JP3855756B2 - 3次元色形状検出装置及び3次元スキャナー - Google Patents

3次元色形状検出装置及び3次元スキャナー Download PDF

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    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical means for measuring contours or curvatures

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、3次元形状及び色を正確に測定することができる3次元色形状検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、被測定物からの反射光を用いて、被測定物の3次元形状と、表面の色とを測定することができる3次元色形状検出装置が知られていた。
例えば、特開2001−145116号に記載されている装置では、1箇所のレーザーユニットから、赤、緑、青3色のレーザ光を順次被測定物に照射し、その反射光を2次元CCDで受光する。そして、2次元CCD(受光手段)が受光した反射光の像(被測定物の表面上にレーザー光が形成する像)に基づいて、被測定物の各部分までの距離情報を求め、被測定物の3次元形状を検出する。更に、この装置では、3色のレーザ光のそれぞれについて、被測定物からの反射光を受光手段で受光し、被測定物の色を検出する。
【0003】
また、被測定物の色を検出する別の方法としては、点光源照明(例えばストロボ等のフラッシュ)を用いて被測定物に光を照射し、その反射光を受光手段で受光して、被測定物の色を検出する方法が知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の様に、1カ所の光源から被測定物に光を照射し、その反射光を受光して被測定物の色を測定する方法では、被測定物全体の色を正確に測定することは困難であった。
【0005】
つまり、図14に示す様に、被測定物P3の正面側(図14の左側)に、点光源P30とCCDカメラP11とを配した3次元色形状検出装置では、被測定物P3の側面に位置するB点に点光源から入射する光は、正面に位置するA点に入射する光に比べて、面法線に対する入射角度が大きい。
【0006】
そのため、反射光正反射成分のカメラに対する角度が大きく異なることから、B点からCCDカメラP11に入る反射光の光パワーは小さくなり、このB点の色を正確に測定することができないという問題があった。
また、これとは別に、3次元色形状検出装置を用いて、被測定物P3の色及び3次元形状の像を、様々な角度から測定し、それらの像を結合させることにより、被測定物P3全体の色及び3次元形状の像(全体像)を作成する方法が知られているが、この3次元色形状検出装置では、全体像に、実際の被測定物P3にはない色の段差が生じてしまうという問題があった。以下、具体的に説明する。
【0007】
被測定物P3の全体像を作成するには、まず、図15aに示す様に、被測定物P3の正面から、色及び3次元形状を測定し、次に、図15bに示す様に、被測定物P3を90°回転させ、左側面の色及び3次元形状を測定する。同様に、背面、右側面の測定も行う。そして、それぞれの方向から測定した像を結合して、図16に示す様な全体像を作成する。この全体像において、図16に示す境界線Cの左側は、被測定物P3が図15aの位置にある時に測定された像であり、境界線Cの右側は、被測定物P3が図15bの位置にある時に測定された像である。
【0008】
前述したように、従来の3次元色形状検出装置では、点光源P30に対して側面となる部分の色は正確に測定できないので、被測定物P3が図15aの位置にある時の境界線C付近の色は正確に測定することができない。従って、図16に示す全体像において、境界線Cより左側の部分(被測定物P3が図15aの位置にある時に測定された部分)は、被測定物P3の実際の色とは異なる色である。
【0009】
一方、図16に示す全体像において、境界線Cより右側の部分は、被測定物P3が図15bの位置にある時(つまり境界線C付近が点光源に正対する位置にある時)に測定された部分であるので、被測定物P3の実際の色を反映している。
従って、図16に示す全体像では、境界線Cを境に、実際の被測定物P3にはない色の段差が生じてしまう。
【0010】
本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、被測定物の全体にわたって、正確に色及び3次元形状を測定することができる3次元色形状検出装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
(1)請求項1の発明は、
被測定物からの反射光に基づいて、該被測定物の3次元形状と、色とを測定する3次元色形状検出装置であって、前記被測定物に対し、色測定用の光を照射する光照射手段と、前記被測定物に対してスリット光を照射するスリット光発生手段と、前記色測定用の光が前記被測定物により反射した反射光を受光するとともに、前記スリット光が前記被測定物の表面に形成する像を検出する、2次元撮像素子から成る受光手段と、前記スリット光が前記被測定物の表面に形成する像に基づいて、前記被測定物の3次元形状を検出する3次元形状検出手段と、前記スリット光発生手段及び前記受光手段を、前記被測定物との間で、前記スリット光に交差する方向に相対移動し、前記被測定物を走査することができるスリット光走査手段と、を備えるとともに、前記光照射手段は、所定の広がりを有し、前記被測定物から見て、前記受光手段を挟んで対向する部分を有する領域から、前記色測定用の光を照射することを特徴とする3次元色形状検出装置を要旨とする。
【0012】
本発明の3次元色形状検出装置では、被測定物に対して、広い範囲から光が照射されるので、被測定物の表面上の光の当たり方は、広い範囲に渡って均一となる(影ができにくい)。
そのため、被測定物の表面から受光手段に入る反射光の強さは、その反射光が被測定物の表面上のどの位置からの反射であるかに依存せず、広い範囲に渡って均一となる。
【0013】
その結果、本発明の3次元色形状検出装置は、被測定物の(受光手段に面している側の)表面上の広い範囲に渡って、色を正確に測定することができる。
【0014】
本発明の3次元色形状検出装置は、受光手段として2次元撮像素子(例えば2次元CCDカメラ)を備えているので、測定範囲が広く測定の自由度が高い。また、色測定を高速で行うことができる。
【0015】
本発明の3次元色形状検出装置では、受光手段の両側から、被測定物に対して光が照射されるので、受光手段は、被測定物の表面において、特に光の当たり方が均一な側に面している。
よって、受光手段に入る反射光の強さは、その反射光が被測定物のどの部分からの反射光であるかに依らず、特に均一となり、被測定物の(受光手段に面している側の)広い範囲に渡って、色を正確に測定することができる。
本発明の3次元色形状検出装置では、スリット光が被測定物の表面に形成する像を、受光手段を用いて捉え、その像に基づいて被測定物の3次元形状を測定することができる。これにより、本発明の3次元色形状検出装置は、被測定物の3次元形状を正確に測定することができる。
本発明の3次元色形状検出装置では、受光手段は、色測定時に、被測定物からの反射光を受光することに加えて、3次元形状測定に、スリット光が被測定物の表面に形成する像を受像するために用いられる。つまり、本発明では、共通の受光手段を用いて、3次元形状測定と、色測定を行う。
従って、本発明の3次元色形状検出装置は、3次元形状測定と、色測定のために、独立の受光手段を備える必要がないので、装置構成を簡略化できる。
本発明の3次元色形状検出装置は、例えば、被測定物の表面上にスリット光が形成する像が、被測定物全体を走査するように、スリット光発生手段及び受光手段を、被測定物に対して、スリット光に交差する方向に相対移動させることができる。そのことにより、被測定物の(受光手段に面している側の)全体の3次元形状を測定することができる。
尚、スリット光発生手段及び受光手段を、被測定物に対して相対移動させる方法としては、例えば、スリット光発生手段及び前記受光手段を移動させてもよく、又は、被測定物を移動させてもよい。更には、両者を移動させてもよい。
(2)請求項2の発明は、
前記被測定物を保持し、回動することができる被測定物回動手段を備え、前記回動の前後で、それぞれ、前記被測定物の色を測定することを特徴とする請求項1記載の3次元色形状検出装置を要旨とする。
本発明の3次元色形状検出装置は、被測定物に対して、例えば、3次元形状及び色の測定と、所定角度(例えば90度)の被測定物の回動とを交互に行うことにより、被測定物の全周に渡って、3次元形状と色とを測定することができる。
)請求項の発明は、
所定の測定中心位置に対し、前記所定の広がりを有し、前記被測定物から見て、前記受光手段を挟んで対向する部分を有する領域のなす立体角が、1ステラジアン以上であることを特徴とする前記請求項1又は2に記載の3次元色形状検出装置を要旨とする。
【0016】
本発明の3次元色形状検出装置では、被測定物に対して、立体角1ステラジアン以上の広い範囲から光が照射されるので、被測定物の表面上の光の当たり方が均一となる(影ができにくい)。
そのため、被測定物の表面から受光手段に入る反射光の強さは、被測定物表面上の広い範囲に渡って均一となり、被測定物の(受光手段に面している側の)広い範囲に渡って、色を正確に測定することができる。
)請求項の発明は、
前記光が散乱光を含むことを特徴とする前記請求項1〜のいずれかに記載の3次元色形状検出装置を要旨とする。
【0017】
本発明の3次元色形状検出装置では、散乱光を照射することにより、被測定物の表面に、均一に光を照射することができる。そのため、被測定物の表面から受光手段に入る反射光の強さは、被測定物表面上の広い範囲に渡って均一となる。その結果、被測定物の(受光手段に面している側の)表面上の広い範囲に渡って、色を正確に測定することができる。
【0018】
また、多数の光源を用いる場合に比べて、装置構成を簡略化できる。
)請求項の発明は、
前記散乱光は白色光であることを特徴とする前記請求項に記載の3次元色形状検出装置を要旨とする。
【0019】
本発明の3次元色形状検出装置では、白色光を用いることにより、色の測定に際し、光照射が1度で済むという効果がある。つまり、R、G、Bの光をそれぞれ照射する場合に比べて、高速な測定が可能になる。
)請求項の発明は、
前記光照射手段は、光源と、該光源から照射された光を散乱させる散乱部材とを備えることを特徴とする前記請求項又はに記載の3次元色形状検出装置を要旨とする。
【0020】
本発明は光照射手段を例示する。このような光照射手段は、被測定物の表面に、均一に光を照射することができる。これにより、本発明の3次元色形状検出装置は、被測定物の(受光手段に面している側の)表面上の広い範囲に渡って、色を正確に測定することができる。
【0021】
)請求項の発明は、
前記散乱部材を、前記被測定物から見て、前記光源の背面側に設けたことを特徴とする前記請求項に記載の3次元色形状検出装置を要旨とする。
本発明は光照射手段を例示する。このような光照射手段は、被測定物の表面に、均一に光を照射することができる。これにより、本発明の3次元色形状検出装置は、被測定物の(受光手段に面している側の)表面上の広い範囲に渡って、色を正確に測定することができる。
【0022】
)請求項の発明は、
前記散乱部材を、前記被測定物から見て、前記光源の手前側に設けたことを特徴とする前記請求項又はに記載の3次元色形状検出装置を要旨とする。
本発明は光照射手段を例示する。このような光照射手段は、被測定物の表面に、均一に光を照射することができる。これにより、本発明の3次元色形状検出装置は、被測定物の(受光手段に面している側の)表面上の広い範囲に渡って、色を正確に測定することができる。
【0023】
【0024】
)請求項の発明は、
前記被測定物を外部からの光に対して遮光する遮光手段を備えることを特徴とする前記請求項1〜のいずれかに記載の3次元色形状検出装置を要旨とする。
【0025】
本発明の3次元色形状検出装置では、外部からの光を遮光することにより、例えば、外部からの光のために、3次元形状測定時に用いる光(例えばレーザーのスリット光)が被測定物の表面に形成する像のコントラストが低くなったりすることがない。よって、3次元形状測定を正確に行うことができる。
【0026】
また、外部からの光を遮光することにより、被測定物の色測定時に、被測定物の表面に外部からの光に起因する明暗が生じたりすることがないので、正確に被測定物の色を測定することができる。
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
10)請求項10の発明は、
前記被測定物の3次元形状を測定する際には、前記光照射手段による前記光の照射を禁止するとともに、前記被測定物の色を測定する際には、前記スリット光発生手段による前記スリット光の発生を禁止することを特徴とする前記請求項1〜9のいずれかに記載の3次元色形状検出装置を要旨とする。
【0031】
本発明の3次元色形状検出装置では、3次元形状測定時には、光照射手段が光を照射しないので、スリット光が被測定物上に形成する像のコントラストが低くなることがない。よって、本発明の3次元色形状検出装置は、3次元形状測定を正確に行うことができる。
【0032】
また、色測定時には、スリット光が発生しないので、被測定物上の照度が不均一になることがない。よって、本発明の3次元色形状検出装置は、被測定物の(受光手段に面している側の)表面上の広い範囲に渡って、正確に色測定を行うことができる。
【0033】
【0034】
【0035】
尚、スリット光発生手段及び受光手段を、被測定物に対して相対移動させる方法としては、例えば、スリット光発生手段及び前記受光手段を移動させてもよく、又は、被測定物を移動させてもよい。更には、両者を移動させてもよい。
11)請求項11の発明は、
前記請求項1〜10のいずれかに記載の3次元色形状検出装置を備えることを特徴とする3次元スキャナーを要旨とする。
【0036】
本発明の3次元色形状検出装置は、被測定物の色と形状とを読み取り、そのデータを、例えば、外部装置(例えばパソコン)に出力することができる。
【0037】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の3次元色形状検出装置の実施の形態の例(実施例)を説明する。
(実施例1)
a)まず、3次元色形状検出装置1の全体構成を図1及び図2を用いて説明する。
【0038】
3次元色形状検出装置1は、被測定物3の色及び3次元形状を測定する測定ヘッド10と、測定ヘッド10を上下方向に移動させるリニアステージ20と、被測定物3を設置する被測定物設置部40と、被測定物3の色を測定する際の光源である側面散乱板32a、32b、上面散乱板34、下面散乱板35、及び線状蛍光灯30と、外部からの光を遮光する暗箱50(遮光手段)と、を備えている。
【0039】
上記測定ヘッド10は、レーザユニット12(スリット光発生手段)を備えている。このレーザユニット12は、波長650nmのレーザ光を発する赤色レーザ18と、レーザ光を集光するコリメートレンズ16及びシリンドリカルレンズ14とから成る。また、測定ヘッド10は、カラーCCDカメラ11(受光手段、2次元撮像素子)を備えている。更に、測定ヘッド10の側面(図1における手前側の面)上で、リニアステージ20に近接した位置には、測定ヘッド基準点19が設けられている。この測定ヘッド基準点19は、リニアステージ20に設けられた目盛りとともに、測定ヘッド10の(移動方向における)位置を示す。
【0040】
上記リニアステージ20には、測定ヘッド10が取り付けられており、駆動ベルト22を介してベルト駆動モータ24から伝えられる駆動力により、測定ヘッド10を、(図1における上下方向)に移動させる。
上記被測定物設置部40は、基体部42と、その基体部42の上方に設けられた円盤状の回転ステージ41とを備えている。この回転ステージ41は、その中心に位置する測定中心41aを通り、図1における上下方向に伸びる軸を回転軸として、ステージ駆動モータ44により回転駆動される。また、この回転ステージ41の上面(図1における上面)は、白色散乱面の加工が施されており、光を散乱させることができる。
【0041】
上記側面散乱板32a,32bの形状は、それぞれ、緩やかに湾曲した板状部材である。この側面散乱板32aと側面散乱板32bとは、図2に示す様に、測定ヘッド10を挟み、また、湾曲の内側を被測定物設置部40に向けて配置される。尚、側面散乱板32a、32bの材質は白色オパールガラス又は白色ABSであり、その表面粗さはRz=1μm程度に加工されている。
【0042】
上記上面散乱板34及び下面散乱板35は、白色散乱面からなる板状部材であり、側面散乱板32a、32bと同等の材質で、後述する暗箱50の上面及び下面に取り付けられている。
上記線状蛍光灯30は6本から成り、3本ずつが、それぞれ、側面散乱板32a及び側面散乱板32bの内側(被測定物設置部40に面する側)に、等間隔に取り付けられている。
【0043】
上記暗箱50は、上述した各部材をその内部に取り付ける箱形容器であり、外部からの光を遮光することができる。また、暗箱50の側面(図2における下面)には、被測定物3を取り出すための被測定物取り出し窓51が設けられている。
【0044】
また、本実施例1では、測定中心41aから見て、線状蛍光灯30、側面散乱板32a、32b,上面散乱板34、及び下面散乱板35がなす立体角は、3ステラジアンである。
尚、線状蛍光灯30、側面散乱板32a、32b,上面散乱板34、及び下面散乱板35は、光照射手段を構成する。
【0045】
b)次に、3次元色形状検出装置1の電気回路の構成を、図3を用いて説明する。図3は本実施例1の3次元色形状検出装置の電気回路構成を示すブロック図である。
カラーCCDカメラ11は、撮影レンズ111を備えており、その撮影レンズ111の中には絞り125が設けられている。また、撮影レンズ11の光軸上には、CCD(撮像部)128が配設されている。このCCD128には、撮影レンズ111によって被測定物3の像(被写体像)が形成され、被写体像に対応した電荷が発生する。CCD128における電荷の蓄積動作、電荷の読出動作等の動作は、CCD駆動回路130によって制御される。CCD128から読み出された電荷信号すなわち画像信号は、アンプ131において増幅され、A/D変換器132においてアナログ信号からデジタル信号に変換される。デジタルの画像信号は、撮像信号処理回路133においてガンマ補正等の処理を施され、画像メモリ134に一時的に格納される。上記CCD駆動回路130及び撮像信号処理回路133は、システムコントロール回路135によって制御される。
【0046】
システムコントロール回路135には、インターフェース回路140が接続されており、そのインターフェース回路140はインターフェースコネクタ121に接続されている。したがって3次元色形状検出装置1を外部に設けられたコンピュータとインターフェースケーブルを介して接続すれば、画像メモリ134から読み出された画像信号をコンピュータに伝送可能である。
【0047】
レーザユニット12は、発光装置113を備えており、その発光装置113は、発光素子113aと照明レンズ113bにより構成される。発光素子113aは、レーザダイオード(LD)であり、その発光素子113aから照射されたレーザ光は、照明レンズ113bを介して被測定物3に照射される。このレーザ光は、スリット光(図2における上下方向に広がるスリット光)であり、後述するように、被測定物3の3次元形状測定に用いられる。発光素子113aの発光動作は発光素子制御回路144によって制御される。
【0048】
システムコントロール回路135には、線状蛍光灯30の制御を行うための蛍光灯制御回路148と、リニアステージ20のベルト駆動モータ24の制御を行うためのリニアステージ制御回路149と、ステージ駆動モータ44の制御を行うための回転ステージ制御回路150が接続されている。
【0049】
また、システムコントロール回路135には、通常の2次元画像を撮影する際に照明が必要か否かを判断するための測光手段146、レリーズスイッチ115、モード切替ダイヤル117、V/Dモード切替スイッチ118から成るスイッチ群145、液晶表示パネル(表示素子)116が接続されている。
【0050】
c)次に、3次元色形状検出装置1を用いて被測定物3の3次元形状を測定する原理を、図4乃至図6に基づいて説明する。
i)まず、説明に用いる図について説明する。図4は、発光素子113a、CCD128、及び被測定物3の位置関係を、断面(図1において紙面の奥から手前方向を観察した時の断面)方向から見た図である。図5は、発光素子113a、CCD128、及び被測定物3の位置関係を、上方(図1における上方)方向から見た図である。また、図6は、CCD128の検出画像において、スリット光が被測定物3の表面に形成する反射光像を示す図である。
【0051】
図4において紙面の奥から手前に向かう方向(図5において上から下へ向かう方向)をx方向とし、図4において紙面の下から上に向かう方向(図5において紙面の奥から手前に向かう方向)をy座標とし、図4及び図5において紙面の右から左へ向かう方向をz座標とする。
【0052】
そして、z=0であるx−y平面を投影面とし、CCD128のカメラ点の座標(x座標、y座標、z座標)を(0,0,380)とし、発光素子113aの座標を(0、100、380)とする。また、発光素子113aが発するスリット光が投影面に交差する位置のy座標を、−26.67とする。また、投影面のx方向におけるカメラ視野の範囲を、Xfstart〜Xfendとし、y方向におけるカメラ視野の範囲を、YftopからYfbottomとする。
【0053】
被測定物3上の注目点(スリット光が照射されている部分のうちの一点)の座標を(X、Y、Z)とし、CCD128のカメラ点から見て、注目点がx−y平面に投影する点の座標を(Xtarget、Ytarget、0)とする。また、注目点のCCD128の画像上における座標を(ccdx,ccdy)とする。
【0054】
ii)次に、注目点の3次元座標を決定する方法について説明する。
注目点の座標(X、Y、Z)は、図4及び図5における幾何学上の関係から、他のパラメータを用いて、以下の数式(1)〜数式(3)により表すことができる。
【0055】
Y=(1/3)Z−26.67・・・数式(1)
Y=−(Ytarget/380)Z+Ytarget・・・数式(2)
X=−(Xtarget/380)Z+Xtarget・・・数式(3)
また、Xtarget、Ytargetは、他のパラメータを用いて、以下の数式(4)〜数式(5)の様に表すことができる。
【0056】
Xtarget=Xfstart+(ccdx/640)(Xfend−Xfstar)・・・数式(4)
Ytarget=Yftop−(ccdy/480)(Yftop−Yfbottom)・・・数式(5)
従って、これらの数式(1)〜(5)を用いて、CCD128の検出画像上の注目点の座標(ccdx、ccdy)から、注目点の3次元座標(X、Y、Z)を求めることができる。つまり、被測定物3のうちで、スリット光が照射されている部分の3次元形状を測定することができる。
【0057】
更に、発光素子113a及びCCD128をY方向に移動させることにより、スリット光を被測定物3の表面上を走査させながら、上記測定を繰り返し実行することにより、被測定物3全体の3次元形状測定を行うことが出来る。
d)次に、3次元色形状検出装置1により、被測定物3の色及び3次元形状を測定する処理について、図7及び図8を用いて説明する。
【0058】
ステップ200では、被測定物3を、回転ステージ41上に設置する。
ステップ210では、コンピュータ141から、検出開始の信号を入力する。
ステップ220では、回転ステージ41の位置(角度)を、初期位置(θ=0°)とする。
【0059】
ステップ230では、測定ヘッド10をホームポジションに移動させる。このホームポジジョンとは、図8に示す様に、測定ヘッド10がリニアステージ20の可動範囲における下限にある位置である。このホームポジションでは、レーザユニット12の光軸は、被測定物3よりも下側を通過する。
【0060】
ステップ240では、線状蛍光灯30を消灯し、レーザユニット12を点灯する。
ステップ250では、測定ヘッド10のy座標(y#shift)をシステムコントロール回路135に入力する。尚、y座標は、図8における上下方向の座標である。
【0061】
ステップ260では、カラーCCDカメラ11により、被測定物3の画像を取得し、画像メモリ134に記憶する。この画像は、レーザユニット12が照射するスリット光が被測定物3(又は被測定物設置部40)の表面で反射して生じる像であり、図6に示す様に、横方向(x方向)に伸びる像である。
【0062】
ステップ270では、前記ステップ260にて取得した画像に基づいて、被測定物3の3次元形状データを算出する。
つまり、前記c)で述べた方法を用いて、スリット光が被測定物3の表面上に形成する像の座標(ccdx、ccdy)に基づき、(スリット光が照射されている部分の)被測定物3の3次元形状(X、Y、Z)を算出する。
【0063】
ステップ280では、測定ヘッド10の位置を、規定量だけ上方(y座標が増す方向)に移動させる。具体的には、リニアステージ制御回路149からの信号により、リニアステージ20のベルト駆動モータ24を所定量回転させる。そして、測定ヘッド10のy座標(y#shift)の値を、上記規定量だけ増し、更新する。
【0064】
ステップ290では、測定ヘッド10の位置(y#shift)が、3次元形状測定をする際の上限の位置(y#max=260mm)まで達したか否かを判断する。YESの場合はステップ300に進み、NOの場合はステップ250に進む。
ステップ300では、測定ヘッド10の位置を、撮影ポジション(y#shift=130mmの位置)とする。この撮影ポジジョンは、図9に示す様に、測定ヘッド10が、リニアステージ20の可動範囲における中心付近にある位置である。この時、被測定物3は、カラーCCDカメラ11の撮像範囲の略中心に位置する。
【0065】
ステップ310では、レーザユニット12を消灯し、線状蛍光灯30を点灯する。この時、図10に示す様に、被測定物3の表面のうち、カラーCCDカメラ11に面する半面は、線状蛍光灯30、側面散乱板32a、32b、上面散乱板34、下面散乱板35からの白色光を受ける。
【0066】
ステップ320では、線状蛍光灯30が安定するまで所定時間(2秒間)待機する。
ステップ330では、カラーCCDカメラ11を用いて被測定物3のカラー画像を取得し、画像メモリ134に記録する。尚、このカラー画像に基づいて、被測定物3の色が決定される。
【0067】
ステップ340では、線状蛍光灯30を消灯する。
ステップ350では、回転ステージ41の角度を、90°だけ回転する(θの値を90だけ増す)。具体的には、回転ステージ制御回路150からの信号により、ステージ駆動モータ44を所定量駆動する。
【0068】
ステップ360では、θの値(単位は度)が360°に達しているか否かを判断する。YESの場合は本処理を終了する。NOの場合はステップ230に進む。
e)本実施例の3次元色形状検出装置1が奏する効果を説明する。
【0069】
(i)本実施例1の3次元色形状検出装置1では、図10に示す様に、線状蛍光灯30、側面散乱板32a、32b、上面散乱板34、及び下面散乱板35が被測定物3を囲むように配置されており、被測定物3の表面には、広い範囲から光が照射される。
【0070】
そのことにより、被測定物3の表面では、広い範囲(例えば図10におけるA点、B点を含む範囲)に渡って、線状蛍光灯30から均等な光量を受けることができる。よって、被測定物3の表面からカラーCCDカメラ11に入る反射光は、被測定物3の表面上の広い範囲に渡って、充分な光量を有している。例えば、図10において、B点からカラーCCDカメラ11に入る光量は、A点からカラーCCDカメラ11に入る光量とはほぼ等しく、被測定物3の色の測定をするのに充分である。
【0071】
従って、本実施例1の3次元色形状検出装置1は、被測定物3の表面上の広い範囲に渡って、正確に色を測定することができる。
(ii)特に本実施例1の3次元色形状検出装置1では、測定中心41aから見て、光源(線状蛍光灯30、側面散乱板32a、32b,上面散乱板34、下面散乱板35)のなす立体角が3ステラジアン(1ステラジアン以上)であるので、上記(i)の効果が特に高い。図11及び図12を用いてこのことを説明する。
【0072】
図11は、被測定物3、回転ステージ41、カラーCCDカメラ11、及び光照射手段(線状蛍光灯30、側面散乱板32a,32b、上面方散乱板34、下面散乱板35)の位置関係を示す上面図であり、光照射手段については、測定中心41aから見た立体角が仮想的に、0.2〜2ステラジアンの範囲で変化した場合が記載されている。
【0073】
ここではこれら光照射手段を、以下に説明するように単純な円形光源とモデル化した。円形光源の広さは、光軸上の1点から始まり、その1点を端点として、B点が存在する側の半球方向に、被測定物3から見た光源の立体角ΩILLに従って円形に広くなっていくとする。
【0074】
上面図(図11)中には、被測定物3から見た円形光源の立体角ΩILLが、0.2、0.5、1、2[sr]の時の、上面から見た時の光源の拡がり角全角φ[deg]を示す。
ここで、光源の拡がり角全角φと光源の立体角ΩILLには、下記の関係がある。
【0075】
φ=2*arccos(1−(ΩILL/2π))[sr]
図11中には、ΩILL=0[sr]の円形光源が白丸にて図示してあり、ΩILL=0.2[sr]の円形光源が実線の楕円で斜視的に図示してあり、ΩILL=0.5[sr]の円形光源が波線の楕円で斜視的に図示してある。
【0076】
また、被測定物3も単純な球体としてモデル化した。被測定物3はカメラ光軸上に位置している。被測定物3の表面上で、光軸上の1点をA点とし、光軸外の1点をB点とする。そのB点と球体(被測定物3)の中心を結ぶ直線は、光軸と60°を成す。被測定物3の表面の散乱特性は、散乱光の半分が正反射方向からの偏角θrに対してcos^2(θr)で分布する正反射成分であり、残り半分が面法線からの偏角θnに対してcos(θn)で分布する完全散乱成分である。
【0077】
以上のモデル化によって、カラーCCDカメラ11から見たA点、B点の輝度比を算出することができる。理想的な点光源の時、つまりΩILL=0[sr]の円形光源である時は、被測定物3から見た散乱照明の立体角ΩILLはゼロであり、この時、A点からカメラに戻ってくる光パワーを1と正規化すると、B点においては、正反射成分でカラーCCDカメラ11に戻ってくる量は、正反射方向からの偏角θrが90°を超えるためゼロである。また、完全散乱成分でカメラに戻ってくる光パワーは、偏角θn=60°であるので、完全散乱成分に分配される比率0.5*散乱成分0.5/方向余弦cos(θn)=0.5である。つまり、A点に比べ、B点は輝度が50%となり、被測定物3の表面色が全面で均一であるにも係わらず、A点に対して暗い輝度として検出され、これが正確な色が検出できないという従来の課題となるわけである。
【0078】
円形光源の立体角ΩILLが0〜6.28と広くなった場合にも、数値解析シミュレーションにより、A点及びB点からカラーCCDカメラ11に戻ってくる光パワーを計算することができる。
つまり、広い光源の各部分からの光に対する正反射成分と完全散乱成分のうち、カラーCCDカメラ11に戻ってくる値を、上記の手順に従い、それぞれの正反射方向からの偏角θr、面法線からの偏角θnを用いて求め、それらを、広い光源の全範囲に渡って積分することにより、A点及びB点からカラーCCDカメラ11に戻る光パワーを数値計算することができる。
【0079】
図12は、図11に示す様に、測定中心41aから見た光照射手段の立体角が変化した場合に、カラーCCDカメラ11から見たA点,B点それぞれの輝度(A点,B点のそれぞれの単位面積からカラーCCDカメラ11に入る光パワー)の比率の推移を示した図である。
【0080】
図12に示す様に、測定中心41aから見た光照射手段の立体角が1ステラジアン以上であるならば、B点の輝度は、A点の輝度の70%以上となるので、被測定物3の色を測定する上で充分である。
つまり、測定中心41aから見た光源の立体角が1ステラジアン以上であることにより、被測定物3の表面上の広い範囲(少なくとも、図11におけるB点を含む領域)で、被測定物3の色を正確に測定することができる。
【0081】
(iii)本実施例1の3次元色形状検出装置1は、受光手段として2次元撮像素子(2次元CCDカメラ)を備えているので、測定範囲が広く測定の自由度が高い。また、色測定を高速で行うことができる。
(iv)本実施例1の3次元色形状検出装置1は、光照射手段として、線状蛍光灯30、側面散乱板32a,32b,上面散乱板34、及び下面散乱板35を備えており、被測定物3の色を測定する際には、白色光を照射する。そのため、被測定物3の色を測定する際に、R、G、Bの光を順次照射して色を測定する方法に比べて、高速な測定が可能である。
【0082】
(v)本実施例1の3次元色形状検出装置1は、光照射手段として、線状蛍光灯30、側面散乱板32a、32b,上面散乱板34、及び下面散乱板35を備えており、被測定物3に対し、散乱光を照射することができる。
そのことにより、被測定物3の表面に、均一に光を照射することができ、カラーCCDカメラ11から見た被測定物3の表面上の輝度は、広い範囲に渡って均等になる。その結果、被測定物3の表面上の広い範囲に渡って、色を正確に測定することができる。また、多数の光源を用いる場合に比べて、装置構成を簡略化できる。
【0083】
(vi)本実施例1の3次元色形状検出装置1は、回転ステージ41により、被測定物3を回転させることができるので、被測定物3の全周に渡って、3次元形状及び色を測定することができる。
(vii)本実施例1の3次元色形状検出装置1は、暗箱50により、外部からの光を遮光することができるので、外部からの光のために、3次元形状測定時に用いる光(スリット光)が被測定物3の表面に形成する像のコントラストが低くなったりすることがない。よって、3次元形状測定を正確に行うことができる。
【0084】
また、外部からの光を遮光することにより、被測定物3の色測定時に、被測定物3の表面に外部からの光に起因する明暗が生じたりすることがないので、正確に被測定物3の色を測定することができる。
(viii) 本実施例1の3次元色形状検出装置1では、3次元形状測定時には、線状蛍光灯30は消灯しているので、スリット光が被測定物3上に形成する像のコントラストが低くなることがない。よって、3次元形状測定を正確に行うことができる。
【0085】
また、色測定時には、レーザユニット12は消灯しているので、スリット光によって被測定物3上の照度が不均一になることがない。よって、正確に色測定を行うことができる。
(実施例2)
a)本実施例2の3次元色形状検出装置2の構成は、基本的には前記実施例1の3次元色形状検出装置1と同様である。
【0086】
但し、この実施例2においては、図13に示す様に、線状蛍光灯30は、側面散乱板32a,32bの背面側(被測定物3に面する側とは反対側)に設けられている。
b)本実施例2の3次元色形状検出装置2は、前記実施例1の3次元色形状検出装置1と同様に、被測定物3の色及び3次元形状の測定を行う。
【0087】
c)本実施例2の3次元色形状検出装置2は、前記実施例1の3次元色形状検出装置1と同様の効果を奏する。
更に、本実施例2の3次元色形状検出装置2では、線状蛍光灯30が発する光が直接被測定物3に入射しないので、被測定物3の表面上の光量を、一層均一にすることができる。そのことにより、被測定物3の色を、一層正確に測定することができる。
【0088】
尚、本発明は上記の形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。
例えば、実施例1又は2において、測定ヘッド10は固定し、被測定物設置部40を上下動させることにより、スリット光が被測定物3をy方向に走査するようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例1の3次元色形状検出装置1の全体構成を示す説明図である。
【図2】 実施例1の3次元色形状検出装置1の全体構成を示す説明図である。
【図3】 実施例1の3次元色形状検出装置1における電気回路の構成を示す説明図である。
【図4】 実施例1において3次元形状を測定する原理を示す説明図である。
【図5】 実施例1において3次元形状を測定する原理を示す説明図である。
【図6】 実施例1において3次元形状を測定する原理を示す説明図である。
【図7】 実施例1の3次元色形状検出装置1が被測定物3の色及び3次元形状を測定する処理を示すフロー図である。
【図8】 実施例1の3次元色形状検出装置1において測定ヘッド10がホームポジションにあるときの状態を示す説明図である。
【図9】 実施例1の3次元色形状検出装置1において測定ヘッド10が撮影ポジションにあるときの状態を示す説明図である。
【図10】 実施例1において被測定物3の表面上の光量の分布を示す説明図である。
【図11】 光源の立体角の大きさと被測定物上の光量分布との関係を示す説明図である。
【図12】 光源の立体角の大きさと被測定物上の光量分布との関係を示す説明図である。
【図13】 実施例2の3次元色形状検出装置1の全体構成を示す説明図である。
【図14】 従来の3次元色形状検出装置を用いて被測定物の色及び3次元形状を測定する方法を示す説明図である。
【図15】 従来の3次元色形状検出装置を用いて被測定物の色及び3次元形状を測定する方法を示す説明図である。
【図16】 従来の3次元色形状検出装置を用いた測定像を示す説明図である。
【符号の説明】
1,2・・・3次元色形状検出装置
3・・・被測定物
10・・・測定ヘッド
20・・・リニアステージ
11・・・カラーCCDカメラ
12・・・レーザユニット
30・・・線状蛍光灯
32a、32b・・・側面散乱板
34・・・上面散乱板
35・・・下面散乱板
40・・・被測定物設置部
41・・・回転ステージ
41a・・・測定中心
50・・・暗箱

Claims (11)

  1. 被測定物からの反射光に基づいて、該被測定物の3次元形状と、色とを測定する3次元色形状検出装置であって、
    前記被測定物に対し、色測定用の光を照射する光照射手段と、
    前記被測定物に対してスリット光を照射するスリット光発生手段と、
    前記色測定用の光が前記被測定物により反射した反射光を受光するとともに、前記スリット光が前記被測定物の表面に形成する像を検出する、2次元撮像素子から成る受光手段と、
    前記スリット光が前記被測定物の表面に形成する像に基づいて、前記被測定物の3次元形状を検出する3次元形状検出手段と、
    前記スリット光発生手段及び前記受光手段を、前記被測定物との間で、前記スリット光に交差する方向に相対移動し、前記被測定物を走査することができるスリット光走査手段と、
    を備えるとともに、
    前記光照射手段は、所定の広がりを有し、前記被測定物から見て、前記受光手段を挟んで対向する部分を有する領域から、前記色測定用の光を照射することを特徴とする3次元色形状検出装置。
  2. 前記被測定物を保持し、回動することができる被測定物回動手段を備え、
    前記回動の前後で、それぞれ、前記被測定物の色を測定することを特徴とする請求項1記載の3次元色形状検出装置。
  3. 所定の測定中心位置に対し、前記所定の広がりを有し、前記被測定物から見て、前記受光手段を挟んで対向する部分を有する領域のなす立体角が、1ステラジアン以上であることを特徴とする前記請求項1又は2に記載の3次元色形状検出装置。
  4. 前記光が散乱光を含むことを特徴とする前記請求項1〜のいずれかに記載の3次元色形状検出装置。
  5. 前記散乱光は白色光であることを特徴とする前記請求項に記載の3次元色形状検出装置。
  6. 前記光照射手段は、光源と、該光源から照射された光を散乱させる散乱部材とを備えることを特徴とする前記請求項又はに記載の3次元色形状検出装置。
  7. 前記散乱部材を、前記被測定物から見て、前記光源の背面側に設けたことを特徴とする前記請求項に記載の3次元色形状検出装置。
  8. 前記散乱部材を、前記被測定物から見て、前記光源の手前側に設けたことを特徴とする前記請求項又はに記載の3次元色形状検出装置。
  9. 前記被測定物を外部からの光に対して遮光する遮光手段を備えることを特徴とする前記請求項1〜のいずれかに記載の3次元色形状検出装置。
  10. 前記被測定物の3次元形状を測定する際には、前記光照射手段による前記色測定用の光の照射を禁止するとともに、
    前記被測定物の色を測定する際には、前記スリット光発生手段による前記スリット光の発生を禁止することを特徴とする前記請求項1〜9のいずれかに記載の3次元色形状検出装置。
  11. 前記請求項1〜10のいずれかに記載の3次元色形状検出装置を備えることを特徴とする3次元スキャナー。
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