JP2012512400A - 高反射物質あるいは透過性物質の三次元光学測定装置および方法 - Google Patents

Abstract

本願発明は物体の三次元測定のための装置に関し、その装置は移動可能な第一のパターンを物体に投影する第一の赤外線光源を有する第一の投影装置、および赤外線スペクトル領域において物体の画像を記録する少なくとも一つの画像記録装置により構成される。本願発明はさらに物体の三次元測定のための方法に関し、その方法は物体(5)を三次元測定する方法で、第一の赤外線光源(1a)を備える第一の投影装置(1)により第一の赤外線パターンを物体に投影し、赤外線放射を感受する最低一つの画像記録装置(3)でその物体の映像を記録し、そのパターンは映像の記録のたびに移動する、というステップにより構成される。

Description

本発明は、トポメトリック測定法を用いた物体の三次元測定装置および三次元測定方法に関する。

トポメトリの原理による光学三角測量センサを用いた物体表面の三次元位置決め（registration）は良く知られている。これは、例えば、測定されるべき物体にさまざまな格子パターンが照射され、それを一台あるいは数台のカメラで観察し、コンピュータで解析するものである。解析方法は、例えば、位相シフト法、コード化パターン光投影法、ヘテロダイン法である。

プロジェクタから測定物体に向け、同一あるいはさまざまな幅の平行な光を通す部分（light）と光を通さない黒い部分（dark）とから成る格子パターンが投影される。投影された格子パターンには、物体の形状および視線方向によってゆがみが生じる。カメラは、投影された格子パターンを、投影方向に対して決められた角度から記録する。各投影パターンはそれぞれ別のカメラで画像を撮影する。格子の光を通す部分（light）と光を通さない黒い部分（dark）の境界線（端縁）は測定結果の分析に非常に重要である。

このパターンは物体の全面を移動してスキャンし、その対象全体を測定する。その結果、全てのカメラの各像点で異なる輝度レベルの時間的順序が生じる。撮影画像内の像座標は特定の像点から知ることができる。格子の数は、各カメラの像点における画像の連続（image sequence）から測定された輝度レベルの連続（sequence）から算出できる。最も簡単なケースにおいては、この算出は格子の数をプロジェクタ内の離散座標とするバイナリ・コード（例えばグレイ・コード）で行われる。

いわゆる位相シフト法という方法を用いればさらに高精度の結果が得られる。位相シフト法では非離散座標を確定でき、それにより逐点強度測定を用いた変調信号の位相位置が判定できるためである。その結果、信号の位相位置は既知の値によって最低２回シフトされ、その一方輝度の計測は一点で行われる。位相位置は三つあるいはそれ以上の測定値によって算出することができる。位相シフト法はグレイ・コードに加えて、あるいは絶対測定ヘテロダイン法として（複数の波長で）使用することができる。

このようなトポメトリック測定法の原理と実用化については、例えば、非特許文献１に詳述されている。

しかしながら、塗装した車体のように非常に高反射の物体やガラス表面のように可視光線が透過してしまうような物体を測定したい場合、格子を投影する先述の計測システムでは、そのような物体の表面への投影パターンが不可視となるため、トポメトリック法で物体を記録することができない。

高反射面をチェックする方法は特許文献１に記載されており、この方法では凹凸を検出するために反射率測定法または偏向測定法が用いられている。ただしその測定原理から、この装置は高い精度や解像度を要する物体記録には向いていない。この装置では方位分解能が低過ぎるのである。

独国実用新案第２０２１６８５２（U1）号明細書

Bernd Breuckmann著、「Bildverarbeitung und optische Messtechnik in der industriellen Praxis」、1993年Franzis-Verlag GmbH, Munchen発行

格子投影による三次元物体測定で得られる測定結果の精度は、投影光と周辺光とのコントラストに大きく左右される。

従来技術の不都合を考慮すると、本発明の基礎を成す課題は、可視光線を透過するあるいは高い反射率の物体のために、物体上の投影パターンに好適なコントラスト状態をもたらすトポメトリック測定法を用いる三次元光学測定装置を提供することである。

前述の課題は請求項１の装置および請求項１０の方法により解決される。

物体の三次元測定のための発明による本装置は、移動可能な第一のパターンを物体に投影する第一の赤外線光源を有する第一の投影装置、および赤外線スペクトル領域において物体の画像を記録する少なくとも一つの画像記録装置により構成される。

パターンを投影するのに赤外線光を使用することには、測定する物体にその投影するパターンを熱分布として残すという利点がある。つまり、投影装置による赤外線放射に照らされた物体の表面と赤外線放射に照らされなかった表面とでは、温度に差ができる。同様に、この温度差は赤外線波長領域での放射放出強度の違いに表れてくる。特にいわゆる熱放射は、例えば赤外線カメラで捉えることができる。

放射された赤外線パターンの波長領域は、必ずしも物体から放出される波長領域とは一致しないことに注意しなければならない。また、画像記録装置が反応する波長領域についても同様である。

投影されるパターンは、具体的には点状、線状、領域状に形成することができる。

本願発明による本装置の発展形では、移動可能な第二のパターンを物体に投影する第二の赤外線光源を有する第二の投影装置を備えることも可能である。この方法では二つのパターンを組み合わせて使用することができ、それによって特に第二のパターンを異なる方向から異なる角度で投影するよう第二の投影装置を配置することが可能となる。

本願発明による本装置の別の発展形では、第一の投影装置の第一の赤外線光源は第一の放射面を備え、そして/或いは、それによって、第二の投影装置の第二の赤外線光源は第二の放射面を備えることができる。加熱された放射面の高い放射特性と相まって、発生した熱は速やかに且つ効率的に赤外線として放出される。

別の発展形では、それぞれの放射面はそれぞれの抵抗ヒータにより加熱されることになる。この電気的加熱力により、赤外線放射の迅速且つ直接調節が可能となる。

別の発展形では、それぞれの放射面自体で投影されるパターンを定義することができる、あるいはそれぞれのパターンが赤外線光を透過する表面と赤外線光を透過しない表面を有するそれぞれのパターン要素によって定義され、それにより、それぞれのパターン要素は各放射面と物体の間で配置が可能となる。

別の発展形では、各パターンは格子パターンとなる。これには格子同士の接する縁が直線であり、それの物体上での歪みが、画像記録装置により捕捉されるという利点がある。

別の発展形では、この装置は画像記録装置で記録された映像を解析するための分析装置をさらに備えることができる。この分析装置は、例えば、記録した映像のトポメトリック解析に適したプログラムが実行されるコンピュータ・ユニットによって動作可能である。具体的には、物体の対応する表面形状を、例えば直線の歪みから逆算することができる。

別の発展形では、各投影装置には放射面を有するシリンダを備えることができ、それによって、シリンダはその円柱軸を中心に回転可能となる。これには、移動可能なパターン（例えば、放射面の格子パターンあるいはパターン要素）を物体に簡単な方法で投影することができるという利点がある。

別の発展形では、画像記録装置は赤外線放射に対する感度を1μm乃至1mmの波長領域に設定できる。この波長領域は好ましくは3μm乃至50μm、より好ましくは3μm乃至15μm、最も好ましくは3μm乃至5μmあるいは8μm乃至14μmである。具体的には、これによりサーモグラフィに使われる、感度が赤外線の中間領域（3乃至15μm）の赤外線カメラが使用可能となる。スペクトル範囲8μm乃至14μmに対しては、例えばガリウムヒ素検知器やテルル化カドミウム水銀検知器が使用できる。

上記問題は、対象物を三次元測定するための本願発明による方法によりさらに解決される。その方法は次のステップを有している。第一の赤外線光源を備える第一の投影装置により第一の赤外線パターンを物体に投影し、赤外線放射を感受する最低一つの画像記録装置でその物体の映像を記録し、そのパターンは映像の記録のたびに移動する。

本発明による方法の発展形では、次のステップをさらに備えることができる。第二の赤外線光源を備える第二の投影装置により第二の赤外線パターンを物体に投影する。

別の発展形では、各パターンは格子パターンが可能となる。

別の発展形では、各投影装置によって、各パターンはそれぞれ規定の速度で物体の全面を移動する。このようにして物体はスキャンされ、それによって画像記録装置（カメラ）により時間内に移動した映像が形成される。

別の発展形では、各投影装置には各放射面を有するシリンダを備えることができ、それによってシリンダはその円柱軸を中心に回転可能となる。

別の発展形では、最低一台の画像記録装置がその投影装置により作動させられる。このようにして、放射面上に投影されたパターンの組み合わせによる、所定の一連の動きが記録される。

別の発展形では、本方法は以下の更なるステップを含むことができる。画像記録装置により記録された映像を、分析装置内でトポメトリック分析法により解析する。このようにして、物体の三次元表面構造が解析できる。

さまざまな発展形は互いに独立して、あるいは組み合わせて使用することが可能である。

本発明の更なる好適な実施形態を、図面を参照しながら以下に詳述する。

本発明に係る装置の第一の実施形態を示す。 本発明に係る装置の第二の実施形態を示す。

図１は透過性あるいは高い反射率の物体5を三次元光学測定するための本発明に係る装置の第一の実施形態を示し、この三次元光学測定はトポメトリック測定法を用い、コントラストを明確にするために最低一つの高強度赤外線光の投影装置１を備える。

投影装置1の赤外線光源1aは放射面1aを加熱する抵抗ヒータを基にしている。加熱された放射面の高い放射特性と相まって、発生した熱は速やかに且つ効率的に赤外線として放出される。この電気的加熱力により、赤外線放射の迅速且つ直接な調節がさらに可能となる。そのためこの例における放射面は直ちに、投影される格子パターンを形成する。更に、そのパターンを形成したマスクを放射面と物体の間に配置することも可能である

格子パターンは物体5の表面全域を移動する必要があるため、本発明に係る装置は回転することのできる移動可能格子パターンを、例えば、放出面を備えてその円柱軸を中心に回転するシリンダ１の形状で提供する。

パターンを投影された物体5は赤外線カメラ3で記録される。その後カメラからの信号あるいはデータは、トポメトリック分析のためのプログラムが実行される分析装置4（例えばコンピュータ）へと送られる。

物体5の材質および熱伝導率により、投影装置1からの赤外線放射強度は、一方で、画像記録装置（カメラ）3で照射面と非照射面の間の境界線（差異）を記録するに十分な大きさの温度差や、他方で、この境界線が熱拡散のため画像記録中に大幅に弱められない程度に十分小さな温度差というように選択が可能である。これは、熱拡散の時間の長さは温度差と実質的に反比例することによる。適切な赤外線放射強度や時間的に隣接する画像記録どうしの適切な時間の長さを選択することで、物体の照射領域と非照射領域のコントラストを良いレベルで得ることが可能となる。

図２は本願発明に係る装置の第二の実施形態を示す。図１と図２で同一の参照番号は、同一の要素を示している。

第二の実施形態は図１に示す第一の実施形態にはない第二の投影装置2を備え、この投影装置2は同様に円柱形状である。決められた角度で互いに回転する二つの円柱型放射パターンが、物体の表面に投影される。各円柱は決められた速度でそれぞれの円柱軸を中心に回転する。これにより得られる新たな投影パターンの持つ特長により、高解像度を持ったより早い解析が可能となる。例えば、円柱1と2の間の回転速度差および角度差によって物体の表面には独特なパターンが表れ、このパターンを規定の方法で調整することで物体表面の特徴をより良く解析することが可能である。

カメラ3（記録装置）はさらに、起動バリエーションを豊富にして解析する対象の表面にさらに特別なパターンを投影できるよう、投影装置1、2によって作動させられる。

Claims (16)

1. 物体(5)を三次元測定するための装置であって、移動可能な第一のパターンを物体に投影する第一の赤外線光源(1a)を有する第一の投影装置(1)、および赤外線スペクトル領域において物体の画像を記録する少なくとも一つの画像記録装置(3)を備えることを特徴とする装置。
2. 請求項１に係る装置であって、移動可能な第二のパターンを物体に投影する第二の赤外線光源(2a)を有する第二の投影装置(2)を備えることを特徴とする装置。
3. 請求項２に係る装置であって、前記第一の投影装置の前記第一の赤外線光源は第一の放射面を有し、前記第二の投影装置の前記第二の赤外線光源は第二の放射面を有することを特徴とする装置。
4. 請求項３に係る装置であって、前記各放射面は各抵抗ヒータにより加熱されることを特徴とする装置。
5. 請求項３あるいは４に係る装置であって、前記各放射面自体により投影されるパターンが定義される、あるいはそれぞれのパターンが赤外線光を透過する表面と赤外線光を透過しない表面を有するそれぞれのパターン要素によって定義され、それぞれのパターン要素は各放射面と物体の間に配置されることを特徴とする装置。
6. 前記請求項のいずれかに係る装置であって、前記各パターンは格子パターンであることを特徴とする装置。
7. 前記請求項のいずれかに係る装置であって、前記画像記録装置により記録された映像を解析するための分析装置(4)をさらに備えることを特徴とする装置。
8. 請求項３乃至請求項６のいずれかに係る装置であって、前記各投影装置には放出面を有するシリンダを備え、前記シリンダはその円柱軸を中心に回転可能であることを特徴とする装置。
9. 前記請求項のいずれかに記載された装置であって、前記画像記録装置は赤外線放射に対する感度を1μm乃至1mm、好ましくは3μm乃至50μm、より好ましくは3μm乃至15μm、最も好ましくは3μm乃至5μmあるいは8μm乃至14μmの領域の波長に設定されていることを特徴とする装置。
10. 物体(5)を三次元測定する方法であって、第一の赤外線光源(1a)を備える第一の投影装置(1)により第一の赤外線パターンを物体に投影し、次に赤外線放射を感受する最低一つの画像記録装置(3)でその物体の映像を記録し、そのパターンは映像の記録のたびに移動する、というステップを有することを特徴とする方法。
11. 請求項１０に係る方法であって、さらに第二の赤外線光源(2a)を有する第二の投影装置(2)によって第二の赤外線パターンを前記物体へ投影する、というステップを有することを特徴とする方法。
12. 請求項１１に係る方法であって、前記各パターンは格子パターンであることを特徴とする方法。
13. 請求項１１あるいは１２のうちいずれか一つに係る方法であって、前記各投影装置による前記各パターンはそれぞれ規定の速度で物体の全域を移動することを特徴とする方法。
14. 請求項１３に係る方法であって、前記各投影装置には前記各放出面を有するシリンダを備え、前記シリンダはその円柱軸を中心に回転することを特徴とする方法。
15. 請求項１３あるいは１４に係る方法であって、最低一台の画像記録装置がその投影装置により作動させられることを特徴とする方法。
16. 請求項１０乃至１５のいずれかに係る方法であって、前記画像記録装置により記録された映像を分析装置(4)内でトポメトリック分析法により解析する、というステップをさらに有することを特徴とする方法。

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