレンズを配設したことを特徴とする三次元計測装置。