JP2864163B2 - 三次元計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 マルチスリット光を投影して三次元計測を行う三次元
計測装置に関し、 被測定物の三次元計測の高速化を図ることを目的と
し、 コード化マルチスリット光パターンを被測定物に投影
するマルチスリット投光器と、前記被測定物に投影され
た前記コード化マルチスリット光パターンを撮像する撮
像部と、該撮像部からの画像信号を２値化する２値化回
路と、該２値化回路からの２値画像信号を、前記コード
化マルチスリット光パターン対応に蓄積する複数の画像
メモリと、該複数の画像メモリのアドレス信号を発生す
るアドレス発生回路と、該アドレス発生回路からのアド
レス信号と、該アドレス信号により前記複数の画像メモ
リから同時に読出した前記２値画像信号のビット構成に
よるスリット光番号とを基に前記被測定物の輪郭点の三
次元位置を求める距離計算部とを備えて構成した。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、マルチスリット光を投影して三次元計測を
行う三次元計測装置に関するものである。

ロボット等の形状認識により自動的に動作する自動装
置や、設計や構造解析等の為の形状入力装置等に於い
て、マルチスリット光を被測定物に投影し、テレビカメ
ラ等の撮像装置により撮像し、投影されたマルチスリッ
ト光の中の基準スリット光を定めて、観測点から被測定
物の輪郭点までの距離を算出する三次元計測装置が知ら
れている。このような三次元計測装置に於ける計測の高
速化が要望されている。

〔従来の技術〕

従来例の三次元計測装置は、被測定物にスリット光を
投影し、それを撮像した二次元面に於けるスリット光の
座標により、観測点からの距離を計測するもので、スリ
ット光を順次走査する必要があるから、計測時間が長く
なる欠点があった。

このような欠点を改善する為に、コード化マルチスリ
ット光を被測定物に投影して、三次元計測を行う装置が
提案されている。その三次元計測装置に於けるマルチス
リット投光器は、例えば、第６図に示す構成を有するも
のであり、半導体レーザ51からの単一波長のレーザ光が
コリメートレンズ52により平行光に変換されて、第１の
回折格子54に入射され、ｙ軸方向にスポット光が１列に
配列された出力光58となり、第２の回折格子52に入射さ
れる。この第２の回折格子55は、第１の回折格子54と回
折方向が直交するように構成されているから、スポット
光は複数列に配列された出力光59となり、シリンドリカ
ルレンズ53に入射される。前述の第１及び第２の回折格
子54,55は、例えば、20〜70μｍ程度の直径の光ファイ
バを平板状に配列して構成することができる。

又シリンドリカルレンズ53は、ｘ軸方向に延長されて
いるので、出力光60はｙ軸方向にスポット光が連続した
マルチスリット光となる。この場合、シリンドリカルレ
ンズ53がｙ軸方向に延長されていると、出力光60はｘ軸
方向に連続したマルチスリット光となる。この出力光60
はシャッタアレイ57に入射され、選択されたシャッタの
開閉制御により、コード化マルチスリット光パターン56
となる。シャッタアレイ57は、例えば、偏光を利用した
液晶シャッタや電気光学効果素子等を利用したシャッタ
により構成することができる。

コード化マルチスリット光パターンは、2ⁿ本のマルチ
スリット光に対してｎ種類のパターンとすることによ
り、総てのスリット光に番号付けを行うことができる。
その場合、ｎ種類のコード化マルチスリット光パターン
を切替えて投影する毎に、テレビカメラ等の撮像装置に
より被測定物を撮像し、１画素複数ビット構成の１画面
分の画像信号を画像メモリに蓄積し、ｎ個の画像メモリ
にそれぞれ蓄積された画像信号を読出して、画像信号間
の演算処理によりスリット光の番号付けをスリット光単
位で行うものであった。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述のように、コード化マルチスリット光パターンを
被測定物に投影して撮像した画像信号を、例えば、１画
素８ビット構成のディジタル信号に変換して画像メモリ
に蓄積し、コード化マルチスリット光パターンを切替え
る毎に異なる画像メモリに画像信号を蓄積するものであ
るから、多数のスリット光を用いる場合にパターン数が
多くなり、それに伴って画像メモリ数を多く必要とする
から、高価な装置となる欠点があった。又各画像メモリ
に蓄積された画像信号を基に、スリット光単位で照合処
理等を順次行い、それによりスリット光に番号付けを行
うものであるから、処理時間が長くなる欠点があった。

本発明は、被測定物の三次元計測の高速化を図ること
を目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の三次元計測装置は、並列処理により高速化を
図るものであり、第１図を参照して説明する。

コード化マルチスリット光パターンを被測定物に投影
するマルチスリット投光器１と、被測定物に投影された
コード化マルチスリット光パターンを撮像するテレビカ
メラ等からなる撮像部２と、この撮像部２からの画像信
号を２値化する２値化回路３と、この２値化回路３から
の２値画像信号を、コード化マルチスリット光パターン
対応に蓄積する複数の画像メモリ４−１〜４−ｎと、こ
れらの画像メモリ４−１〜４−ｎのアドレス信号を発生
するアドレス発生回路５と、このアドレス発生回路５か
らのアドレス信号と、このアドレス信号により複数の画
像メモリ４−１〜４−ｎから同時に読出した２値画像信
号のビット構成によるスリット光番号とを基に、被測定
物の輪郭点の三次元位置を求める距離計算部６とを備え
ており、２値化回路３は撮像部２を構成する受光素子対
応の構成とし、画像メモリ４−１〜４−ｎは受光素子対
応のシフトレジスタにより構成し、アドレス発生回路５
からのアドレス信号と、シフトレジスタから並列に読出
されたビット構成によるスリット光番号とを基に、被測
定物の輪郭点の三次元位置を求めるものである。

〔作用〕

撮像部２を複数の二次元配列の受光素子により構成
し、２値化回路３を受光素子対応の比較器等により構成
し、画像メモリ４−１〜４−ｎをシフトレジスタにより
構成し、コード化マルチスリット光パターンを切替える
毎にシフトレジスタをシフトする。各シフトレジスタに
は、１画素単位でコード化マルチスリット光パターン毎
の２値画像信号が蓄積され、アドレス発生回路５は１画
素単位のシフトレジスタを指定するアドレス信号を発生
し、そのアドレス信号によって指定されたシフトレジス
タから並列に読出した複数ビットをデコードすることに
より、スリット光番号を求める。そして、このスリット
光番号とアドレス信号とを基に距離計算部６に於いて被
測定物の輪郭点の三次元位置を求めることができる。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の実施例について詳細に説
明する。

第２図は本発明の実施例の前提となる構成を示すブロ
ック図であり、10は被測定物、11はマルチスリット投光
器、12は撮像部を構成するテレビカメラ、13は２値化回
路、14−１〜14−３はコード化マルチスリット光パター
ン対応の画像メモリ、15はアドレス発生回路、16は距離
計算部、17は有効データを格納するテーブル、18は判定
制御回路、19は投光制御部である。

第２図に於いては、マルチスリット光投光器11から被
測定物10に３種類のコード化マルチスリット光パターン
を切替えて投影する場合を示し、シフトレジスタを含む
画像メモリとして、３個の画像メモリ14−１〜14−３を
設けた場合を示す。又コード化マルチスリット光パター
ンが投影された被測定物10をテレビカメラ12により撮像
して得られた画像信号は２値化回路13により２値化さ
れ、その２値画像信号ｃは画像メモリ14−１〜14−３に
加えられる。

３個の画像メモリ14−１〜14−３には、投光制御部19
からのコード化マルチスリット光パターンの切替信号ａ
と、アドレス発生回路15からのアドレス信号ｂとが加え
られ、切替信号ａにより第１のコード化マルチスリット
光パターンを投影した時に画像メモリ14−１が指定さ
れ、第２のコード化マルチスリット光パターンを投影し
た時に画像メモリ14−２が指定され、第３のコード化マ
ルチスリット光パターンを投影した時に画像メモリ14−
３が指定されて、それぞれアドレス信号ｂにより指定さ
れたアドレスに画素対応の２値画像信号が書込まれる。

コード化マルチスリット光パターンが切替えられて投
影され、画像メモリ14−１〜14−３に２値画像信号ｃが
書込まれると、アドレス発生回路15からのアドレス信号
ｂにより同時に読出しが行われる。その読出信号d1,d2,
d3は判定制御回路18に加えられる。この場合、例えば、
d1×2⁰＋d2×2¹＋d3×2²とし、その３ビットをデコード
することにより、アドレス信号ｂによる座標x,yに於け
るスリット光番号Ｌが得られる。

第３図はコード化マルチスリット光パターンの説明図
であり、前述のように、３種類のコード化マルチスリッ
ト光パターンA,B,Cを切替えて投影した時、実線をスリ
ット光有り、点線をスリット光無しとし、コード化マル
チスリット光パターンＡを投影した時の２値画像信号を
画像メモリ14−１に蓄積し、コード化マルチスリット光
パターンＢを投影した時の２値画像信号を画像メモリ14
−２に蓄積し、コード化マルチスリット光パターンＣを
投影した時の２値画像信号を画像メモリ14−３に蓄積し
たとすると、３個の画像メモリ14−１〜14−３の同一ア
ドレスから同時に読出した時、d1,d2,d3＝1,0,0の場合
は、前述のように、１×2⁰＋０×2¹＋０×2²＝１となる
から、スリット光番号は「１」となる。又d1,d2,d3＝0,
1,0の場合は、０×2⁰＋１×2¹＋０×2²＝２となるか
ら、スリット光番号は「２」となる。以下同様にして、
３ビット構成の読出信号d1〜d3のデコードにより「０」
〜「７」のスリット光番号を求めることができる。

又コード化マルチスリット光パターンを、例えば、６
種類とすると、2⁶＝64本のスリット光に対して、「０」
〜「63」の番号付けを行うことができる。

判定制御回路18に於いて、前述のように、画像メモリ
14−１〜14−３から同時に読出した信号d1〜d3の３ビッ
トにより、スリット光番号Ｌを求めることができるもの
であり、そのスリット光番号Ｌと、その時のアドレス信
号ｂ＝（x,y）とを対応させてテーブル17に書込み、そ
れを読出して距離計算部16に加えるものである。又判定
制御回路18は、スリット光番号が得られるアドレス信号
ｂのみを、書込信号ｅによりテーブル17に書込むもの
で、テーブル17の有効利用を図るものである。即ち、ス
リット光とスリット光との間の画素対応の２値画像信号
は、コード化マルチスリット光パターンを切替えた場合
でも、スリット光が照射されないものであるから、オー
ル“0"となり、このオール“0"を判定した時は、その時
のアドレス信号ｂをテーブル17に書込まないようにする
ものである。

第４図は距離計測説明図であり、テレビカメラ12のレ
ンズ中心を原点とする座標系を０−XYZ、マルチスリッ
ト投光器11の光源中心を原点とする光源座標系をｏ−xy
zとすると、両者の関係は、 で表される。ここで、t_ij（ｉ＝１〜3,j＝１〜４）は、
マルチスリット投光器11とテレビカメラ12との配置関係
により定まる係数であり、これらは計算により求めるこ
とができる。

マルチスリット投光器11からのスリット光は、光源か
らｙ軸回りに広がるｍ本からなる場合を示し、各スリッ
ト光面をπ_k（ｋ＝１〜ｍ）とすると、ｊ番目のスリッ
ト光π_jに着目した時、その投影によって被測定物10上
に投影像Ｐが形成され、テレビカメラ12のイメージ面π
_I上に、その投影像Ｉが結像される。なお、簡略化の為
に１本のスリット光21が照射された場合を示している。

又、その時の投影像Ｐ上の点P_k（X_k，Y_k，Z_k）の三次
元位置は、三角測量の原理に基いてレンズ中心Ｏとイメ
ージ面π₁上の点I_k（x_k，y_k）を結んだ視線Ｏ−I_kとス
リット光面π_jとの交点として求めることができる。

ｕ＝h/g …（３） ｇ＝（t₁₁x_k＋t₁₂y_k＋t₁₃f）cosθ_j−（t₃₁x_k＋t₃₂y_k＋
t₃₃f）sinθ_j …（４） ｈ＝t₃₄sinθ_j−t₁₄cosθ_j …（５） ここで、（x_k，y_k）は、イメージ面π_I上のP_kの位置
を示し、θ_jはスリット光面π_jの投影角を示し、ｆは焦
点距離を示す。

イメージ面π_j上のI_kの位置（x_k，y_k）は、画像メモ
リ14−１〜14−３のアドレスに対応し、投影角θ_jは、
スリット光番号ｊから求めることができる。従って、距
離計算部16に於いては、テーブル17から読出されたアド
レス信号ｂ＝（x,y）と、スリット光番号Ｌとにより、
被測定物10の輪郭点の三次元位置X,Y,Zを求めることが
できる。

前述のように、画像メモリ14−１〜14−３からアドレ
ス信号ｂに従って読出された信号d1〜d3の３ビット構成
により、スリット光番号Ｌを求めることができるから、
コード化マルチスリット光パターンを所定種類だけ順次
切替えて投影した後は、画像信号としての演算等を必要
とすることなく、距離計算に必要なアドレス信号ｂとス
リット光番号Ｌとを得ることができる。従って、三次元
計測を高速化できる。又画像メモリ14−１〜14−３は、
コード化マルチスリット光パターン対応の個数を必要と
することになるが、２値画像信号を蓄積するものである
から、全体の容量は特に多くなることはなく、距離計算
に必要なスリット光番号を求める処理が高速化される利
点が大きいものである。

又テーブル17及び判定制御回路18を省略して、画像メ
モリ14−１〜14−３から同時に読出した信号d1〜d3と、
アドレス信号ｂとを距離計算部16に加え、この距離計算
部16に於いてスリット光番号Ｌを求めることにより、被
測定物10の輪郭点の三次元位置X,Y,Zを求める距離計算
を行わせることもできる。

第５図は本発明の他の実施例のブロック図であり、31
−１〜31−ｍは二次元配列のフォトダイオード等の受光
素子、32−１〜32−ｍは受光素子対応の２値化回路、33
−１〜33−ｍは受光素子対応のシリアルイン・パラレル
アウトのシフトレジスタ、34はアドレス発生回路、35は
バス、36は距離計算部である。

図示を省略した被測定物にコード化マルチスリット光
パターンを投影し、その投影像を受光素子31−１〜31−
ｍからなる撮像部で撮像し、各受光素子31−１〜31−ｍ
の出力信号を、２値化回路32−１〜32−ｍに加える。こ
の２値化回路32−１〜32−ｍは、基準電圧ｒと比較する
比較器により構成することができる。この２値化回路32
−１〜32−ｍからの２値画像信号は、シフトレジスタ33
−１〜33−ｍに加えられ、シフト信号ｓによってシフト
される。

このシフト信号ｓは、コード化マルチスリット光パタ
ーンを切替えた時に加えられるものであり、前述のよう
に、３種類のコード化マルチスリット光パターンを用い
る場合、各シフトレジスタ33−１〜33−ｍは３段構成で
良いことになる。即ち、全シフトレジスタ33−１〜33−
ｍにより、３画面分の２値画像信号を蓄積できる。

又アドレス発生回路34からアドレス信号x,yが各シフ
トレジスタ33−１〜33−ｍと距離計算部36とに加えら
れ、コード化マルチスリット光パターンの投影が終了す
ると、アドレス発生回路34からのアドレス信号x,yによ
りシフトレジスタ33−１〜33−ｍの一つが指定され、並
列に読出された信号は、バス35を介して距離計算部36に
加えられる。

前述のように、３種類のコード化マルチスリット光パ
ターンを用いる場合は、アドレス信号x,yにより指定さ
れたシフトレジスタから並列に３ビット読出されるの
で、前述の実施例のd1〜d3の３ビットと同様にスリット
光番号Ｌを求めることができる。即ち、アドレス信号x,
yとスリット光番号Ｌとにより被測定物の輪郭点の三次
元位置X,Y,Zを求めることができる。

二次元配列の受光素子31−１〜31−ｍの集積回路化は
容易であり、更に２値化回路32−１〜32−ｍを含めて集
積回路化も可能である。又シフトレジスタ33−１〜33−
ｍを含めて集積回路化することにより、受光素子31−１
〜31−ｍの個数を増加して解像度を向上させることが容
易となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、コード化マルチスリ
ット光パターンを被測定物に投影し、撮像部２により撮
像して２値化回路３により２値化し、コード化マルチス
リット光パターンに対応した画像メモリ４−１〜４−ｎ
に蓄積し、アドレス発生回路５からのアドレス信号に従
って複数ビット構成の読出信号をデコードしてスリット
光番号を得ることを基本構成とし、第５図に示すよう
に、その撮像部２を二次元配列の受光素子31−１〜31−
ｍにより構成し、受光素子対応に２値化回路32−１〜32
−ｍ及びシフトレジスタ33−１〜33−ｍを設けて、コー
ド化マルチスリット光パターンを切替えて被測定物に投
影し、その２値画像信号をシフトレジスタに蓄積し、ア
ドレス信号により指定されたシフトレジスタから並列に
読出すことにより、スリット光番号を求めることができ
るから、三次元計測の高速化を図ることができると共
に、受光素子と２値化回路とを含めて、更にはシフトレ
ジスタを含めて集積回路化も可能となるから、小型且つ
経済的な計測装置を提供できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は本発明の一実施
例のブロック図、第３図はコード化マルチスリット光パ
ターンの説明図、第４図は距離計測説明図、第５図は本
発明の他の実施例のブロック図、第６図はマルチスリッ
ト投光器の説明図である。 １はマルチスリット投光器、２は撮像部、３は２値化回
路、４−１〜４−ｎは画像メモリ、５はアドレス発生回
路、６は距離計算部である。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−152903（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−84515（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−103405（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コード化マルチスリット光パターンを被測
   定物に投影するマルチスリット投光器と、 前記被測定物に投影された前記コード化マルチスリット
   光パターンを撮像する複数の受光素子からなる撮像部
   と、 該撮像部の前記受光素子の出力信号をそれぞれ２値化す
   る該受光素子対応の２値化回路と、 該受光素子対応の２値化回路の出力信号を前記コード化
   マルチスリット光パターンの切替え毎にシフトして蓄積
   するシリアルイン・パラレルアウトの前記受光素子対応
   のシフトレジスタと、 該受光素子対応のシフトレジスタを指定するアドレス信
   号を発生するアドレス発生回路と、 該アドレス発生回路からのアドレス信号と、該アドレス
   信号により指定された前記受光素子対応のシフトレジス
   タから並列に読出されたビット構成によるスリット光番
   号とを基に前記被測定物の輪郭点の三次元位置を求める
   距離計算部と を備えたことを特徴とする三次元計測装置。