JP4238891B2 - 三次元形状測定システム、三次元形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、形状測定対象物の三次元形状の測定を行う三次元形状測定システム及び三次元形状測定方法に関する。

従来、形状測定対象物の周囲の位置で、測定対象物の断片的な三次元形状を非接触で測定し、これらの測定結果に基づいて、測定対象物の全体的な三次元形状を測定する非接触型の三次元形状測定器が知られており、この種の三次元形状測定技術が開示された文献として例えば下記特許文献１〜３がある。

特許文献１〜３には、形状測定対象物にスリット光を照射するとともに、該形状測定対象物から反射された光をエリアセンサで受光し、その受光した画素の位置に基づいて、当該画素に入射した光の形状測定対象物の表面における反射点と当該画素との距離を算出することにより、形状測定対象物の三次元形状を測定する装置が開示されている。

また、特許文献１は、画素ピッチで規定される分解能より高い分解能で形状測定対象物の測定を行うことを目的として、スリット光にｎ画素分の幅（厚み）を持たせ、該スリット光で形状測定対象物の表面を走査する場合に、スリット光をサンプリング周期ごとに１画素に相当するピッチだけ移動させるようにして１つの画素からｎ回のサンプリングにおいて有効な受光データを得るとともに、このｎ個の受光データを用いた補間演算によって、該画素がにらむ範囲の表面をスリット光の光軸が通過するタイミング（時間重心：注目画素の受光量が最大となる時刻）を算出し、算出したタイミングにおけるスリット光の照射方向と、該画素に対するスリット光の入射方向との関係に基づいて、形状測定対象物の表面の位置を算出する技術が開示されている。

特許文献２は、スリット光の投射方向を変化させて周期的に形状測定対象物を撮像する走査を複数回実行するとともに、各回の走査におけるスリット光の強度を異ならせ、各画素について、サンプリングデータが飽和レベルにも黒レベルにもならない回の走査における重心（１回の走査で行った複数回のサンプリングによって得られた複数の受光データの分布の時間軸上の重心）を導出し、該重心を用いて形状測定対象物の形状を導出する技術が開示されている。

特許文献３には、形状測定対象物に投射するスリット光の反射光を撮像する撮像素子として非破壊読み出しが可能な撮像素子を用い、サンプリング周期ごとに、前記撮像素子の各画素から非破壊読み出し方式により露光時間の異なる複数の受光データを取得し、各画素について、露光時間の異なる複数の受光データの中から飽和していない受光データを選択し、該受光データを用いて各画素がにらむ範囲の表面をスリット光の光軸が通過するタイミング（時間重心：注目画素の受光量が最大となる時刻）を算出し、算出したタイミングにおけるスリット光の照射方向と、該画素に対するスリット光の入射方向との関係に基づいて、形状測定対象物の表面の位置を算出する技術が開示されている。
特開平９−１４５３１９号公報 特開２０００−２５２０号公報 特開２０００−１０５１１１号公報

しかしながら、従来の三次元形状測定装置にあっては、三次元形状の測定精度を更に向上させる余地があった。

例えば、特許文献１の技術に加えて、各画素についてサンプリング周期ごとに露光時間の異なる受光データを用いて形状測定対象物の表面の位置を算出することを想定した場合に、該受光データを、同一の受光時間で各サンプリングを行ったものと仮定した場合の、その受光期間における中心タイミングと対応付けて前記時間重心を算出すると、各画素についてそれぞれ算出された時間重心と、各画素を光軸が実際に通過するタイミングとの間にずれが生じ、このずれによって測定される形状測定対象物の三次元形状に誤差が含まれていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、形状測定対象物の三次元形状をより高い測定精度で測定することのできる三次元形状測定システム及び三次元形状測定方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、形状測定対象物に向けて照射する照射光の照射方向を変化させつつ前記形状測定対象物で反射された前記照射光を所定の周期で受光する投受光手段を備え、前記投受光手段から出力される受光量を示す受光データを利用して、前記形状測定対象物における各部位の予め設定された三次元座標系における位置を導出し、導出された各位置に基づいて、前記形状測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定システムであって、前記形状測定対象物で反射された前記照射光を受光する受光面を構成する複数の受光領域についてそれぞれ各周期における受光開始時点及び受光終了時点に対応する前記照射光の照射位置を導出する第１の照射位置導出手段と、前記受光開始時点及び受光終了時点に対応する前記照射光の照射位置の中間位置と受光データとを用いて、各受光領域の受光量が最大となる照射位置をそれぞれ導出する第２の照射位置導出手段と、前記第２の照射位置導出手段により導出された各照射位置に対応する前記照射光の照射方向と、前記形状測定対象物で反射された前記照射光の各受光領域への入射方向との関係に基づいて、各受光領域に対応する前記形状測定対象物における部位の位置を導出する位置導出手段とを備えることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、形状測定対象物に向けて照射する照射光の照射方向を変化させつつ前記形状測定対象物で反射された前記照射光を所定の周期で受光する投受光手段を備え、前記投受光手段から出力される受光量を示す受光データを利用して、前記形状測定対象物における各部位の予め設定された三次元座標系における位置を導出し、導出された各位置に基づいて、前記形状測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定システムの三次元形状測定方法であって、第１の照射位置導出手段が、前記形状測定対象物で反射された前記照射光を受光する受光面を構成する複数の受光領域についてそれぞれ各周期における受光開始時点及び受光終了時点に対応する前記照射光の照射位置を導出するステップと、第２の照射位置導出手段が、前記受光開始時点及び受光終了時点に対応する前記照射光の照射位置の中間位置と受光データとを用いて、各受光領域の受光量が最大となる照射位置をそれぞれ導出するステップと、位置導出手段が、前記第２の照射位置導出手段により導出された各照射位置における前記照射光の照射方向と、前記形状測定対象物で反射された前記照射光の各受光領域への入射方向との関係に基づいて、各受光領域に対応する前記形状測定対象物における部位の位置を導出するステップとを備えることを特徴とするものである。

請求項１，４に記載の発明によれば、各受光領域についてそれぞれ各周期における受光開始時点及び受光終了時点に対応する前記照射光の照射位置を導出し、前記受光開始時点及び受光終了時点に対応する前記照射光の照射位置の中間位置と受光データとを用いて、各受光領域の受光量が最大となる照射位置をそれぞれ導出するようにしたので、照射光の照射位置の時間的変化が一定でない場合でも、各受光領域の受光量が最大となる照射位置を正確に導出することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の三次元形状測定システムにおいて、前記各受光領域に対して前記各周期における受光時間をそれぞれ設定する受光時間設定手段と、各受光領域の受光動作において、前記受光時間設定手段により設定された受光時間
が各周期で異なるとき、前記各周期で得られた各受光データが示す出力値を、前記各周期の受光時間を統一した出力値に換算する換算手段とをさらに備え、前記第１の照射位置導出手段は、前記受光時間設定手段により設定された受光時間を決定する受光開始時点及び受光終了時点に対応する前記照射光の照射位置を導出し、前記第２の照射位置導出手段は、前記受光開始時点及び受光終了時点に対応する前記照射光の照射位置の中間位置と、前記換算手段による換算後の受光データとを用いて、各受光領域の受光量が最大となる照射位置をそれぞれ導出することを特徴とするものである。

この発明によれば、各周期の受光時間が異なる場合でも、各受光領域の受光量が最大となる照射位置を正確に導出することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の三次元形状測定システムにおいて、前記受光時間設定手段は、前記受光領域に対応する形状測定対象物の部位の光反射率に応じて前記各周期における受光時間をそれぞれ設定することを特徴とするものである。

この発明によれば、前記受光領域に対応する形状測定対象物の部位の光反射率に応じて前記各周期における受光時間をそれぞれ設定するようにしたので、形状測定対象物の部位の光反射率が高いことにより受光領域が飽和状態となり、その部位の位置を忠実に表した受光データが得られなくなるのを防止・抑制することができる。

本発明によれば、形状測定対象物の三次元形状をより高い測定精度で測定することができる。

本発明に係る三次元形状測定システムの実施形態について説明する。図１は、三次元形状測定システムの第１の実施形態における全体構成を示す図である。

図１に示すように、三次元形状測定システム１は、三次元デジタイザ１０とパーソナルコンピュータ２０とが通信可能に構成されて成り、三次元デジタイザ１０が形状測定対象物Ｓの周囲の測定位置で、光を検知媒体とする該形状測定対象物Ｓの非接触での形状測定動作を実行し、各測定動作で得られた複数の断片的な三次元形状を示す測定データを用いて、形状測定対象物Ｓの全体の三次元形状を測定する。

図２は、三次元デジタイザ１０による投受光動作を示す説明図である。三次元デジタイザ１０は、光切断法と呼ばれる方式を用いて形状測定対象物Ｓの三次元データを求めるものである。この三次元デジタイザ１０は、所定の発光手段と受光手段とを含む光学ユニットが内蔵された略直方体形状のハウジングに、投光窓を備えた投光部１１と、受光窓を備えた受光部１２とを有して成る。投光部１１は、受光部１２の下側の、基線長に応じた所定距離だけ離れた位置に設けられている。

投光部１１からは、水平方向に拡がるレーザビームであるスリット光１１Ｅが射出される。このスリット光１１Ｅは、水平方向に放射角度φで拡がり（扇形）、垂直方向に幅（厚み）Ｗを有する平面状の光である。スリット光１１Ｅは、形状測定対象物Ｓに向けて照射される。本実施形態では、該スリット光の幅Ｗは、後述する撮像素子１２２の画素５つ分の長さに相当するものとする。スリット光１１Ｅは形状測定対象物Ｓの表面で反射され、その反射光１２Ｒの一部が受光部１２に入射するようになっている。

図３は、三次元デジタイザ１０の基本的な内部構成を示す模式図、図４は、三次元デジタイザ１０による三次元測定方法の原理を示す説明図である。

図３に示すように、投光部１１は、光源となるレーザ光を発生するレーザ光源１１１と、前記レーザ光を投光窓に導く投光光学系１１２と、面回転するガルバノミラー１１３とを含んでいる。また、受光部１２は、反射光１２Ｒが入射される受光光学系１２１と、該受光光学系１２１の光路上に配置されるＣＣＤ（Charge Coupled Device）等からなる撮像素子１２２とを含んでいる。

投光部１１からは、形状測定対象物Ｓに向けて所定のガルバノ回転角でガルバノミラー１１３を回転させつつ、順次スリット光１１Ｅ−１、１１Ｅ−２、１１Ｅ−３が投光される。かかる投光は、形状測定対象物Ｓの全域を走査するように行われる。このときの反射光は、受光光学系１２１を介して撮像素子１２２で受光される。

撮像素子１２２で受光される画像１２２Ｄは、形状測定対象物Ｓの立体形状に応じたスリット像ＳＥ−１、ＳＥ−２、ＳＥ−３を含むものとなる。そして、スリット光１１Ｅ−１、１１Ｅ−２、１１Ｅ−３の投光角と、撮像素子１２２の受光エリアにおけるスリット像ＳＥ−１、ＳＥ−２、ＳＥ−３の位置とから、三次元デジタイザ１０に内蔵されている測定データ導出部１５（図５参照）により、三次元デジタイザ１０から形状測定対象物Ｓまでの距離が三角測量の原理で算出される。

図４に基づき測定原理を説明する。先ず、投光点からのレーザ光Ｆの投光角θは、ガルバノミラー１１３のガルバノ回転角から求められる。レーザ光Ｆが或る測定面Ｓａ上の点Ｐ１で反射され、その反射光Ｒ１が受光部１２に入射したとすると、撮像素子１２２の受光面で検出される反射光Ｒ１の像位置ｙｉから、反射光Ｒ１の受光角φが算出される。そして、投光点と受光点との間の基線長Ｌと投光角θ、受光角φより、測定物面上の点Ｐ１までの距離Ｚ１が求められる。これは、別の測定面Ｓｂ上の点Ｐ２で反射された反射光Ｒ２でも同様であり、この場合は、距離Ｚ２が求められる。形状測定対象物Ｓの各部位についてそれぞれ求められた距離は、共通の三次元座標系における座標（位置）に変換され、前記距離を示すデータから前記座標を示す測定データが生成される。

図１に戻り、パーソナルコンピュータ２０は、三次元デジタイザ１０により取得された前記測定データを取り込んで、形状測定対象物Ｓの三次元形状を求めるための各種演算を行うものである。また、パーソナルコンピュータ２０は、所望の指示を入力するためのキーボード２７ａやマウス２７ｂ等の入力操作部２７と、所定の画面を表示する表示部２８とを有する。

図５は、三次元形状測定システム１の構成を示すブロック図である。図５に示すように、三次元デジタイザ１０は、前記投光部１１及び受光部１２を含む測定部１３と、パーソナルコンピュータ２０との間で各種データの通信を行うための通信部１４と、三次元デジタイザ１０から形状測定対象物Ｓまでの距離を算出する測定データ導出部１５とを有する。

通信部１４は、パーソナルコンピュータ２０との間で各種のデータの授受を行うものであり、三次元デジタイザ１０による各測定位置での測定動作によって得られた測定データをパーソナルコンピュータ２０に送信したり、測定開始／終了指示等を示すデータをパーソナルコンピュータ２０から受信したりするものである。

測定データ導出部１５は、換算部１６、照射タイミング導出部１７及び位置導出部１８を備える。なお、これらの機能については後述する。

パーソナルコンピュータ２０は、三次元デジタイザ１０との間で各種データの通信を行うための通信部２１を有すると共に、測定制御部２２と、受光時間決定部２３と、三次元形状導出部２４とを機能的に備える。

測定制御部２２は、三次元デジタイザ１０の前記投光部１１及び受光部１２に投受光動作を行わせるものである。測定制御部２２は、形状測定対象物Ｓへのスリット光の照射位置が例えば下側から上側に移動するようにスリット光１１Ｅの照射方向を変化させつつ、受光部１２に所定の周期（以下、サンプリング周期という）で受光動作を行わせることにより、形状測定対象物Ｓの全域を三次元デジタイザ１０に走査させる。なお、本実施形態では、撮像素子１２２の受光面への入射光が該受光面上で１画素分ずつ移動するように、前記スリット光１１Ｅの照射方向を間欠的に変化させ、スリット光１１Ｅの照射方向の変化毎に受光部１２による受光動作を行うものとする。

ここで、本実施形態では、形状測定対象物Ｓの走査を複数回、各回の受光時間を異ならせて実行するプレスキャンモードと、このプレスキャンモードで得られた受光データに基づき後述の本スキャンモードにおける各サンプリングの受光時間を決定し、この受光時間に基づき、形状測定対象物Ｓの走査を行う本スキャンモードとを有している。

受光時間決定部２３は、前記プレスキャンモードで得られた受光データに基づき前記本スキャンモード時における各サンプリングの受光時間を決定するものである。形状測定対象物Ｓの光反射率が各部位によって異なる場合に、光反射率が高い部位に光を照射したときと、光反射率が低い部位に光を照射したときとで同一の受光時間とすると、光反射率が高い部位に光を照射したときの反射光を受光した画素が飽和する場合があり、飽和した画素の出力信号に基づいて形状測定対象物Ｓの三次元形状を導出すると、該出力信号が、光反射率が高い部位と三次元デジタイザ１０との距離を忠実に表したものとはならず、導出した三次元形状に誤差が生じる。

そこで、受光時間決定部２３は、前記プレスキャンモードで得られた各受光データから、本スキャンモードの各サンプリングにおける最適な受光時間を決定する。例えば、受光時間決定部２３は、プレスキャンモードにおける走査によって各画素から得られた出力信号の大きさに応じて、本スキャンモード時における当該画素の受光時間を決定する。すなわち、プレスキャンモード時の出力信号が小さければ、本スキャンモード時の出力信号が適正となるように受光時間を長くし、出力信号が大きすぎる場合は受光時間を短くする。この場合、飽和する画素がないようにプレスキャンでの受光時間を短く設定しておくことが望ましい。

図６は、形状測定対象物の部位の位置を算出する方法を説明するための図であり、投光点Ａから照射方向を変えつつスリット光１１Ｅを形状測定対象物Ｓの表面に照射したときに、形状測定対象物Ｓの表面で反射されたスリット光１１Ｅの受光面Ｖ２における入射位置の変化を示す。以下、測定データ導出部１５は、換算部１６、照射タイミング導出部１７及び位置導出部１８の機能について説明する。

図６に示すように、スリット光１１Ｅの光軸（スリット光１１Ｅの照射方向）Ｕを点Ｐ１→点Ｐ２→点Ｐ３のように下側から上側に変えていくと、形状測定対象物Ｓの表面で反射されたスリット光１１Ｅの受光面Ｖ２への入射位置は、上側から下側に移動していく。一方、形状測定対象物Ｓの表面に照射される光の照射強度分布は、スリット光１１Ｅの光軸Ｕが前記表面と交差する点において光量が最大となり、その交差点から離間するに伴って光量が小さくなる山形の波形となる。

したがって、スリット光１１Ｅの光軸Ｕを下側から上側に連続的に変えていくと、前記照射強度分布で照射される形状測定対象物Ｓの部位が下側の部位から上側の部位へと移動し、撮像素子１２２の受光面における或る画素ｇ（以下、注目画素ｇという）に着目したとき、その画素への入射光量の変化は、図７（ａ）に示すような山形の波形となる。

ここで、本実施形態では、前述したように、撮像素子１２２の受光面への入射光が該受光面上で１画素分ずつ移動するように、画素５つ分の幅Ｗを有するスリット光１１Ｅの照射方向を連続的に変化させ、スリット光１１Ｅの照射方向の変化毎に受光部１２による受光動作を行うため、前記注目画素ｇから５回のサンプリングにおいて受光データが得られる。

また、本スキャンモード時の各サンプリングの受光時間は、プレスキャンモードで得られた受光データに基づき受光時間決定部２３により設定されており、例えば図７（ｂ）では、前記注目画素ｇが、第１回目は受光時間Ｔ１の受光動作を行い、第２回目は受光時間Ｔ２の受光動作を行い、第３回目は受光時間Ｔ３の受光動作を行い、第４回目は受光時間Ｔ４の受光動作を行い、第５回目は受光時間Ｔ５の受光動作を行ったことを示している。なお、ここでは、第１、第２、第５回目の受光動作における受光時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ５が同一の時間に設定され、且つ、第３回目及び第４回目の受光動作における受光時間Ｔ３，Ｔ４が、第１、第２、第５回目の受光動作における受光時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ５の半分の時間に設定された（受光時間Ｔ３＝Ｔ４＝（１／２）×Ｔ１）ものとする。このような場合において、前記換算部１６、照射タイミング導出部１７及び位置導出部１８は以下のような処理を行う。

まず、換算部１６は、各サンプリングの受光動作で得られた受光データについて、受光時間について正規化（受光時間を統一）した受光データに換算する。すなわち、図７（ｂ）に示すように、第３回目，第４回目の受光動作における受光時間Ｔ３，Ｔ４は、第１、第２、第５回目の受光動作における受光時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ５の半分の時間に設定されているため、換算部１６は、図７（ｃ）の矢印Ａに示すように、第３回目，第４回目の受光動作で得られた受光データ（出力値Ｄ）について、第１、第２、第５回目の受光動作における受光時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ５と同じ時間だけ受光した場合に得られると想定される受光データ（出力値２Ｄ）に換算する。

照射タイミング導出部１７は、各回の受光時間Ｔ１〜Ｔ５に相当する受光期間の中心タイミングｔ１〜ｔ５を導出し、このタイミングｔ１〜ｔ５と、前記換算部１６により換算された受光データとをそれぞれ対応付けた上で、周知の補間演算処理によって、図７（ｃ）に示す曲線（１）を導出する。また、照射タイミング導出部１７は、その曲線（１）の頂点Ｔに対応するタイミングＴpeakを求め、このタイミングＴpeakを、注目画素ｇの受光量が最大となるタイミング（以下、時間重心という）として設定する。この時間重心Ｔpeakは、スリット光１１Ｅの光軸が、形状測定対象物Ｓのうち注目画素ｇに光を反射した部位を通過するタイミングである。なお、図７（ｃ）に示す例では、タイミングｔ３とタイミングｔ４との間のタイミングで当該注目画素ｇの受光量が最大となっている。

位置導出部１８は、照射タイミング導出部１７により導出されたタイミングＴpeakにおけるスリット光１１Ｅの照射方向と、該注目画素ｇに対するスリット光１１Ｅの入射方向との関係に基づき、前述したように、形状測定対象物Ｓのうち注目画素ｇに光を反射した部位から三次元デジタイザ１０までの距離を三角測量の原理で算出する。

三次元形状導出部２４は、三次元デジタイザ１０による形状測定対象物Ｓの三次元形状の測定動作を終了し、位置導出部１８により形状測定対象物Ｓの各部位と三次元デジタイザ１０までの距離を示す測定データが算出されると、それらの測定データに基づいて、形状測定対象物Ｓの全体的な三次元形状を導出するものである。

図８は、三次元形状測定システム１における三次元形状測定処理を示すフローチャートである。

図８に示すように、三次元デジタイザ１０は、形状測定対象物Ｓに対する走査を実行し（ステップ♯１）、走査回数が予め設定された設定回数に達していない場合には（ステップ♯２でＮＯ）、受光時間を変更した上で（ステップ♯３）、ステップ♯１の走査を実行し、走査回数が予め設定された設定回数に達した場合には（ステップ♯２でＹＥＳ）、パーソナルコンピュータ２０は、前記設定回数の走査で得られた各受光データに基づき、各サンプリングにおける最適な受光時間を設定する（ステップ♯４）。ここまでの処理が前記プレスキャンモードでの処理であり、次のステップ♯５以降、本スキャンモードの処理が実行される。

次に、三次元デジタイザ１０は、パーソナルコンピュータ２０で設定された受光時間にしたがって形状測定対象物Ｓに対する走査を実行する（ステップ♯５）。そして、三次元デジタイザ１０は、各画素において、ステップ♯５の走査で得られた受光データを、受光時間について正規化した受光データに換算し（ステップ♯６）、ステップ♯５の走査における各サンプリングの受光期間の中心タイミングと、ステップ♯６で導出された受光データとをそれぞれ対応付けた上で、前記補間演算処理によって例えば図７（ｃ）に示すような頂点Ｎpeakを導出する（ステップ♯７）。

また、三次元デジタイザ１０は、ステップ♯７で導出した頂点Ｎpeakに対応する時間重心Ｔpeakを用いて、形状測定対象物Ｓの各部位と三次元デジタイザ１０との距離を算出する（ステップ♯８）。そして、パーソナルコンピュータ２０は、ステップ♯８で算出された距離に基づき、形状測定対象物Ｓの三次元形状を導出する（ステップ♯８）。

以上のように、本スキャンモードにおいて、各サンプリングにおける受光時間を変えるようにしたので、形状測定対象物Ｓの光反射率が大きいことにより撮像素子１２２の画素が飽和し、形状測定対象物Ｓの各部位の位置を忠実に表した受光データが得られなくなるという不具合を防止・抑制することができ、形状測定対象物Ｓの三次元形状を正確に測定することができる。

そして、特に本実施形態では、異なる受光時間でそれぞれ得られた受光データを受光時間について正規化した受光データと、これらの受光データを得た各受光期間の中心タイミングとを対応付けて前記時間重心Ｔpeakを導出するようにしたので、時間重心Ｔpeakを正確に導出することができる。

すなわち、或る画素について、同一の受光時間で各サンプリングを行ったものと仮定した場合の、その受光期間における中心タイミングと、各サンプリングで得られた受光データ（換算後の受光データ）とを対応付けて時間重心を算出するようにした場合、図７（ｄ）に示すように、第３回目及び第４回目のサンプリングにおいて得られた受光データと対応付けるタイミングが、第３回目及び第４回目のサンプリングにおける実際の受光期間の中心のタイミングとは異なるため、算出された時間重心が実際の時間重心とずれることとなる（ずれ量ΔＴ）。このようなずれが生じていると、このタイミングを用いて導出される形状測定対象物Ｓの部位と三次元デジタイザ１０との距離、延いては導出される形状測定対象物Ｓの三次元形状に誤差が生じる。

これに対して、本実施形態では、各サンプリングで得られた受光データを、各サンプリングにおける受光期間の中心タイミングと対応付けることにより、前記補間演算処理により算出される時間重心Ｔpeakが実際の時間重心にさらに近似したものとなり、その結果、形状測定対象物Ｓの各部位をスリット光１１Ｅの光軸が通過したタイミングをより正確に導出することができる。その結果、このタイミングを用いて導出される前記三次元位置、延いては形状測定対象物の三次元形状を正確に測定することができる。

本件は、前記実施形態に加えて、あるいは前記実施形態に代えて次の変形形態も含むものである。

（１）前記第１の実施形態では、本スキャンモード時における各サンプリングの受光時間を、プレスキャンモードにおいて得られた受光データを用いて決定し、その決定した受光時間で本スキャン時におけるサンプリングを実行するようにしたが、異なる受光時間で行った複数回の走査により得られた受光データの中から、各サンプリングにおいて最適な受光時間を決定するとともに、その受光時間に相当する受光期間の中心タイミングを導出し、該中心タイミングと該中心タイミングに対応する受光時間で得られた受光データとから、前記時間重心を導出するようにしてもよい。

例えば形状測定対象物Ｓの走査を２回行うものとし、一方の走査における受光時間が他方の走査における受光時間の２倍の長さを有するものとする。なお、長い方の受光時間を第１受光時間、短い方の受光時間を第２受光時間という。このとき、図９（ａ）に示すように、前記第１受光時間で走査を行った場合に、各サンプリングで得られた受光データのうち閾値Ｇを超える第３回目及び第４回目のサンプリングの受光データ（例えば画素が飽和した受光データ）については、図９（ｂ）に示すように、第２受光時間で走査を行ったときの受光データに置換し、この受光データと、前記置換後の受光時間（ここでは第２受光時間）に相当する受光期間の中心タイミングとを対応付けて、図７（ｃ）に示すように、前記第１の実施形態と同様に時間重心Ｔpeakを導出する。

これによっても、前記第１の実施形態と同様に、形状測定対象物Ｓの三次元形状を正確に測定することができる。

（２）前記第１の実施形態及び変形形態（１）では、ガルバノミラー１１３を面回転させることにより、スリット光１１Ｅの照射方向を変えるようにしたが、スリット光１１Ｅの照射方向を変える構成は、ガルバノミラー１１３を用いたものに限られるものではない。

ガルバノミラー１１３を面回転させてスリット光１１Ｅの照射方向を変えるように構成した場合は、次のような処理によっても形状測定精度を向上することができる。

図１０は、ガルバノミラー１１３を面回転させる一構成例を示す図である。図１０に示すように、ガルバノミラー１１３を面回転させる構成は、ガルバノミラー１１３の回転方向及び回転量を示すデジタルデータを時間軸に対して離散的に出力するコントローラ４０と、コントローラ４０から出力されたデジタルデータをＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器４１と、Ｄ／Ａ変換器４１から出力されたアナログデータにより駆動信号を生成するドライブ回路４２と、該ドライブ回路４２により生成された駆動信号によりガルバノミラー１１３を面回転させるガルバノスキャナ４３とを有する。

ここで、形状測定対象物Ｓに照射されるスリット光１１Ｅの照射位置は、ガルバノスキャナ４３の応答時間の影響により、図１１に示すように、時間に対して所定の周期で波打つように変化する。

このように、スリット光１１Ｅの照射位置が周期的に波打つように変化することで、或る画素の受光量の時間変化に着目したとき、前記第１の実施形態及び変形形態（１）では、該画素の受光量が時間に対して山形に滑らかに変化することを前提として説明したが、より詳細には、図１３（ａ）に示すように、前記受光量は時間に対して波打つような変化となる。

一方、或る画素に着目したときに、スリット光１１Ｅの照射位置に対する受光量の変化を示すグラフを描くと、図１３（ｂ）に示すように正規分布のような山型の滑らかなグラフとなる。

これらのことから、ガルバノミラー１１３を面回転させて走査を行う構成において、より正確な形状測定対象物Ｓの三次元形状を測定するためには、各画素において、前記第１の実施形態及び変形形態（１）のように、受光量の時間変化（図１３（ａ））に基づく時間重心Ｔpeakを導出するよりも、スリット光１１Ｅの照射位置に応じた受光量の変化（図１３（ａ））に基づいて各画素の出力が最大となるスリット光１１Ｅの照射位置を導出する方が、整形化された波形を利用する分、導出される三次元形状に含まれる誤差が小さくなるため望ましいと考えられる。

そこで、本実施形態では、スリット光１１Ｅの照射位置に応じた受光量の変化に基づいて各画素の出力が最大となるスリット光１１Ｅの照射位置を導出する。図１２は、図１１に示すグラフの一部（矢印Ｑの部分の）拡大図（実線）と、スリット光１１Ｅの照射位置についての理論値（点線）を示す図である。

まず、各サンプリングにおける受光開始タイミングは受光時間に関係なく同じである。また、図１２に示す特性において、受光期間におけるスリット光１１Ｅの照射位置の位置変化を平均化し、図１２に示す特性から、想定し得る受光時間の長さと、該受光時間におけるスリット光１１Ｅの照射位置の変化量との関係をテーブル化しておく。図１２におけるグラフＹは、或る受光時間ｔｐの受光期間におけるスリット光の照射位置の位置変化を平均化したグラフである。

そして、測定部１３による形状測定対象物Ｓの走査が完了すると、測定データ導出部１５は、或る注目画素ｇについて、図１４（ａ）に示すように受光時間Ｔ１〜Ｔ５で各サンプリングを行った場合、前記テーブルを用いて、図１４（ｂ）に示すように、各受光時間Ｔ１〜Ｔ５におけるスリット光１１Ｅの照射位置についての初期位置と到達位置とに変換する。

そして、測定データ導出部１５は、前記受光期間Ｔ１〜Ｔ５に相当するスリット光１１Ｅの照射位置の位置変化期間Ｍ１〜Ｍ５で得られた受光データについて、前記第１の実施形態のように各受光時間について正規化した場合の受光データに換算した上で、この換算後の受光データと、各サンプリングの受光期間における中心タイミングｔ１〜ｔ５（図７（ｃ）参照）に相当する中間照射位置ｍ１〜ｍ５（前記初期位置と到達位置との中間位置）とを対応付け、所定の補間演算によって、図１４（ｃ）の曲線（２）を導出する。

また、測定データ導出部１５は、その曲線（２）の頂点Ｒに対応する照射位置Ｍpeak（以下、重心位置という）を求め、この重心位置Ｍpeakを、形状測定対象物Ｓのうち注目画素ｇに光を反射した部位をスリット光１１Ｅの光軸が通過する照射位置として設定する。

そして、測定データ導出部１５は、その照射位置に対応するスリット光１１Ｅの照射方向と、該注目画素に対するスリット光の入射方向との関係に基づき、前述したように、形状測定対象物Ｓのうち注目画素ｇに光を反射した部位から三次元デジタイザ１０までの距離（三次元位置）を三角測量の原理で算出する。

三次元デジタイザ１０がガルバノミラー１１３を面回転させて走査を行う構成を有する場合においては、以上のような処理によっても形状測定対象物Ｓの三次元形状の更なる測定精度を向上することができる。

本発明に係る三次元形状測定システムの第１の実施形態における全体構成を示す図である。 三次元デジタイザによる投受光動作を示す説明図である。 三次元デジタイザの基本的な内部構成を示す模式図である。 三次元デジタイザによる三次元測定方法の原理を示す説明図である。 三次元形状測定システムの電気的な構成を示すブロック図である。 形状測定対象物の部位の位置の算出方法を説明するための図である。 （ａ）は、撮像素子の受光面における或る画素に着目したとき、その画素への入射光量の変化を示すグラフを示し、（ｂ），（ｃ）は、第１の実施形態の特徴部分の処理を説明するための図、（ｄ）は、前記特徴部分と比較対照する技術を説明するための図である。 三次元形状測定システム１における三次元形状測定処理を示すフローチャートである。 変形形態（１）の説明図である。 ガルバノミラーを面回転させる一構成例を示す図である。 形状測定対象物Ｓに照射されるスリット光１１Ｅの照射位置の時間に対する変化を示す図である。 図１１に示すグラフの一部（矢印Ｑの部分の）拡大図（実線）と、スリット光の照射位置についての理論値（点線）を示す図である。 （ａ）は、或る画素の受光量の時間変化を示すグラフを示し、（ｂ）は、スリット光１１Ｅの照射位置に対する受光量の変化を示すグラフを示す図である。 変形形態（２）の特徴部分の処理を説明するための図である。

符号の説明

１ 三次元形状測定システム
１０ 三次元デジタイザ
１１ 投光部
１２ 受光部
１３ 測定部
１４ 通信部
１５ 測定データ導出部
１６ 換算部
１７ 照射タイミング導出部
１８ 位置導出部
２０ パーソナルコンピュータ
２１ 通信部
２２ 測定制御部
２３ 受光時間決定部
２４ 三次元形状導出部
４０ コントローラ
４１ Ｄ／Ａ変換器
４２ ドライブ回路
４３ ガルバノスキャナ
１１１ レーザ光源
１１３ ガルバノミラー
１２２ 撮像素子

Claims (4)

1. 形状測定対象物に向けて照射する照射光の照射方向を変化させつつ前記形状測定対象物で反射された前記照射光を所定の周期で受光する投受光手段を備え、前記投受光手段から出力される受光量を示す受光データを利用して、前記形状測定対象物における各部位の予め設定された三次元座標系における位置を導出し、導出された各位置に基づいて、前記形状測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定システムであって、
   前記形状測定対象物で反射された前記照射光を受光する受光面を構成する複数の受光領域についてそれぞれ各周期における受光開始時点及び受光終了時点に対応する前記照射光の照射位置を導出する第１の照射位置導出手段と、
   前記受光開始時点及び受光終了時点に対応する前記照射光の照射位置の中間位置と受光データとを用いて、各受光領域の受光量が最大となる照射位置をそれぞれ導出する第２の照射位置導出手段と、
   前記第２の照射位置導出手段により導出された各照射位置に対応する前記照射光の照射方向と、前記形状測定対象物で反射された前記照射光の各受光領域への入射方向との関係に基づいて、各受光領域に対応する前記形状測定対象物における部位の位置を導出する位置導出手段と
   を備えることを特徴とする三次元形状測定システム。
2. 前記各受光領域に対して前記各周期における受光時間をそれぞれ設定する受光時間設定手段と、
   各受光領域の受光動作において、前記受光時間設定手段により設定された受光時間が各周期で異なるとき、前記各周期で得られた各受光データが示す出力値を、前記各周期の受光時間を統一した出力値に換算する換算手段とをさらに備え、
   前記第１の照射位置導出手段は、前記受光時間設定手段により設定された受光時間を決定する受光開始時点及び受光終了時点に対応する前記照射光の照射位置を導出し、
   前記第２の照射位置導出手段は、前記受光開始時点及び受光終了時点に対応する前記照射光の照射位置の中間位置と、前記換算手段による換算後の受光データとを用いて、各受光領域の受光量が最大となる照射位置をそれぞれ導出することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定システム。
3. 前記受光時間設定手段は、前記受光領域に対応する形状測定対象物の部位の光反射率に応じて前記各周期における受光時間をそれぞれ設定することを特徴とする請求項２に記載の三次元形状測定システム。
4. 形状測定対象物に向けて照射する照射光の照射方向を変化させつつ前記形状測定対象物で反射された前記照射光を所定の周期で受光する投受光手段を備え、前記投受光手段から出力される受光量を示す受光データを利用して、前記形状測定対象物における各部位の予め設定された三次元座標系における位置を導出し、導出された各位置に基づいて、前記形状測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定システムの三次元形状測定方法であって、
   第１の照射位置導出手段が、前記形状測定対象物で反射された前記照射光を受光する受光面を構成する複数の受光領域についてそれぞれ各周期における受光開始時点及び受光終了時点に対応する前記照射光の照射位置を導出するステップと、
   第２の照射位置導出手段が、前記受光開始時点及び受光終了時点に対応する前記照射光の照射位置の中間位置と受光データとを用いて、各受光領域の受光量が最大となる照射位置をそれぞれ導出するステップと、
   位置導出手段が、前記第２の照射位置導出手段により導出された各照射位置における前記照射光の照射方向と、前記形状測定対象物で反射された前記照射光の各受光領域への入射方向との関係に基づいて、各受光領域に対応する前記形状測定対象物における部位の位置を導出するステップと
   を備えることを特徴とする三次元形状測定方法。

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