JP3554264B2

JP3554264B2 - ３次元画像生成装置及び同方法

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Publication number: JP3554264B2
Application number: JP2000284518A
Authority: JP
Inventors: 敏鈴木; 利久高井; 素和村越
Original assignee: Pulstec Industrial Co Ltd
Current assignee: Pulstec Industrial Co Ltd
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2020-09-20
Also published as: JP2002092632A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物の３次元画像を生成する３次元画像生成装置及び同方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、対象物に向けて方向を変更しながら光ビームを放射して同対象物の表面に順次位置を変えながら照射スポットを形成し、対象物の表面からの反射光を集光して一列に配置された複数の受光素子からなるラインセンサ上に結像させ、対象物の表面に対する光ビームの各照射スポットの位置毎に、前記光ビームの放射方向に基づいて同光ビームにほぼ直交する仮想的な平面上における照射スポットの２次元位置を表すＸ，Ｙ軸方向の座標データを計算するとともに、前記ラインセンサによって検出された反射光の受光位置に基づいて３角測量法を用いて前記仮想的な平面に直交する方向に沿った前記光ビーム放射手段から前記対象物の表面における照射スポットまでの距離を表すＺ軸方向の座標データを計算し、これらのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の座標データからなる対象物の表面に関する３次元座標データに基づいて対象物の３次元画像を生成する３次元画像生成装置及び同方法はよく知られている。
【０００３】
また、近年、例えば特開平９−２１０６４６号公報に示されているように、前記３次元座標データにより生成した３次元画像に、ビデオカメラによって撮影した２次元画像を合成して、前記３次元画像に陰影を付することも行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記３次元画像に陰影を付すための合成においては、対象物の２次元画像を表す２次元画像データを得るためのビデオカメラなどの特別の機器を必要とする。また、３次元座標データにより生成した３次元画像と、ビデオカメラによって撮影した２次元画像とを合成するための位置合わせを必要とするが、この位置合わせによる誤差が発生するという問題もあった。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、３次元座標データにより生成した３次元画像に陰影を正確かつ簡単に付することができる３次元画像生成装置及び同方法を提供することにある。
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の構成上の特徴は、対象物に向けて光ビームを放射して同対象物の表面に照射スポットを形成する光ビーム放射手段と、前記光ビームの放射方向を変更して前記対象物の表面に形成される照射スポットの位置を変更する放射方向変更手段と、前記対象物の表面からの反射光を集光して結像する結像手段と、前記結像手段による反射光の結像位置に一列に配置された複数の受光素子からなるラインセンサと、前記対象物の表面に対する光ビームの各照射スポットの位置毎に、前記光ビームの放射方向及び前記ラインセンサによって検出される反射光の受光位置に基づいて前記対象物の表面に関する３次元座標データを計算する座標変換手段と、前記各照射スポットの位置毎に計算した各３次元座標データに基づいて前記対象物の３次元画像を生成する画像処理手段とを備えた３次元画像生成装置において、前記対象物の表面に対する光ビームの各照射スポットの位置毎に、前記ラインセンサによって検出された反射光の受光幅を計測する受光幅計測手段を設け、前記画像処理手段は、前記各照射スポットの位置毎に計測した反射光の受光幅を、前記対象物の表面の陰影を表す陰影情報として利用して前記対象物の３次元画像を生成するようにしたことにある。
【０００７】
この場合、例えば、３次元座標データは、前記光ビーム放射手段によって放射された光ビームにほぼ直交する仮想的なＸ，Ｙ平面上における照射スポットの２次元位置を表すＸ，Ｙ軸方向の座標データと、前記仮想的な平面に直交する方向に沿った前記光ビーム放射手段から前記対象物の表面における照射スポットまでの距離を表すＺ軸方向の座標データとからなり、前記座標変換手段は、前記光ビームの放射方向に基づいて前記Ｘ，Ｙ軸方向の座標データを計算するとともに、前記ラインセンサによって検出される反射光の受光位置に基づいて３角測量法を用いて前記Ｚ軸方向の座標データを計算するものである。
【０００８】
また、前記ラインセンサによる反射光の受光位置は、例えば、同ラインセンサを構成する全ての受光素子のうちで閾値を越える量の反射光を受光した複数の受光素子の平均的な位置により検出され得る。また、前記ラインセンサによる反射光の受光幅は、同ラインセンサを構成する全ての受光素子のうちで閾値を越える量の反射光を受光した受光素子の数をカウントすることにより計測され得る。
【０００９】
本発明は、対象物の表面が明るくなるほど同表面の照射スポットからの反射光の散乱の度合いが大きくなるという現象に着目したものであり、前記受光幅計測手段は、ラインセンサによる反射光の受光幅を計測することにより、前記反射光の散乱の程度、すなわち対象物表面の明るさを照射スポット位置毎に検出することになる。そして、画像処理手段にて、前記各照射スポットの位置毎に計測した反射光の受光幅が、前記対象物の表面の陰影を表す陰影情報として利用されて対象物の３次元画像が生成される。この場合、前記計測された受光幅は、各照射スポットの位置毎に検出されたものであって、各３次元座標データと対応しているので、３次元座標データに基づく対象物の３次元画像の生成に同受光幅を対象物の表面の陰影を表す陰影情報として利用する際、３次元座標データに基づく対象物の３次元画像と陰影情報により表される陰影との位置合わせの必要性がなくなると同時に、同位置合わせによる誤差もなくなる。また、陰影情報を入手するビデオカメラなどの特別な機器も必要ない。その結果、本発明によれば、３次元座標データにより生成した３次元画像に陰影を正確かつ簡単に付することができる。
【００１０】
ただし、３次元画像に、より正確な陰影を付加したり、正確な色彩を付加する場合などには、対象物の２次元画像を取得可能なビデオカメラ、ＣＣＤカメラなどの２次元画像取得手段を前記３次元画像生成装置に併用することもできる。この場合、前記陰影情報としての計測受光幅を表す情報を前記２次元画像取得手段にて取得した２次元画像との位置合わせにも利用できる。
【００１１】
また、本発明の他の構成上の特徴は、前記３次元画像生成装置の座標変換手段に、前記受光幅計測手段によって計測された反射光の受光幅に基づいて、前記計算される３次元座標データのうちで前記光ビーム放射手段から前記対象物の表面までの距離に関する座標データを補正する補正手段を設けたことにある。なお、この場合、座標データは、前述したＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の座標データのうちのＺ軸方向の座標データに相当する。
【００１２】
これは、前記反射光の受光幅が大きくなるにしたがって、すなわち反射光の散乱の程度が大きくなるにしたがって、前記光ビーム放射手段から前記対象物の表面までの距離に対応するラインセンサによる受光位置が、前記反射光を受光している複数の受光素子の中心位置からずれることに基づくものである。本発明者等は、実験により、前記距離に対応するラインセンサによる受光位置は、反射光の散乱の程度が大きくなるにしたがって、前記反射光を受光している複数の受光素子の中心位置が本来の受光位置に対して大きくずれることを確認している。前記他の構成上の特徴によれば、補正手段が前記ずれを補正するので、前記光ビーム放射手段から前記対象物の表面までの距離に関する座標データは、同距離に正確に一致することになる。したがって、前記陰影情報を検出するために、前記反射光の受光幅が大きくなる光ビームを用いても、高精度の座標データを得ることができ、正確な３次元画像を得ることができる。
【００１３】
また、本発明の他の構成上の特徴は、対象物に向けて方向を変更しながら光ビームを放射して同対象物の表面に順次位置を変えながら照射スポットを形成し、前記対象物の表面からの反射光を集光して一列に配置された複数の受光素子からなるラインセンサ上に結像させ、前記対象物の表面に対する光ビームの各照射スポットの位置毎に、前記光ビームの放射方向及び前記ラインセンサによる反射光の受光位置に基づいて前記対象物の表面に関する３次元座標データを計算して、前記各照射スポットの位置毎に計算した各３次元座標データに基づいて前記対象物の３次元画像を生成するようにした３次元画像生成方法において、前記ラインセンサによる反射光の受光幅を計測し、前記計測した受光幅を前記対象物の表面の陰影を表す陰影情報として利用して前記対象物の３次元画像を生成するようにしたことにもある。
【００１４】
さらに、本発明の他の構成上の特徴は、前記３次元画像生成方法において、前記計測した受光幅に基づいて、前記計算される３次元座標データのうちで前記光ビーム放射手段から前記対象物の表面までの距離に関する座標データを補正するようにしたことにもある。
【００１５】
これらの３次元画像生成方法に関する発明は、上記３次元画像生成装置の各構成上の特徴に対応するものであり、これによっても、同３次元画像生成装置と同様な作用効果が期待される。
【００１６】
【実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明すると、図１は同実施形態に係る３次元画像生成装置の概略斜視図である。この３次元画像生成装置は、対象物１０の表面の形状を測定して同測定データを出力する形状測定装置１００と、同装置１００から出力された測定データを処理するコンピュータ本体２００と、同コンピュータ本体２００により制御されて対象物の３次元画像を表示する表示装置３００とを備えている。これらの形状測定装置１００、コンピュータ本体２００及び表示装置３００は、ケーブル２０によって直列に接続されている。
【００１７】
形状測定装置１００は、正面に長窓１０１を形成した方形状のハウジング１０２を備えている。ハウジング１０２内には、水平ピン１０３により同ピン１０３の軸線回りに回動可能にハウジング１０２に支持された枠体１０４が収容されている。枠体１０４は、その後方に設けた電動モータ１０５、スクリューシャフト１０６及びボールナット１０７等からなる駆動機構により、水平ピン１０３の軸線回りに回動するようになっている。
【００１８】
電動モータ１０５は、ハウジング１０２に固定されていて、その回転をベルト１０８を介してスクリューシャフト１０６に伝達して、同シャフト１０６を軸線回りに回転させる。スクリューシャフト１０６は、ハウジング１０２に固定された支持部材１０９により、軸線回りに回転可能かつ軸線方向に変位不能に支持されている。ボールナット１０７は、スクリューシャフト１０６の上部外周面上に螺合しているとともに、枠体１０４により軸線回りの回転が禁止された状態で同枠体１０４に前後方向へ変位可能かつ上下方向に一体的に変位するように組み付けられている。これにより、電動モータ１０５が回転すると、スクリューシャフト１０６が軸線回りに回転し、ボールナット１０７がスクリューシャフト１０６の外周面上を上下動して枠体１０４の後端上部を上下動させるので、枠体１０４は水平ピン１０３の軸線回り（Ｘ軸回り）に回動する。
【００１９】
また、電動モータ１０５には回転角センサ１１０が組み付けられており、同センサ１１０は同モータ１０５の回転角を検出する。なお、電動モータ１０５の回転角は前記枠体１０４の水平ピン１０３回りの回動角にも対応しており、回転角センサ１１０は前記枠体１０４の水平ピン１０３の軸線回り（Ｘ軸回り）の回動角を検出していることにもなる。
【００２０】
ハウジング１０２は、図１及び図２に示すように、レーザ発振器１１１、集光器１１２、第１乃至第４ミラー１１３〜１１６、結像器１１７及びラインセンサ１１８も収容している。レーザ発振器１１１は、レーザ光源として機能するもので、レーザ光（例えば、波長６８０ｎｍのレーザ光）を図示上方に向けて放射する。集光器１１２は、対象物１０の表面に小さな照射スポットを形成するために、レーザ発振器１１１から放射されたレーザ光を集光して上方に向けて放射する。
【００２１】
第１ミラー１１３は、ハウジング１０２の上部に斜め下方に向けて固定されており、集光器１１２からのレーザ光を第２ミラー１１４の上部に向けて反射する。第２ミラー１１４は、上下方向に縦長に構成されていてハウジング１０２に斜め後方に向けて固定されており、第１ミラー１１３からのレーザ光を上部にて第３ミラー１１５の上部に向けて反射するとともに、第３ミラー１１５の下部からのレーザ光（対象物１０からの反射光）を下部にて第４ミラー１１６に向けて反射する。第３ミラー１１５は、上下方向に縦長に構成されていてハウジング１０２に斜め前方に向けて上下方向の軸線回り（Ｙ軸回り）に回動可能に組み付けられており、第２ミラー１１４の上部からのレーザ光を上部にて前方に向けて反射して長窓１０１を介し外部の対象物１０に照射するとともに、対象物１０にて反射されたレーザ光（対象物１０からの反射光）を下部にて第２ミラー１１４の下部に向けて反射する。第４ミラー１１６は、ハウジング１０２の下部に斜め上方に向けて固定され、第２ミラー１１４の下部からのレーザ光（対象物１０からの反射光）を斜め上方の後方に向けて反射して結像器１１７に入射させる。
【００２２】
結像器１１７は、ハウジング１０２に固定されており、第４ミラー１１６からのレーザ光（対象物１０からの反射光）をラインセンサ１１８上に結像する。なお、レーザ光の光路に関しては、図示矢印によって示されている。
【００２３】
ラインセンサ１１８は、ＣＣＤなどの複数の受光素子を一列に配置して構成されており、ハウジング１０２に斜め下方の結像器１１７に向けて固定されている。このラインセンサ１１８は、第３ミラー１１５（レーザ発振器１１１、集光器１１２、第１乃至第４ミラー１１３〜１１６、結像器１１７及びラインセンサ１１８などでも同じ）から対象物１０の照射スポットまでの図示Ｚ軸方向の距離を、複数の受光素子のうちで対象物１０からの反射光を受光した受光素子の位置により検出するものである。この点について、図３を用いて簡単に説明しておくと、第３ミラー１１５から対象物１０に放射されるレーザ光の方向が同じでも、同第３ミラー１１５から対象物１０までの距離（Ｚ軸方向距離）が変わると、対象物１０の表面で反射されて第４ミラー１１６を介して（結像器１１７は図示略）ラインセンサ１１８に入射する反射光の位置が変化するという３角測量法の原理に基づくものである。
【００２４】
また、ハウジング１０２は、第３ミラー１１５を上下方向の軸線回りに回動させるための電動モータ１１９も収容している。電動モータ１１９は、ベルト１２０を介して第３ミラー１１５の上下方向の回転軸を軸線回りに回動させて、同ミラー１１５を上下方向の軸線回り（Ｙ軸回り）に回動する。電動モータ１１９には回転角センサ１２１も組み付けられており、同センサ１２１は同モータ１１９の回転角を検出する。なお、電動モータ１１９の回転角は第３ミラー１１５の前記回転角にも対応しており、回転角センサ１２１は前記第３ミラー１１５の上下方向の軸線回り（Ｙ軸回り）の回転角を検出していることにもなる。
【００２５】
さらに、ハウジング１０２には、複数のプリント基板１３０も収容されている。これらのプリント基板１３０上には、形状測定装置１００の動作を電気的に制御するための電気制御回路装置１５０を構成する多数の電子部品が配設されている。この電気制御回路装置１５０の機能を、図４を用いて説明する。
【００２６】
この電気制御回路装置１５０は、レーザ発振器１１１に接続されて、同発振器１１１の作動を制御する。また、電気制御回路装置１５０は、電動モータ１０５及び回転角センサ１１０にも接続されていて、回転角センサ１１０からの回転角検出信号をフィードバックして電動モータ１０５の回転を制御し、枠体１０４を水平ピン１０３の軸線回り（Ｘ軸回り）に任意な角度だけ回動させる。この枠体１０４の回動は、レーザ発振器１１１、集光器１１２及び第１乃至第４ミラー１１３〜１１５などからなって対象物１０に光ビームを放射するための光ビーム放射手段をＸ軸回りに回動することを意味し、これにより、Ｙ−Ｚ平面におけるレーザ光の照射方向すなわちレーザ光による対象物１０の表面の照射スポットの位置がＹ軸方向に変更されて、対象物１０の表面がレーザ光によってＹ軸方向に走査されることになる。これと同時に、電気制御回路装置１５０は、回転角センサ１１０からの回転角検出信号に基づいて、前記Ｙ−Ｚ平面におけるＺ軸方向を基準としたレーザ光の照射方向θｙを表す信号を出力する。
【００２７】
電気制御回路装置１５０は、電動モータ１１９及び回転角センサ１２１にも接続されていて、回転角センサ１２１からの回転角検出信号をフィードバックして電動モータ１１９の回転を制御して、第３ミラー１１５をその上下軸線回り（Ｙ軸回り）に任意な角度だけ回動する。この第３ミラー１１５の回動は、前記光ビーム放射手段をＹ軸回りに回動することを意味し、これにより、Ｘ−Ｚ平面におけるレーザ光の照射方向すなわちレーザ光による対象物１０の表面の照射スポットの位置がＸ軸方向に変更されて、対象物１０の表面がレーザ光によってＸ軸方向に走査されることになる。これと同時に、電気制御回路装置１５０は、回転角センサ１２１からの回転角検出信号に基づいて、前記Ｘ−Ｚ平面におけるＺ軸方向を基準としたレーザ光の照射方向θｘを表す信号を出力する。
【００２８】
このような電動モータ１０５，１１９によるレーザ光の放射方向の変更について、同レーザ光の放射方向の変更と対象物１０の走査との関係を概略的に示す図５を用いて説明しておく。電気制御回路装置１５０は、電動モータ１０５，１１９を所定のシーケンスに従って駆動制御して、放射されたレーザ光（光ビーム）にほぼ直交する仮想的なＸ−Ｙ平面上における照射スポットをＸ軸方向に沿って移動させるとともにＹ軸方向に沿って移動させることにより、同Ｘ−Ｙ平面をレーザ光で走査することができる。そして、この走査位置すなわち照射スポットの位置が、前記レーザ光の照射方向θｘ，θｙに対応する。
【００２９】
さらに、電気制御回路装置１５０は、ラインセンサ１１８にも接続されており、同センサ１１８を構成する複数の受光素子からの信号を入力する。そして、この電気制御回路装置１５０は、前記レーザ光による対象物１０の表面の照射スポット毎に、同照射スポットからの反射光のラインセンサ１１８による検出受光位置に基づいて３角測量法を用いて第３ミラー１１５（レーザ発振器１１１、集光器１１２、第１乃至第４ミラー１１３〜１１６、結像器１１７及びラインセンサ１１８などでも同じ）から対象物１０の照射スポットまでのＺ軸方向の距離Ｌｚを計測して出力する。また、ラインセンサ１１８による前記反射光の受光幅Ｌｚも計測して出力する。
【００３０】
これらのＺ軸方向の距離Ｌｚ及び受光幅Ｌｚの具体的な計測回路及び計測方法について説明する。電気制御回路装置１５０は、図６の機能ブロック図に示すように、取込み部１５１、比較部１５２、第１計数部１５３、第２計数部１５４、除算部１５５、加算部１５６及び演算制御部１５７を備えている。
【００３１】
取込み部１５１は、ラインセンサ１１８の各受光素子にそれぞれ接続されていて、演算制御部１５７によって制御され、前記レーザ光による対象物１０の表面の照射スポットの各位置毎に、各受光素子による受光量を表す各信号を同時に並列に入力して、同各信号を比較部１５２に順次直列に出力する。図７は、ラインセンサ１１８の各受光素子から取込み部１５１に取込まれる信号と、同各受光素子の受光量との関係を示しており、前記取込み部１５１から比較部１５２には図６の左端の受光素子から順に右側の受光素子に向かってラインセンサ１１８による検出信号が順次出力される。なお、演算制御部１５７は、前述した電気制御回路装置１５０の電動モータ１０５，１１９の作動制御に連動していて、前記照射スポットの位置の変更毎に、ラインセンサ１１８による検出信号の取込みを取込み部１５１に指示する。
【００３２】
比較部１５２も、演算制御部１５７により制御されて、取り込み部１５１から供給されてラインセンサ１１８の各受光素子による受光量を表す各検出信号が所定の受光量を表す閾値Ｖｒｅｆ以上であるかを比較判定する。そして、比較部１５２は、各検出信号が閾値Ｖｒｅｆ以上であればハイレベル信号”１”を出力し、各検出信号が閾値Ｖｒｅｆ未満であればローレベル信号”０”を出力する。
【００３３】
第１計数部１５３も、演算制御部１５７により制御されて、前記各照射スポット毎に、ラインセンサ１１８から新たな照射スポットに関する検出信号の到来に応答して計数を開始して、比較部１５２からハイレベル信号”１”が供給されるまでのローレベル信号”０”の数を計数して、同計数値Ａを出力する。第２計数部１５４も、演算制御部１５７により制御されて、前記各照射スポット毎に、比較部１５２からのハイレベル信号”１”の数を計数して、同計数値Ｂをラインセンサ１１８による反射光の受光幅Ｌｚｓを表す検出信号として出力する。
【００３４】
除算部１５５は、前記各照射スポット毎に、第２計数部１５４による計数値Ｂを「２」で除して出力する。加算部１５６は、前記各照射スポット毎に、第１計数部１５３による計数値Ａと除算部１５５による除算結果Ｂ／２を加算して、同加算結果（Ａ＋Ｂ／２）をラインセンサ１１８による反射光の受光位置すなわち対象物１０の照射スポットまでのＺ軸方向の距離Ｌｚを表す検出信号として出力する。
【００３５】
なお、上記電気制御回路装置１５０の動作及び図６の機能ブロック図の動作の全てをハード回路によって実現するようにしてもよいし、それらの一部をコンピュータによるプログラム処理によって実現するようにしてもよい。
【００３６】
ふたたび、図４の説明にもどると、電気制御回路装置１５０から出力されるレーザ光の照射方向θｘ，θｙ、対象物１０の照射スポットまでのＺ軸方向の距離Ｌｚ及び受光幅Ｌｚｓを表す各検出信号は、コンピュータ本体２００に供給される。コンピュータ本体２００は、プログラム処理により各種機能を実現するもので、特に座標変換機能及び画像処理機能を実現するようになっており、これらの機能を実現する手段を座標変換部２１０及び画像処理部２２０として示している。
【００３７】
座標変換部２１０は、前記レーザ光の照射方向θｘ，θｙ、前記Ｚ軸方向の距離Ｌｚ及び受光幅Ｌｚｓを表す各検出信号を入力して、前記各照射スポット毎に、照射方向θｘ，θｙに基づいて公知の座標変換演算を実行して、前記仮想のＸ−Ｙ平面上における照射スポットのＸ軸及びＹ軸座標データＤｘ，Ｄｙを形成する。また、前記Ｚ軸方向の距離ＬｚをＸ軸及びＹ軸座標データＤｘ，Ｄｙに合わせて所定の変換を施して、同距離Ｌｚに対応したＺ軸座標データＤｚを形成する。そして、座標変換部２１０は、前記各照射スポット毎に、これらのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸座標データＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚを３次元座標データとしてまとめて、受光幅Ｌｚｓを表す受光幅データＤｚｓと共に画像処理部２２０に出力する。
【００３８】
画像処理部２２０は、前記各照射スポット毎の３次元座標データＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚに基づいて公知の方法により対象物１０の３次元画像を生成するとともに、前記受光幅データＤｚｓを対象物１０の表面の陰影を表す陰影情報として利用して前記３次元画像に陰影を施す。この陰影の施された３次元画像を表す表示データはコンピュータ本体２００内に設けたメモリに記憶されるとともに、同本体２００から表示装置３００に送られる。表示装置３００は、ＣＲＴ、液晶表示器などにより構成した画面を有し、前記表示データに基づいて、画面上に前記陰影の施された３次元画像を表示する。
【００３９】
以下、上記のように構成した実施形態の動作を説明する。形状測定装置１００において、電気制御回路装置１５０の制御のもとに、レーザ発振器１１１が作動開始する。そして、レーザ発振器１１１から放射されたレーザ光は、集光器１１２、第１乃至第３ミラー１１３〜１１５を介して対象物１０の表面に照射され、同対象物１０の表面に照射スポットを形成する。そして、対象物１０の表面にて反射された反射光は、第３ミラー１１５、第２ミラー１１４及び第４ミラー１１６を介して結像器１１７に入射し、同結像器１１７は同反射光をラインセンサ１１８の複数の受光素子のいずれかの位置に結像する。
【００４０】
また、電動モータ１０５，１１９も、電気制御回路装置１５０の制御のもとに、所定のシーケンスに従って回転角センサ１１０，１２１と協働して枠体１０４をＸ軸回りに回動するとともに、第３ミラー１１５をＹ軸回りに回動する。これにより、対象物１０に向けたレーザ光の方向はＹ軸方向及びＸ軸方向に移動されて、上述した仮想的なＸ−Ｙ平面に対応した対象物１０の表面が照射スポットにより走査される。
【００４１】
一方、これと同時に、電気制御回路装置１５０は、前記電動モータ１０５，１１９の作動によるレーザ光の照射方向θｘ，θｙ、及び第３ミラー１１５から対象物１０の表面までのＺ軸方向の距離Ｌｚを表す検出信号を、前記各照射スポット毎にコンピュータ本体２００の座標変換部２１０に順次出力する。また、これと同時にラインセンサ１１８によって受光された反射光の受光幅Ｌｚｓを表す検出信号も、前記各照射スポット毎に電気制御回路装置１５０から座標変換部２１０に順次供給される。
【００４２】
座標変換部２１０は、前記レーザ光の照射方向θｘ，θｙ、及び前記Ｚ軸方向の距離Ｌｚを表す検出信号に基づいて、前記各照射スポット毎に、対象物１０の表面に関する３次元座標データＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚを形成して画像処理部２２０に出力するとともに、陰影情報としての受光幅Ｌｚｓに対応した受光幅データＤｚｓも形成して画像処理部２２０に出力する。画像処理部２２０は、これらのデータＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚ，Ｄｚｓに基づいて陰影の施された３次元画像を生成して、同３次元画像を表す表示データを表示装置３００に供給する。これにより、表示装置３００は、画面上に前記陰影の施された３次元画像を表示する。また、このとき、前記表示データは、コンピュータ本体２００内のメモリに記憶される。
【００４３】
このように動作する３次元画像生成装置及び同方法は、対象物１０の表面が明るくなるほど同表面の照射スポットからの反射光の散乱の度合いが大きくなるという現象に着目したものである。電気制御回路装置１５０の第２計数部１５４は、ラインセンサ１１８による反射光の受光幅Ｌｚを計測することにより、前記反射光の散乱の程度、すなわち対象物１０の表面の明るさを照射スポット位置毎に検出することになる。そして、コンピュータ本体２００の画像処理部２２０が、前記各照射スポットの位置毎に計測した反射光の受光幅Ｌｚに対応した受光幅データＤｚｓを、対象物１０の表面の陰影を表す陰影情報として利用して対象物１０の３次元画像を生成する。この場合、前記計測された受光幅Ｌｚに対応した受光幅データＤｚｓは、各照射スポットの位置毎に検出されたものであって、各３次元座標データＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚと対応しているので、３次元座標データＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚに基づく対象物１０の３次元画像の生成に同受光幅データＤｚｓを対象物１０の表面の陰影を表す陰影情報として利用する際、３次元座標データＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚに基づく対象物１０の３次元画像と陰影情報により表される陰影との位置合わせの必要性がなくなると同時に、同位置合わせによる誤差もなくなる。
【００４４】
その結果、上記実施形態によれば、陰影情報を入手するビデオカメラなどの特別な機器を必要とすることなく、３次元座標データにより生成した３次元画像に陰影を正確かつ簡単に付することができる。
【００４５】
なお、上記実施形態においては、第３ミラー１１５から対象物１０の表面までのＺ軸方向の距離Ｌｚを、対象物１０の表面からの反射光を受光しているラインセンサ１１８の複数の受光素子の中央位置に応じて決定するようにした。しかし、本発明者等による実験によれば、前記中央位置は、反射光の散乱の程度が大きくなって受光幅Ｌｚが増加するにしたがって、距離Ｌｚに対応したラインセンサ１１８による本来の受光位置から徐々にずれていくことを確認した。上記実施形態による装置では、図８に示すように、ラインセンサ１１８の複数の受光素子の中央位置Ｌｚ１が距離Ｌｚに対応したラインセンサ１１８による本来の受光位置Ｌｚ０に対して遠くなる側にずれるとともに、このずれ量Ｌｚ１−Ｌｚ０が受光幅Ｌｚｓ（＝Ｂ）が大きくなるに従って増加した。言い換えれば、図８に破線で示すように、受光幅Ｌｚｓ（＝Ｂ）が大きくなるに従って、反射光の散乱すなわち受光幅が本来の受光位置Ｌｚ０に対して遠くなる側にて大きくなった。
【００４６】
このラインセンサ１１８による受光位置の変化を修正するために、上記実施形態の図６に示した機能ブロック図の一部を図９のように変形するように、電気制御回路装置１５０を変形した。この変形例は、受光幅Ｂの大きさに応じて変化する補正係数ｋを出力する補正係数テーブル１５８を設けるとともに、除算部１５５と加算部１５６との間に同除算部１５５による除算結果Ｂ／２に補正係数ｋを乗算する乗算部１５９を挿入したものである。この場合、補正係数テーブル１５８は、図１０に示すように、受光幅Ｂに対して、同受光幅Ｂが増加するに従って「１．０」から徐々に減少する補正係数ｋを記憶したものである。なお、この補正係数ｋの特性は、レーザ発振器１１１から発射されるレーザ光の波長、ラインセンサ１１８の特性などに依存するもので、実験により決定するとよい。
【００４７】
このように構成した変形例によれば、加算部１５６から出力される距離Ｌｚは、第１計数部１５３による計数値Ａに、除算部１５５による除算結果Ｂ／２を補正係数ｋで補正した補正値ｋ・Ｂ／２を加算した値（Ａ＋ｋ・Ｂ／２）になる。そして、補正係数ｋは、前述のように、同受光幅Ｂが増加するに従って「１．０」から徐々に減少するように設定されているので、補正係数テーブル１５８及び乗算部１５９による補正により、距離Ｌｚは、受光幅Ｂが増加するに従って、反射光を受光しているラインセンサ１１８の複数の受光素子の中央位置に対応した距離よりも近くなる側に補正される。これにより、反射光の散乱の程度が大きくなって受光幅Ｌｚが増加しても、計測距離Ｌｚが前記反射光の散乱による影響を受け難くなる。したがって、陰影情報を精度よく検出するための反射光の受光幅Ｌｚが大きくなるレーザ光（光ビーム）を用いても、高精度の座標データＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚを得ることができ、正確な３次元画像を得ることができる。
【００４８】
また、上記実施形態においては、枠体１０４及び第３ミラー１１５の回転を制御するために回転角センサ１１０，１２１によって検出した回転角をフィードバックして電動モータ１０５，１１９の回転を制御するようにした。しかし、電動モータ１０５，１１９としてステップモータのような回転角センサ１１０，１２１を用いなくても回転位置を制御可能な電動モータを用いるようにすれば、前記回転角センサ１１０，１２１は不要となる。この場合、電気制御回路装置１５０は、対象物１０の表面をレーザ光でＸ軸及びＹ軸方向に走査するために電動モータ１０５，１１９の回転位置を制御するようにするとともに、同制御に連動して上記レーザ光の照射方向θｘ，θｙを表す信号をコンピュータ本体２００の座標変換部２１０に出力するようにするとよい。
【００４９】
また、上記実施形態においては、３次元画像を表示する手段として表示装置３００を設けるようにしたが、これに代え又はこれに加えて３次元画像を印刷するプリンタ装置を設けるようにしてもよい。この場合、プリンタ装置は、コンピュータ本体２００の画像処理部２２０から供給される表示データに基づいて３次元画像を印刷するようにすればよい。
【００５０】
さらに、上記実施形態においては、ビデオカメラ、ＣＣＤカメラなどの２次元画像取得手段を用いなかったが、上記３次元画像に、より正確な陰影を付加したり、正確な色彩を付加する場合などには、対象物１０の２次元画像を取得可能なビデオカメラ、ＣＣＤカメラなどの２次元画像取得手段を上記形状測定装置１００に併用するようにしてもよい。この場合、前記陰影情報としての計測受光幅Ｌｚを表す情報を前記２次元画像取得手段にて取得した２次元画像との位置合わせに利用できる。また、受光幅Ｌｚは対象物の表面の色彩に応じても変化するので、受光幅Ｌｚと色彩の関係を予め調べておき、生成した３次元画像に計測受光幅Ｌｚに応じた色彩を付することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る３次元画像生成装置の全体を示す概略図である。
【図２】図１の光学系装置のみを抜き出した概略斜視図である。
【図３】対象物の表面までの距離を測定する３角測量法を説明するための同測量法の原理図である。
【図４】前記３次元画像生成装置の電気的ブロック図である。
【図５】対象物のレーザ光による走査を説明するための説明図である。
【図６】図４の電気制御回路装置にて実行されて対象物までの距離及びラインセンサによる受光幅の計測機能を実現する機能ブロック図である。
【図７】ラインセンサの各受光素子から電気制御回路装置の取込み部に取込まれる信号と、同各受光素子の受光量との関係を示す図である。
【図８】反射光の散乱が対象物までの距離の計測に与える影響を説明するための説明図である。
【図９】図６の機能ブロック図の変形例を示すブロック図である。
【図１０】図９の補正係数テーブルに記憶されている補正係数の変化特性を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１０…対象物、１００…形状測定装置、１０４…枠体、１０５，１１９…電動モータ、１１０，１２１…回転角センサ、１１１…レーザ発振器、１１２…集光器、１１３〜１１６…ミラー、１１７…結像器、１１８…ラインセンサ、１５０…電気制御回路装置、１５２…比較部、１５３，１５４…計数部、１５８…補正係数テーブル、２００…コンピュータ本体、２１０…座標変換部、２２０…画像処理部、３００…表示装置。

Claims

対象物に向けて光ビームを放射して同対象物の表面に照射スポットを形成する光ビーム放射手段と、
前記光ビームの放射方向を変更して前記対象物の表面に形成される照射スポットの位置を変更する放射方向変更手段と、
前記対象物の表面からの反射光を集光して結像する結像手段と、
前記結像手段による反射光の結像位置に一列に配置された複数の受光素子からなるラインセンサと、
前記対象物の表面に対する光ビームの各照射スポットの位置毎に、前記光ビームの放射方向及び前記ラインセンサによって検出される反射光の受光位置に基づいて前記対象物の表面に関する３次元座標データを計算する座標変換手段と、
前記各照射スポットの位置毎に計算した各３次元座標データに基づいて前記対象物の３次元画像を生成する画像処理手段と
を備えた３次元画像生成装置において、
前記対象物の表面に対する光ビームの各照射スポットの位置毎に、前記ラインセンサによって検出された反射光の受光幅を計測する受光幅計測手段を設け、
前記画像処理手段は、前記各照射スポットの位置毎に計測した反射光の受光幅を、前記対象物の表面の陰影を表す陰影情報として利用して前記対象物の３次元画像を生成する３次元画像生成装置。
前記請求項１に記載した３次元画像生成装置において、
前記座標変換手段に、前記受光幅計測手段によって計測された反射光の受光幅に基づいて、前記計算される３次元座標データのうちで前記光ビーム放射手段から前記対象物の表面までの距離に関する座標データを補正する補正手段を設けたことを特徴とする３次元画像生成装置。
対象物に向けて方向を変更しながら光ビームを放射して同対象物の表面に順次位置を変えながら照射スポットを形成し、
前記対象物の表面からの反射光を集光して一列に配置された複数の受光素子からなるラインセンサ上に結像させ、
前記対象物の表面に対する光ビームの各照射スポットの位置毎に、前記光ビームの放射方向及び前記ラインセンサによる反射光の受光位置に基づいて前記対象物の表面に関する３次元座標データを計算して、
前記各照射スポットの位置毎に計算した各３次元座標データに基づいて前記対象物の３次元画像を生成するようにした３次元画像生成方法において、
前記ラインセンサによる反射光の受光幅を計測し、
前記計測した受光幅を前記対象物の表面の陰影を表す陰影情報として利用して前記対象物の３次元画像を生成する３次元画像生成方法。
前記請求項３に記載した３次元画像生成方法において、
前記計測した受光幅に基づいて、前記計算される３次元座標データのうちで前記光ビーム放射手段から前記対象物の表面までの距離に関する座標データを補正するようにしたことを特徴とする３次元画像生成方法。