JP2018146576A - 三次元形状計測装置及び三次元形状計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元形状の計測精度の向上を図る。【解決手段】三次元形状計測装置１は、測定対象物にスリット光を照射するレーザスリット光源１３と、撮像装置１１と、白色ＬＥＤ光源１５と、を有するヘッド部２を備え、白色ＬＥＤ光源１５は、スリット光を照射することにより得られる測定対象物上の光切断線を除く測定対象物上の領域のみを照射し、撮像装置１１は、光切断線と白色ＬＥＤ光源１５の照明光による照射領域とを同時に視野内に含む。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元形状計測装置及び三次元形状計測方法に関する。

水力発電所の水車に用いられる水車羽根は、長期間の運転に伴い局所的に摩耗を生じることがある。そのため、定期的に水車羽根の摩耗度合を計測し、摩耗状況の管理を行っている。
水車羽根の摩耗状況を管理する方法の一つとして、デプスゲージを用いる方法がある。すなわち、デプスゲージを用いて摩耗部の最大深さを計測し、さらに、摩耗部の縦横の長さを計測することで摩耗部の大きさの管理指標としている。摩耗度合をより正確に計測する方法として、例えば摩耗部に樹脂を詰めて摩耗部のレプリカをとり、レプリカの形状から摩耗の状況を評価する方法等も提案されている。

しかしながら、水車羽根の形状によっては水車羽根周囲の空間が狭いことや人が近付ける位置から距離があること等により、観察したい部位まで手が届かず、ゲージによる計測、レプリカ採取、目視確認を行うことができない場合がある。
また、例えば、スリット光のスリット長を拡張し、強い光学パワーのレンズを用いることなくスリット光発生手段から被測定物までの光路長を長くすることで測定装置の小型化を図った三次元測定装置（例えば、特許文献１参照。）、さらに、測定装置下部にローラを設け、測定対象物にローラを当接させた状態で測定を行うことで測定装置と測定対象物との間の距離を一定に保ち測定精度を向上させるようにした、タイヤの溝の深さを測定するトレッド深さ測定装置（例えば、特許文献２参照。）等も提案されている。

特開２００８−１７５６２５号公報 特開２００６−２４２６７４号公報

しかしながら、上記従来の方法にあっては、例えば、特許文献１に記載の小型の三次元測定装置は光切断線の当たっている部位の断面形状を計測するものであるため、摩耗部全体の評価を行うことは困難である。さらにハンディタイプの形状測定装置であるため、手振れ等により、形状測定装置と測定対象物との間の距離を一定に維持することは困難である。そのため、形状測定装置と測定対象物との間の距離情報を安定して得ることができず、その結果、測定対象物の三次元形状を精度良く構築することが困難であるという問題がある。

また、特許文献２に記載の測定装置下部にローラを設けることで、測定装置と測定対象物との間の距離を一定に保つようにした測定装置においては、タイヤの溝が形成された面のように曲率一定の曲面又は平面に測定部位が存在する場合には光切断線投影部と測定対象物との間の距離は略一定となる。しかしながら、水車羽根のように測定面が曲面をなし、測定面の傾きが位置によって異なるような複雑な形状の曲面に測定部位が存在する場合には、測定面に測定装置のローラを当接させたとしても、各ローラが接する箇所における測定面の形状によっては、測定面に対する測定装置の傾きが変化する場合があり、測定装置と測定面との間の距離を一定に保つことが困難である。そのため、曲面上の局所的な測定や曲面上の微小な形状の測定等が困難であり、特に、水車羽根は曲面を含んでいるため、曲面等からなる基準面に対する凹凸変化の測定が困難であり、水車羽根の摩耗状況を高精度に評価することができない。

また、測定対象物の形状そのものを精度良く測定することが困難であるだけでなく、測定装置の測定レンジを外れる可能性もある。
さらに、上記の装置は撮像装置を搭載しているものの外観画像を表示する機能は搭載していない。
本発明は、上記未解決の問題に着目してなされたものであり、測定部位の外観観察を行い、かつ、対象形状に依存せずに局所的な摩耗形状を高精度に測定することの可能な三次元形状計測装置及び三次元形状計測方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様によれば、測定対象物にスリット光を照射するスリット光源と、撮像装置と、照明光源と、を有するヘッド部を備え、照明光源は、スリット光を照射することにより得られる測定対象物上の光切断線を除く測定対象物上の領域のみを照射し、撮像装置は、光切断線と照明光源の照明光による照射領域とを同時に同一の視野内に含む三次元形状計測装置、が提供される。
本発明の他の態様によれば、測定対象物にスリット光を照射するスリット光源と、撮像装置と、照明光源と、を有するヘッド部と、撮像装置による撮像画像を表示する表示装置と、を備え、照明光源は、スリット光を照射することにより得られる測定対象物上の光切断線を含む測定対象物上の領域を照射し、撮像装置は、光切断線を含む照明光源の照明光による照射領域を視野内に含み、照明光源は、スリット光を照射することにより得られる測定対象物上の光切断線を、表示装置に表示された画面上において認識可能な照明光を照射する三次元形状計測装置、が提供される。

本発明の他の態様によれば、測定対象物にスリット光を照射するスリット光源と、撮像装置と、照明光源と、を有するヘッド部と、撮像装置による撮像画像を表示する表示装置と、を備え、照明光源は、スリット光を照射することにより得られる測定対象物上の光切断線を含む測定対象物上の領域を照射し、撮像装置は、光切断線を含む照明光源の照明光による照射領域を視野内に含み、照明光源は、間欠的に照明光を照射する三次元形状計測装置、が提供される。
本発明の他の態様によれば、測定対象物にスリット光を照射するスリット光源及び撮像装置を有するヘッド部と、ヘッド部に固定された脚部と、を備え、脚部は、ヘッド部の走査方向に対して直交する方向に間隔を空けて設けられた一対の脚部であり、ヘッド部はその走査時には、一対の脚部のみを介して測定対象物との間の距離を保った状態で測定対象物上を移動する三次元形状計測装置、が提供される。

本発明の他の態様によれば、三次元形状計測装置を用いた三次元形状計測方法であって、作業者がヘッド部を直接把持するか又は治具を介して間接的に把持した状態で、脚部の先端を測定対象物の表面に当接させ、その当接を維持したまま測定対象物の表面に沿ってヘッド部を走査方向に移動させつつ、撮像装置により測定対象物を撮影し、ヘッド部が走査されることによって得られた撮像装置による撮像画像に含まれる、スリット光を照射することにより得られた測定対象物上の光切断線に基づき測定対象物の三次元形状を演算する三次元形状計測方法、が提供される。

本発明の他の態様によれば、三次元形状計測装置を用いた三次元形状計測方法であって、作業者が前記ヘッド部を直接把持するか又は治具を介して間接的に把持した状態で、前記脚部の先端を測定対象物の表面に当接させ、その当接を維持したまま前記測定対象物の表面に沿って前記ヘッド部を走査方向に移動させつつ、前記撮像装置により前記測定対象物を撮影する三次元形状計測方法、が提供される。

本発明の一態様によれば、三次元形状の計測や表面形状の画像の取得を容易に行うことができ、測定対象物の三次元形状を精度よく構築することができる。

本発明の一実施形態における三次元形状計測装置の一例を示す構成図である。 本発明の一実施形態における三次元形状計測装置の一例を示す構成図である。 本発明の一実施形態における三次元形状計測装置の使用方法を説明するための説明図である。 撮像画像の一例を示す模式図である。 ＬＥＤ照射領域の照射方法を説明するための説明図である。 光切断線とヘッド部の位置情報の合成方法を説明するための説明図である。 計測時の処理手順の一例を示すフローチャートである。 解析時の処理手順の一例を示すフローチャートである。 罫線の表示方法を説明するための撮像画像の模式図の一例である。 本発明における三次元形状計測装置のその他の例を示す説明図である。 本発明における三次元形状計測装置のその他の例を示す説明図である。 本発明における三次元形状計測装置のその他の例を示す説明図である。 本発明における三次元形状計測装置のその他の例を示す説明図である。 撮像画像のその他の例を示す模式図である。 本発明における三次元形状計測装置のその他の例を示す説明図である。 凹凸量演算時の処理手順の一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施形態が実施できることは明らかである。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の一実施形態に係る三次元形状計測装置１の一例を示す概略構成図であって、ヘッド部は、側面視で表している。また、図２は、ヘッド部を正面、つまり、ヘッド部の走査方向から見た図である。
三次元形状計測装置１は、測定対象物の計測を行うヘッド部２と、ヘッド部２で得られたデータを解析する解析処理部３と、を備える。
ヘッド部２は、撮像装置１１と、撮像装置１１用のミラー１２と、レーザスリット光源１３と、レーザスリット光源１３用のミラー１４と、白色ＬＥＤ光源１５と、を備える。さらに、ヘッド部２は、架台５と架台５に一端が固定された一対の脚部６ａ、６ｂを備える。

架台５は略長方形の板状を有する。ここで、架台５の長手方向をＹ軸方向、短手方向をＸ軸方向とし、架台５の上面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面と垂直な方向をＺ軸方向とする。架台５の下面はＸＹ平面と平行な面である。なお、架台５は板状に限るものではなく、ヘッド部２の構成要素を支持することが可能な筐体等であってもよく、その形状は制限されない。

脚部６ａ、６ｂは、架台５の長手方向の一端寄りの位置に設けられ、且つ、短手方向両端に、ＸＹ平面と垂直に固定される。脚部６ａ、６ｂの、架台５とは逆側の端部には車輪７ａ、７ｂが設けられている。
また、脚部６ａ、６ｂは、ＸＹ平面と垂直な方向に固定され、架台５から車輪７ａ、７ｂの下端までの長さが等しく設定されている。なお、脚部６ａ、６ｂは、架台５から車輪７ａ、７ｂの下端までの垂直方向の長さが等しければ、正面から見た場合に、脚部６ａ、６ｂの先端側、つまり下端側が外側に多少広がっていてもよい。

なお、車輪７ａと７ｂとの間隔は次のように設定される。つまり、車輪７ａ、７ｂが、測定対象物の表面の凹凸が形成されている領域上に当接され、例えば車輪７ａは凸部分に当接し、車輪７ｂは平坦部分に当接した場合には、ヘッド部２がＹ軸周りに左右に傾くことになる。そのため、測定対象物とヘッド部２との間の距離を一定に保つことができない可能性があり、三次元形状の計測誤差を生じる可能性がある。したがって、車輪７ａ、７ｂの間隔を、測定対象物の表面に生じると予測される凹凸が形成される領域を跨ぐ間隔に設定することで、計測誤差を抑制することができる。

撮像装置１１及びミラー１２は架台５の上面に固定され、レーザスリット光源１３とミラー１４と白色ＬＥＤ光源１５は架台５の下面に固定される。少なくとも撮像装置１１及びミラー１２は、図３に示すようにカバー１０で覆われている。そして、図３（ａ）に示すようにヘッド部２を直接把持するか、又は図３（ｂ）に示すようにヘッド部２に、ヘッド部２の走査方向後方に延びる棒状の治具２８を取り付け、この治具２８を介してヘッド部２を間接的に把持した状態で、車輪７を測定対象物の表面に当接させたまま測定対象物の表面に沿って移動させることにより計測を行うようになっている。

撮像装置１１は、レンズ１１ａが取り付けられた小型テレビカメラを含む。撮像装置１１は、撮像装置１１の光軸が側面視でＸＹ平面と平行となるように架台５に固定される。撮像装置１１は、ＵＳＢケーブル１１ｂを介して解析処理部３と接続される。
ミラー１２は、架台５の上面にレンズ１１ａと向かい合うように固定され、撮像装置１１の光軸をＸＹ平面に対して垂直方向に折り曲げるように配置される。
レーザスリット光源１３は、ＸＹ平面と平行にレーザスリット光が出力されるように配置される。レーザスリット光源１３は、電源ケーブル１３ａにより解析処理部３に接続され、解析処理部３から電力供給を受ける。

ミラー１４は、レーザスリット光源１３の出力側と向かい合うように固定され、レーザスリット光を車輪７が当接される面側に折り曲げる。
レーザスリット光源１３とミラー１４とは、車輪７を平面に当接させ、ヘッド部２を撮像装置１１の光軸が、車輪７が当接された平面と平行となるように維持した場合に、ミラー１２で折り曲げられた撮像装置１１の光軸と、ミラー１４で折り曲げられたレーザスリット光とが、車輪７ａ、７ｂと平面との接点間を結ぶ直線と重なるように配置される。
このように、レーザスリット光が、撮像装置１１の光軸に対して所定の角度をなして車輪７が当接された平面に投光されるようにすることによって、凹凸のある測定対象物表面に車輪７を当接させたときに光切断線が形成され、測定対象物の表面の凹凸の大きさを視覚化することができ、凹凸の大きさを判読できるようになっている。

白色ＬＥＤ光源１５は、レーザスリット光源１３の近傍に配置され、車輪７を平面に当接させ、撮像装置１１の光軸が車輪７が当接された平面と平行となるように維持した場合に、図４に示すように、白色ＬＥＤ光源１５の照射光のうちミラー１４により折り曲げられた照射光によって照射される平面上の領域（以後、ＬＥＤ照射領域ともいう。）ａ１が、レーザスリット光により照射される平面上の領域、つまり光切断線ａ２とは異なる領域に位置するように配置される。
また、白色ＬＥＤ光源１５は、車輪７を平面上に当接させ、ヘッド部２を、撮像装置１１の光軸が、車輪７が当接された平面と平行となるように維持した状態で、撮像装置１１により車輪７が当接された平面を撮影したときに得られた撮像画像に、ＬＥＤ照射領域ａ１と光切断線ａ２とが含まれる位置に配置される。

さらに、白色ＬＥＤ光源１５の光量は、撮像装置１１による撮像画像に含まれるＬＥＤ照射領域ａ１の明るさが、後述の撮像画像に含まれる光切断線ａ２を抽出し形状変換する画像処理演算及び作業者による形状観測に影響を与えることのない明るさであり、且つ撮像画像に含まれるＬＥＤ照射領域ａ１の明るさが、作業者による測定対象物の形状観測に支障のない明るさに設定される。白色ＬＥＤ光源１５は、白色ＬＥＤ光源１５の照射光のうち、比較的明るい光軸近傍の照射光部分のみをミラー１４が折り曲げ、折り曲げられた照射光が、車輪７を当接させた平面におけるレーザスリット光による照射領域を避けた位置を照射するように配置される。

つまり、図５に示すように、白色ＬＥＤ光源１５の照射光は照射光全体が同一の光量ではなく、照射光の周縁部に近づくほど光量が小さくなり暗くなる。そのため、目的の領域を白色ＬＥＤ光源１５で直接照射すると、目的の領域だけでなくその周辺もぼんやりと明るくなる。そこで、白色ＬＥＤ光源１５の照射光のうちの比較的明るい部分、つまり光軸近傍の照射光のみをミラー１４によって反射させ、比較的暗い周縁部の照射光は反射させない。その結果、ミラー１４で反射された照射光により照射される特定領域のみを局所的に明るくすることができる。そして、特定領域の周囲に対して照射は行われず特定領域よりも暗いため、光切断線ａ２とＬＥＤ照射領域ａ１とを撮像装置１１の視野内に収まるように比較的接近して配置したとしても、白色ＬＥＤ光源１５の照射光が、画像処理演算及び光切断線ａ２の観測に影響を及ぼすことを抑制することができる。光切断線ａ２とＬＥＤ照射領域ａ１とを一つの撮像画像内に表示することにより、車輪７を測定対象物に当接させたときに、一つの撮像画像において、画像処理演算による光切断線ａ２による測定対象物の計測と、ＬＥＤ照射領域ａ１における測定対象物の観察とを同時に行うことができる。

また、車輪７を平面に当接させ、ヘッド部２を、撮像装置１１の光軸が、車輪７が当接された平面と平行となるように維持した場合に、ミラー１２で折り曲げられた撮像装置１１の光軸と、ミラー１４で折り曲げられたレーザスリット光とが、車輪７ａ、７ｂと平面との接点間を結ぶ直線上で重なるように配置される。そのため、撮像装置１１により得られる撮像画像は、図４に示すように、撮像画像の上下方向略中央部に左右に延びる高輝度な光切断線ａ２が位置し、撮像画像の光切断線ａ２の左右の延長線上近傍に車輪７ａ、７ｂが位置し、さらに光切断線ａ２の下方にＬＥＤ照射領域ａ１が配置された画像となる。なお、測定対象物が平坦面である場合には、光切断線ａ２は高輝度な略直線となる。

撮像装置１１及びレーザスリット光の焦点は、車輪７を平面に当接させ、撮像装置１１の光軸が、車輪７が当接された平面と平行となるようにヘッド部２を維持した状態で、車輪７を当接させた平面にピントが合うように調整される。
このようにミラー１４を設けることによって、本来フィルタ等を用いて外乱光が入ることを極力避けるようにする光切断線ａ２と、明るい照明で測定対象物を観察するためのＬＥＤ照射領域ａ１とを、フィルタを用いずに撮像装置１１の視野内に共存させることができる。

ヘッド部２を走査することにより、先に光切断線ａ２のパターンを撮影した部位が、ヘッド部２の移動に伴い、次のタイミングでＬＥＤ照射領域ａ１に移動することになるため、光切断線ａ２のパターンを観察した部位の外観を、次のタイミングでＬＥＤ照射領域ａ１により観察することができる。つまり、計測部位の凹凸形状と外観とを同一視野内で目視確認することができる。

図１及び図２に戻って、車輪７は、磁石等、磁性体を引きつける特性を有する部材からなり、例えば鋼等の磁性体からなる水車羽根等の測定対象物との間で引き合うようになっている。
さらに、一方の脚部６例えば６ａには、ロータリエンコーダ８が取り付けられ、脚部６ａに設けられた車輪７ａと一体に回転するプーリー或いは滑車等の回転部材８ａとロータリエンコーダ８とがタイミングベルト８ｂで連結されている。車輪７の回転角度情報は、タイミングベルト８ｂを介してロータリエンコーダ８に伝達され、ロータリエンコーダ８は、車輪７の回転数に応じたパルス信号を出力する。ロータリエンコーダ８から出力されるパルス信号は、信号ケーブル８ｃを介して解析処理部３に入力される。

解析処理部３は、図１に示すように、タブレット型パーソナルコンピュータ（以下、タブレットＰＣともいう。）２１と、ＵＳＢハブ２２等の接続機器と、カウンターボード等からなるカウンタ部２３と、バッテリ部２４とを備える。
ＵＳＢハブ２２は、ＵＳＢケーブル１１ｂを介して撮像装置１１と接続され、撮像装置１１による撮像情報をタブレットＰＣ２１に出力する。また、ＵＳＢハブ２２は、カウンタ部２３でのカウント数をタブレットＰＣ２１に出力する。

カウンタ部２３は、ロータリエンコーダ８から入力される、車輪７の回転数に応じたパルス信号をカウントする。カウンタ部２３でカウントしたカウント数はＵＳＢハブ２２を経由してタブレットＰＣ２１に出力される。
バッテリ部２４は、タブレットＰＣ２１に電力供給を行うと共に、電源ケーブル１３ａを介してレーザスリット光源１３に電力供給を行う。また、電源ケーブル１５aを介して白色ＬＥＤ光源１５に電力供給を行う。

タブレットＰＣ２１は、入力装置、表示装置、演算処理部、メモリ等の記憶部等を含んで構成され、作業者の入力操作に応じて、三次元形状計測装置１全体を制御する。また、タブレットＰＣ２１は、例えば図４に示すように、撮像装置１１からの撮像情報をもとに撮像画像をタブレットＰＣ２１の表示画面に表示する。つまり、ヘッド部２の移動に伴い、測定対象物上の各位置において撮像装置１１により撮影された測定対象物の撮像画像が順次タブレットＰＣ２１に入力され、タブレットＰＣ２１の表示画面に、各位置における撮像画像が順次表示される。作業者は、表示画面を見ることによって、測定対象物上の各位置における測定対象物の表面の状況を観測することができる。

なお、撮像装置１１に入力される撮像情報はミラー１２で反転されるため、この撮像情報をそのまま用いて撮像画像を表示すると、上下反転した撮像画像が表示されることになる。そのため、タブレットＰＣ２１では、撮像情報に対し上下反転する反転処理を実行し、この反転処理後の撮像情報に基づき撮像画像を表示画面に表示する。これによって、あたかもミラー１２が存在せず、撮像装置１１により測定対象物表面を真上から直接撮影しているような撮像画像を表示することができる。そのため、作業者は違和感なく、測定対象面を直接目視しているかのように観察することができる。

また、タブレットＰＣ２１は、撮像装置１１の撮像情報をカウント数と対応付けて所定の記憶部に順次記憶する。そして、タブレットＰＣ２１は、ヘッド部２の走査終了後、記憶領域に記憶した撮像装置１１の撮像情報とカウンタ部２３によるカウント数とをもとに、撮像情報が、測定対象物上のどの位置にヘッド部２が位置するときに撮影した撮像情報であるかを検出し、これに基づき、測定対象物の三次元形状を解析し、三次元形状画像を表示する。
タブレットＰＣ２１では、例えば、車輪７を平面に当接させ、撮像装置１１の光軸が車輪７が当接された平面と平行となるように維持した状態で、ヘッド部２を平面に沿って走査方向に移動させたときの、ヘッド部２の移動量と、カウンタ部２３におけるカウント数とから、ロータリエンコーダ８から入力されるパルス信号１パルスあたりの移動量を予め検出しておく。そして、タブレットＰＣ２１では、この１パルスあたりの移動量と、計測時のカウント数とを乗算することで、測定対象物上におけるヘッド部２の移動量を演算する。

また、タブレットＰＣ２１では、光切断法を用いて測定対象物の三次元形状を算出する。例えば以下の手順で算出する。
まず、撮像装置１１により撮影された撮像画像毎に、レーザスリット光パターンから光切断線ａ２を抽出し、光切断線ａ２が抽出された部位の各点の直交座標系上の位置を算出する。ここで抽出された光切断線ａ２上の各点の直交座標系上の位置を（ｘ，ｙ，ｚ）とする。この直交座標系は、撮像装置１１により撮影された撮像画像に設定される座標系であって、図４に示すように、撮像画像において、撮像装置１１の光軸の延びる方向であるＹ軸と平行な方向、つまり、撮像画像の上下方向をｙ軸、ｙ軸と直交する方向をｘ軸、つまり撮像画像の左右方向をｘ軸、とし、撮像画像においてｘ軸及びｙ軸と直交する方向をｚ軸としている。

抽出された光切断線ａ２上の各点の直交座標系上の位置を（ｘ，ｙ，ｚ）とすると、図６に示すように、ヘッド部２が、Ｙ軸方向の位置がＹ０の地点にあるタイミングで撮影された光切断線ａ２の画像からは、光切断線ａ２単独で求めたｘｙｚ直交座標系上の各点の座標値（ｘ，ｙ，ｚ）に、ヘッド部２の測定対象物上の位置Ｙ０を加算したデータ（ｘ，Ｙ０＋ｙ，ｚ）が、三次元データとして求まる。同様に、ヘッド部２の位置をＹ軸方向ミラー１２側に移動させｎ番目の位置Ｙｎで計測したときの光切断線ａ２上の各点の位置は（ｘ，Ｙｎ＋ｙ，ｚ）として求まる。したがって、ヘッド部２を移動させながら計測した各光切断線ａ２の画像から光切断線ａ２の位置情報を検出し、ヘッド部２の位置情報を統合し、これを、計測した全撮像画像について合成すれば、計測した全領域における測定対象物の三次元形状を得ることができる。なお、図６は三次元形状の算出方法を説明するため模式的に表した図であるため、光切断線抽出のピッチを粗くしているが、実際には密なピッチでの計測を行っている。

図７及び図８は、タブレットＰＣ２１における画像処理演算の処理手順の一例を示すフローチャートである。
ここで、作業者は、三次元形状を計測する場合には、例えば図３（ａ）に示すようにヘッド部２を把持し、車輪７を測定対象物の表面に当接させ、撮像装置１１の光軸が、測定対象物の表面と平行となるようにヘッド部２を維持した状態で、測定対象物の表面に沿ってヘッド部２をＹ軸方向に移動させる。
図７に示すように、タブレットＰＣ２１は、計測時には、撮像装置１１により予め設定したタイミングで測定対象物を撮影させる。

そして、撮像装置１１から撮像情報を読み込むと共に、カウンタ部２３からカウント数を読み込む（ステップＳ１）。なお、カウンタ部２３では計測開始時にカウント数を零にリセットするようになっている。
そして、撮像情報に基づき撮像画像をタブレットＰＣ２１の表示装置に表示すると共に、ステップＳ１で読み込んだ撮像情報とカウント数とを対応付けて記憶部に格納する（ステップＳ２）。
ステップＳ１及びステップＳ２の処理を繰り返し行い、所定数のデータ読み込みを行ったならば（ステップＳ３）計測を終了する。例えば、予め設定したタブレットＰＣ２１内の記憶部の記憶容量に応じたデータ数のデータ読み込みが行われたとき、或いは、タブレットＰＣ２１において作業者により計測終了を指示する操作が行われたとき等に、計測を終了する。

これにより、撮像装置１１によって撮影された、測定対象物のレーザスリット光源１３及び白色ＬＥＤ光源１５により照射されている領域が、ヘッド部２の移動に伴って順次更新されつつタブレットＰＣ２１の表示装置に表示される。
タブレットＰＣ２１は、このようにして計測した撮像情報を用いて解析を行う場合には、図８に示すように、まず記憶部からカウント数と対応付けられた撮像情報を読み出す（ステップＳ１１）。
撮像情報に基づき撮像画像から光切断線ａ２を抽出し（ステップＳ１２）、光切断線ａ２を、撮像画像におけるｘｙｚ直交座標上の形状データに変換する（ステップＳ１３）。

続いて、カウント数に、予め設定したパルス信号１パルスあたりの移動距離を乗算し、ヘッド部２の位置情報Ｙｎに変換する。このＹｎは、計測開始時点におけるヘッド部２の位置からの移動距離を表す（ステップＳ１４）。
ステップＳ１３で得た撮像画像上のｘｙｚ直交座標系における形状データと、ステップＳ１４で得たヘッド部２の位置とを合成することにより、ヘッド部２がＹ０からＹｎにあるときまでの測定対象物の光切断線ａ２に対応する部位における三次元データを構築する（ステップＳ１５）。

そして、所定の撮像画像全てについて三次元データを生成するまでステップＳ１１からステップＳ１５の処理を繰り返し行い、所定の撮像画像全てについて三次元データを作成したならば（ステップＳ１６）、撮影開始時から撮影終了時までの間に走査した測定対象物の表面上の領域に対応する三次元形状を、例えばタブレットＰＣ２１が有する表示装置に表示する。また、得られた三次元形状に基づき解析を行い、解析結果を表示装置に表示する。そして処理を終了する（ステップＳ１７）。
三次元形状に基づく解析では、例えば、測定対象物の三次元形状から得られる摩耗領域と予測される凹凸等について最大深さや摩耗部位の面積等の算出を行う。

次に、上記実施形態の動作を説明する。
作業者は、図３に示すように、ヘッド部２を直接把持するか又はヘッド部２に棒状の治具２８を取り付け、この治具２８を介してヘッド部２を間接的に把持した状態で、車輪７を測定対象物の表面に当接させ、撮像装置１１の光軸が、測定対象物の表面と平行となるようにヘッド部２を維持した状態で、ヘッド部２を測定対象物の表面に沿って移動させる。
ヘッド部２の移動に伴い、撮像装置１１による撮影が行われ、測定対象物上におけるヘッド部２の現在位置に対応した撮像画像がタブレットＰＣ２１の表示装置に表示される。具体的には、図４に示すように、測定対象物の光切断線ａ２とＬＥＤ照射領域ａ１とが表示される。

作業者は、ヘッド部２を移動させつつタブレットＰＣ２１で撮像画像を観察することにより、光切断線ａ２のパターンから測定対象物の凹凸の発生状況を認識することができ、ＬＥＤ照射領域ａ１の表示画像を観察することによって、測定対象物の凹凸が生じている部位近傍の外観を認識することができる。つまり、光切断線ａ２とＬＥＤ照射領域ａ１とから、測定対象物をあたかも目視しているかのようにその形状を認識することができる。
また、ヘッド部２の移動に伴い、測定対象物の表面の各時点における撮像情報と、カウンタ部２３でのカウント数とが対応付けられてタブレットＰＣ２１の記憶部に記憶される。

計測終了後、作業者が、例えばタブレットＰＣ２１で、解析処理の開始を指示する操作を行うと、記憶部に記憶された撮像情報に対して解析処理が行われ、測定対象物の三次元形状が表示装置に表示され、また、測定対象物に存在する凹凸の最大深さ或いは、凹凸が生じている部位の面積等が表示される。
作業者はこの表示を見ることによって、測定対象物の凹凸の発生状況や凹凸の生じている面積、深さ等を認識することができる。

このように、車輪７を測定対象物の表面に当接させた状態でヘッド部２を測定対象物の表面に沿って移動させることにより、測定対象物の表面の状況が、光切断線ａ２及びＬＥＤ照射領域ａ１の撮像画像として表示装置に表示される。そのため、作業者は実際に測定対象物を目視しなくても、撮像画像を見ることにより、測定対象物の表面の三次元形状を容易に認識することができる。また、光切断線ａ２の取得と、測定対象物の表面の撮像画像の取得とを、個別に行うようにした場合、光切断線ａ２に対応する、測定対象物の表面の撮像画像を得るためには、光切断線ａ２の取得のための走査を行った箇所をもう一度走査する必要があり、走査箇所がずれた場合には、光切断線ａ２に対応した表面の撮像画像を得ることができない。図１に示す三次元形状計測装置１の場合、一度の走査で光切断線ａ２とこの光切断線ａ２に対応する表面の撮像画像を得ることができ、使い勝手を向上させることができると共に、光切断線ａ２に対応する表面の撮像画像を容易に得ることができる。

また、ヘッド部２は、図１に示すように、図１においてＹ軸方向に長い撮像装置１１及びレーザスリット光源１３を、Ｙ軸方向に沿って配置し、ミラー１２及びミラー１４を設けることにより、Ｚ軸方向、つまり高さ方向の光路長を短くしている。そのため、撮像装置１１の光軸及びレーザスリット光源１３の照射方向が測定対象物の表面に対して垂直となるように配置される場合と比較して、ヘッド部２及び脚部６のＺ軸方向の長さをより短くすることができ、その分、ヘッド部２の薄型化及び小型化を図ることができる。

そのため、水力発電所の水車羽根の形状計測を行う場合等、測定対象物の周囲の空間が狭い場所に存在する測定対象物の計測を行う場合等であっても、車輪７ａ、７ｂを測定対象物に接した状態で移動させることができる。そして、作業者は、目視を行うことはできないものの、ヘッド部２の現在位置における測定対象物の状況は撮像画像としてタブレットＰＣ２１に表示されるため、撮像画像を見ながらヘッド部２を移動させることによって、目視ができない部位の凹凸状況等も容易に把握することができる。つまり、目視はできない水車羽根の実際の摩耗状況を把握することができるため、水車羽根の修理のタイミングを的確に判断することができ、結果的に水車羽根の点検と修理の周期を延長することができる。

水力発電所の水車羽根等大型の部材の形状計測を行う場合には、タブレットＰＣ２１とヘッド部２とを携帯し、ヘッド部２を走査しながらタブレットＰＣ２１に表示される撮像画像を参照しながら計測を行えばよい。
また、車輪７を測定対象物の表面に当接させた状態でヘッド部２を測定対象物の表面に沿って移動させるという簡易な操作で計測を行うことができ、また、ヘッド部２と解析処理部３という簡易な構成で安価に実現することができるため、使い勝手を向上させることができ、汎用性の高い三次元形状計測装置を実現することができる。

また、ヘッド部２の走査方向であるＹ軸方向と直交するＸ軸方向に配置された２つの脚部６ａ、６ｂを架台５に固定し、脚部６ａ、６ｂに設けられた車輪７ａ、７ｂを測定対象物の表面に当接させた状態で、撮像装置１１の光軸が測定対象物の表面と平行となるようにヘッド部２を維持するようにしている。ここで、測定対象物が平坦面と曲率の異なる曲面とが組み合わさったような複雑な形状であるとき、ヘッド部２を四輪で支持するようにした場合、各輪が接する部分に形状の異なる凹凸が生じている時等には、架台５を四輪で支持することはできるものの、撮像装置１１の光軸が測定対象物の表面と平行となるようにヘッド部２を保持することが困難となる。そのため、測定対象物とヘッド部２とを一定距離に保つことができず、得られる光切断線ａ２に、測定対象物に生じた凹凸に起因する振動だけでなく、測定対象物の形状そのものに起因する振動も含まれる可能性がある。

これに対し、図１に示すヘッド部２では、２つの車輪７ａ、７ｂを測定対象物の表面に当接させた状態で、撮像装置１１の光軸が測定対象物の表面と平行となるようにヘッド部２を維持するようにしており、測定対象物とヘッド部２との間の距離を、脚部６ａ、６ｂのみを介して保つようにしている。そのため、ヘッド部２を四輪で支持する場合と比較して、測定対象物とヘッド部２との間の距離を、より一定に保つことができ、測定対象物の形状そのものに起因する測定対象物とヘッド部２との間の距離変動を抑制することができる。その結果、撮像装置１１やレーザスリット光の焦点が合った条件下で測定対象物の計測を行うことができるため、測定対象物の表面の微小な凹凸形状等をより精度良く検出することができる。さらに四輪を設ける場合と比較して二輪を設ける方が三次元形状計測装置１の小型化を図ることができる。

また、ミラー１２で直角に折り曲げられた撮像装置１１の光軸と、ミラー１４で折り曲げられたレーザスリット光源１３から出射されたレーザスリット光とが、車輪７ａ、７ｂと車輪７が当接される平面との接点間を結ぶ直線上で重なるようにすることによって、ミラー１４で折り曲げられたレーザスリット光源１３の照射光が、車輪７ａ、７ｂと測定対象物との接点間を結ぶ直線上を照射するようにしている。そのため、撮像装置１１の光軸が測定対象物の表面と平行となるように作業者がヘッド部２を保持している状態で、手振れ等によりヘッド部２がヘッド部２の走査方向前後に傾いたとしても、ヘッド部２の姿勢変化に伴うレーザスリット光の照射位置の変化は、ミラー１４で折り曲げられたレーザスリット光源１３の照射光が、車輪７ａ、７ｂと測定対象物との接点間を結ぶ直線よりもＹ軸方向に離れた位置を照射する場合に比較して小さい。

このため、手振れ等によりヘッド部２の姿勢を一定に保つことができず測定対象物とヘッド部２との間の距離を一定とすることができないことに起因した、光切断線ａ２に生じる誤差を低減することができ、結果的に、三次元形状の計測精度の低下を抑制することができる。
また、ミラー１２で直角に折り曲げられた撮像装置１１の光軸と、ミラー１４で折り曲げられたレーザスリット光とが、車輪７ａ、７ｂと車輪７が当接される平面との接点間を結ぶ直線上で重なるようにすることにより、撮像装置１１が、車輪７と車輪７が当接される平面との接点間を結ぶ直線を中心としてこの接点間を結ぶ直線を含む領域を撮影するようにしている。そのため、撮像画像において、光切断線ａ２が上下方向中央に位置して表示され、撮像画像において上下方向中央が光切断線ａ２の基準となるため、光切断線ａ２の振幅方向を視覚的に容易に認識することができ、その結果、測定対象物が凹状であるのか凸状であるのかを容易に認識することができる。

また、水車羽根の摩耗計測においては、水車羽根全体の曲面形状そのものを計測することを目的としておらず、水車羽根全体の曲面形状のうちの、局所的な摩耗形状を計測することを目的としている。本実施形態では、前述のように、車輪７を測定対象物の表面に当接させ、撮像装置１１の光軸が測定対象物の表面と平行となるようにヘッド部２を維持した状態で測定対象物の表面に沿って移動させることにより、測定対象物とヘッド部２との間の距離が一定となるようにすることができるため、水車羽根全体の曲面形状の変化は検出せずに、局所的な摩耗形状のみを計測することができる。

また、車輪７は磁石等によって構成されているため、測定対象物が鉄や、磁性を持つステンレス等の鋼からなる素材の場合には、車輪７が常に測定対象物に吸着し、車輪７がスリップすることなく回転する。そのため、ロータリエンコーダ８から出力されるパルス信号は、車輪７の回転数を高精度に反映した信号となり、測定対象物上におけるヘッド部２の位置を高精度に検出することができる。
また、車輪７が磁石によって常に測定対象物に吸着しているため、常に車輪７の測定対象物との接点を基準とする測定対象表面の形状計測を行うことができる。

さらに、車輪７が測定対象物に吸着しているため、ヘッド部２の走査方向が車輪７の向きで制約される。そのため、左右方向のスリップを抑制することがないため、ヘッド部２を前後方向に安定して移動させることができ、垂直な面や天井等、水平な面ではない場所であっても計測することができる。
また、車輪７が測定対象物に吸着するため、図３（ｂ）に示すようにヘッド部２に治具２８を取り付けて測定対象物を走査する場合等でも、車輪７を常に測定対象物の表面に当接させた状態で移動させることができ安定した計測を行うことができる。

また、測定対象物上におけるヘッド部２の現在位置を、ロータリエンコーダ８を用いて計測している。そのため、ヘッド部２を作業者が手で移動させたときに、ヘッド部２の移動速度が一定でなくとも、測定対象物上におけるヘッド部２の現在位置を高精度に検出することができる。したがって、このヘッド部２の現在位置に基づき検出される測定対象物の三次元形状をより高精度に構築することができる。
また、本実施形態における三次元形状計測装置１を用いることにより、測定対象物の外観を撮像画像上で観察することができるため、例えば水車羽根等において、従来目視確認することができないような奥まった部位についても、摩耗状況を容易に観察することができる。さらに、光切断線から摩耗の発生を認めた部位について、その外観をＬＥＤ照射領域ａ１において観察することができるため、摩耗部の目視検出と形状計測とを容易に行うことができる。

なお、上記実施形態においては、取得した所定データ数分の撮像画像に基づき測定対象物の三次元形状を演算し、この三次元形状に基づき測定対象物の凹凸の深さ等を検出する場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、図９に示すように、撮像画像に対し、光切断線の変動状況から測定対象物の凹凸量を目視で判断するための罫線Ｌ１を重畳表示するようにしてもよい。
つまり、車輪７を平面に当接させ、撮像装置１１の光軸が、車輪７が当接された平面と平行となるようにヘッド部２を維持した状態で、車輪７が当接された平面を撮影した撮像画像においては、光切断線ａ２は常に車輪７間を通る直線と重なる位置に表示される。そこで、この直線に相当する基準線Ｌ２と、基準線Ｌ２に平行な、所定の凹凸量に相当する複数の罫線Ｌ１とを、重畳表示する。

これによって、得られる光切断線ａ２と罫線Ｌ１との関係から、撮像画像において凹凸量を速やかに認識することができる。例えば、罫線Ｌ１のピッチを測定対象物の凹凸１ｍｍ相当に設定すれば、何ｍｍの凹凸が形成されているのかを撮像画像から容易に認識することができる。
特に、水車羽根の摩耗部位の評価を行う場合、摩耗部位の最大深さで摩耗程度を評価する場合がある。その場合、摩耗部位を含む領域を含むようにヘッド部２を走査させ、撮像画像から、光切断線ａ２の振幅状況を観察して光切断線ａ２の振幅が最大となる位置を見つけることで、三次元形状演算を行うことなく、おおよその最大深さを容易に認識することができる。

さらに、撮像画像には、光切断線ａ２とＬＥＤ照射領域ａ１とが含まれ、ＬＥＤ照射領域ａ１は測定対象物の光切断線ａ２に相当する部分近傍の領域を撮影したものであるから、ＬＥＤ照射領域ａ１を参照することによって、光切断線ａ２に対応する部位近傍の外観形状を観察することができる。すなわち光切断線ａ２により最大深さを判断された部位近傍の外観をＬＥＤ照射領域ａ１で観察することができるため、測定対象物を目視している場合と同様に観察することができる。

また、このとき、ＬＥＤ照射領域ａ１についてのみ局所的に照射するようにしているため、ＬＥＤ照射領域ａ１用の照射と、光切断線ａ２用の照射とを同時に行ったとしても、ＬＥＤ照射領域ａ１の明るさによって光切断線ａ２が見えにくくなる等が生じることはなく、ＬＥＤ照射領域ａ１と光切断線ａ２とを同時に一つ撮像画像に含めることができる。そのため、例えば、ＬＥＤ照射領域ａ１撮影用の撮像装置と光切断線ａ２撮影用の撮像装置とを個別に設ける必要はなく、一つの撮像装置１１によって、ＬＥＤ照射領域ａ１及び光切断線ａ２を共に撮影することができる。つまり、三次元形状計測装置１の構成品の削減を図ることができるため、その分、ヘッド部２の小型化を図ることができる。また、レーザスリット光を折り曲げるためのミラー１４を利用して、白色ＬＥＤ光源１５の照射光も反射させているため、別途白色ＬＥＤ光源１５の照射光を反射させるためのミラーを設ける必要がなく、その分、ヘッド部２の小型化を図ることができる。

また、上記実施形態においては、ミラー１２で折り曲げられた撮像装置１１の光軸と、ミラー１４で折り曲げられたレーザスリット光源１３の照射光とが、車輪７ａ、７ｂと車輪７が当接される平面との接点間を結ぶ直線上で重なるようにすることで、撮像装置１１の撮像画像において、その上下方向中央部に光切断線ａ２が位置するようにしている。したがって、ヘッド部２が測定対象面から傾いても、傾きの支点がタイヤ中心軸となるために、基準高さ（タイヤ接地面）ではヘッド部２の傾きによる光切断線位置のずれは少なく、形状演算による高さ誤差は少ない。
また、ヘッド部２を測定対象物に沿って走査することで、三次元形状を構築することができるため、ヘッド部２によって走査することができれば水車羽根に限らず、自由形状の測定対象物の三次元計測を行うことができる。

＜変形例１＞
上記実施形態においては、ミラー１２で折り曲げられた撮像装置１１の光軸と、ミラー１４で折り曲げられたレーザスリット光源１３の照射光とが、車輪７ａ、７ｂと車輪７が当接する平面との接点間を結ぶ直線上で重なるようにした場合について説明したがこれに限るものではない。車輪７を平面に当接させ、カメラ光軸のラスタ方向とレーザスリット光とが平行になるように調整した状態で、車輪７ａ、７ｂと平面との接点間を結ぶ直線が、車輪７が当接された平面上でＹ軸方向に平行に前後していても構わない。つまり、例えば、図１０（ａ）に示すように、ミラー１２で折り曲げられた撮像装置１１の光軸とミラー１４で折り曲げられたレーザスリット光の中心との位置関係はそのままで、脚部６のみをヘッド部２のミラー１２側の先端部に設けてもよく、逆に、図１０（ｂ）に示すように、脚部６のみをレーザスリット光源１３の近傍に設けてもよい。このように、脚部６を移動させたとしてもヘッド部２が測定対象物の表面に対して平行であれば測定精度は同等であるが、光軸線と脚部位置が異なっているためヘッド部２の傾きが大きくなると、高さの測定誤差が大きくなる。そのため、ヘッド部２は測定対象物の表面に対して平行となるように走査させることが好ましい。

なお、図１０（ａ）、（ｂ）では、三次元形状計測装置１を簡略化しているが、図１に示す三次元形状計測装置１と配置位置は異なるが同一構成を有する。
同様に、ミラー１２で折り曲げられた撮像装置１１の光軸が、車輪７ａ、７ｂと測定対象物との接点間を結ぶ直線よりもＹ軸方向に離れた位置、つまり、車輪７ａ、７ｂと測定対象物との接点間を結ぶ直線を含む予め設定した領域内で測定対象物と交差するようにしてもよい。この場合、撮像画像における光切断線の表示位置が、撮像画像の上下方向にずれるため、撮像画像における光切断線の表示位置を考慮して、撮像装置１１の光軸が撮像対象物と交差する位置、つまり、撮像装置１１の撮像中心を設定すればよい。

＜変形例２＞
上記実施形態においては、磁石等からなる車輪７を用いた場合について説明したが、車輪に限らず、ローラ、ボールキャスター等、走査方向に回転することの可能な回転体であれば適用することができる。ヘッド部２を測定対象物に対して一方向に走査させる観点から、車輪やローラ等、回転方向が一方向に制限される回転体を用いれば、走査時の手振れ等を低減することができる。

また、磁石に限らず、例えば、車輪７の表面に吸盤シート等の吸着性のある部材を配置する等、測定対象物に対して張り付く性質を有する素材で回転体を形成することで、車輪７を測定対象物に張り付いた状態に維持するようにしてもよい。
また、例えば、車輪７を設けずに脚部６を測定対象物の表面に直接当接させるようにしてもよい。車輪７を設けない場合、脚部６の測定対象物との接点が支点となってヘッド部２が傾く。車輪７を設けた場合、車輪７の回転中心が支点となってヘッド部２が傾くため、車輪７を設けない場合の方が、ヘッド部２が傾くことにより生じる光切断線の誤差を低減することができる。

＜変形例３＞
上記実施形態においては、ロータリエンコーダ８により、測定対象物上におけるヘッド部２の現在位置を検出する場合について説明したがこれに限るものではない。例えば、ヘッド部２の移動量を検出する移動量検出部としてリニアエンコーダを用い、測定対象物の表面の一部に固定点を設け、ヘッド部２にリニアエンコーダのセンサ部を設け測定対象物の固定点を基準としてリニアエンコーダのスケール部を設けること、或いは、ヘッド部に距離センサを設け、固定点からの移動距離を距離センサで検出すること等により、固定点からの移動距離を計測するようにしてもよい。車輪７を設けない場合には、このような距離センサによりヘッド部２の位置を検出するようにすればよい。

また、例えば、ヘッド部２の移動量を簡易的に検出するため、撮影画像の取り込みを等時間間隔で行うようにしてもよい。この場合、予めヘッド部２の移動距離を決めておき、決めておいた移動距離の範囲を、ヘッド部２が一定速度で移動するようにすれば、移動量を簡易に検出することができる。

＜変形例４＞
上記実施形態においては、ヘッド部２に２つの脚部６ａ、６ｂのみを固定し、この脚部６ａ、６ｂに設けられた車輪７ａ、７ｂを測定対象物の表面に当接させることにより、測定対象物とヘッド部２との間の距離を一定に保つ場合について説明しているがこれに限るものではない。例えば、測定対象物の表面が比較的なだらかな曲面或いは平面である場合には、脚部６ａ、６ｂとは別に、Ｙ軸方向の位置が脚部６ａ、６ｂとは異なる位置に、脚部６ａ、６ｂと同じ長さの脚部を新たに設け、これら全ての脚部を測定対象物の表面に当接させる。これによって、ヘッド部２を、撮像装置１１の光軸が測定対象物の表面と平行となるように維持するようにしてもよい。この場合、新たに設ける脚部を取り外し可能に構成し、測定対象物の表面が比較的なだらかな曲面或いは平面であるときには、取り外し可能な脚部を取り付けることによって、測定対象物の表面がなだらかな場合用の三次元形状計測装置と、測定対象物の表面が比較的複雑な凹凸形状である場合用の三次元形状計測装置とで、切り替え可能に構成してもよい。

また、Ｙ軸方向の位置が脚部６ａ、６ｂとは異なる位置に、脚部６ａ、６ｂよりも多少長さの短い脚部を新たに設け、測定対象物の計測を行うときには脚部６ａ、６ｂのみを測定対象物の表面に当接させ、計測中に、一時的にヘッド部２の移動を停止する場合等には、脚部６ａ、６ｂと、新たに設けたより短い脚部とを、測定対象物の表面に当接させることによって、計測中ではないときにヘッド部２が自立できるように構成してもよい。

＜変形例５＞
上記実施形態においては、撮像装置１１から常時撮像情報が出力される場合について説明したがこれに限るものではない。例えば、カウンタ部２３から所定の移動距離毎にトリガ信号を発生させて撮像装置１１に出力し、撮像装置１１がトリガ信号を受信するタイミングで撮像情報をタブレットＰＣ２１に送信する。これによって、ヘッド部２が一定距離移動する毎に画像情報をタブレットＰＣ２１に出力する構成としてもよい。

＜変形例６＞
上記実施形態においては、白色ＬＥＤ光源１５を設けることによりＬＥＤ照射領域ａ１の画像も得るようにしているが、必ずしもＬＥＤ照射領域ａ１の画像を取得しなくともよい。例えば、曲面に細工された装飾品等の三次元形状を構築することができればよく、表面の状態は目視することができるような場合には、撮像装置１１によりレーザスリット光による光切断線を収集すれば三次元形状を構築することができる。この場合、必ずしも撮像画像を表示装置に表示しなくともよい。この場合、図９と同様に、光切断線ａ２の変動状況から測定対象物の凹凸量を目視で判断するための罫線を重畳表示するようにすれば、表示画面上において、測定対象物の凹凸の程度を容易に認識することができる。

＜変形例７＞
上記実施形態においては、ヘッド部２を、Ｙ軸方向、つまり、ミラー１２側に走査するようにした場合について説明したが、これに限らず、ミラー１２とは逆側に走査するようにしてもよい。ヘッド部２をミラー１２側及び逆側共に走査する場合には、例えばタブレットＰＣ２１において、走査方向を入力するようにし、設定された走査方向を考慮して三次元形状を構築すればよい。

＜変形例８＞
図１に示すように架台５の上側に配置された撮像装置１１及びミラー１２と、架台５の下側に配置されたレーザスリット光源１３とミラー１４と白色ＬＥＤ光源１５とを備えたヘッド部２において、架台５を挟んで上下を入れ替え、例えば、図１１に示すように、架台５の上側に、レーザスリット光源１３とミラー１４と白色ＬＥＤ光源１５とを配置し、架台５の下側に、撮像装置１１及びミラー１２とを配置してもよい。
また、図１１において、撮像装置１１とレーザスリット光源１３とを入れ替えてもよい。

図１１では、撮像装置１１として、ビデオカメラやＷＥＢカメラ等のＵＳＢカメラを用いている。
図１１に示すように、架台５の下側に撮像装置１１を配置し、架台５の上側にレーザスリット光源１３を配置することによって、レーザスリット光源１３のスリット光による光切断線を、この光切断線よりも内側から撮像するように、レーザスリット光源１３やミラー１４、また、撮像装置１１やミラー１２を配置することができる。つまり、レーザスリット光による光切断線を、ヘッド部２の、走査方向先端により近い位置に配置することができる。

ここで、例えば図１に示すヘッド部２の場合には、形成される光切断線がヘッド部２の走査方向先端よりも内側に形成されるため、例えば、ヘッド部２を突き当たりまで走査させたとしても、ヘッド部２の走査方向先端とレーザスリット光により形成される光切断線との距離相当だけヘッド部２の走査方向先端から内側の位置までしか計測を行うことができない。これに対し、図１１に示すヘッド部２の場合には、ヘッド部２の走査方向の先端により近い位置に光切断線を形成することができる。そのため、計測可能な範囲をより広げることができ、例えば、ヘッド部２を壁に突き当たるまで走査させた場合には、より壁に近い位置まで測定対象物の計測を行うことができる。

＜変形例９＞
上記実施形態においては、ミラー１２及び１４によって、撮像装置１１の光軸やレーザスリット光を折り曲げることによって、これら撮像装置１１の光軸及びレーザスリット光を、車輪７が当接される平面上で重なるようにした場合について説明したがミラー１２及び１４を設けずに構成することも可能である。

例えば図１２に示すように、撮像装置１１としてボードカメラ等のＵＳＢカメラを用い、撮像装置１１のレンズ１１ａを下側に向け、撮像装置１１の光軸がＸＹ平面に対して垂直となるように撮像装置１１を架台５に配置する。また、レーザスリット光源１３を、レーザスリット光が、車輪７が当接される平面上で撮像装置１１の光軸と重なるように傾けて架台５に配置する。さらに、白色ＬＥＤ光源１５を、照射側を下側に向け、照射位置がレーザスリット光の照射位置と重ならないように架台５に配置する。そして、ヘッド部２の撮像装置１１のレンズ１１ａと重なる位置に脚部６を設ける。
これによって、側面からみて、撮像装置１１の光軸とレーザスリット光と脚部６とが、測定対象物の表面で重なり、さらにレーザスリット光の照射位置と重ならない領域が、白色ＬＥＤ光源１５により照射されることになり、この場合も、図１と同等の作用効果を得ることができる。

また、図１２の場合、撮像装置１１のレンズ１１ａは測定対象物の表面を向いているため、得られる撮像画像は作業者が測定対象物を見た場合と同等の画像となる。そのため、ミラー１２を設けた場合等のように、撮像画像の向きを調整する等の処理を行う必要はなく、その分、処理負荷を軽減することができる。
図１２の場合、ミラー１２及び１４を設けなくてすむため、その分、光軸調整を容易に行うことができると共に、部品数の削減を図ることができる。また、ミラー１２、１４に付着する汚れ等を考慮する必要がなく、使い勝手を向上させることができる。

＜変形例１０＞
上記実施形態においては、レーザスリット光により形成される測定対象物の光切断線ａ２とレーザスリット光が照射されている領域とは異なる領域であるＬＥＤ照射領域ａ１とを並べて表示する場合について説明したが、例えば、レーザスリット光の照射領域を含む領域をＬＥＤ光源により照射し、レーザスリット光により形成される光切断線ａ２と、レーザスリット光の照射領域の撮像画像とを重畳表示するようにしてもよい。

つまり、例えば図１３に示すように、図１２に示す三次元形状計測装置において、レーザスリット光源１３に代えて、赤色半導体レーザ等で構成される赤色のレーザ光を照射するレーザスリット光源１６を用い、レーザスリット光源１６を、レーザスリット光が、車輪７が当接される平面上で撮像装置１１の光軸と重なるように傾けて架台５に配置する。さらに、白色ＬＥＤ光源１５に代えて、例えば青色光を発する青色ＬＥＤ光源１７を用いる。青色ＬＥＤ光源１７は、レーザスリット光の照射領域を含む領域を照射するように架台５に配置する。このとき、青色ＬＥＤ光源１７による照射領域をＬＥＤ照射領域ａ１１としたとき、ＬＥＤ照射領域ａ１１を、撮像装置１１の視野内に含むように各装置を配置する。また、撮像装置１１として単板式のカラーカメラを用いる。このように単板式のカラーカメラを用いることによって、３板式のカラーカメラを用いる場合に比較して小型化を図ることができる。

解析処理部３では、図１４に示すように、ＬＥＤ照射領域ａ１１の撮像画像を表示する。なお、この場合には、解析処理部３では、撮像装置１１の撮像情報から、レーザスリット光に対応する赤色画像を抽出し、この赤色画像、すなわち、光切断線ａ２を表す画像をもとに、測定対象物の三次元形状を解析する。
図１４に示すように、レーザスリット光が照射されている領域を含むＬＥＤ照射領域ａ１１を画面表示することによって、作業者は、測定対象物の表面の状況と、この表面上に形成される光切断線ａ２とを画面上で認識することができ、実際に測定対象物上に形成される光切断線ａ２の状況を認識することができるため、直接測定対象物を視認することができない状況であっても、直接視認している場合と同等の画像を画面上で認識することができ、使い勝手を向上させることができる。

また、レーザスリット光の画像を、ＬＥＤ照射領域ａ１１の撮像画像から分離することができるため、例えば、レーザスリット光つまり光切断線ａ２のみを表示するモードと、ＬＥＤ照射領域ａ１１の撮像画像を表示するモードと、を切替可能に構成してもよい。
なお、ここでは、赤色のレーザ光を照射するレーザスリット光源１６と、青色光を発する青色ＬＥＤ光源１７とを用いた場合について説明したが、これに限るものではない。レーザスリット光源１６の発するレーザスリット光の波長と、ＬＥＤ光源が発するＬＥＤ照明光の波長とが異なっていればよく、要は、ＬＥＤ照射領域ａ１１の撮像画像から、光切断線ａ２を抽出することができればどのような組み合わせであってもよく、波長が離れていることが好ましい。例えばレーザスリット光を緑色とし、ＬＥＤ照明光を赤色又は青色としてもよい。

また、測定対象物が金属である場合、金属表面では、光の波長が短い方が反射光が拡散しにくいため、比較的明瞭な撮像画像を得ることができる。そのため、測定対象物の素材に応じて、レーザスリット光の波長とＬＥＤ照射光の波長とを選択するようにしてもよい。
また、レーザスリット光の波長とＬＥＤ照明光の波長とを異なる波長とする場合に限るものではなく、例えば、レーザスリット光の強度と、ＬＥＤ照明光の強度とを異なる強度にすることで、レーザスリット光により形成される光切断線を、ＬＥＤ照明光の撮像画像から抽出するように構成してもよい。

また、レーザスリット光は常時照射するようにし、ＬＥＤ照明光は間欠的に照射することで、レーザスリット光により形成される光切断線をＬＥＤ照明光の撮像画像から抽出するようにしてもよい。例えば、レーザスリット光は常時照射するようにし、ＬＥＤ照明光は例えばフレームを切り替えるタイミングでオンオフすることで、ＬＥＤ照明光がオフとなっているときのＬＥＤ照射領域ａ１１の撮像画像を取得し、この撮像画像をレーザスリット光に相当する画像として、三次元形状の計測を行うように構成してもよい。
なお、ここでは、図１２に示す三次元形状計測装置において、レーザスリット光により形成される光切断線ａ２と、レーザスリット光の照射領域の撮像画像とを重畳表示する場合について説明したが、これに限るものではなく、図１に示す三次元形状計測装置において、レーザスリット光により形成される光切断線ａ２と、レーザスリット光の照射領域の撮像画像とを重畳表示するように構成することも可能である。

＜変形例１１＞
図１４に示すようにレーザスリット光が照射されている領域を含むＬＥＤ照射領域ａ１１を画面表示する場合において、さらに、図９と同様に、撮像画像に対し、光切断線ａ２の変動状況から測定対象物の凹凸量を目視で判断するための罫線を重畳表示するようにしてもよい。
このように、測定対象物の凹凸量を判断するための罫線を重畳表示することによって、正確な凹凸量は検出することはできないものの、測定対象物の実際の表面形状と、この表面形状にレーザスリット光が照射されることで形成される光切断線ａ２と、罫線とが同時に表示されるため、作業者は測定対象物の計測を行うと同時に凹凸量の概算値を容易に認識することができ、より使い勝手を向上させることができる。

また、このように、測定対象物の凹凸量を目視で判断するための罫線を重畳表示する場合、測定対象物の凹凸量の概算値を得ることができるため、例えば、三次元形状の算出までを行う通常の計測モードと、三次元形状の算出は行わずに、計測時に測定対象物の実際の表面形状と、この表面形状にレーザスリット光が照射されることで形成される光切断線ａ２と、罫線とを表示することで、作業者が凹凸量の概算値を視認する簡易的な計測モードと、を切替可能に構成し、作業者が、計測時にいずれかのモードを選択するように構成してもよい。
また、簡易的な計測モードのみを実行する機能のみを備えた三次元形状計測装置を構成してもよい。簡易的な計測モードのみを実行する機能のみを備えた三次元形状計測装置の場合、ロータリエンコーダ８やカウンタ部２３等を設ける必要がないため、三次元形状計測装置の小型化やコスト削減を図ることができる。

＜変形例１２＞
上記実施形態において、タブレットＰＣ２１の記憶部に、カウント数と対応付けられて格納された撮像情報をもとに、図１５に示すように、測定対象物の凹凸量を簡易的に演算し画面表示できるように構成してもよい。
例えば、作業者がタブレットＰＣ２１を操作することによって、例えば再生モードを指示し、図１５に示すように、ＬＥＤ照射領域ａ１１を撮影した撮像情報を順に記憶部から読み出し、撮像情報を表示する。また、図９と同様に、目視での凹凸量の計測を可能とする、複数の罫線Ｌ１と基準線Ｌ２とを重畳表示する。

そして、タブレットＰＣ２１の表示装置をタッチパネルを備えた表示装置で構成しておき、作業者がタブレットＰＣ２１の表示画面を指でタッチすると、その箇所の凹凸量を演算し、画面に表示するように構成する。例えば、作業者がタッチした箇所に矩形の計測マークＭが表示されるようにする。この計測マークＭは、縦長の長方形からなるボックス部と、ボックス部の幅方向中央を通る縦方向基準線とで構成される。解析処理部３では、縦方向基準線とボックス部内で検出された光切断線ａ２との交点位置に対応する、測定対象物上の位置の高さを、基準線Ｌ２の位置を基準として演算し、画面表示する。作業者は、計測マークＭを指でドラッグし、計測マークＭの縦方向基準線を、光切断線ａ２の凹凸量を検出したい位置に合わせることで、光切断線ａ２の位置に対応する測定対象物上の位置の凹凸量を画面表示させることができる。

図１６は、凹凸量演算時におけるタブレットＰＣ２１の演算処理部での処理手順の一例を示すフローチャートである。
タブレットＰＣ２１では、表示画面においてタッチ入力がされたことを検出すると、タッチ位置を検出し（ステップＳ２１）、タッチ位置近傍に計測マークＭを表示する（ステップＳ２２）。そして、作業者が計測マークＭをドラッグすること等により計測マークＭの位置決めが行われ、計測位置が確定したと判断したならば（ステップＳ２３）、ステップＳ２４に移行する。

ステップＳ２４では、縦方向基準線とボックス内で検出された光切断線との交点位置に対応する、測定対象物上の位置の高さを演算する。すなわち、光切断線ａ２上の各点の座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を三次元データ算出時と同様の手順で演算し、この座標値と基準点、すなわち基準線Ｌ２からの距離を求める。
そして、求めた距離を、計測マークＭの近傍に表示する（ステップＳ２５）。これによって、図１５に示すように、計測マークＭで指定される、光切断線ａ２上の点における距離、つまり高さが表示される。

なお、ここでは、光切断線ａ２を含むＬＥＤ照射領域ａ１１を撮影した撮像情報に対して、光切断線ａ２の高さを表示する場合について説明したが、例えば、図１に示す三次元形状計測装置において、光切断線ａ２の高さを表示するように構成してもよい。
また、光切断線ａ２の高さを自動的に演算して表示する場合には、目視での凹凸量の計測に用いられる罫線Ｌ１を必ずしも表示しなくともよい。

＜変形例１３＞
また、上記実施形態において、撮像装置１１として、携帯電話やスマートホン等を適用することも可能である。
ここで、上記実施形態において、レーザスリット光源１３が特許請求の範囲に記載のスリット光源に対応し、白色ＬＥＤ光源１５が照明光源に対応し、ロータリエンコーダ８、カウンタ部２３及びステップＳ１４の処理が位置検出部に対応し、車輪７が回転体に対応し、ロータリエンコーダ８が回転数検出部に対応し、タブレット型パーソナルコンピュータ２１が解析処理部に対応している。

なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画され得る。

１ 三次元形状計測装置
２ ヘッド部
３ 解析処理部
５ 架台
６、６ａ、６ｂ 脚部
７、７ａ、７ｂ 車輪
８ ロータリエンコーダ
１１ 撮像装置
１２ ミラー
１３ レーザスリット光源
１４ ミラー
１５ 白色ＬＥＤ光源
１６ レーザスリット光源
１７ 青色ＬＥＤ光源
２１ タブレット型パーソナルコンピュータ（タブレットＰＣ）

Claims (18)

1. 測定対象物にスリット光を照射するスリット光源と、撮像装置と、照明光源と、を有するヘッド部を備え、
   前記照明光源は、前記スリット光を照射することにより得られる前記測定対象物上の光切断線を除く前記測定対象物上の領域のみを照射し、
   前記撮像装置は、前記光切断線と前記照明光源の照明光による照射領域とを同時に視野内に含むことを特徴とする三次元形状計測装置。
2. 測定対象物にスリット光を照射するスリット光源と、撮像装置と、照明光源と、を有するヘッド部と、
   前記撮像装置による撮像画像を表示する表示装置と、を備え、
   前記照明光源は、前記スリット光を照射することにより得られる前記測定対象物上の光切断線を含む前記測定対象物上の領域を照射し、
   前記撮像装置は、前記光切断線を含む前記照明光源の照明光による照射領域を視野内に含み、
   前記照明光源は、前記スリット光を照射することにより得られる前記測定対象物上の光切断線を、前記表示装置に表示された画面上において認識可能な前記照明光を照射することを特徴とする三次元形状計測装置。
3. 前記照明光源は、波長又は強度が前記スリット光と異なる前記照明光を照射することを特徴とする請求項２に記載の三次元形状計測装置。
4. 測定対象物にスリット光を照射するスリット光源と、撮像装置と、照明光源と、を有するヘッド部と、
   前記撮像装置による撮像画像を表示する表示装置と、を備え、
   前記照明光源は、前記スリット光を照射することにより得られる前記測定対象物上の光切断線を含む前記測定対象物上の領域を照射し、
   前記撮像装置は、前記光切断線を含む前記照明光源の照明光による照射領域を視野内に含み、
   前記照明光源は、間欠的に前記照明光を照射することを特徴とする三次元形状計測装置。
5. 前記ヘッド部には、当該ヘッド部の走査方向に対して直交する方向に間隔を空けた一対の脚部が固定されており、
   前記ヘッド部は、その走査時には、前記一対の脚部のみを介して前記測定対象物との間の距離を保った状態で当該測定対象物上を移動するようになっていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置。
6. 測定対象物にスリット光を照射するスリット光源及び撮像装置を有するヘッド部と、
   当該ヘッド部に固定された脚部と、を備え、
   前記脚部は、前記ヘッド部の走査方向に対して直交する方向に間隔を空けて設けられた一対の脚部であり、前記ヘッド部はその走査時には、前記一対の脚部のみを介して前記測定対象物との間の距離を保った状態で当該測定対象物上を移動することを特徴とする三次元形状計測装置。
7. 前記スリット光源は、前記ヘッド部の走査方向に対して直交する方向に延びる予め設定した領域内を照射し、
   前記撮像装置は、前記スリット光を照射することにより得られる前記測定対象物上の光切断線を視野内に含むことを特徴とする請求項６に記載の三次元形状計測装置。
8. 前記脚部は、前記ヘッド部とは逆側の端部に、前記ヘッド部の走査方向と直交する軸回りに回転する回転体を備えることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置。
9. 前記回転体は前記測定対象物に対して張り付く性質を有することを特徴とする請求項８に記載の三次元形状計測装置。
10. 前記ヘッド部に設けられ前記回転体の回転数を検出する回転数検出部と、
    前記測定対象物上における前記ヘッド部の位置情報を検出する位置検出部と、
    を備え、
    当該位置検出部は、前記回転数検出部の検出値に基づき前記ヘッド部の位置情報を検出することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の三次元形状計測装置。
11. 前記測定対象物に設けられた固定点を基準として前記ヘッド部の移動量を検出する移動量検出部と、
    前記測定対象物上における前記ヘッド部の位置情報を検出する位置検出部と、
    を備え、
    当該位置検出部は、前記移動量検出部の検出量に基づき前記ヘッド部の位置情報を検出することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置。
12. 前記撮像装置による撮像画像を表示する表示装置を備えることを特徴とする請求項１又は請求項６に記載の三次元形状計測装置。
13. 前記表示装置は、前記撮像画像に含まれる光切断線で表される前記測定対象物の凹凸量を表す罫線と、前記光切断線とを重畳表示することを特徴とする請求項２から請求項４及び請求項１２のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置。
14. 前記撮像装置による撮像画像から光切断線を抽出し、当該光切断線と前記位置検出部で検出した位置情報とに基づき前記測定対象物の三次元形状を演算する解析処理部を備えることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の三次元形状計測装置。
15. 前記撮像装置による撮像画像を表示するタッチパネルを備えた表示装置を有し、
    前記解析処理部は、前記撮像画像に含まれる前記光切断線のうち、前記タッチパネルを操作することにより指示された位置における凹凸量を演算し、演算結果を前記表示装置に表示することを特徴とする請求項１４に記載の三次元形状計測装置。
16. 前記測定対象物は、水車やタービン等を含む流体機械の羽根であって、前記三次元形状から前記羽根の摩耗形状を計測することを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の三次元形状計測装置。
17. 請求項５から請求項１０のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置を用いた三次元形状計測方法であって、
    作業者が前記ヘッド部を直接把持するか又は治具を介して間接的に把持した状態で、前記脚部の先端を測定対象物の表面に当接させ、その当接を維持したまま前記測定対象物の表面に沿って前記ヘッド部を走査方向に移動させつつ、前記撮像装置により前記測定対象物を撮影し、
    前記ヘッド部が走査されることによって得られた前記撮像装置による撮像画像に含まれる、前記スリット光を照射することにより得られた前記測定対象物上の光切断線に基づき前記測定対象物の三次元形状を演算することを特徴とする三次元形状計測方法。
18. 請求項５に記載の三次元形状計測装置を用いた三次元形状計測方法であって、
    作業者が前記ヘッド部を直接把持するか又は治具を介して間接的に把持した状態で、前記脚部の先端を測定対象物の表面に当接させ、その当接を維持したまま前記測定対象物の表面に沿って前記ヘッド部を走査方向に移動させつつ、前記撮像装置により前記測定対象物を撮影することを特徴とする三次元形状計測方法。

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