JP2021510836A - 三次元再構成システムおよび三次元再構成方法 - Google Patents

Abstract

本発明は三次元再構成システムおよび三次元再構成方法を提供する。このシステムは、回転軸（１３）を有する回転可能な回転フレーム（１１）、および回転フレームに設けられたステージ（１２）を含む物体搭載装置（１０）と、ステージ（１２）から離間して設けられ、回転フレーム（１１）が対応する角度に回転するときに、ステージ（１２）上の物体の反射光データを収集し、物体が対応する角度にあるときの単一視点データを取得するためのデータ収集装置（２０）と、データ収集装置（２０）に接続され、単一視点データおよび再構成アルゴリズムに基づいて三次元再構成を実行するためのデータ処理装置（３０）と、を備える。このシステムでは、検出光路を変更せずに物体を回転させることによって測定し、検出光路の回転による検出効率および精度の低下が回避され、回転フレーム（１１）自体の位置決め精度が高いため、高い測定精度を確保でき、頻繁な光路補正が不要となり、再構成速度が向上し、回転フレーム（１１）の回転によりシステム空間が変化しないため、システムの小型化に有利である。

Description

本発明は、三次元イメージング技術分野に属し、特に、三次元再構成システムおよび三次元再構成方法に関する。

三次元再構築（「三次元再構成」とも呼ばれる）とは、データ点群を使用して三次元物体の形状分布を記述し、かつコンピュータで客観的な世界を表現するための仮想現実を作成するキーテクノロジーである。初期の三次元再構築技術は、主に、大型物体（建物、自動車など）の測定に使用されていたが、現代の科学技術および製造プロセスの発展に伴い、三次元再構築技術は、より多くの産業に適用され、例えば、小型物体の精密加工業界では、三次元再構築により、主要なプロセス効果および完成品の品質を監視し、生産コストを削減し、歩留まりを向上させる。この応用背景では、三次元再構築に対して次のような新しい要件、すなわち、第１に、人々が単位時間内にできるだけ多くの物体を検出してほしいため、検出速度を速くすること、第２に、一般的にはオンライン検出で、複雑な三次元再構成アルゴリズムにより、多くの検出を達成することが困難であるため、アルゴリズムの計算量を小さくすること、第３に、加工精度が精密加工の重要なパラメータであり、加工効果の検出にも高精度が求められるため、検出精度を高くすることは、求められる。

既存の三次元再構成技術には、主に接触と非接触の２種類が含まれ、そのうち、接触検出は、主にプローブを用いて物体の表面を走査して三次元形状を収集するものであり、コストが高く、時間がかかり、しかも表面にダメージを与える可能性があるため、サンプリング検出にのみ使用でき、品質監視には適していない、非接触検出は、主に共焦点、レーザー走査、焦点形状の復元、白色光干渉などを含む光学的方法によって達成され、光学的方法は、非破壊、高速や低コストなどの利点があり、製品のオンライン品質監視に有利である。しかしながら、既存の光学的検出方法では、多くの精密加工プロセスの効果を監視するための検出速度の要件を依然として満たすことができず、その応用が制限される。

本発明は、従来の光学的三次元再構成方法の検出速度が遅いという技術的問題を解決するために、三次元再構成システムおよび三次元再構成方法を提供することを目的とする。

上記の技術的問題を解決するために、本発明の実施例によって採用される技術的解決手段は以下のとおりである。

第１態様では、本発明は次のように実現され、三次元再構成システムであって、
回転軸を有する回転可能な回転フレーム、および前記回転フレームに設けられたステージを含む物体搭載装置と、

前記ステージから離間して設けられ、前記回転フレームが対応する角度に回転するときに、前記ステージにある物体の反射光データを収集し、前記物体が対応する角度にあるときの単一視点データを取得するためのデータ収集装置と、

前記データ収集装置に接続され、前記単一視点データおよび再構成アルゴリズムに基づいて三次元再構成を実行するためのデータ処理装置と、を備える。

さらに、前記データ収集装置は、分散型共焦点データ収集装置であり、収集された前記反射光データが反射スペクトルデータである。

さらに、前記三次元再構成システムは、回転軸補正面をさらに備え、前記データ収集装置はさらに、前記回転軸補正面からの反射信号を収集して反射データを取得するために使用され、前記データ処理装置はさらに、前記反射データに基づいて回転軸位置を計算し、かつ前記回転軸位置に基づいて前記再構成アルゴリズムを補正するために使用される。

さらに、前記回転軸補正面は、ステージに設けられる。

さらに、前記回転軸補正面は、拡散反射面である。

さらに、前記回転軸の初期方向は、前記データ収集装置の収集光路に対して垂直である。

さらに、前記物体搭載装置は、水平並進ステージをさらに含み、前記データ収集装置は、直立昇降ステージ、および前記直立昇降ステージに設けられたカメラを含み、

前記回転フレームは、前記水平並進ステージに設けられ、

前記データ収集装置は、前記ステージに対して前記データ収集装置の高さが調整可能となるように、前記直立昇降ステージに設けられ、

前記回転軸の初期方向は、前記水平並進ステージと平行であり、

前記データ収集装置の収集光路は、前記水平並進ステージに対して垂直である。

さらに、前記カメラは、少なくとも広スペクトル光源、分散レンズおよび検出器を含み、前記広スペクトル光源、分散レンズおよび検出器が分散共焦点法に基づいて単一視点データを取得し、前記データ処理装置は、異なる視点からの前記単一視点データおよび異なる視点からの変換行列に基づいて三次元再構成を実行する。

第２態様では、三次元再構成方法は、上記の三次元再構成システムに基づいて実行され、Ｓ１、前記回転フレームの回転により、前記ステージにある物体を回転させるステップと、

Ｓ２、前記データ収集装置により、物体が対応する角度に回転するときの反射光データを収集して単一視点データを取得するステップと、

Ｓ３、前記データ処理装置により、異なる角度の前記単一視点データおよび再構成アルゴリズムに基づいて三次元再構成を実行するステップと、を含む。

さらに、前記ステップＳ２は、具体的には、

分散共焦点法に基づき、広スペクトル光源を用いて前記物体を照射し、前記物体が異なる視点にあるときの単一視点データを収集するステップである。

さらに、前記分散共焦点法は、

広スペクトル光源により、広スペクトルビームを放射し、かつ線形検出光を形成するステップと、

分散レンズにより、前記検出光を前記物体の表面に投射するステップと、

前記物体を並進させて物体の表面への走査を完了するステップと、

検出器により、前記物体によって反射された前記検出光の反射光データを収集し、前記反射光データを処理して前記単一視点データを取得するステップと、を少なくとも含む。

さらに、前記ステップＳ３は、具体的には、前記データ処理装置により、異なる視点からの単一視点データを予め設定された対応する視点の変換行列に適用し、三次元データ点群のスティッチングを実行し、三次元再構成画像を取得するステップである。

さらに、前記ステップＳ１の前に、さらに、

前記回転フレームの回転軸位置を測定し、前記回転軸位置の測定データに基づいて前記再構成アルゴリズムを補正するステップＳ０を含む。

さらに、前記ステップＳ０は、

前記ステージに回転軸補正面を設けることと、

前記回転フレームにある回転軸補正面を現在の位置に基づいて第１角度および第２角度で順次回転させ、システムの初期座標系における前記回転軸補正面の回転しないときの初期位置データ、第１角度にある時の第１角度データ、および第２角度にある時の第２角度データを取得することと、

前記第１角度データ、第２角度データおよび初期位置データに基づき、回転軸位置を計算することと、

前記回転軸位置を補正前の再構成アルゴリズムに組み込み、補正後の再構成アルゴリズムを形成することと、を含む。

さらに、前記第１角度データ、第２角度データおよび初期位置データに基づき、回転軸位置を計算するステップは、具体的には、

前記初期位置データに対応する初期平面と、第１角度データに対応する第１平面との間の第１角度の二等分面を計算し、前記初期平面と第２角度データに対応する第２平面との間の第２角度の二等分面を計算し、第１角度の二等分面と第２角度の二等分面との交差線を回転軸位置として確定するステップである。

さらに、ステップＳ０では、前記第１角度および第２角度は、同じ大きさおよび反対方向を有する。

さらに、前記回転軸補正面は、拡散反射面である。

さらに、前記第１角度および第２角度はいずれも１５°よりも大きく、前記ステップＳ０は、前記回転軸のずれ量が予め設定されたずれ量以上である場合に行われる。第２態様では、上記の２１を含む２２を提供する。

本発明の実施例によって提供される三次元再構成システムおよび三次元再構成方法は、三次元再構成システムでは、回転フレームを用いて物体を搭載し、データ収集装置を用いて物体の反射光データを収集し、異なる視点での物体の単一視点データを測定するときに、回転フレームにより物体を回転させるが、データ収集装置が回転せず、複数の単一視点データを取得し、かつ単一視点データおよび回転角度に基づいて三次元データ点群のスティッチングを行って三次元再構成を実現するという技術的効果を奏する。回転フレーム自体の位置決め精度が高く、回転中に光路がずれにくいため、高い測定精度を確保でき、さらに、頻繁な光路補正が不要となるため、三次元再構成速度と物体検出効率が向上し、さらに、回転フレームの回転によりシステム空間が変化しないため、再構成システムの小型化に有利である。これに対して、収集光路を移動させて検出視点を変更する従来のシステムでは、光路のずれが生じやすく、その結果、測定精度が低くなり、光路補正を複数回行うため、製品検出効率が低下し、かつ検出視点を変更するための面積が大きいため、再構成システムの小型化に寄与しない。

本発明の実施例における技術的解決手段をより明確に説明するために、以下、実施例または従来技術の説明で使用される図面を簡単に紹介し、当然のことながら、以下の説明における図面は、本発明のいくつかの実施例に過ぎず、当業者であれば、創造的労働を要することなく、これらの図面に基づく他の図面を得ることができる。

本発明の実施例によって提供される三次元再構成システムの構造を示す概略図である。 本発明の実施例によって提供される三次元再構成システムの物体搭載装置の構造を示す１つの概略図である。 本発明の実施例によって提供される三次元再構成システムの回転軸測定の原理図である。 本発明の実施例によって提供される三次元再構成システムの物体搭載装置の構造を示すもう１つの概略図である。 本発明の実施例によって提供される三次元再構成方法のフローチャートである。 本発明の実施例によって提供される三次元再構成方法の回転軸測定のフローチャートである。

本発明の目的、技術的解決手段および利点をより明らかにするために、以下、図面および実施例を組み合わせて本発明をより詳細に説明する。ここで説明される具体的な実施例は、本発明を解釈するためのものに過ぎず、本発明を限定するためのものではないことを理解すべきである。
説明すべきこととして、ある部材が別の部材に「固定」または「設定」されると言われている場合、それは別の部材に直接または間接的に位置され得る。ある部材が別の部材に「接続」されると言われている場合、それは別の部材に直接または間接的に接続され得る。「上」、「下」、「左」、「右」などの用語で示される方位または位置関係は、図面に基づいて示される方位または位置関係であり、説明を容易にするためのものに過ぎず、言及された装置または素子が特定の方位を有し、特定の方位で構築および操作されなければならないことを指示または示唆することを意図しないので、本特許を限定するものと理解されるべきではない。「第１」、「第２」という用語は、目的の説明を容易にするためのものに過ぎず、相対的な重要度を指示や示唆するもの、または技術的特徴の数を暗黙的に示すものとして理解できない。特に限定されていない限り、「複数」は２つ以上を意味する。

本発明に記載された技術的解決手段を説明するために、以下、具体的な図面および実施例を組み合わせて詳細に説明する。

図１および図２を参照すると、本発明の実施例による三次元再構成システムは、少なくとも物体搭載装置１０、データ収集装置２０およびデータ処理装置３０を備え、そのうち、物体搭載装置１０が回転軸１３を有する回転可能な回転フレーム１１、および回転フレーム１１に設けられたステージ１２を含み、具体的には、当該回転軸１３が少なくとも水平回転軸（すなわち、Ｘ回転軸またはＹ回転軸）を含み、さらに直立回転軸（すなわち、Ｚ回転軸）を含み得る。データ収集装置２０は、ステージ１２から離間して設けられ、かつ回転フレーム１１の回転時に回転しないが、回転フレーム１１に対して並進または上下移動可能であり、回転フレーム１１が対応する角度に回転するときに、ステージ１２上の物体１８からの反射光データを収集し、物体１８が対応する角度にあるときの単一視点データを取得するために使用され、データ処理装置３０は、データ収集装置２０に接続され、単一視点データおよび再構成アルゴリズムに基づいて三次元再構成を実行するために使用される。

具体的には、物体搭載装置１０の回転フレーム１１は、その回転軸１３に基づいて回転することができ、データ収集装置２０のカメラ２１は、物体の表面全体からの反射光データを収集できるように、ステージ１２から一定の距離だけ離間され、カメラ２１の収集光路は、回転軸１３の初期方向に対して垂直であることが好ましい。回転軸１３により物体を回転させ、物体が対応する角度に回転するときに、データ収集装置２０は、対応する角度での単一視点データを収集し、これらの複数の単一視点データをデータ処理装置３０に伝送し、データ処理装置３０によって処理して物体の三次元再構成画像を取得する。回転軸１３の回転角度が予め設定されてもよく、その角度および単一視点データに基づく再構成アルゴリズムがデータ収集装置２０において予め設定されていることが理解される。角度および単一視点データに基づく三次元再構成アルゴリズムは、一般的に使用されている変換行列に基づく再構成などの既存の関連アルゴリズムを使用することができる。

本発明の実施例によって提供される三次元再構成システムでは、回転フレーム１１を用いて物体を搭載し、データ収集装置２０を用いてデータを収集し、異なる視点での物体の単一視点データを測定するときに、回転フレーム１１により物体を回転させるが、データ収集装置２０が回転せず、複数の単一視点データを取得し、かつ単一視点データおよび回転角度に基づいて三次元データ点群のスティッチングを行って三次元再構成を実現する。回転フレーム１１自体の位置決め精度が高く、回転中に光路がずれにくいため、高い測定精度を確保でき、さらに、頻繁な光路補正が不要となるため、三次元再構成速度と物体検出効率が向上し、さらに、回転フレーム１１の回転によりシステム空間が変化しないため、再構成システムの小型化に有利である。これに対して、収集光路を移動させて検出視点を変更する従来のシステムでは、光路のずれが生じやすく、その結果、測定精度が低くなり、光路補正を複数回行うため製品検出効率が低下し、かつ検出視点を変更するための面積が大きいため、再構成システムの小型化に寄与しない。

以下、当該三次元再構成システムの各装置、すなわち、物体搭載装置１０、データ収集装置２０およびデータ処理装置３０について詳細に説明する。

物体搭載装置１０に関して、当該物体搭載装置１０は、水平並進ステージ１４および回転フレーム１１を含み、好ましくは、いずれも電気的に駆動される構造である。回転フレーム１１は、水平並進ステージ１４に設けられ、水平並進ステージ１４に直交する方向をＺ軸方向として直交座標系が確立され、当該回転軸１３は、少なくとも水平回転軸（すなわち、Ｘ回転軸またはＹ回転軸）を含み、さらに数値回転軸（すなわち、Ｚ回転軸）を含み得る。回転フレーム１１は、水平並進ステージ１４の移動に伴って移動し得る。具体的には、回転フレーム１１は、支持ベース１５により支持され、支持ベース１５には、回転フレーム１１を回転するように駆動するモータが設けられる。データ収集装置２０は、直立昇降ステージ２２に設けられ、回転フレーム１１の回転軸１３の水平回転軸の初期方向は水平並進ステージ１４と平行であり、回転軸１３が直立回転軸も含む場合は、直立回転軸の初期方向は水平並進ステージ１４に対して垂直である。データ収集装置２０の収集光路は、水平並進ステージ１４に対して垂直である。水平並進ステージ１４を移動させることにより、物体をデータ収集装置２０の収集可能な範囲内に保持するように、回転フレーム１１を水平方向に移動させ、さらに、水平並進ステージ１４により物体を水平方向に移動させ、物体表面を走査することができる。データ収集装置２０は、ステージ１２に対するその高さが調整可能となるように、上下に移動することができ、それによって、異なる大きさの物体と同じ物体について異なる視点からその全貌を収集できることが確保される。回転フレーム１１をその回転軸１３に基づいて回転させることにより、後続の三次元再構成のための異なる視点からの単一視点データを取得するように、データ収集装置２０のデータ収集区間において異なる視点で物体を提示する。

さらに、当該物体搭載装置１０はさらに、ベース１６、およびベース１６に設けられたブラケット１７を含み、水平並進ステージ１４がベース１６に設けられ、直立昇降ステージ２２がブラケット１７に設けられる。ブラケット１７には、直立昇降ステージ２２の昇降運動のための構成要素が設けられてもよく、当該構成要素は具体的に摺動構成要素であってもよい。さらに、に加え、当該構成要素は、直立運動に加えて、直立昇降ステージ２２を水平方向に移動させるためのブラケット１７上の水平方向運動をすることもできる。

具体的には、第１実施例中において、水平並進ステージ１４は、積み重ねられて設けられたＸ軸並進ステージ１４１およびＹ軸並進ステージ１４２を含むがこれらに限定されず、支持ベース１５および回転フレーム１１は、Ｘ軸並進ステージ１４１（Ｘ軸並進ステージ１４１が上にある場合）またはＹ軸並進ステージ１４２（Ｙ軸並進ステージ１４２が上にある場合）に設けられ、直立昇降ステージ２２はＺ軸昇降ステージであり、回転軸１３の初期方向はＸ軸方向またはＹ軸方向と平行である。

第２実施例において、水平並進ステージ１４は、Ｘ軸並進ステージ１４１、およびＸ軸並進ステージ１４１に設けられたＹ軸スライド（図示せず）を含み、支持ベース１５はＹ軸スライドに摺動可能に接続され、直立昇降ステージ２２はＺ軸昇降ステージのままであり、回転軸１３の初期方向はＹ軸方向またはＹ軸方向と平行である。

第３実施例において、水平並進ステージ１４は、Ｙ軸並進ステージ１４２、およびＹ軸並進ステージ１４２に設けられたＸ軸スライド（図示せず）を含み、支持ベース１５はＸ軸スライドに摺動可能に接続され、回転軸１３の初期方向はＹ軸方向またはＸ軸方向と平行であり、直立昇降ステージ２２はＺ軸昇降ステージのままである。

第２実施例および第３実施例において、Ｘ軸スライドおよびＹ軸スライドは、具体的には、隆起したスライドレールであってもよく、それに対応して、支持ベース１５の底部にはシュートが設けられる。Ｘ軸スライドおよびＹ軸スライドはシュートであってもよく、それに対応して、支持ベース１５の底部には隆起したスライドレールが設けられる。また、支持ベース１５、Ｘ軸スライド、Ｙ軸スライド、Ｘ軸並進ステージ１４１またはＹ軸並進ステージ１４２には、支持ベース１５をスライド上のある位置に固定するためのロック部材がさらに設けられる。

上記の水平並進ステージ１４および直立昇降ステージ２２の設計によれば、データ収集装置２０の光源入射方向をＺ軸の正方向としたデカルト直交座標系が確立され、当該水平並進ステージ１４により、Ｘ、Ｙ方向のそれぞれの直線運動が実現されてもよく、測定対象物は、Ｘ、Ｙ方向の直線運動とＹ、Ｚ軸を中心とした回転が実現されるように、当該回転フレーム１１に固定される。上記の物体搭載装置１０は、第１に、この設計では、検出には一次元変換を実行することだけでよく、運動の軌跡が簡単であり、速度が速く、視点の変換に必要な時間が短縮されること、第２に、当該解決手段では、光源および検出光路を回転させる必要がなく、測定に必要な面積が小さく、コンパクトな計装の構築に有利であること、第３に、回転フレーム１１の回転情報が後の多視点測定結果のマッチング及びスティッチングによく使用されてもよいことの３つの技術的効果を有する。

データ収集装置２０に関して、データ収集装置２０は、カメラ２１および上記の直立昇降ステージ２２を含み、カメラ２１が直立昇降ステージ２２に設けられる。当該再構成システムは、既存の分散共焦点法に基づいて単一視点データを収集することができ、具体的には、波長ごとに収束高さが異なる白色光であってもよい広スペクトル照明を用いて、反射スペクトル分布を測定することで反射面高さ情報を取得する。具体的には、カメラ２１は、少なくとも広スペクトル光源、分散レンズおよび検出器を含み、広スペクトル光源が広スペクトルを出射し、当該広スペクトル光が一列の入力光ファイバを介して伝送され、入力光ファイバの出力端に線形検出光が形成され、当該線形検出光が分散レンズを通過した後、物体表面に投射され、物体表面の異なる高さの位置に収束され、物体表面から反射された線形光が分散レンズおよび一列の出力光ファイバを介して再伝送され、最終的に検出器で受光され、さらに対応する反射光データが得られる。カメラに対する物体の水平方向の移動を制御することにより、広スペクトル光による物体表面の走査の検出を完了し、検出器は、信号広スペクトル光を受信して、物体表面の形状を反映する反射光データを取得し、さらに、データ処理装置は、反射光データに対応する処理を実行して単一視点データを取得し、単一視点データが単一視点二次元データまたは単一視点三次元データであってもよい。この方法によれば、回転フレーム１１を対応する角度だけ回転させ、角度ごとに上記のプロセスを実行して異なる視点のデータを取得する。この方法を選択するのは、複数回の照明またはズームの移動などのステップが不要であり、実装構造が簡単であり、速度が速いという利点があるからである。また、データ収集装置２０は、上下に移動することができ、物体が一定の角度で回転するとき、データ収集装置２０の高さ位置を適切に調整して、完全な単一視点データを取得することができる。一実施例において、検出器は分光計であり、分光計は、反射スペクトルデータを測定することにより、最大強度の光の波長を取得し、分散共焦点の焦点深度と波長との間の計算式により、測定対象物の表面上の反射位置、ひいては測定対象物の表面形状を取得することができる。検出器は、測定対象物の表面形状を取得できる他の検出デバイスであってもよく、前記単一視点データは、同一視点で分散レンズによって受信された反射光信号をデータ処理して得られた、測定対象物の表面形状を表すデータである。

データ処理装置３０に関して、本実施例では、回転フレーム１１の回転に基づいて異なる視点での物体の単一視点データを取得し、好ましくは、分散共焦点法によって単一視点データを取得する。当該データ処理装置３０は、異なる視点からの単一視点データおよび異なる視点からの変換行列に基づいて三次元再構成を実行することができる。具体的には、異なる視点から収集されたデータを変換行列によって同一の三次元座標系中に統合し、物体の三次元形状を構築し、本実施例において、システムの一つの固定座標系（データ収集装置２０の光源の入射方向をＺ軸の正方向として確立されたデカルト直交座標系）を確定し、複数の単一視点データを当該座標系に構築してもよい。変換行列の概念とは、数学、物理学分野でよく知られている概念であり、変換行列により、異なる座標系における同じターゲット間の対応関係を明確にし、例えば、元の三次元座標系をＹ軸を、回転軸１３としてある角度で回転し、新しい三次元座標系を取得する場合、元の三次元座標系での空間点Ｐの元の座標と新しい三次元座標系での空間点Ｐの新しい座標との間の変換関係は、１つの変換行列に対応し、当該変換行列が元の座標系と新しい座標系との間の空間位置関係に基づいて確立される。

本実施例に係る再構成システムでは、回転軸１３を固定することにより、選択した角度の視点を変更し、理論的には、回転軸１３と回転角度の分布に応じて、異なる視点の測定結果の座標変換を直接実行できるが、実際の計装では、回転軸１３が固定されておらず、周囲の温度、機械的な固定の強さ、人為的タッチなどの要因により、回転軸１３の実際の方向または位置が変化するため、計装の設計された回転軸１３の方向および位置分布によって、点群のマッチング・スティッチングの誤差が大きい。連続検出において温度変動が小さく、基本的に人為的タッチがなく、機械的固定程度の影響が比較的大きく、回転フレーム１１の位置決め精度および再現性が高いことに基づき、本実施例では、一定期間使用した後、検出する前に回転軸１３の方向および位置を測定し、測定された回転軸１３の分布と回転フレーム１１によって設定された回転角度を組み合わせて各視点の新しい変換行列を取得し、回転軸１３の測定ごとに変換行列を更新し、すなわち、再構成アルゴリズムを補正し、異なる視点での測定結果の点群データスティッチングの精度を向上させる。当然のことながら、人為的タッチが発生する場合、すぐに補正する必要がある。

それに対応して、図３および図４を参照すると、当該三次元再構成システムは、回転軸の測定にも使用されてもよく、具体的には、当該装置には、入射光で発生した反射光信号を反射するための回転軸補正面が設けられる。回転軸１３の測定を行う時に、データ収集装置は、回転軸補正面からの反射信号を収集して反射データを取得し、当該データ処理装置は、反射データに基づいて回転軸の位置を計算し、かつ回転軸の位置に基づいて再構成アルゴリズムを補正する。回転軸補正面は、物体搭載装置の対応する部材に固定または着脱可能に設けられてもよい。具体的には、固定設定方式としては、ステージ、測定対象回転軸または他の部材に補正板を直接取り付けることによって生成されること、またはステージ、測定対象回転軸または他の部材に機械的処理（例えば機械的摩擦）または物理化学的処理（例えばエッチングや蒸着）を直接施すことによって生成された反射面とすることを含むが、これらに限定されない。着脱可能な取付方式としては、スナップ接続、ねじ接続、ばね接続、スライダ接続、貼り付け接続などによって当該回転軸補正面を物体搭載装置の対応する部材に接続することを含むが、これらに限定されない。ここで、回転軸補正面の設定方式および位置は、実施例に列挙された方式を含むが、これらに限定されない。好ましくは、当該回転軸補正面は、ステージ１２に設けられた拡散反射面４０であり、かつ回転フレーム１１を回転させ、拡散反射面４０で反射された反射信号はデータ収集装置２０によって収集され、データ処理装置３０は、拡散反射データを分析し、回転軸の位置を算出し、さらに当該回転軸位置のデータを用いて再構成アルゴリズムを補正する。以下、本部分の内容についてさらに詳細に説明する。

再構成システムが一定期間使用された後、回転軸１３が不可避的にずれ、回転軸測定と再構成アルゴリズムの補正により、三次元再構成の精度を確保することができる。また、使用時間の延長に伴って回転軸１３のずれが発生するため、検出ごとに回転軸１３を測定する必要がなく、さらに、回転軸１３の位置決め精度が高く、収集光路が固定され、物体が回転することにより、光路のずれを回避しやすくなり、当該システムは、検出効率をさらに向上させることができる。

本発明の実施例はさらに、上記の三次元再構成システムに基づいて実行される三次元再構成方法を提供する。図５に示すように、前記方法は、Ｓ１、回転フレーム１１の回転により、ステージ１２上の物体を回転させるステップと、

Ｓ２、データ収集装置２０により、物体が対応する角度に回転するときの反射光データを収集して単一視点データを取得するステップと、

Ｓ３、データ処理装置３０により、単一視点データおよび再構成アルゴリズムに基づいて三次元再構成を実行するステップと、を含む。

上記のステップにおいて、物体搭載装置１０の回転フレーム１１は、その回転軸１３に基づいて回転し、具体的には一次元回転（Ｘ軸またはＹ軸を中心とした回転）または二次元回転（Ｘ軸またはＹ軸およびＺ軸を中心とした回転）を行うことができ、データ収集装置２０のカメラ２１は、ステージ１２から一定の距離だけ離間され、カメラ２１の収集光路は、回転軸１３の初期方向に対して垂直であることが好ましい。回転軸１３により物体を回転させ、物体が対応する角度に回転するときに、データ収集装置２０は、対応する角度での単一視点データを収集し、これらの複数の単一視点データをデータ処理装置３０に伝送し、データ処理装置３０によって処理して物体の三次元再構成画像を取得する。

具体的には、当該回転フレーム１１は、三次元再構成システムのＸＹＺ三軸並進による物体搭載装置１０の設計を参照して設けられる。上記の物体搭載装置１０によれば、データ収集装置２０の光源入射方向をＺ軸の正方向としたデカルト直交座標系が確立され、当該水平並進ステージ１４により、Ｘ、Ｙ方向のそれぞれの直線運動が実現され、測定対象物は、Ｘ、Ｙ方向の直線運動とＸまたはＹ、Ｚ軸を中心とした回転が実現されるように、当該回転フレーム１１に固定され、物体がＸ軸またはＹ軸を中心に回転すると、複数の単一視点データを取得できる。データを収集する時に、回転フレーム１１の水平位置を移動させてデータ収集装置２０の高さを調整することで、高品質のデータを取得することができる。

さらに、上記のステップＳ２は、具体的には、分散共焦点法に基づき、広スペクトル光源を用いて物体を照射し、物体が異なる視点にある時の単一視点三次元データを収集するステップであり、具体的なプロセスは、上記の通りであり、ここでは再度の説明を省略する。当該方法の利点は、前述した通りであり、ここでは繰り返し説明を省略する。

さらに、ステップＳ３は、具体的には、データ処理装置３０により、異なる視点での単一視点データを予め設定された対応する視点の変換行列に適用し、三次元データ点群のスティッチングを実行し、三次元再構成画像を取得するステップである。当該ステップは、具体的には、異なる視点から収集されたデータを変換行列によって同一の三次元座標系に統合し、物体の三次元形状を構築するステップであり、本実施例において、具体的には、複数の単一視点データをスティッチングして構築し、上記のデカルト直交座標系で物体の三次元画像を形成するステップを意味する。

さらに、温度や作業環境などの様々な要因により回転軸１３の位置が変化するため、回転軸１３の位置を、一定期間ごとに補正し、または人が回転軸１３の近くに触れたときに補正する必要があり、それによって測定データの精度を確保する。回転フレーム１１の位置決め精度および再現性が高いことに基づき、本実施例では、一定期間使用した後、回転軸１３のずれ量が予め設定されたずれ量以上であるとき、回転軸１３を補正し、すなわち、検出する前に回転軸１３の方向および位置測定を測定し、測定された回転軸１３の分布と回転フレーム１１によって設定された回転角度を組み合わせて各視点の新しい変換行列を取得し、回転軸１３の測定ごとに変換行列を更新し、再構成アルゴリズムを補正し、異なる視点での測定結果の点群データスティッチングの精度を向上させる。つまり、ステップＳ１の前に、さらに、回転フレーム１１の回転軸１３の位置を測定し、回転軸１３の位置の測定データに基づいて再構成アルゴリズムを補正するステップＳ０を含む。

図６に示すように、具体的には、ステップＳ０は、回転フレームの回転軸の位置を測定し、回転軸の位置測定データに基づいて前記再構成アルゴリズムを補正するステップである。

ステップＳ０は、

前記ステージに拡散反射面を設けることと、

前記回転フレーム上の拡散反射面を現在の位置に基づいて第１角度および第２角度で順次回転させ、システムの初期座標系における前記拡散反射面の回転しないときの初期位置データ、第１角度にある時の第１角度データ、および第２角度にある時の第２角度データを取得することと、

前記第１角度データ、第２角度データおよび初期位置データに基づき、回転軸位置を計算することと、を含む。

ステップＳ０１では、ステージ１２に拡散反射面４０を設定する。

ステップＳ０２では、回転フレーム１１上の拡散反射面４０を現在の位置に基づいて第１角度および第２角度で順次回転させる。

好ましくは、第１角度および第２角度は、同じ大きさおよび反対方向を有するが、他の実施例において、第１角度および第２角度は異なってもよい。図３に示すように、現在の位置は角度０に対応し、第１角度および第２角度はそれぞれ＋φおよび−φである。

ステップＳ０３では、システムの初期座標系における拡散反射面４０の回転するときの初期位置データ、第１角度にある第１角度データ、および第２角度にある第２角度データを取得する。

ステップＳ０４では、第１角度データ、第２角度データおよび初期位置データに基づいて回転軸の位置を計算する。

好ましくは、初期位置データに対応する初期平面と、第１角度データに対応する第１平面との間の第１角度の二等分面Ｓ１を計算し、初期平面と第２角度データに対応する第２平面との間の第２角度の二等分面Ｓ２を計算し、第１角度の二等分面Ｓ１と第２角度の二等分面Ｓ２との交差線Ｌを回転軸位置として確定する。

ステップＳ０５では、回転軸位置を補正前の再構成アルゴリズムに組み込み、補正後の再構成アルゴリズムを形成する。

本実施例において、拡散反射面４０を用いる理由は、第１に、高さ分布が均一であり、上記の第１平面と第２平面と初期平面の計算誤差が小さいこと、第２に、回転軸補正部材として平面鏡を用いると、収集光路の開口数の制限により、回転角度が大きい場合、信号光が大きな角度で反射されて検出器に到達できないが、検出器を傾斜させるために、測定対象サンプルを大きな角度で回転させる必要がある場合が多い。試験により、回転軸テスト部材として拡散反射面４０（例えばすりガラス）を使用し、入射光が平行光であっても、拡散反射鏡の反射光角度がガウスのような分布を示し、このとき、サンプルの回転角度が光学システムの開口数を超えても、光の一部は、データ収集装置２０の検出器に到達して、拡散反射面分布の検出を成功させることができることを確保する。

当該拡散反射面４０は、回転フレーム１１のステージ１２上の測定対象物の隣に取り付けられ、回転軸１３を測定する必要がある場合、水平並進ステージ１４を移動して拡散反射面４０に光を入射させて測定する必要がある。拡散反射面４０を、真空チャックに吸着することなどの他の方式で配置することもできる。

拡散反射面４０により、回転軸１３の測定標準部材の回転角度範囲が効果的に拡大される。例えば、１つの光学システムは、回転軸補正の標準部材として反射鏡を使用すると、回転角度範囲が±１５°であり、回転軸補正の標準部材として拡散反射面４０を使用すると、回転角度範囲が±４５°に拡大される。理論的には、分散共焦点光学システムの測定対象物は一般的に非鏡面であり、大きな角度の反射光を受光して、より広い範囲の測定を実現することができる。なお、理論的には、回転角度の大きさと回転軸１３の位置との間に直接的な対応関係がないが、実際の複数回の測定では、大きな回転角度（１５°以上、好ましくは３０°−４５°、例えば３０°、３５°、４０°、４５°など）で得られた回転軸１３の位置をアルゴリズムにより補正した後の検出精度がより高いことがわかる。

以下では、回転フレーム１１の回転軸１３がＹ軸方向と平行に構成されている上記のＸＹＺ三軸移動台に基づき、具体的な回転軸測定方法を提供する。

図３を参照すると、回転軸１３が回転しないときの角度を０°とし、回転軸１３の正回転の第１角度を＋φとし、逆回転の第２角度を−φとする。

第１段階では、Ｘ軸並進ステージ１４１およびＹ軸並進ステージ１４２を移動させ、光を拡散反射面４０に入射させ、回転フレームの回転軸１３を０^ｏとしたときの拡散反射面４０を走査し、ＭｘＮ個の点からなる面行列を取得する。

分散レンズによって物体表面に入射する光は、線状に配列された点行列であり、Ｍは入射光点の数を表し、Ｎは光が物体表面に沿って走査したときのサンプリング回数を表し、初期座標系における１つの光点の位置を（ｘ、ｙ、ｚ）すると、図３中の０^ｏ線は、ＭｘＮ個の点で表される０°拡散反射面（初期平面）を表す。

第２段階では、回転軸１３が第１角度＋φで回転し、光点（ｘ、ｙ、ｚ）の位置が（ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１）になり、図３中のφ線は、ＭｘＮ個の（ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１）点で形成される拡散反射面（第１平面）を表し、座標ｘ_１、ｙ_１は、座標ｘ、ｙが角度＋φで回転した後、回転軸１３の角度に基づいて換算された位置を表す。

第３段階では、回転軸１３が第２角度−φで回転し、０°拡散反射面が角度−φで回転した後、光点（ｘ、ｙ、ｚ）の位置が（ｘ_２、ｙ_２、ｚ_２）になり、図３中の−φ線は、ＭｘＮ個の（ｘ_２、ｙ_２、ｚ_２）点で形成される拡散反射面（第２平面）を表し、座標ｘ_２、ｙ_２は、座標ｘ、ｙが角度−φで回転した後、回転軸１３の角度に基づいて換算された位置を表す。

測定中では、回転軸の回転角度φは３５°に等しい。

ここで、ｘ、ｙは、システムによって初期設定された三次元座標におけるｘ、ｙの位置であり、ｘ_１、ｙ_１およびｘ_２、ｙ_２もシステムによって初期設定された三次元座標における位置である。ｚ、ｚ_１、ｚ２は、分散共焦点のデータ収集装置２０で測定されて得られた拡散反射面のｚ軸高さ情報である。初期平面、第１平面および第２平面のドットマトリックスに基づき、初期平面と第１平面との間の第１角度の二等分面Ｓ１、初期平面と第２平面との間の第２角度の二等分面Ｓ２をそれぞれ求め、２つの角度の二等分面の交差線Ｌは回転軸１３であり、図３中の黒点は回転軸１３を表し、回転軸１３は紙面に垂直な線であり、回転軸１３の情報は、システムによって初期設定された三次元座標における回転軸１３の位置および方向を表す方向ベクトルである。スティッチングプロセスでは、上記の測定された回転軸１３の位置を直接、異なる視点での回転フレーム１１の回転角度と組み合わせて、補正後の異なる視点での変換行列を取得し、さらに正確なスティッチングを実現することができる。

要約すると、本発明の実施例によって提供される三次元再構成システムおよび三次元再構成方法では、検出光路を変更せずに物体を回転させ、変換行列と組み合わせて三次元再構成を実行することにより、検出精度および効率を向上させ、回転軸１３の位置を間欠的にテストすることでアルゴリズム補正を実行することにより、検出精度および効率をさらに向上させ、回転軸補正の標準部材として拡散反射面４０が使用され、反射角度が大きく、それによって検出レンズが物体によって反射された検出光信号を受信することが確保され、かつ回転角度が大きい時に、その補正効果がより良好になり、水平並進ステージ１４および直立昇降ステージ２２の設計により、検出がより簡単になり、容易に実行される。

上記は本発明の好適な実施例に過ぎず、本発明を限定するものではなく、本発明の精神および原則においてなされたあらゆる変更、均等な置換および改良などはいずれも本発明の保護範囲に含まれるべきである。

１０ 物体搭載装置
１１ 回転フレーム
１２ ステージ
１３ 回転軸
１４ 水平並進ステージ
１４１ Ｘ軸並進ステージ
１４２ Ｙ軸並進ステージ
１５ 支持ベース
１６ ベース
１７ ブラケット
１８ 物体
２０ データ収集装置
２１ カメラ
２２ 立昇降ステージ
３０ データ処理装置
４０ 拡散反射面

Claims (18)

1. 三次元再構成システムであって、
   回転軸を有する回転可能な回転フレーム、および前記回転フレームに設けられたステージを含む物体搭載装置と、
   前記ステージから離間して設けられており、前記回転フレームが対応する角度に回転するときに、前記ステージにある物体の反射光データを収集し、前記物体が対応する角度にあるときの単一視点データを取得するためのデータ収集装置と、
   前記データ収集装置に接続され、前記単一視点データおよび再構成アルゴリズムに基づいて三次元再構成を実行するためのデータ処理装置と、を備えることを特徴とする三次元再構成システム。
2. 前記データ収集装置は、分散型共焦点データ収集装置であり、収集された前記反射光データが反射スペクトルデータであることを特徴とする請求項１に記載の三次元再構成システム。
3. 前記三次元再構成システムは、回転軸補正面をさらに備え、前記データ収集装置はさらに、前記回転軸補正面からの反射信号を収集して反射データを取得するために使用され、前記データ処理装置はさらに、前記反射データに基づいて回転軸位置を計算し、かつ前記回転軸位置に基づいて前記再構成アルゴリズムを補正するために使用されることを特徴とする請求項１に記載の三次元再構成システム。
4. 前記回転軸補正面は、前記ステージに設けられることを特徴とする請求項３に記載の三次元再構成システム。
5. 前記回転軸補正面は、拡散反射面であることを特徴とする請求項３に記載の三次元再構成システム。
6. 前記回転軸の初期方向は、前記データ収集装置の収集光路に対して垂直であることを特徴とする請求項１に記載の三次元再構成システム。
7. 前記物体搭載装置は、水平並進ステージをさらに含み、前記データ収集装置は、直立昇降ステージ、および前記直立昇降ステージに設けられたカメラを含み、
   前記回転フレームは、前記水平並進ステージに設けられ、
   前記データ収集装置は、前記ステージに対して前記データ収集装置の高さが調整可能となるように、前記直立昇降ステージに設けられ、
   前記回転軸の初期方向は、前記水平並進ステージと平行であり、
   前記データ収集装置の収集光路は、前記水平並進ステージに対して垂直であることを特徴とする請求項６に記載の三次元再構成システム。
8. 前記カメラは、少なくとも広スペクトル光源、分散レンズおよび検出器を含み、前記広スペクトル光源、分散レンズおよび検出器が分散共焦点法に基づいて前記単一視点データを取得し、前記データ処理装置は、異なる視点からの前記単一視点データおよび異なる視点からの変換行列に基づいて三次元再構成を実行することを特徴とする請求項７に記載の三次元再構成システム。
9. 三次元再構成方法であって、請求項１に記載の三次元再構成システムに基づいて実行され、
   前記回転フレームの回転により、前記ステージにある物体を回転させるステップＳ１と、
   前記データ収集装置により、前記物体が対応する角度に回転するときの反射光データを収集して前記単一視点データを取得するステップＳ２と、
   前記データ処理装置により、異なる角度の前記単一視点データおよび再構成アルゴリズムに基づいて三次元再構成を実行するステップＳ３と、を含むことを特徴とする三次元再構成方法。
10. 前記ステップＳ２は、具体的には、
    分散共焦点法に基づき、広スペクトル光源を用いて前記物体を照射し、前記物体が異なる視点にある時の前記物体の前記単一視点データを収集するステップであることを特徴とする請求項９に記載の三次元再構成方法。
11. 前記分散共焦点法は、
    広スペクトル光源により、広スペクトルビームを放射し、かつ線形検出光を形成するステップと、
    分散レンズにより、前記検出光を前記物体の表面に投射するステップと、
    前記物体を並進させて前記物体の表面への走査を完了するステップと、
    検出器により、前記物体によって反射された前記検出光の反射光データを収集し、前記反射光データを処理して前記単一視点データを取得するステップと、を少なくとも含むことを特徴とする請求項１０に記載の三次元再構成方法。
12. 前記ステップＳ３は、具体的には、前記データ処理装置により、異なる視点からの前記単一視点データを予め設定された対応する視点の変換行列に適用し、三次元データ点群のスティッチングを実行し、三次元再構成画像を取得するステップであることを特徴とする請求項９に記載の三次元再構成方法。
13. 前記ステップＳ１の前に、さらに、
    前記回転フレームの回転軸位置を測定し、前記回転軸位置の測定データに基づいて前記再構成アルゴリズムを補正するステップＳ０を含むことを特徴とする請求項９に記載の三次元再構成方法。
14. 前記ステップＳ０は、
    三次元測定システムにおいて回転軸補正面を設けることと、
    前記回転フレームにある回転軸補正面を現在の位置に基づいて第１角度および第２角度で順次回転させ、システムの初期座標系における前記回転軸補正面の回転しないときの初期位置データ、第１角度にある時の第１角度データ、および第２角度にある時の第２角度データを取得することと、
    前記第１角度データ、第２角度データおよび初期位置データに基づき、前記回転軸位置を計算することと、
    前記回転軸位置を補正前の再構成アルゴリズムに組み込み、補正後の再構成アルゴリズムを形成することと、を含むことを特徴とする請求項１３に記載の三次元再構成方法。
15. 前記第１角度データ、第２角度データおよび初期位置データに基づき、前記回転軸位置を計算するステップは、具体的には、
    前記初期位置データに対応する初期平面と、前記第１角度データに対応する第１平面との間の第１角度の二等分面を計算し、前記初期平面と前記第２角度データに対応する第２平面との間の第２角度の二等分面を計算し、前記第１角度の二等分面と前記第２角度の二等分面との交差線を回転軸位置として確定するステップであることを特徴とする請求項１４に記載の三次元再構成方法。
16. ステップＳ０では、前記第１角度および前記第２角度は、同じ大きさおよび反対方向を有することを特徴とする請求項１５に記載の三次元再構成方法。
17. 前記回転軸補正面は、拡散反射面であることを特徴とする請求項１４に記載の三次元再構成方法。
18. 前記第１角度および前記第２角度はいずれも１５°よりも大きく、前記ステップＳ０は、前記回転軸のずれ量が予め設定されたずれ量以上である場合に行われることを特徴とする請求項１７に記載の三次元再構成方法。

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