JP3013690B2 - ３次元曲面形状の測定方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はロボットビジョン等に適
用される３次元曲面の形状を非接触で測定する３次元曲
面形状の計測方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】３次元曲面形状の計測は、ロボットビジ
ョン等への応用を目的として、従来より様々な手法が提
案されてきている。光切断法は、その中でも一般に知ら
れている方法であり、例えば「画像処理ハンドブック
（株式会社昭晃堂）」の第３９８頁及び第３９９頁に記
載されている。図２はその光切断法の概念図である。光
切断法は、図示のように、被測定物体５１に対してスリ
ット光源５２からのスリット光５３を照射したときに物
体表面に形成される光ビームパタンが、これを照射方向
と異なる方向から観察したとき、被測定物体５１のスリ
ット光照射位置での断面形状に対応するという現象に着
目した方式であり、その簡便性、非接触性及び定量性故
に従来より広く用いられている方法である。

【０００３】この光切断法を用いて３次元自由曲面の形
状を測定するに際しては、図２において、スリット光５
３を回転ミラー５８等を用いて矢印５４の方向に移動さ
せながら、光ビームパタンをテレビカメラ５５で観察
し、信号処理手段５６によりビデオ信号を処理すること
によって、画面内の光切断線（光ビームパタンの形）を
時々刻々抽出し、形状計測手段５７によりこれを再構成
することにより曲面形状を構築する。ところが、１本の
光切断線を抽出するのに最低でも１ビデオフレーム（テ
レビカメラの撮像周期）必要であるため、画面全体の形
状を測定するためには１ビデオフレーム×画像の横方向
画素数（縦方向画素数）程度の時間が必要となる。この
測定時間は通常数秒のオーダになるため、ロボットビジ
ョン等に適用するためには測定時間がかかりすぎる、と
いう問題点があった。

【０００４】この測定時間の問題点を解決するために、
複数のスリット光を被測定物に同時に照射して処理する
ことにより測定時間の短縮を図る提案がなされている。
図１０は特開昭６２−６３８０４号公報に開示されてい
る方式の概念図である。この方式は、図示のように、複
数のスリット光源１０１（１０１Ａ〜１０１Ｇ）を配置
し、複数のスリット光１０２を回転平面鏡１０３の回転
軸１０４を回動させることにより測定対象１０５の表面
に走査して、そのスリット光パタンをテレビカメラ１０
６で取り込んで処理することによって測定対象１０５の
形状を測定しようとするものである。そして、その測定
に際しては、画面内の複数のスリット光パタンの識別を
行うため、スリット光を時系列的に点滅させたり、スリ
ット光に色をつけたり、スリット幅を変えたり、光の発
振波長を変えたり、或いはこれらを併用するなどしてス
リット光をコード化している。

【０００５】図１１は特開平４−２６５８０６号公報に
開示されている方式の概念図である。この方式は、図示
のように、スリット光群２０１をスリット光投影器２０
２ａ，２０２ｂからそれぞれ投影し、複数のスリット光
が被測定対象物に投影された時に各々のスリット光パタ
ンをテレビカメラ２０３により観察し、観察される画面
内の領域を対象の高さの制限を利用して予め求めておい
て、計測時には画像処理装置２０４によりスリット光パ
タンが画面内のどの領域に属するかを見てスリット光と
の対応を取り、対象の形状を短時間に簡便に計測しよう
とするものである。

【０００６】一方、光切断法には光切断線抽出プロセス
に起因する、被測定対象の反射率のむらや背景光の存在
などによる光切断像の検出洩れや誤検出などの信頼性低
下の問題や、図３に示すように対象面の傾きとスリット
光照射角度がほぼ等しくなったときに光切断線の幅が増
大することに伴う精度劣化及び空間分解能低下の問題な
どがあり、ロボットビジョン等に適用しようとした時の
被測定対象の形状、表面性状或いは測定環境等の制約が
多く、その簡便性、非接触性、定量性等の優位性の割に
は、その用途が限定されており、広く実用化されるには
至らなかった。

【０００７】図１２は特開平１−２５０７０７号公報に
開示された方式の概念図であり、この方式は光切断法の
このような問題点を鑑みてなされたものである。この方
式は、図示のように、被測定対象の表面にスリット光源
３´からのスリット光を回転ミラー４の回転によりい走
査させながらその様子をテレビカメラ８で取り込み、撮
像された画像内の各画素に対応する被測定対象の各位置
毎に、その点をスリット光が通過した瞬間のスリット光
投光角度をその画素の値とする画像（角度コーティン画
像）画像合成回路１３により合成し、この合成画像から
高さ演算回路１４により被測定対象の３次元曲面形状を
測定するものである。この方式によれば、スリット光が
各画素を通過する瞬間をその輝度値が最大になることで
判定できることから、被測定対象の反射率むらや背景光
の影響を受けにくい測定を実現できる。また、被測定対
象をスリット光投光角度でコード化することにより、光
切断線の幅が広がってしまうような傾きの被測定対象面
であっても、測定精度が劣化したり空間分解能が低下し
たりすることがない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記２つの複数のスリ
ット光を対象に同時に照射する方式（図１０，図１１）
は、測定時間短縮という観点から利点のある方式ではあ
るが、本質的には光切断法であり、前述した光切断法特
有の問題点を有している。更に、各々以下のような問題
点がある。まず、特開昭６２−６３８０４号公報に開示
されている方式（図１０）は、スリット光投光手段１０
１にスリット光をコード化して投光する機能を付加させ
なければならず、同時にそれと対応させて、撮像した画
像からスリット光パタンをデコードする処理を加えた
り、或いはテレビカメラ１０６の前に、特定の波長のス
リット光パタンのみを得るためのフィルターの切り替え
機構を設けたりするなど、装置と処理が複雑になる、と
いう問題点があった。

【０００９】次に、特開平４−２６５８０６号公報に開
示されている方式（図１１）は、スリット光とスリット
光パタンとの対応をスリット光パタンの観察される領域
で判別しているため、スリット光間の間隔の下限は被測
定対象の高さの最大値で決まり、無制限に間隔を狭める
ことはできない。また、スリット光の観察される領域を
固定しておく必要があるため、スリット光をスキャンす
ることもできない。従って、スリット光が照射されてい
る部分以外の形状を測定できない、という問題点あっ
た。

【００１０】一方、特開平１−２５０７０７号公報に開
示された方式（図１２）は、光切断法特有の問題点は解
決しているものの、測定精度を劣化させることなく被測
定対象の表面全体を測定する場合には、１本のスリット
光による光切断法と同程度の時間を要するため、ロボッ
トビジョン等に適用するには測定時間が長すぎる、とい
う問題点があった。

【００１１】本発明は、上述の問題点を解決するために
なされたものであり、短時間に且つ信頼性の高い測定を
することができるようにした３次元曲面形状の測定方法
及び装置を得ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る３次元曲面
形状の測定方法は、複数の線状スリット光を被測定対象
の全面に亘って同時に回転走査する工程と、スリット光
の回転走査角度を測定する工程と、被測定対象表面を撮
像して得られるビデオ信号の画面内の各画素に対応する
被測定対象表面の各位置毎に、その点を一本乃至複数本
のスリット光が通過した瞬間の回転走査角度あるいはそ
れに相当する値の中の１つをその画素の値とする画像を
合成する工程と、合成画像に基づいて被測定対象の３次
元曲面形状を測定する工程とを有する（請求項１）。

【００１３】また、本発明に係る３次元曲面形状の測定
装置は、被測定対象表面に同一直線上で交差する複数の
線状のスリット光を投光するスリット光投光手段と、交
差直線を基準面に平行に保ち、交差直線を回転軸として
スリット光投光手段を回転させ、被測定対象表面の全面
に亘ってスリット光を走査させる回転手段と、スリット
光の走査角度を測定するスリット光走査角度測定手段
と、被測定対象表面を、スリット光投光手段とは異なる
方向から撮像するテレビカメラとを有し、更に、テレビ
カメラからのビデオ信号を処理して、画面内各画素に対
応する被測定対象の各位置毎に、その点を１本乃至複数
本のスリット光が通過した瞬間の走査角度の中の１つ
を、スリット光走査角度測定手段から読み込んで、その
角度又はそれに相当する値をその画素の値とする画像を
合成する画像合成手段と、合成画像と被測定対象表面の
存在範囲が奥行き方向に限定されることをもとに演算処
理して被測定対象の３次元曲面形状を測定する画像演算
手段とを有する（請求項２）。そして、テレビカメラ
は、例えば基準面に対して垂直な方向から被測定対象を
撮像するように配置される（請求項３）。

【００１４】また、本発明に係る３次元曲面形状の測定
装置において、画像演算手段は、被測定対象表面に対し
てスリット光を走査したときに画像合成手段によって得
られるスリット光走査角度画像φ（ｘ，ｙ）（（ｘ，
ｙ）は基準面の座標）をもとに、各スリット光ｌ₁ 〜ｌ
_n （ｎはスリット光の本数）の投光角度θ₁ （ｘ，ｙ）
〜θ_n （ｘ，ｙ）（合成画像の各画素がコード化された
時のスリット光投光角度の候補値）を求め、被測定対象
表面の３次元形状ｆ（ｘ，ｙ）の候補値ｆ₁ （ｘ，ｙ）
〜ｆ_n （ｘ，ｙ）を、基準面の原点に対するスリット光
回転中心軸の水平変位ｘ_o 及び垂直変位ｚ_o を用いて、 ｆ_k （ｘ，ｙ）＝ｚ_o −（ｘ−ｘ_o ）tan θ_k （ｘ，ｙ） （ｋ＝１…ｎ） なる式に基づいて求め、予め設定されている高さの範囲
内にある値をもってそれを３次元形状ｆ（ｘ，ｙ）とし
て採用する（請求項４）。

【００１５】また、本発明に係る３次元曲面形状の測定
装置において、画像演算手段は、被測定対象表面に対し
てスリット光を走査したときに画像合成手段によって得
られるスリット光走査角度画像φ（ｘ，ｙ）の中の座標
（ｘ，ｙ）に値ｃがコード化されている時の各スリット
光ｌ₁ 〜ｌ_n の投光角度θ₁ （ｘ，ｙ）〜θ_n （ｘ，
ｙ）を求め、さらに被測定対象表面の３次元形状の候補
値ｆ₁ （ｘ，ｙ）〜ｆ_n（ｘ，ｙ）を、基準面の原点に
対するスリット光回転中心軸の水平変位ｘ_o 及び垂直変
位ｚ_o を用いて、 ｆ_k （ｘ，ｙ）＝ｚ_o −（ｘ−ｘ_o ）tan θ_k （ｘ，ｙ） （ｋ＝１…ｎ） なる式に基づいて求め、設定されている高さの範囲内に
ある値を選択することによって被測定対象の３次元形状
ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）を予め求め、この関数関係ｚ＝ｇ
（ｘ，ｃ）をマトリックステーブルとして記憶してお
き、測定時にはそのテーブルを参照することにより３次
元形状ｆ（ｘ，ｙ）を求める（請求項５）。

【００１６】

【作用】本発明においては、複数のスリット光のストラ
イプ状の反射パタンが被測定対象物表面上を移動してい
く状態をテレビカメラで撮像し、画面内の各画素毎にそ
の画素に対応する被測定対象物表面の位置を１本乃至複
数本のスリット光が通過した瞬間のスリット光回転走査
角度の中の１つをその画素の値とするスリット光回転走
査角度合成画像を作成する。そして、その合成画像に基
づいて被測定対象の３次元形状が測定される。

【００１７】

【実施例】本発明の実施例の説明に先だって、本発明の
測定原理を図１に基づいて先ず概念的に説明する。図１
は本発明の測定原理を示した説明図である。図示のよう
に、基準面１上に置かれた被測定対象２の表面に斜め上
方から紙面に垂直方向に拡がりかつ同一直線上で交わる
ような複数のスリット光３ａを投光し、このスリット光
を例えば回転ミラー４を用いて紙面横方向に移動させな
がら、例えば被測定対象２の真上よりテレビカメラ８で
撮像する。この時、テレビカメラ８に接続されたモニタ
テレビ８ａ上では、被測定対象の表面上で、複数のスリ
ット光のストライプ状の反射パタンが移動していく様子
が観察される。そして、このテレビカメラ８から出力さ
れるビデオ信号をもとにして、画面内の各画素毎に、そ
の画素に対応する物体表面の位置を１本乃至複数本のス
リット光が通過した瞬間のスリット光走査角度の中の１
つをその画素の値とする画像を合成する。

【００１８】このようにして合成された画像の各画素の
値が、複数本のスリット光の中のどのスリット光によっ
てコード化されたかを決定することができれば、その画
素に対応する物体表面の位置から回転ミラー４のスリッ
ト光回転中心を見上げた時の仰角を知ることができる。
この仰角を物体表面の座標系（ｘ，ｙ）を用いてθ
（ｘ，ｙ）と表現すると、物体表面のプロフィルｆ
（ｘ，ｙ）は、図１を基にした簡単な幾何計算により、
次式により求めることができる。 ｆ（ｘ，ｙ）＝ｚ_o −（ｘ−ｘ_o ）tan θ（ｘ，ｙ） …（１）

【００１９】さて、合成画像の各画素がどのスリット光
によってコード化されたのかを決定できるようにするた
めに、図７に示すように予め測定対象の高さに一定の制
限を設けておき、合成画像の各画素の値から求められる
その画素に対応する物体表面の位置からスリット光回転
中心を見上げたときの仰角θ（ｘ，ｙ）の候補値θ
₁（ｘ，ｙ）〜θ_n （ｘ，ｙ）（ｎはスリット光の本
数）を用いて、物体表面プロフィルｆ（ｘ，ｙ）の候補
値ｆ₁ （ｘ，ｙ）〜ｆ_n （ｘ，ｙ）を次式により計算し
た時に、 ｆ_k （ｘ，ｙ）＝ｚ_o −（ｘ−ｘ_o ）tan θ_k （ｘ，ｙ） （ｋ＝１…ｎ） …（２） 測定対象の高さ制限内に入る候補値がただ１つとなるよ
うに、スリット光間の角度を設計しておく必要がある。

【００２０】図８はこのスリット光間の角度の求め方の
例を示した説明図である。スリット光ｌ₁ とスリット光
ｌ₂ とのなす角度は角度ω₁ よりも大きい必要がある。
ここで、角度ω₁ とは、スリット光ｌ₁ の初期照射位置
とテレビカメラ８とを結んだ線と高さ制限の高さとの交
点Ｂを、スリット光ｌ₁ が通過するときのスリット光の
回転角である。スリット光ｌ₁ とスリット光ｌ₂ とのな
す角度をこのように設定しないと、（２）式に基づいて
被測定対象の高さプロフィルの候補値を計算した時に、
高さ制限内に入る候補値がｆ₁ （ｘ，ｙ）とｆ₂ （ｘ，
ｙ）の２つになり、被測定対象の高さプロフィルｆ
（ｘ，ｙ）を一意に決定できないケースが起こり得るか
らである。また、スリット光ｌ_k とスリット光ｌ_k+1 と
のなす角度は同じ理由で角度ω_k よりも大きい必要があ
る。このようにして、各スリット光間の角度を満たすべ
き必要条件を求めることができる。実用上は、測定時に
スリット光を回転走査するので、測定対象の全面を走査
するためにはスリット光間の角度に差をつけても意味が
なく、前に求めた角度の条件の中の最大のものに合わせ
て各スリット間角度が一定になるように設計すれば良
い。また、測定時間を可能な限り短縮するという観点か
ら、スリット光間の角度は前記条件を満たす範囲内で可
能な限り小さいほうが望ましく、回転走査角度もスリッ
ト間角度を越える範囲で可能な限り小さいことが望まし
い。

【００２１】また、合成画像を基に形状を測定するにあ
たっては、前述のように各スリット光に対応する形状の
候補値を全て演算しても良いが、計算機のメモリに余裕
が有る場合には、合成画像のアドレスｘの１ライン上に
値ｃがコード化された場合の被測定対象の形状を図９に
示すような取り得る全てのｘとｃのマトリックステーブ
ルの形で予め計算して記憶しておき、測定時にこのテー
ブルを参照するようにすれば、形状をアドレス計算とメ
モリアクセスのみで求めることができるため、演算処理
を大幅に高速化できる。

【００２２】なお、本発明においては、被測定対象の表
面をスリット光の回転走査角度でコーディングするが、
その手段としては、必ずしも直接スリット光の回転走査
角度を測定する必要はなく、それと等価な例えば回転ミ
ラーの回転角速度が等速であるという前提のもとに回転
ミラーの走査開始後の時間等で被測定対象を一旦コーデ
ィングした後、これを演算処理してスリット光回転走査
差角度に変換してもよい。

【００２３】次に、本発明の一実施例を図４〜図６に基
づいて説明する。図４は前記実施例に係る３次元形状計
測装置の構成図である。測定の基準となる基準面１上に
被測定対象２が載置される。複数のスリット光源３から
出たスリット光列は、回転ミラー４で反射されて被測定
対象２に斜め上方より投光される。回転ミラー４はモー
タコントローラ５によって制御されるモータ６によって
駆動され、複数のスリット光３ａが基準面上の被測定対
象２を全面に亘って走査するように駆動される。この
時、回転ミラー４の回転中心軸の基準面１に対する位置
（ｘ_o ，ｙ_o ）は正確に測定されるものとする。また、
回転ミラー４の回転角度は、モータ６のシャフトに連動
して取り付けられた回転角度センサ７により検出される
ように構成されており、モータコントローラ５を介して
形状計測装置９に入力され、時々刻々のスリット光の走
査角度φが演算できるようになっている。

【００２４】一方、被測定対象２の表面は、光軸が基準
面１と直交するように配置されたテレビカメラ８によっ
て撮像され、得られるビデオ信号は形状計測装置９に入
力される。形状計測装置９は、大別して画像合成による
形状演算を行う画像演算手段としての形状演算回路１０
と、回転角度センサ７の出力からスリット光回転走査角
度φを演算して形状演算回路１０に入力するスリット光
回転走査角度演算回路１１と、モータコントローラ５に
対する指令や形状演算回路１０に対する演算タイミング
制御を行うシーケンスコントローラ１２からなってい
る。

【００２５】形状測定に際しては、形状計測装置９は外
部から与えられるスタート信号に基づいて、シーケンス
コントローラ１２を介してモータ６を駆動し、回転ミラ
ー４を初期位置にセットする。しかる後、回転ミラー４
の回転を開始し、複数のスリット光３ａによる走査を開
始する。形状演算回路１０はその入力部に、後述する画
像合成回路１３を有しており、複数のスリット光源３ａ
の走査開始と同時に、テレビカメラ８より入力されるビ
デオ信号を時々刻々処理して、画面内の各画素毎に、そ
の画素を１本乃至複数本のスリット光が通過した瞬間の
回転走査角度の中の１つを、スリット光回転走査角度演
算回路１１より読み込んでその画素の値とする画像合成
演算を複数のスリット光３ａの１走査期間中行う。

【００２６】合成画像φ（ｘ，ｙ）の演算完了後、形状
演算回路１０はシーケンスコントローラ１２の指示に基
づいて、高さ演算回路１４を用いて高さプロフィルｆ
（ｘ，ｙ）を演算し、このデータを３次元形状メモリ１
５に格納し、蓄積する。３次元形状メモリ１５に蓄えら
れた高さプロフィルデータは、上位の計算機システムの
指令に基づいて適宜計算機システムに転送される。

【００２７】本実施例においては、例えば図５に示すよ
うに１本のスリット光の投光角度に近い角度の斜面を持
った被測定対象２について測定すると、斜面の傾きがス
リット光の投光角度に非常に近いので、スリット光が図
中“１”で示す位置に来た時、斜面全体が一様に明るく
なる。しかし、この角度コーディングされた合成画像を
（１）式に基づいて演算すれば、図示のような測定結果
が得られる。このことから、スリット光の角度に近い面
を持った形状に対しても十分高い分解能が得られている
ことが分かる。従来このような画像から光切断線を抽出
することは先にも説明したように困難であり、このよう
な斜面に対して光切断法を適用しようとすると、測定精
度、空間分解能共に期待できなかったが、本実施例で
は、このような斜面に対しても、スリット光のビーム幅
乃至サンプリングピッチ程度の測定精度及び空間分解能
の測定が可能であり、被測定対象の高さに一定の制限が
設けられるという点を除けば、一般に、被測定対象の形
状に依らない形状測定が実現できる。

【００２８】図６は形状計測装置９の一構成要素である
画像合成回路１３の一例を示す構成図である。画像合成
回路１３は、テレビカメラ８より入力されるビデオ信号
を処理して各画素毎に、最も明るくなった瞬間の輝度を
演算する最大輝度画像演算部１８と、各画素が時間的に
最大の輝度をとる瞬間のスリット光回転走査角度φをそ
の画素の値とする画像合成演算を行う画像合成演算部１
９とから構成されており、これらの制御用として同期回
路２０、メモリアドレス発生回路２１及び出力制御回路
２２を備えている。

【００２９】最大輝度演算部１８は、最大輝度画像演算
のバッファメモリである最大輝度画像メモリ２３を中心
として同期回路２０より出力されるタイミング信号に基
づいてビデオ信号をＡ／Ｄ変換しディジタル化するＡ／
Ｄ変換回路２４、メモリアドレス発生回路２１より指定
される最大輝度画像メモリ２３のアドレスのデータの読
み出し、書き込みを制御する最大輝度画像メモリ制御回
路２５、更に、テレビカメラから入力される画像と最大
輝度メモリの画像の対比する画素の値を比較し、大きい
方の値を選択出力する比較回路２６及びスイッチ回路２
７から構成されている。

【００３０】一方、画像合成演算部１９は、合成画像演
算結果を格納する合成画像メモリ２８を中心として構成
されており、最大輝度画像演算部１８の中の比較回路２
６の出力信号に基づいて、テレビカメラから入力される
信号レベルがそれに対応する最大輝度画像メモリ２３の
アドレスの画素の値よりも大きかったときにそのスリッ
ト光回転走査角度φを合成画像メモリ２８に書き込む機
能を有する合成画像メモリ制御回路２９を備えている。
この回路は、演算の開始のタイミングで、最大輝度画像
メモリ１３及び合成画像メモリ２８が零にクリアされた
状態からスタートし、テレビカメラから入力されるビデ
オ信号をＡ／Ｄ変換回路２４を用いてディジタル化しな
がら、ビデオ信号の値と、その画素の位置に対応する最
大輝度画像メモリ１３の画素の値と比較してビデオ信号
の値の方が大きいときのみ最大輝度画像メモリ１３のそ
の画素の値をビデオ信号の値で更新すると同時に、合成
画像の対比する画素にそのときのスリット光回転走査角
度φを書き込む機能を有している。このようにして外部
からの演算制御信号によって指示されている間、上記の
演算が行われる結果、演算終了時に、合成画像メモリ２
８に、先に説明した所定の画像が生成されている。この
ようにして演算された合成画像は、出力制御回路２２を
介して、次の演算回路へと転送される。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、複数のス
リット光を用いた光切断法と同様の光学系を用いながら
も、スリット光回転走査角度をコーディングした被測定
対象の合成画像によりスリット光投光角度を求め３次元
形状を得るようにしたので、例えば被測定対象がスリッ
ト光の投光角度に近い角度の斜面の形状を持っている場
合であっても、そのような斜面に対してもスリット光の
ビーム幅乃至サンプリングピッチ程度の測定精度及び空
間分解能での測定が可能であり、被測定対象の高さに一
定の制限が必要なことを除けば、被測定対象の形状に依
らない形状測定ができる。

【００３２】また、本発明によれば、複数のスリット光
のストライプ状の反射パタンが被測定対象面上を移動し
ていく様子をテレビカメラで撮像し、画面内の各画素毎
にその画素に対応する物体表面の位置をスリット光が通
過した瞬間のスリット光回転走査角度をその画素の値と
する画像合成演算を行うが、この画像合成演算が成立
し、形状情報が正しく求められるための必要条件は、各
画素に対応する物体表面の位置の明るさが、１本乃至複
数本のスリット光がその位置を通過した瞬間のいずれか
のタイミングで最大となるという条件のみである。従っ
て、被測定対象の空間的な表面反射率のむらは測定に影
響を及ぼさないばかりでなく、背景光があったとして
も、或いは被測定対象自身が輻射光を発していたとして
も、その光量が時間的に一定でかつテレビカメラの信号
が飽和しない程度の明るさでありさえすれば、物体表面
上の各点の明るさはやはりスリット光が通過した瞬間に
最大になることから、測定対象の表面反射率や背景光・
輻射光の影響を受けない測定が可能である。

【００３３】また、本発明によれば、複数のスリット光
間の角度を対象の高さの制限から決まる下限の値よりも
大きく取ってさえおけば、正確な測定が原理的に保証さ
れるので、スリット光を時系列的に点滅させたり、発振
波長を変えたりするなど、投光側にスリット光のコード
化手段を設ける必要がなく、装置が簡素化される。そし
て、複数のスリット光間の角度を上記の制限の範囲内で
できる限り小さく設定しておけば、物体表面の全面を走
査するために必要なスリット走査角度はスリット光間角
度より僅かに大きいだけで済むので、１本のスリット光
で走査する場合と比較して、測定時間を大幅に短縮可能
である。更に、本発明によれば、合成画像から３次元形
状を演算する際にテーブル参照を用いることにより、ア
ドレス計算とメモリアクセスのみで形状を求めることが
可能なので、演算処理を高速に実行可能である。また、
この処理速度はスリット光の本数に原理的に依存しな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の測定原理を示す説明図である。

【図２】従来の光切断法の概念図である。

【図３】従来の光切断法の斜面角度による測定精度の変
化を示す概念図である。

【図４】本発明の一実施例に係る３次元形状計測装置の
構成図である。

【図５】斜面形状の測定例を示す説明図である。

【図６】図４の画像合成回路の詳細を示したブロック図
である。

【図７】高さ制限を用いた形状演算の原理図である。

【図８】スリット光間角度の設計法の概念図である。

【図９】形状演算に用いるマトリックステーブルの構成
図である。

【図１０】特開昭６２−６３８０４号公報に開示された
方式の概念図である。

【図１１】特開平４−２６５８０６号公報に開示された
方式の概念図である。

【図１２】特開平１−２５０７０７号公報に開示された
方式の概念図である。

【符号の説明】

１ 基準面 ２ 被測定対象 ３ スリット光源 ４ 回転ミラー ５ モータコントローラ ６ モータ ７ 回転角度センサ ８ テレビカメラ ９ 形状計測装置 １０ 形状演算回路 １１ 走査角度演算回路 １２ シーケンスコントローラ １３ 画像合成演算回路 １４ 高さ演算回路 １５ ３次元形状メモリ １８ 最大輝度画像演算部 １９ 合成画像演算部 ２０ 同期回路 ２１ メモリアドレス発生回路 ２２ 出力制御回路 ２３ 最大輝度画像メモリ ２４ Ａ／Ｄ変換回路 ２５ 最大輝度画像メモリ制御回路 ２６ 比較回路 ２７ スイッチ回路 ２８ 合成画像メモリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−264808（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G06T 7/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の線状スリット光を被測定対象の全
   面に亘って同時に回転走査する工程と、 スリット光の回転走査角度を測定する工程と、 被測定対象表面を撮像して得られるビデオ信号の画面内
   の各画素に対応する被測定対象表面の各位置毎に、その
   点を一本乃至複数本のスリット光が通過した瞬間の回転
   走査角度又はそれに相当する値の中の１つをその画素の
   値とする画像を合成する工程と、 前記合成画像に基づいて被測定対象の３次元曲面形状を
   測定する工程とを有することを特徴とする３次元曲面形
   状の測定方法。
2. 【請求項２】 被測定対象表面に同一直線上で交差する
   複数の線状のスリット光を投光するスリット光投光手段
   と、 該交差直線を基準面に平行に保ち、該交差直線を回転軸
   としてスリット光投光手段を回転させ、被測定対象表面
   の全面に亘ってスリット光を走査させる回転手段と、 スリット光の走査角度を測定するスリット光走査角度測
   定手段と、 被測定対象表面を、前記スリット光投光手段とは異なる
   方向から撮像するテレビカメラと、 該テレビカメラからのビデオ信号を処理して、画面内各
   画素に対応する被測定対象の各位置毎に、その点を１本
   乃至複数本のスリット光が通過した瞬間の走査角度の中
   の１つを、前記スリット光走査角度測定手段から読み込
   んで、その角度又はそれに相当する値をその画素の値と
   する画像を合成する画像合成手段と、 前記合成画像と被測定対象表面の存在範囲が奥行き方向
   に限定されることをもとに演算処理して被測定対象の３
   次元曲面形状を測定する画像演算手段とを有することを
   特徴とする３次元曲面形状の測定装置。
3. 【請求項３】 テレビカメラは、基準面に対して垂直な
   方向から被測定対象を撮像することを特徴とする請求項
   ２記載の３次元曲面形状の測定装置。
4. 【請求項４】 前記画像演算手段は、被測定対象表面に
   対してスリット光を走査したときに画像合成手段によっ
   て得られるスリット光走査角度画像φ（ｘ，ｙ）
   （（ｘ，ｙ）は基準面の座標）をもとに、各スリット光
   ｌ₁ 〜ｌ_n （ｎはスリット光の本数）の投光角度θ
   ₁ （ｘ，ｙ）〜θ_n （ｘ，ｙ）（合成画像の各画素がコ
   ード化された時のスリット光投光角度の候補値）を求
   め、更に、被測定対象表面の３次元形状ｆ（ｘ，ｙ）の
   候補値ｆ₁ （ｘ，ｙ）〜ｆ_n （ｘ，ｙ）を、基準面の原
   点に対するスリット光回転中心軸の水平変位ｘ_o 及び垂
   直変位ｚ_o を用いて、 ｆ_k （ｘ，ｙ）＝ｚ_o −（ｘ−ｘ_o ）tan θ_k （ｘ，ｙ） （ｋ＝１…ｎ） なる式に基づいて求め、予め設定されている高さの範囲
   内にある値をもってそれを３次元形状ｆ（ｘ，ｙ）とし
   て採用することを特徴とする請求項２記載の３次元曲面
   形状の測定装置。
5. 【請求項５】 前記画像演算手段は、被測定対象表面に
   対してスリット光を走査したときに画像合成手段によっ
   て得られるスリット光走査角度画像φ（ｘ，ｙ）の中の
   座標（ｘ，ｙ）に値ｃがコード化されている時の各スリ
   ット光ｌ₁ 〜ｌ_n の投光角度θ₁ （ｘ，ｙ）〜θ
   _n （ｘ，ｙ）を求め、さらに被測定対象表面の３次元形
   状ｆ（ｘ，ｙ）の候補値ｆ₁ （ｘ，ｙ）〜ｆ_n （ｘ，
   ｙ）を、基準面の原点に対するスリット光回転中心軸の
   水平変位ｘ_o 及び垂直変位ｚ_o を用いて、 ｆ_k （ｘ，ｙ）＝ｚ_o −（ｘ−ｘ_o ）tan θ_k （ｘ，ｙ） （ｋ＝１…ｎ） なる式に基づいて求め、設定されている高さの範囲内に
   ある値を選択することによって被測定対象の３次元形状
   ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）を予め求め、この関数関係ｚ＝ｇ
   （ｘ，ｃ）をマトリックステーブルとして記憶してお
   き、測定時には該テーブルを参照することにより３次元
   形状ｆ（ｘ，ｙ）を求めることを特徴とする請求項２記
   載の３次元曲面形状の測定装置。