JP3157001B2 - 3D shape measuring device - Google Patents

3D shape measuring device

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JP3157001B2
JP3157001B2 JP21588590A JP21588590A JP3157001B2 JP 3157001 B2 JP3157001 B2 JP 3157001B2 JP 21588590 A JP21588590 A JP 21588590A JP 21588590 A JP21588590 A JP 21588590A JP 3157001 B2 JP3157001 B2 JP 3157001B2
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dimensional shape
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grid pattern
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治 金子
徹 吉澤
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、測定対象物の表面の3次元形状を測定する
3次元形状測定装置、特に、測定対象物が生体であって
も、支障なくその表面の微細な3次元形状を測定するこ
との可能な3次元形状測定装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus for measuring the three-dimensional shape of the surface of a measurement object, and particularly, even if the measurement object is a living body. The present invention relates to a three-dimensional shape measuring device capable of measuring a fine three-dimensional shape of the surface.

生体表面のしわ等の微細な3次元形状が測定できれ
ば、例えば、しわ取りクリームの効果の客観的な評価が
可能となる。しかしながら、測定対象が生体であれば、
測定環境に後述するような種々の制約があり、また、深
さが数10〜100μmである小じわまで検出しその形状を
測定するためには10μmまでの分解能が要求される。
If a fine three-dimensional shape such as wrinkles on a living body surface can be measured, for example, the effect of the wrinkle removing cream can be objectively evaluated. However, if the measurement target is a living body,
The measurement environment has various restrictions as described below, and a resolution of up to 10 μm is required for detecting fine lines having a depth of several tens to 100 μm and measuring the shape.

本発明は、このような制約のある測定環境下において
も、要求される仕様を満足する測定が可能な3次元形状
測定装置に言及する。
The present invention refers to a three-dimensional shape measuring apparatus capable of performing measurement satisfying required specifications even under such a limited measurement environment.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

3次元形状の測定方法は、測定対象物に測定装置の一
部が接触した状態で形状の測定を行なう接触式と光等を
用いて非接触で測定を行なう非接触式とに大別される。
The three-dimensional shape measuring method is roughly classified into a contact type in which the shape is measured in a state where a part of the measuring device is in contact with an object to be measured and a non-contact type in which non-contact measurement is performed using light or the like. .

接触式は、例えば、測定対象の表面の各測定点につい
て触針の先端が測定対象に接触するまで触針を移動せし
め、その移動量を測定値とするものであり、測定対象物
が軟らかい物体の場合接触点を正しく決定することがむ
ずかしいことや膨大な測定時間を要する等の欠点があっ
て、生体表面の測定に採用することはできないが、測定
原理が極めて簡単で高精度であるため、他の測定方法の
精度を評価する基準となりうる方法である。
In the contact type, for example, the stylus is moved at each measurement point on the surface of the measurement object until the tip of the stylus comes into contact with the measurement object, and the amount of movement is used as a measurement value, and the measurement object is a soft object. In the case of, it is difficult to determine the contact point correctly and has drawbacks such as requiring an enormous amount of measurement time, it can not be adopted for the measurement of the biological surface, but because the measurement principle is extremely simple and high accuracy, This is a method that can serve as a standard for evaluating the accuracy of other measurement methods.

光を用いた非接触式は種々提案され実用化されている
が、代表的なものとして、光切断法、格子パターン投影
法、および縞走査法を挙げることができる。
Various non-contact methods using light have been proposed and put into practical use, and typical examples include a light cutting method, a grid pattern projection method, and a fringe scanning method.

光切断法は、測定対象にスリット状のレーザ光を投影
し、投影方向と異なる角度からそれを観察し、スリット
の変形状態から三次元形状を把握する計測法である。こ
の手法にはスリット光を移動させながら断面ごとの計測
を行なうため、測定対象全体を計測するのに多少時間を
要するという欠点がある。また計測精度としては画像計
測の一般的な精度(約0.5%)である。
The light cutting method is a measurement method in which a slit-shaped laser beam is projected onto a measurement object, observed from an angle different from the projection direction, and a three-dimensional shape is grasped from a deformed state of the slit. This method has the disadvantage that it takes some time to measure the entire measurement target because measurement is performed for each section while moving the slit light. The measurement accuracy is the general accuracy of image measurement (about 0.5%).

格子パターン投影法は、その計測原理が精密工学会
誌、53,(3),pp422−426に記載されており、上記の
光切断法のスリットを同時に複数投影するために、格子
パターンを描画したスライドをプロジェクタによって投
影するものである。投影した格子に番号を付けるため基
準となる中心の縞を他の縞より太くしている点が特徴で
ある。この計測法は物体の形状を短時間で把握でき、装
置構成が単純である(プロジェクタとカメラのみ)利点
があるが、複雑な形状や表面に模様などがある場合、縞
の認識が困難になるため計測ができない欠点がある。ま
た、格子上でしか測定点を得ることができないため、測
定点の密度が粗くなるという問題もある。測定値の精度
は切切断法と同様に0.5%程度である。
The measurement principle of the grating pattern projection method is described in the Journal of the Japan Society of Precision Engineering, 53 , (3), pp. 422-426. Is projected by a projector. The feature is that the reference central stripe is thicker than the other stripes in order to number the projected grid. This measurement method has the advantage that the shape of the object can be grasped in a short time and the device configuration is simple (only the projector and the camera). However, when there are complicated shapes or patterns on the surface, it becomes difficult to recognize the stripes. Therefore, there is a disadvantage that measurement cannot be performed. Further, since the measurement points can be obtained only on the grid, there is a problem that the density of the measurement points becomes coarse. The accuracy of the measured value is about 0.5% as in the case of the cutting method.

縞走査法は、正弦波状の強度分布を有する光の縞を、
縞の位相を3通り以上変えて測定対象に投影し、投影方
向とは異なる方向から3通り以上の位相についてそれぞ
れ撮影した画像を解析して測定値を得るものである。測
定に必要な正弦波状の強度分布を有する光の縞はレーザ
光を干渉させて形成し、干渉波の光路差を変えることに
よって縞の位相を変えるように構成される。また、干渉
計において光路長に光の波長のオーダーでの精度が要求
されるので除震装置上で測定が行なわれる。この手法は
格子パターン投影法のように測定点が強度最大である線
上のみにあるのでなく縞全体にわたって測定値が得られ
るという利点を有している。
In the fringe scanning method, light fringes having a sinusoidal intensity distribution are
The projection is performed on the measurement object while changing the phase of the fringe in three or more ways, and the image taken for each of the three or more phases from a direction different from the projection direction is analyzed to obtain a measured value. Light fringes having a sinusoidal intensity distribution required for measurement are formed by causing laser light to interfere, and the phase of the fringes is changed by changing the optical path difference of the interference wave. In addition, since the accuracy of the optical path length in the order of the wavelength of light is required in the interferometer, the measurement is performed on the vibration isolator. This method has an advantage that the measurement value can be obtained over the entire fringe, not only on the line having the maximum intensity as in the case of the grid pattern projection method.

ところで、測定対象が生体である場合には、次のよう
な測定環境または条件の制約が考えられる。
By the way, when the measurement target is a living body, the following restrictions on the measurement environment or conditions can be considered.

たとえば強度が強くなくてもエネルギーが集中する
レーザ光を照射すること、特に目の付近に照射すること
は危険であるので、レーザ光は使用できない。
For example, it is dangerous to irradiate a laser beam that concentrates energy even if the intensity is not high, especially to irradiate the vicinity of the eyes, so that the laser beam cannot be used.

試料を任意の大きさに切り出して試料台にセットす
るようなことはできない。
It is not possible to cut a sample into an arbitrary size and set it on a sample stage.

生体のもつゆらぎの影響を受けない短時間の間に計
測が完了しなければならない。
The measurement must be completed in a short time without being affected by the fluctuations of the living body.

前述したように深さ数10〜100μmの小じわまでを
検出対象とするためには10μm程度の奥行きの分解能が
要求される。
As described above, in order to detect fine lines with a depth of several tens to 100 μm, a resolution with a depth of about 10 μm is required.

生体の3次元形状を精密に把握するためには奥行き
の分解能だけでなく、拡がり方向の分解能もある程度要
求される。
In order to accurately grasp the three-dimensional shape of a living body, not only the resolution in the depth but also the resolution in the spreading direction is required to some extent.

これらの制約を考慮すると、まず、光切断法はレーザ
光を使用する点、測定時間がかかりすぎる点で、生体の
3次元形状の測定には適切な方法ではない。格子パター
ン投影法はの条件を満足するがの点で奥行きの分
解能が画素の粗さで決まるため分解能を上げることが技
術的に困難であり、また、の点で不適当である。縞走
査法はの条件を満足するが、光の波長のオーダで精
度良く光路長を変更しなければならないので測定に多少
の時間がかかること、およびレーザ光を使用する点で生
体の測定には適用できない。
Considering these restrictions, first, the light section method is not an appropriate method for measuring the three-dimensional shape of a living body because it uses a laser beam and takes too much measurement time. Although the grid pattern projection method satisfies the condition (1), it is technically difficult to increase the resolution because the depth resolution is determined by the roughness of the pixels. The fringe scanning method satisfies the following conditions, but it takes some time to measure because the optical path length must be changed with high accuracy on the order of the wavelength of light, and the measurement of living organisms requires the use of laser light. Not applicable.

一方、本発明者による精密工学会誌、55,(10),p18
17〜1822,1989記載の縞走査を導入した格子パターン投
影法は、後に詳述するが、格子パターン投影法に従っ
て、複数の平行なスリットからなる格子を測定対象に投
影し、それを撮影した画像における強度の分布が正弦波
とみなせるという発見に基づくものであり、前述の
の条件を満足するもので、生体の3次元形状の測定方
式として有望である。
On the other hand, the journal of the Japan Society of Precision Engineering, 55 , (10), p18
17 ~ 1822, 1989 grid pattern projection method that introduces the fringe scanning, which will be described in detail later, according to the grid pattern projection method, a grid consisting of a plurality of parallel slits is projected on a measurement target, and an image obtained by capturing the image. Is based on the discovery that the intensity distribution at can be regarded as a sine wave, which satisfies the above-mentioned conditions, and is promising as a method for measuring the three-dimensional shape of a living body.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

しかしながら、前述の論文に記述された装置構成によ
れば、測定対象を測定の座標軸に対して固定して測定を
行なうものであり、人体のような比較的大きな対象の一
部の測定を実現することはできず、の条件を満足する
ことができない。また、縞の位相が異なる複数の画像を
短時間で連続的に測定するための手段がなく、の条件
を満足することができない。
However, according to the apparatus configuration described in the above-mentioned paper, the measurement is performed with the measurement target fixed to the coordinate axis of the measurement, and the measurement of a part of a relatively large object such as a human body is realized. Cannot satisfy the condition of In addition, there is no means for continuously measuring a plurality of images having different fringe phases in a short time, and the above condition cannot be satisfied.

したがって本発明の目的は、前述の論文に記述された
手法を改良して、生体の3次元形状の測定に適した3次
元形状測定装置を提案することにある。
Accordingly, an object of the present invention is to propose a three-dimensional shape measuring apparatus suitable for measuring a three-dimensional shape of a living body by improving the method described in the above-mentioned paper.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

前述の目的を達成する本発明の3次元形状測定装置
は、可視光を発生する光源と、該光源と3次元形状測定
の基準点との間に、該光源の中心と該基準点とを結ぶ光
軸上に置かれた格子板であって、該可視光の少なくとも
一部を透過させるスリットが一定ピッチで複数本形成さ
れた格子板と、該格子板を透過した可視光を集光して、
該基準点付近にある測定対象の表面に格子パターンを結
像させる集光レンズと、該基準点を含む平面上に格子パ
ターンが結像されたとき該格子パターンが撮像可能な位
置に設置され、該測定対象の表面に形成された格子パタ
ーンを撮像して画像信号を出力する撮像手段と、該格子
パターンの位相を所定量ずつ移相すべく該格子板を該光
軸に対して直角方向に所定量ずつ移動せしめる格子板移
動手段と、該撮像手段が出力する画像信号を該格子板移
動手段に同期して複数の位相についてそれぞれ取り込
み、記憶する画像信号取込記憶手段と、該画像信号取込
記憶手段が記憶する複数の画像信号を解析して該測定対
象の3次元形状測定値を算出する解析手段とを具備する
ことを特徴とするものである。
A three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention that achieves the above object connects a center of the light source and the reference point between the light source that generates visible light and the reference point of the three-dimensional shape measurement. A grating plate placed on the optical axis, a grating plate formed with a plurality of slits that transmit at least a part of the visible light at a constant pitch, and condensing visible light transmitted through the grating plate. ,
A condenser lens that forms a grid pattern on the surface of the measurement target near the reference point, and is installed at a position where the grid pattern can be imaged when the grid pattern is formed on a plane including the reference point, Imaging means for imaging a grid pattern formed on the surface of the measurement object and outputting an image signal; and moving the grid plate in a direction perpendicular to the optical axis to shift the phase of the grid pattern by a predetermined amount. A grid plate moving means for moving the image signal by a predetermined amount; an image signal taking / storing means for taking and storing image signals output from the imaging means for a plurality of phases in synchronization with the grid plate moving means; Analysis means for analyzing a plurality of image signals stored in the embedded storage means and calculating a three-dimensional shape measurement value of the measurement object.

〔作 用〕(Operation)

例えば、基準点に置かれた平面上に格子パターンを結
像させ、この格子パターンが撮像できるように撮像手段
の位置を調節しておけば、測定対象をこの基準点付近で
レンズの焦点深度の範囲内に配置すれば直ちに測定が可
能であるので、生体のような試料台の所望の位置に正確
に固定することができない対象物の測定が容易である。
また、格子板は例えば後述するように0.1mm程度のオー
ダの距離で移動すれば良いので、モータ等の移動手段に
より迅速な移動が可能であり、比較的短時間で位相の異
なる複数の画像が得られ、生体のようなゆらぎのある対
象の測定も可能である。
For example, if a grid pattern is imaged on a plane placed at a reference point, and the position of the imaging means is adjusted so that the grid pattern can be imaged, the measurement object can be moved near the reference point with the depth of focus of the lens. Since the measurement can be performed immediately if it is located within the range, it is easy to measure an object such as a living body that cannot be accurately fixed to a desired position on a sample table.
Further, since the grating plate may be moved at a distance on the order of about 0.1 mm, for example, as described later, it is possible to move quickly by moving means such as a motor, and a plurality of images having different phases can be obtained in a relatively short time. Obtained, it is possible to measure a subject having fluctuation such as a living body.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明の3次元形状測定装置の一実施例の概
略構成を表わす図である。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an embodiment of a three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention.

プロジェクタ6からの光は格子板5を経て複数の等間
隔のスリット状光束となり、プロジェクタレンズ2で集
光されて測定対象上に格子パターンが結像される。格子
板5はガラス板上に格子パターンを転写製版により形成
したものである。CCDカメラ4はこの測定対象上に結像
された格子パターンを撮影可能な位置に設置されてい
る。CCDカメラ4が出力する画像信号はコンピュータ16
からの指令に従って画像入出力装置14へ一担記憶され、
コンピュータ16へ入力される。格子移動用モータ1は、
コンピュータ16からの制御信号に基づいてモータ駆動装
置15が出力する駆動電流により、格子板5上の格子のピ
ッチの1/4に相当する長さを単位として格子板5を光軸
に直角な方向へ移動させるように設計されている。プロ
ジェクタレンズ2も、モータ駆動装置15で駆動されるプ
ロジェクタレンズ移動用モータ3で光軸方向に移動可能
である。プロジェクタ6、格子移動用モータ1、プロジ
ェクタレンズ移動用モータ3、およびCCDカメラ4は前
後方向移動用ステージ7上の所定の位置に固定されてお
り、前後方向移動用ステージ7は左右方向移動用ステー
ジ8上に載せられ、左右方向移動用ステージ8は上下方
向移動用ステージ9上に載せられている。したがって装
置全体の位置はつまみ10,11,12を手動調節することによ
り調節可能である。また、電動モータ等の駆動手段を設
けて、コンピュータ16からの制御信号により調節可能と
することもできる。
The light from the projector 6 passes through the grid plate 5 to form a plurality of equally spaced slit-like luminous fluxes, is condensed by the projector lens 2, and forms a grid pattern on the measurement target. The grid plate 5 is formed by forming a grid pattern on a glass plate by transfer plate making. The CCD camera 4 is installed at a position where the lattice pattern formed on the object to be measured can be photographed. The image signal output from the CCD camera 4 is transmitted to the computer 16
Is stored in the image input / output device 14 in accordance with a command from
Input to the computer 16. The grid moving motor 1
A driving current output from the motor driving device 15 based on a control signal from the computer 16 causes the grid plate 5 to move in a direction perpendicular to the optical axis in units of a length corresponding to / 4 of the pitch of the grid on the grid plate 5. Designed to move to The projector lens 2 can also be moved in the optical axis direction by a projector lens moving motor 3 driven by a motor driving device 15. The projector 6, the grid moving motor 1, the projector lens moving motor 3, and the CCD camera 4 are fixed at predetermined positions on a front-rear movement stage 7, and the front-rear movement stage 7 is a left-right movement stage. The stage 8 for horizontal movement is mounted on a stage 9 for vertical movement. Therefore, the position of the entire device can be adjusted by manually adjusting the knobs 10, 11, 12. In addition, a drive unit such as an electric motor may be provided so that the drive unit can be adjusted by a control signal from the computer 16.

次に光学系の調整方法について説明する。第2図に示
すように十字パターン30が描かれた基準面32を光軸に垂
直に十字の交点が光軸に一致し、かつ十字の横線が水平
になるように置く。この基準面32の十字の交点が3次元
形状測定の基準点となる。次に、コンピュータ16上のキ
ーボード(図示せず)を操作してモータ駆動装置15およ
びプロジェクタレンズ移動用モータ3を介してプロジェ
クタレンズ2を光軸方向に前後に動かして基準面32上の
格子パターン(図示せず)を明瞭にし、かつ、格子が十
字パターン30の横線に平行になるように格子板5の傾き
を調節する。CCDカメラ4で基準面32上の十字パターン3
0を撮影し、その画像30′をコンピュータ16のディスプ
レイ上に連続的に十字カーソル34と共に表示させる。こ
の状態でCCDカメラ4のレンズのフォーカスを調節して
画像30′を明瞭にするとともにCCDカメラ4の向きおよ
び位置を調節して画像30′とカーソル34を一致させる。
なおこのとき、基準点とプロジェクタレンズ2の主点と
CCDカメラ4のレンズの主点とを結ぶ3角形はプロジェ
クタレンズ2の主点を直角の頂点とする直角3角形にな
るように配置する。
Next, a method of adjusting the optical system will be described. As shown in FIG. 2, the reference plane 32 on which the cross pattern 30 is drawn is placed perpendicular to the optical axis so that the intersection of the cross matches the optical axis and the horizontal line of the cross is horizontal. The intersection of the crosses of the reference plane 32 is a reference point for three-dimensional shape measurement. Next, the keyboard (not shown) on the computer 16 is operated to move the projector lens 2 back and forth in the optical axis direction via the motor driving device 15 and the projector lens moving motor 3 so as to move the grid pattern on the reference plane 32. (Not shown) and the inclination of the grid plate 5 is adjusted so that the grid is parallel to the horizontal line of the cross pattern 30. Cross pattern 3 on reference plane 32 with CCD camera 4
0 is photographed, and the image 30 'is continuously displayed on the display of the computer 16 together with the cross cursor 34. In this state, the image 30 'is clarified by adjusting the focus of the lens of the CCD camera 4, and the direction and the position of the CCD camera 4 are adjusted so that the image 30' matches the cursor 34.
At this time, the reference point and the principal point of the projector lens 2 are
The triangle connecting the principal point of the lens of the CCD camera 4 is arranged to be a right triangle with the principal point of the projector lens 2 as a vertex of a right angle.

以上で光学系の調節は完了し、このときの基準点とプ
ロジェクタレンズ2の主点との距離a、プロジェクタレ
ンズ2の主点とCCDカメラ4のレンズの主点との距離
b、ディスプレイ上の十字パターン30′の長さと十字パ
ターン30の実長との比m、32上に投影された格子のピッ
チpを測定してコンピュータ16へ入力しておく。
Thus, the adjustment of the optical system is completed. At this time, the distance a between the reference point and the principal point of the projector lens 2, the distance b between the principal point of the projector lens 2 and the principal point of the lens of the CCD camera 4, The ratio m between the length of the cross pattern 30 'and the actual length of the cross pattern 30 and the pitch p of the grid projected on 32 are measured and input to the computer 16.

測定にあたっては測定対象者の例えば頭を第1図に示
したようにあごを所定の台(図示せず)に載せて固定す
る。なお、この台は例えば測定対象部位が目尻であれば
測定対象者の目尻が基準点近くになるように配置されて
おり、つまり10,11,12を調節することによって寸法の個
人差に対応する。
In the measurement, for example, the head of the person to be measured is placed on a predetermined table (not shown) and fixed as shown in FIG. In addition, this table is arranged such that, for example, if the measurement target portion is the outer corner of the eye, the outer corner of the eye of the measurement target is near the reference point, that is, by adjusting 10, 11, 12 to correspond to individual differences in dimensions. .

次に、測定対象部位に格子パターンを投影し、それを
CCDカメラ4で撮影する。このとき、プロジェクタレン
ズ2の焦点深度が充分でなく格子の像がぼやける場合に
は、コンピュータ16のキーボードからの指令でプロジェ
クタレンズ2の位置を微調節してピントを合わせる様に
しても良い。これらの準備が完了したら、コンピュータ
16のキーボードから測定スタートの指令を入力すると、
コンピュータ16から格子移動信号が出力され、モータ駆
動装置15および格子移動用モータ1を介して格子板5が
鉛直方向に動く。格子板5が格子のピッチの1/4の距離
だけ動く毎に画像信号が取り込まれ、格子の位相が1/4
ずつずれた4枚の画像データが入力される。
Next, project the grid pattern on the measurement target site, and
Take a picture with the CCD camera 4. At this time, if the depth of focus of the projector lens 2 is not sufficient and the image of the grid is blurred, the position of the projector lens 2 may be finely adjusted by a command from the keyboard of the computer 16 to achieve focus. Once these preparations are complete, the computer
When a measurement start command is input from the 16 keyboards,
A lattice movement signal is output from the computer 16, and the lattice plate 5 moves in the vertical direction via the motor driving device 15 and the lattice movement motor 1. Each time the grating plate 5 moves by a distance of 1/4 of the grating pitch, an image signal is captured, and the phase of the grating is reduced by 1/4.
Four pieces of image data that are deviated from each other are input.

コンピュータ16は前述の精密工学会誌、55,(10),p
1817〜1822,1989に記載された手法に従って、入力され
た画像データおよび定数から3次元形状の測定値を算出
する。この種法の概略を以下に説明する。
Computer 16 is described in the aforementioned Journal of Precision Engineering, 55 , (10), p.
According to the method described in 1817 to 1822, 1989, a measured value of a three-dimensional shape is calculated from input image data and constants. The outline of this method is described below.

縞走査法によれば、正弦波状の強度分布を有する縞を
測定対象に投影し、投影方向とは異る方向から観察する
とき、測定対象の形状に応じて縞の位相が変調されて観
察される。観察する2次元平面上の各点(x,y)におけ
る変調分すなわち位相量αは により2次元平面上の各点(x,y)における強度I0,I1,I
2,I3から算出される。ただし、I0〜I3は投影する縞の位
相を90゜ずつずらした時の各点(x,y)における強度で
ある。なお、この例では、4通りの位相について測定し
た強度からαを算出しているが、それ以上の数の位相に
ついて測定し、それからαを算出することも可能であ
り、そうすることによって精度が向上する。
According to the fringe scanning method, when a fringe having a sinusoidal intensity distribution is projected onto a measurement target and observed from a direction different from the projection direction, the phase of the fringe is modulated according to the shape of the measurement target and observed. You. The modulation amount at each point (x, y) on the two-dimensional plane to be observed, that is, the phase amount α is , The intensity I 0 , I 1 , I at each point (x, y) on the two-dimensional plane
2 , calculated from I 3 . Here, I 0 to I 3 are the intensity at each point (x, y) when the phase of the stripe to be projected is shifted by 90 °. In this example, α is calculated from the intensities measured for the four types of phases. However, it is also possible to measure α for more phases and calculate α based on the measured values. improves.

一般の縞走査法においては、前述したようにこの正弦
波状の強度分布を有する縞を得るのにレーザ光を干渉さ
せて得ており、縞の位相の変化は干渉波の光路長を光の
波長のオーダで変化させて得ている。
In the general fringe scanning method, as described above, a laser beam is caused to interfere to obtain a fringe having this sinusoidal intensity distribution, and the phase change of the fringe is obtained by changing the optical path length of the interference wave to the wavelength of the light. It is obtained by changing the order.

一方、前述の本発明者による論文によれば、格子パタ
ーンを投影しCCDカメラで撮影しA/D変換して得られるデ
ータは正弦波状の分布にほぼ近く、正弦波との差は基本
周波数の2倍の周期を持っていることが実験的に確認さ
れ、さらにこの差は測定結果に影響を与えないことが示
された。
On the other hand, according to the above-mentioned paper by the present inventor, data obtained by projecting a lattice pattern, photographing with a CCD camera, and performing A / D conversion is almost close to a sinusoidal distribution, and the difference from the sinusoidal wave is the fundamental frequency. It was experimentally confirmed to have twice the period, further indicating that this difference did not affect the measurement results.

また、パターンの形状および濃淡が適切に与えられた
格子板を使用すれば、完全な正弦波の強度分布を持つ縞
が得られるものと考えられる。
Further, it is considered that a fringe having a perfect sine wave intensity distribution can be obtained by using a grid plate having an appropriate pattern shape and shading.

前述のようにして算出されたαの値を使って、各点
(x,y)に対応する測定対象表面上の点の三次元座標値
X,Y,Zは X=−sx (2) Y=b+s(−c−y cosφ) (3) Z=a+s(−d+y sinφ) (4) s=(−b cosθ)/u (5) θ=tan-1(pα/a) (6) u=(−c−y cosφ)cosθ +(−d+y sinφ)sinθ (7) c=am (9) d=bm (10) で算出することができる。ただし前述したようにaは基
準点からプロジェクタレンズ2の主点までの距離、bは
プロジェクタレンズ2の主点からCCDカメラ4のレンズ
の主点までの距離、mは画像の長さと基準面上の実長と
の比、pは基準面に投影された格子のピッチである。
Using the value of α calculated as described above, the three-dimensional coordinate value of the point on the surface to be measured corresponding to each point (x, y)
X, Y and Z are as follows: X = −sx (2) Y = b + s (−cy cosφ) (3) Z = a + s (−d + y sinφ) (4) s = (− b cosθ) / u (5) θ = Tan -1 (pα / a) (6) u = (− cy cosφ) cosθ + (− d + y sinφ) sinθ (7) c = am (9) d = bm (10) However, as described above, a is the distance from the reference point to the principal point of the projector lens 2, b is the distance from the principal point of the projector lens 2 to the principal point of the lens of the CCD camera 4, and m is the length of the image and the reference plane. Is the pitch of the grating projected on the reference plane.

格子板5のピッチとして例えば1/3mm程度のものを使
用する場合に1/12mmずつの移動であり、格子移動用モー
タ1で正確かつ迅速に格子板5を移動することができ、
測定対象の拘束時間を1秒以内にすることができた。
When the pitch of the grid plate 5 is, for example, about 1/3 mm, the movement is 1/12 mm, and the grid moving motor 1 can move the grid plate 5 accurately and quickly.
The restraint time of the object to be measured could be made within 1 second.

第3図〜第6図は生体の各部位について測定した結果
を3次元プロットの形でプロッタで直接出力して得られ
たものの複写である。
FIG. 3 to FIG. 6 are copies of the results obtained by directly outputting the results measured for each part of the living body in the form of a three-dimensional plot with a plotter.

第3図は手のひら、第4図は親指第1関節の爪側の表
面、第5図は目尻に浅いしわのある対象者の目尻の部
分、第6図は深いしわのある対象者の目尻の部分につい
ての測定結果である。
FIG. 3 shows the palm, FIG. 4 shows the nail surface of the first joint of the thumb, FIG. 5 shows the corner of the eye of a subject with shallow wrinkles at the corner of the eye, and FIG. 6 shows the corner of the eye of the subject with a deep wrinkle. It is a measurement result about a part.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上述べてきたように本発明によれば、従来様々な理
由で測定不可能であった生体の表面部の3次元形状を、
安価な装置で迅速に測定することが可能となった。
As described above, according to the present invention, the three-dimensional shape of the surface of the living body, which has conventionally been impossible to measure for various reasons,
It became possible to measure quickly with an inexpensive device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の一実施例を表わす図、 第2図は第1図の装置において光学系の調整方法を説明
するための図、 第3図〜第6図は第1図の装置により生体の各部位の3
次元形状を測定した結果を表わす図。 図において、 1……格子移動用モータ、 2……プロジェクタレンズ、 3……プロジェクタ移動用モータ、 4……CCDカメラ、5……格子板、 6……プロジェクタ。
FIG. 1 is a view showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view for explaining a method of adjusting an optical system in the apparatus of FIG. 1, and FIGS. 3 to 6 are based on the apparatus of FIG. 3 of each part of the living body
The figure showing the result of having measured a dimensional shape. In the drawing, 1 ... a grid moving motor, 2 ... a projector lens, 3 ... a projector moving motor, 4 ... a CCD camera, 5 ... a grid plate, 6 ... a projector.

フロントページの続き (56)参考文献 小松原良平 外1名「縞走査を導入し た格子パターン投影法」、精密工学会 誌、社団法人精密工学会、平成元年10月 5日、第55巻、第10号(通巻658号)、 第1817−1822頁。 吉澤徹、外1名「格子パターン投影に よる三次元形状の自動測定」、精密工学 会誌、社団法人精密工学会、昭和62年3 月5日、第53巻、第3号(通巻627号)、 第422−426頁。Continuing on the front page (56) References Ryohei Komatsuhara, et al., “Grating pattern projection method using fringe scanning”, Japan Society of Precision Engineering, Japan Society for Precision Engineering, October 5, 1989, Vol. 55, No. 10 (Vol. 658), pp. 1817-1822. Toru Yoshizawa, et al. “Automatic measurement of three-dimensional shape by grid pattern projection”, Journal of Precision Engineering, Japan Society of Precision Engineering, March 5, 1987, Vol. 53, No. 3 (Vol. 627) Pp. 422-426.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】可視光を発生する光源(6)と、 該光源(6)と3次元形状測定の基準点との間に、該光
源(6)の中心と該基準点とを結ぶ光軸上に置かれた格
子板(5)であって、該可視光の少なくとも一部を透過
させるスリットが一定ピッチで複数本形成された格子板
(5)と、 該格子板(5)を透過した可視光を集光して、該基準点
付近にある測定対象(20)の表面に格子パターンを結像
させる集光レンズ(2)と、 該基準点を含む平面上に格子パターンが結像されたとき
該格子パターンが撮像可能な位置に設置され、該測定対
象(20)の表面に形成された格子パターンを撮像して画
像信号を出力する撮像手段(4)と、 該格子パターンの位相を所定量ずつ移相すべく該格子板
(5)を、該測定対象(20)をなす目尻の表面のゆらぎ
が測定結果に実質的に影響を与えない速さで、該光軸に
対して直角方向に所定量ずつ移動せしめる格子板移動手
段(1)と、 該撮像手段(4)が出力する画像信号を該格子板移動手
段(1)に同期して複数の位相についてそれぞれ取り込
み記憶する画像信号取込記憶手段(14)と、 該画像信号取込記憶手段(14)が記憶する複数の画像信
号を解析して該測定対象(20)の3次元形状測定値を算
出する解析手段(16)とを具備することを特徴とする、
目尻を対象とする形状測定が可能な3次元形状測定装
置。
An optical axis connecting a center of the light source (6) and the reference point between the light source (6) for generating visible light and a reference point for three-dimensional shape measurement. A grid plate (5) placed thereon, wherein a plurality of slits for transmitting at least a part of the visible light are formed at a constant pitch, and the grid plate (5) is transmitted through the grid plate (5). A condenser lens (2) for condensing visible light to form a grid pattern on the surface of the measurement object (20) near the reference point; and a grid pattern formed on a plane including the reference point. An imaging means (4) which is installed at a position where the grid pattern can be imaged and which picks up the grid pattern formed on the surface of the measuring object (20) and outputs an image signal; The lattice plate (5) is phase-shifted by a predetermined amount, and the fluctuation of the surface of the outer corner of the eye forming the measurement object (20) is measured. A grating plate moving means (1) for moving a predetermined amount in a direction perpendicular to the optical axis at a speed that does not substantially affect the fixed result; and an image signal output by the imaging means (4). An image signal acquisition and storage means (14) for acquiring and storing a plurality of phases in synchronization with the lattice plate moving means (1), and analyzing a plurality of image signals stored in the image signal acquisition and storage means (14). Analysis means (16) for calculating a three-dimensional shape measurement value of the measurement object (20).
A three-dimensional shape measurement device capable of measuring the shape of the outer corner of the eye.
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吉澤徹、外1名「格子パターン投影による三次元形状の自動測定」、精密工学会誌、社団法人精密工学会、昭和62年3月5日、第53巻、第3号(通巻627号)、第422−426頁。
小松原良平 外1名「縞走査を導入した格子パターン投影法」、精密工学会誌、社団法人精密工学会、平成元年10月5日、第55巻、第10号(通巻658号)、第1817−1822頁。

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