JP2014219404A - 数波長で同時に面の三次元測定を行う装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トポメトリック測定法を用いて、複数の面で構成されている測定対象を、少なくとも２種類の異なる波長あるいは少なくとも２種類の異なる波長領域を有する電磁放射を用いて測定対象全体の測定を行う三次元測定装置を提供する。【解決手段】少なくとも２種類の異なる波長あるいは少なくとも２種類の異なる波長領域を有する電磁放射を行うランプ１２１、１２２により測定面１１０上にパターン１４０を投影する投影システム１２０、および少なくとも２種類の異なる波長あるいは少なくとも２種類の異なる波長領域から少なくとも２種類の異なる各波長において、投影パターン１４０を検出する検出システム１３０により構成される三次元測定装置１００を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、トポメトリック手法を用いる物体の三次元測定装置および測定方法に関する。

トポメトリの原理による光学三角測量センサーを用いた物体表面の三次元測定は良く知られている。たとえば測定対象にさまざまな格子パターンが投影され、それを一台あるいは数台のカメラで観察し、コンピュータでそれを評価する。その評価手法は、例として、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対象に向け、同一あるいはさまざまな幅の平行な光と影の格子パターンが時間的に連続して投影される。さらに、光と影のパターンがランダムな手法も使用される。投影された格子パターンには、測定対象の形状および視線方向によってゆがみが生じる。投影された格子パターンは、カメラによって、投影方向に対して既知の視野角で記録される。各カメラにより、各投影パターンのイメージが記録される。測定の評価については、例を挙げると、光と影の境界線（端部）が関係してくる。ランダムなパターンの場合には、パターンが投影された面に基づいて評価が行われ、位相シフト法においては光の強度分布が評価される。

対象全体を測定すべく、そのパターンは測定対象の全面をスキャンするようにして移動する。その結果、全てのカメラの各像点で異なる輝度値の時間的な連続が生じる。特定の物点の像座標はカメラ画像で確認される。格子の数は、各カメラの像点における画像の連続から測定された輝度値の連続から算出できる。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は非離散座標を確定でき、これを用いればさらに高精度の結果が得られる。変調信号の位相位置は像点ごとの強度を逐次測定することで判定する。変調信号の位相位置は既知の値によって最低２回偏移され、その一方、かかる強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・コードを補完するために、あるいは（複数の波長を用いる）絶対測定ヘテロダイン法として、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。
Bernd Breuckmann著、「Bildverarbeitung und optische Messtechnik in der industriellen Praxis」、1993年Franzis-Verlag GmbH, Munchen発行

但し、ほとんどの場合、技術的に関連する測定対象は、複数の面で構成されている。用いられる測定方法は、同等の特性でその全面を覆う必要がある。波長と測定方法によって、うまく結果が得られる面と得られない面とがある。そのため、結果的に測定対象全体に均質な特性を得ることができず、測定が不確実なものとなってしまう。

従来技術における欠点を考慮に入れ、本願発明は、それら欠点に基づき、それら欠点を解消すべく発案されている。本願発明に記載された方法および図示された装置により、複数の波長を用いることによって様々な面に対する良好な条件を生み出すことができる。

前述の課題は、請求項１の装置および請求項９の方法により解決される。

本願発明による物体の三次元測定装置は、少なくとも２種類の波長あるいは波長領域を有する電磁放射により測定面にパターンを投影する投影システム、および少なくとも２種類の異なる波長或いは少なくとも２種類の異なる波長領域からの少なくとも２種類の異なる個々の波長において投影されたパターンを検出する検出システムにより構成される。適用する波長領域の例としては、紫外線（UV）、可視光、及び/或いは赤外線（IR）が有利である。少なくとも２種類の異なる波長あるいは波長領域を有する光を同時に使用すると、たとえば一方の波長では良い反応が出ない物質を、他方の波長を利用して検出することが可能となる。ここで良い反応とは、仮に、投影により面に与えられた熱パターンが吸収されるとした場合に、その衝突する放射の多くが吸収された後に熱放射として再度放射されることを意味する。反射測定において、この良い反応に対する逆の場合とは、反射測定の場合において、入射波の多くが吸収されることなく拡散的に反射されてしまうことである。さらに、少なくとも２種類の異なる波長あるいは波長領域を使用すると、各波長に対応した投影パターンの同時検出を行う検出システムで検出した放射をうまく分割することができる。必要に応じて、波長あるいは波長域は、２種類、３種類、４種類、５種類、あるいは５種類を超える種類の異なるものを使用しても良い。少なくとも２種類の異なる波長領域を同時使用する場合、その波長領域は重複することの無い、互いに完全に別々の波長領域とすることが好ましい。これにより２種類の異なる波長について完全に別個の面情報を得ることができる。

本発明による装置の実施態様によれば、この検出システムは、少なくとも２種類の異なる波長、あるいは少なくとも２種類の異なる波長領域からの少なくとも２種類の異なる各波長において、投影パターンを同時あるいは逐次検出するように構成しても良い。

本発明による装置をさらに発展させると、投影システムは、少なくとも２種類の異なる波長、あるいは少なくとも２種類の異なる波長域、具体的には異なる放射波長を有する少なくとも２種類のレーザー、の放射を生成する少なくとも２種類の放射源を備えても良い。このようにして、他のものとは独立した個々の波長の放射を生成することができ、各波長の位置を独立して判定することが可能となる。また、たとえば、所定の波長以外を吸収する色フィルターを使用する必要がない。レーザー光源を使用すれば、各波長で高い放射強度を得ることができる。こうした関係で、放射源として有利なのは、レーザー光源であるが、LED、重水素放電ランプ、高圧および超高圧ガス放電ランプといった他の光源も同じく使用することができる。

本装置をさらに別に発展させると、投影システムは、波長結合器、光束誘導光学システム、及び/或いは投影パターンを投影面上で移動させる手段、を備えても良い。波長結合器は、少なくとも２種類の放射源（２種類以上の色を備える）の役割を有する光束を生成することができ、その光束は次に光束誘導光学システムへと送られる。この光束は、次に、例として、投影するパターン（例えば格子パターン）を備えるマスクへ向けられる。投影するパターンを投影面上で移動させる手段は、表面の異なる領域を撫でるように、そのパターンを検出（スキャン）する物体表面の端から端まで移動させる。

さらに別の発展形では、少なくとも２種類の放射源は、それぞれがそれぞれの放射強度を調整する調整素子を備えても良い。この発展形では、たとえば、物体が異なる素材でできている場合に、異なる波長においてその面から後方に散乱した放射波について、可能な限り均一な輝度分布を得るために、各素材条件に対する放射強度の適合が可能である。

また別の発展形では、検出システムは、各波長あるいは波長領域毎に１台あるいは複数台で１グループのカメラを装備し、この１グループのカメラが装備された場合には、特に、測定面について様々な検出方向を設定する。これにより、様々な波長を他とは独立して検出することができ、また各カメラの感度は、それぞれの波長に合わせて最適化することができる。さらに、ある一つの波長に複数台のカメラを使用すれば、複数の三角測量角度による測定面の同時検出が可能となる。

一つの実施態様においては、複数の波長を感知する１台のカメラ、たとえば、放射源として赤、緑、青色のレーザー／ダイオードを使用するRGBカメラ、を使用しても良い。

さらに別の発展形においては、波長あるいは波長領域は、紫外線、可視光、及び/或いは赤外線のスペクトル領域にあり、使用する波長を赤外線領域まで広げることで、たとえば、ガラスを含んだ材料の組み合わせを三角測量法で測定することができる。

さらに別の発展形では、各パターンは、格子パターンで、投影システム内の対応する透明及び不透明域のマスクにより、生成される。これにより、とりわけ測定および評価のし易いパターン形状が構成される。あるいは、このパターンはDLPチップ（デジタル光処理）によって生成しても良い。

またさらに別の発展形にいては、この装置は、さらに、三角測量法により検出システムで検出された投影パターンから波長選択三次元面データを生成し、波長選択データを結合させる評価装置、あるいは、検出システムにより検出された投影パターンからの波長選択データを結合させ、三角測量法により三次元面データを生成する評価装置を備えても良い。採用する選択肢により、波長選択三次元面データが最初に作成され、続いて結合されるか、あるいは、逆に、波長選択データが最初に結合され、続いて三次元面データが作成される。

上記問題は、面の三次元検出を行うための本願発明による方法により、解決される。その方法は次のステップを有している。即ち、少なくとも２種類の異なる波長、あるいは少なくとも２種類の異なる波長領域を有する電磁放射により、測定面にパターンを投影するステップ、および、少なくとも２種類の異なる波長、あるいは少なくとも２種類の異なる波長領域からの少なくとも２種類の異なる個々の波長において投影パターンを同時に検出するステップとから成る。本願発明の装置およびその発展形による利点は、以下に記載する方法およびその発展形に対応して適用される。

本発明による方法をさらに発展させると、次のステップのパターン投影は、少なくとも２種類の異なる波長、あるいは少なくとも２種類の異なる波長領域における放射を生成する少なくとも２種類の放射源、具体的には、異なる放射波長を有する少なくとも２種類のレーザーにより実施されても良い。すでに述べたように、他の放射源も、また、有利に使用することができる。

別のさらなる発展形にあっては、異なる波長を有する放射の結合、放射の誘導、及び/或いは投射パターンの面上の移動という更なるステップが実施される。

別のさらなる発展形によれば、この方法は、少なくとも２種類の放射源の各放射強度を個別に調整できるステップを更に備える。

さらに別の発展形では、各パターンは格子パターンで、投影システム内の対応する透明及び不透明域のマスクにより、生成される。

またさらに別の発展形においては、三角測量法により検出システムで検出された投影パターンから波長選択三次元面データを生成し、波長選択データを結合させる、あるいは、検出システムにより検出された投影パターンからの波長選択データを結合させ、三角測量法により三次元面データの生成を実施する、さらなるステップを備えても良い。

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。 本発明に係る装置に関連して本発明に係る方法を示す。

本願発明に記載された方法および図示された装置により、複数の波長を用いることによって、様々な面に対する良好な条件を得ることができる。本発明は、面測定光学手法を用いる物体表面の三次元検出方法および検出装置に関する。複数の波長による立体照明を同時生成し、三角測量角度で波長を選択的に検出する。

図１は本発明による装置の第一の実施形態を示す。

面110を三次元測定する装置100は、電磁放射により面110上にパターン140を投影する投影システム120を備える。この実施態様において、放射は、例として、２つのランプ121、122により生成される。ランプ121は第一波長領域の放射線を放射し、ランプ122は第二波長領域の放射線を放射する。第一と第二の波長領域は、互いに異なるものである。この波長領域は、全域において互いに重ならないことが好ましい。さらに、少なくとも２種類の異なる波長領域からの２種類の異なる各波長において投影パターン140を同時検出する検出システム130が装備される。

たとえば、第一ランプ121が赤色スペクトル領域を放射し、第二ランプ122が青色スペクトル領域を放射する。このランプは、たとえば、対応する放射波長、各放射波長域を有するLEDから構成しても良い。本実施態様の検出システム130は、たとえば、２種類の異なる波長／波長域を感知するセンサー・チップを搭載したデジタル・カメラにより構成される。たとえば、このセンサー・チップは、ベイヤー式パターンを備え、特に、赤色光と青色光をそれぞれの色フィルター付きピクセルで個別に検出できるいわゆるベイヤー式センサーであっても良い。

図２は面の三次元測定のための本発明に係る装置の第二の実施形態を示す。図１と図２で対応する符号は、同様の部材を示している。ただし符号の１００の位を１から２へと変更している。

図１による第一の実施態様とは異なり、第二の実施態様では、第一波長および第二波長とは異なる第三の波長を持った光を放射する３番目の光源223を備える。この光源は、たとえば、３つの放射波長を備えるレーザーであっても良い。本装置は、さらに、異なる光源からの別個の光を結合してパターン240へと向けさせる光束誘導光学システム250を備える。また、本実施態様では３台のカメラ231、232、233が装備され、それぞれが３つの放射波長のいずれかを感知する。
図３は本発明に係る装置に関連して本発明に係る方法を示す。対応する符号は同様の要素を示している。ただし、符号の１００の位を３に変更している。

放射源321、322、323はそれぞれ異なる波長の放射線を生成する。これら３つの波長は波長結合器360内で結合され、一つの放射光束となる。光束誘導および光束形成光学システムは、この放射光束を投影するためにパターン上へと誘導する（各マスクにはパターンが備わっている）。そこで、３つの異なる波長を持つ投影パターンが生成され、検出する三次元物体の表面へと方向が向けられる。異なる３つの波長の放射パターンは、表面で散乱し、その各波長をそれぞれ感知する検出器331、332、333で検出する。続いて検出したデータに基づいて、三角測量法にしたがって検出システムにより検出された投影パターンから波長選択三次元面データが生成され、波長選択データが結合される。

あるいは、検出器で検出された投影パターンからの波長選択データを最初に結合し、次に三角測量法による三次元面データを生成することもできる。
特に、光束誘導光学システムには、面の端から端まで移動させる手段を備えて良く、完全なスキャンを実施することができる。

以上をまとめると、本システム全体は以下に述べる特徴を備えている。各波長用の検出器は、１台あるいは（２以上の）カメラのグループでも良い。三次元判定は三角測量法により実施される。異なる波長に関してのポイント検出は同時に実施される。そのため、波長の個別検出での不利な点が改善される。システムの校正も同時に実施される。同時スキャンは条件を揃えることができ、そのためデータの融合がシンプルに行える。同時検出は時間を大幅に節約できる。異なる波長において識別が楽になるため、別々の画像の自動マッチング（登録）が非常に簡素化される。パターンが面を端から端まで移動すると、投影面の変化に関してのパターンの検出は、当然、時間的に連続したものとなる。

Claims (15)

1. 面の三次元検出装置であって、少なくとも２種類の異なる波長あるいは少なくとも２種類の異なる波長領域を有する電磁放射により面上にパターンを投影する投影システム、および少なくとも２種類の異なる波長、あるいは少なくとも２種類の異なる波長領域からの少なくとも２種類の異なる各波長において、投影されたパターンを検出する検出システムを備える面の三次元検出装置。
2. 請求項１に係る装置であって、前記投影システムは、少なくとも２種類の異なる波長、あるいは少なくとも２種類の異なる波長領域、具体的には異なる放射波長を有する少なくとも２種類のレーザーの放射を生成する、少なくとも２種類の放射源を備える装置。
3. 請求項１または２に係る装置であって、前記投影システムは、波長結合器、光束誘導光学システム、及び/或いは前記投影されたパターンを前記面上で移動させる手段を備える装置。
4. 請求項２または請求項３に係る装置であって、少なくとも２種類の前記放射源は、それぞれが放射強度を個別に調整する調整素子を備える装置。
5. 前記請求項１乃至４のいずれかに記載された装置であって、前記検出システムには、各波長あるいは波長領域毎に１台あるいは複数台のカメラのグループを装備し、この複数台のカメラのグループが装備された場合には、前記面について様々な検出方向を設定する装置。
6. 前記請求項１乃至５のいずれかに記載された装置であって、前記波長あるいは前記波長領域は、紫外線、可視光、赤外線のいずれかのスペクトル領域にある装置。
7. 前記請求項１乃至６のいずれかに記載された装置であって、前記各パターンは、格子パターンであり、前記投影システム内の対応する透明及び不透明域のマスクにより生成される装置。
8. 前記請求項１乃至７のいずれかに記載された装置であって、三角測量法により前記検出システムで検出された前記投影パターンから波長選択三次元面データを生成し、前記波長選択データを結合させる評価装置、あるいは、前記検出システムにより検出された前記投影パターンからの波長選択データを結合させ、前記三角測量法により三次元面データを生成する評価装置を備える装置。
9. 前記請求項１乃至８のいずれかに記載された装置であって、前記検出システムは、前記少なくとも２種類の異なる波長、あるいは前記少なくとも２種類の異なる波長領域からの少なくとも２種類の異なる各波長において、投影パターンを同時あるいは逐次検出すべく構成された装置。
10. 面の三次元検出方法であり、少なくとも２種類の異なる波長あるいは少なくとも２種類の異なる波長領域有する電磁放射により面上にパターンを投影するステップと、少なくとも２種類の異なる波長、あるいは少なくとも２種類の異なる波長領域から少なくとも２種類の異なる各波長における、投影されたパターンを同時に検出するステップと、を含む検出方法。
11. 請求項１０に係る検出方法であって、前記少なくとも２種類の異なる波長、あるいは少なくとも２種類の異なる波長領域、具体的には異なる放射波長を有する少なくとも２種類のレーザーの放射を生成するための、少なくとも２種類の放射源によりパターンを投影するステップをさらに含む検出方法。
12. 請求項１０または１１に係る検出方法であって、異なる波長を有する前記放射の結合、前記放射の誘導、前記投影パターンの前記面上の移動のステップをさらに含む検出方法。
13. 請求項１０乃至１２のいずれかに記載された検出方法であって、少なくとも２種類の放射源からの前記各放射強度を個別に調整できるステップを含む検出方法。
14. 請求項１０乃至１３のいずれかに記載された検出方法であって、前記各パターンは格子パターンであり、前記投影システム内の対応する透明及び不透明域のマスクにより生成される検出方法。
15. 請求項１０乃至１４のいずれかに記載された検出方法であって、前記三角測量法により前記検出システムで検出された前記投影パターンから波長選択三次元面データを生成し、波長選択データを結合させる、あるいは、前記検出システムにより検出された前記投影パターンからの波長選択データを結合させ、前記三角測量法により三次元面データを生成するステップを含む検出方法。

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