JP5133614B2 - 3D shape measurement system - Google Patents
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Description
本発明は、3次元形状測定システムに関し、更に詳細には、特に転動しているタイヤの外形形状を測定するのに最適な3次元形状測定システムに関する。 The present invention relates to a three-dimensional shape measurement system, more particularly relates to the optimum three-dimensional shape measurement system, particularly for measuring the outer shape of the tire is rolling.
静止している物体の3次元形状を計測する手法としてモアレ法が知られている。一方、移動している物体、例えば回転しているタイヤの3次元形状を計測する場合にはこのモアレ法を用いることはできない。 A moire method is known as a method for measuring the three-dimensional shape of a stationary object. On the other hand, when measuring the three-dimensional shape of a moving object, for example, a rotating tire, this moire method cannot be used.
この対策として、特許文献1に、タイヤ表面に格子状の光マークを投射し、タイヤを回転させて転動タイヤの状態にして、この光マークの位置をビデオカメラ等の撮影装置によって3次元座標で撮影することが開示されている。このようにして3次元座標で撮影する手法では、撮影装置を短時間で容易に設定することができるという利点がある。
As a countermeasure, in
しかし、特許文献1では、投射された光マークを少なくとも2台の撮影装置で同時に撮影する必要がある。このため、タイヤ表面の凹凸などによって一方又は両方の撮影装置の死角に光マークが投射されているときには計測不能になっており、計測できない部位が部分的に生じる可能性があった。また、このことは、タイヤ以外の一般的な測定対象物に対しても同様であった。
However, in
なお、非特許文献1に、時間変化に伴って光強度が増大する光(増加変調光)を被写体に投射してこの反射光を撮影装置で撮影し、更に、時間変化に伴って光強度が減少する光(減少変調光)を被写体に投射してこの反射光を同じ撮影装置で撮影し、両者の反射光の差を求めて撮影装置から被写体までの距離を算出することによって、被写体の3次元形状を求めることが開示されている。この手法では撮影装置の台数を複数台にしなくても済むので、上記のような死角が生じ難い。しかし、この手法では、被写体が移動しているときや、被写体に他から光(例えば室内の照明灯からの光)が投射されているときには正確に計測することができない。
本発明は、上記事実を考慮して、測定対象物を高速で移動させても高精度で測定対象物の3次元形状を計測することができる3次元形状測定システムを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide in view of the aforementioned, the three-dimensional shape measurement system capable of measuring the three-dimensional shape of the measurement object the measuring object with high accuracy by moving at high speed To do.
請求項1に記載の発明は、測定対象物に向けて、所定の変動周期で周期的に光量を変動させながら前記測定対象物の測定位置へ光を照射する光源と、前記光源から発せられて前記測定対象物の前記測定位置で反射した反射光を受光する第1、第2、第3及び第4の受光部と、前記反射光を前記第1の受光部から前記第4の受光部のそれぞれへ向け、均等な光量に分配するように設けられた複数のビームスプリッターと、前記複数のビームスプリッターにより分配された前記反射光を前記第1から前記第4の受光部のそれぞれで受光する際、前記変動周期に対して、前記第1の受光部が0〜πの位相角で受光し、前記第2の受光部がπ〜2πの位相角で受光し、前記第3の受光部が−π/2〜π/2の位相角で受光し、かつ前記第4の受光部がπ/2〜3π/2の位相角で受光するように受光期間を制御する制御手段と、前記第1から第4の受光部のそれぞれで受光された光量に基づき、位相シフト法を用いて前記測定対象物の前記測定位置までの距離を算出することで、前記測定対象物について前記測定位置ごとの3次元座標を求める演算処理手段と、前記演算処理手段により求められた前記測定位置ごとの前記3次元座標に基づき、前記測定対象物の3次元形状を表示する表示手段と、を含む。
また、請求項2に記載の発明は、測定対象物に向けて、所定の変動周期で周期的に光量を変動させながら前記測定対象物の測定位置へ光を照射する光源と、
前記光源から発せられて前記測定対象物の前記測定位置で反射した反射光を受光する第1、第2及び第3の受光部と、前記反射光を前記第1の受光部から前記第3の受光部のそれぞれへ向け、均等な光量に分配するように設けられたキューブ型クロスプリズムと、前記キューブ型クロスプリズムにより分配された前記反射光を前記第1から前記第3の受光部のそれぞれで受光する際、前記変動周期に対して、前記第1の受光部が0〜πの位相角で受光し、前記第2の受光部がπ/2〜3π/2の位相角で受光し、かつ前記第3の受光部がπ〜2πの位相角で受光するように受光期間を制御する制御手段と、前記第1から第3の受光部のそれぞれで受光された光量に基づき、位相シフト法を用いて前記測定対象物の前記測定位置までの距離を算出することで、前記測定対象物について前記測定位置ごとの三次元座標を求める演算処理手段と、前記演算処理手段により求められた前記測定位置ごとの前記三次元座標に基づき、前記測定対象物の3次元形状を表示する表示手段と、を含む。
The invention according to
Further, the invention according to claim 2 is directed to a light source that irradiates the measurement position of the measurement object with light while periodically changing the amount of light toward the measurement object with a predetermined fluctuation period.
First, second, and third light receiving portions that receive reflected light emitted from the light source and reflected at the measurement position of the measurement object, and the reflected light from the first light receiving portion to the third light receiving portion. A cube-type cross prism that is provided so as to be distributed evenly to each light-receiving unit, and the reflected light distributed by the cube-type cross-prism is received by each of the first to third light-receiving units. When receiving light, the first light receiving unit receives light with a phase angle of 0 to π, the second light receiving unit receives light with a phase angle of π / 2 to 3π / 2 with respect to the fluctuation period, and Based on the control means for controlling the light receiving period so that the third light receiving portion receives light at a phase angle of π to 2π, and the light amount received by each of the first to third light receiving portions, a phase shift method is performed. To calculate the distance of the measurement object to the measurement position. The calculation processing means for obtaining the three-dimensional coordinates for each measurement position for the measurement object, and the three-dimensional coordinates of the measurement object based on the three-dimensional coordinates for each measurement position obtained by the calculation processing means. Display means for displaying a dimensional shape.
本発明では、光源から発光されて測定対象物で反射でした反射光を受光部で受光する。また、光源から発せられる光量が周期的に変動するので、受光部で受光される反射光も周期的に変動する。 In the present invention, it receives the reflected light was reflected by the object is emitted from the light source at the light receiving portion. Further, since the amount of light emitted from the light source varies periodically, the reflected light received by the light receiving unit also varies periodically.
制御手段は、受光部により、光源の光量周期変動に対して位相が1/2周期ごとの受光期間で反射光を受光する。そして、演算処理手段は、各受光期間の受光量から測定対象物の測定位置における位相遅れを算出し、更に、この位相遅れに基づいて受光部から測定位置までの距離を算出する。
このようにして測定位置ごとに求めた距離に基づいて得られる3次元座標により測定対象物の形状を求める。
Control means, by the light receiving unit, phase contrast light intensity periodic variation of the light source to receive the reflected light by the light receiving period for each half cycle. Then, the arithmetic processing means calculates the phase lag at the measurement position of the measurement object from the received light amount of each light receiving period, further, it calculates the distance to the stereotactic location measuring light receiving unit based on the phase lag.
Thus by the three-dimensional coordinates obtained based on the distance obtained for each measurement position Ru seek shape of the measuring object.
ここで、請求項1に記載の発明では、第1から第4の受光部及び各受光部へ反射光を光量が均等となるように分配する複数のビームスプリッターを用い、0〜π、π〜2π及び−π/2〜π/2、π/2〜3π/2の受光期間で反射光を受光する。また、請求項2に記載の発明では、第1から第3の受光部及び各受光部へ反射光を光量が均等となるように分配するキューブ型クロスプリズムを用い、0〜π、π/2〜3π/2、π〜2πの受光期間で反射光を受光する。従って、極めて短時間(例えば数十ナノ秒)の撮影で測定対象物の3次元形状を測定することができる。 Here, in the first aspect of the invention, the first to fourth light receiving units and the plurality of beam splitters that distribute the reflected light to the respective light receiving units so that the amount of light is uniform are used, and 0 to π, π to Reflected light is received in a light receiving period of 2π, −π / 2 to π / 2, and π / 2 to 3π / 2. In the second aspect of the present invention, a cube-type cross prism that distributes the reflected light to the first to third light receiving portions and each light receiving portion so that the amount of light is uniform is used, and 0 to π and π / 2. The reflected light is received in the light receiving period of ˜3π / 2 and π˜2π. Therefore, it is possible to measure the three-dimensional shape of the measurement object by photographing for a very short time (for example, several tens of nanoseconds).
また、複数台にわたって撮影装置を設置しなくてもよい構成にすることが可能である。従って、複数台の撮影装置で撮影した画像の対応を図るという必要はないのでデータ処理が簡易であり、これにより、高解像度の3次元動画の即時出力が可能となる。 Further, it is possible to also be configured to not install the imaging device for several cars double. Therefore, it is not necessary to deal with images captured by a plurality of image capturing apparatuses, so that data processing is simple, and thus high-resolution 3D moving images can be output immediately.
更に、上記のように単一の反射光を受光することで、測定対象物表面の凹凸等による撮影装置の死角が大幅に生じ難くなる。従って、測定不能となる測定対象物部位が大幅に低減するので、高精度で測定することができる。 Further, by receiving a single reflected light as described above, the blind spot of the photographing apparatus due to the unevenness of the surface of the measurement object is hardly generated. Therefore, since the measurement object parts that cannot be measured are greatly reduced, measurement can be performed with high accuracy.
また、演算処理手段は位相シフト法により前記位相遅れを算出するので、位相遅れの算出が容易である。 The arithmetic processing means so computes the phase delay by the phase shift method, it is easy to calculate the phase delay.
請求項3に記載の発明は、前記受光部のそれぞれにマイクロチャネルプレートを設け、前記制御手段は、前記マイクロチャネルプレートを通過する前記反射光を制御することで、前記受光部ごとの前記受光期間を制御する。
これにより、マイクロチャネルプレートの開閉を行うことで各受光部が受光する波形の位相領域(受光期間)を設定することができ、受光部自体に光の開閉機構を設ける必要がない。
According to a third aspect of the present invention , a microchannel plate is provided in each of the light receiving portions, and the control means controls the reflected light passing through the microchannel plate , whereby the light receiving period for each of the light receiving portions. To control .
Thus, the phase region (light receiving period) of the waveform received by each light receiving unit can be set by opening and closing the microchannel plate, and it is not necessary to provide a light opening and closing mechanism in the light receiving unit itself.
なお、光源からの光以外の光(外光)を減衰させる光学フィルタを受光部に設けてもよい。この場合、通常、光源からの光の波長に対応させて非減衰の波長領域を光学フィルタに設定する。
また、光源をリング状にし、光源と受光部とを同軸配置としてもよい。これにより、出射光と反射光とで光路長をほぼ同一にすることが可能となる。
また、測定対象物に再帰反射物(ガラスビーズなど)を配置し、光源からの反射光を増大させる構成としてもよい。
Note that an optical filter that attenuates light (external light) other than light from the light source may be provided in the light receiving unit. In this case, a non-attenuating wavelength region is usually set in the optical filter in accordance with the wavelength of light from the light source.
Further, the light source is in a ring shape, a light source and the light receiver may be a coaxial arrangement. This makes it possible to make the optical path lengths substantially the same between the emitted light and the reflected light.
Moreover, it is good also as a structure which arrange | positions a retroreflection object (glass bead etc.) in a measuring object, and increases the reflected light from a light source.
さらに、光量の変動周期を短くして測定精度を向上させる観点で、光源と受光部とはなるだけ互いに近い位置に配置することが好ましい。 Furthermore, in view of improving the measurement accuracy by reducing the variations Doshu life of the light amount, it is preferred that only makes the light source and the light receiver are arranged close to each other.
このように、複数の受光部を備えた1台の撮影装置で計測することが可能であり、複数台にわたって撮影装置を設置して計測しなくてもよい。従って、複数台の撮影装置で撮影した画像の対応を図るという必要はないのでデータ処理が簡易であり、これにより、高解像度の3次元動画の即時出力が可能となる。 Thus, it is possible to measure with a single imaging device having a plurality of light receiving portions, but it may also not be measured by installing the imaging device over a plurality. Therefore, it is not necessary to deal with images captured by a plurality of image capturing apparatuses, so that data processing is simple, and thus high-resolution 3D moving images can be output immediately.
更に、上記のように1台の撮影装置を用いることにより、測定対象物表面の凹凸等による撮影装置の死角が大幅に生じ難くなる。従って、測定不能となる測定対象物部位が大幅に低減するので、高精度で測定することができる。 Furthermore, the Rukoto using one imaging device as described above, the blind spot of the imaging device due to the unevenness or the like of the measurement object surface is less likely to occur significantly. Therefore, since the measurement object parts that cannot be measured are greatly reduced, measurement can be performed with high accuracy.
更に、このように1台の撮影装置で計測することにより、タイヤ表面の凹凸等による撮影装置の死角が大幅に生じ難くなる。従って、測定不能となる測定対象物部位が大幅に低減するので、高精度で測定することができる。 Furthermore, by measuring with one imaging device in this way, the blind spot of the imaging device due to the unevenness of the tire surface or the like is significantly less likely to occur. Therefore, since the measurement object parts that cannot be measured are greatly reduced, measurement can be performed with high accuracy.
また、本発明は、前記測定対象物からの反射光を前記受光部で受光する際、二周期以上にわたって同じ位相で受光することがより好ましい。
これにより、受光した波形(光量)を増幅させたことと同等の効果を得ることができる。このことは、反射光の光強度(光量)が小さい場合に特にその効果が顕著となる。
In the present invention, it is more preferable that when the reflected light from the measurement object is received by the light receiving unit, the light is received in the same phase over two cycles or more.
Thereby, an effect equivalent to amplifying the received waveform (light quantity) can be obtained. This is particularly effective when the light intensity (light quantity) of the reflected light is small.
本発明によれば、測定対象物を高速で移動させても高精度で測定対象物の3次元形状を計測することができる。 According to the present invention, even when the measurement object is moved at a high speed Ru can measure the three-dimensional shape of the measuring object with high accuracy.
以下、実施形態を挙げ、本発明の実施の形態について説明する。なお、第2実施形態以下では、既に説明した構成要素と同様のものには同じ符号を付して、その説明を省略する。 Hereinafter, embodiments will be described and embodiments of the present invention will be described. In the second and subsequent embodiments, the same components as those already described are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[第1実施形態]
まず、第1実施形態について説明する。図1に示すように、本実施形態に係る3次元形状測定システム10は、転動している測定対象の空気入りタイヤ12に向けて発光する光源14と、空気入りタイヤ12からの反射光を受光する撮影装置(CCDカメラ)16と、撮影装置16で撮影された画像データを演算処理して空気入りタイヤ12の3次元座標を求める演算処理装置18と、この3次元座標に基づいて空気入りタイヤ12の3次元画像を表示する画像表示部20と、備えている。本実施形態では、光源14から発せられた光が空気入りタイヤ12に到達するまでの光路長と、空気入りタイヤ12で反射された反射光が撮影装置16に到達するまでの光路長とは、撮影装置16から空気入りタイヤ12までの距離dと同じにしている。
[First Embodiment]
First, the first embodiment will be described. As shown in FIG. 1, the three-dimensional
光源14は、短い周期で光量を変動させながら発光する構成にされている。図3に、光源14からの出射光24(図1参照)の波形25と、タイヤ表面で反射して撮影装置16に取り込まれた反射光28(図1参照)の波形29とを示す。光源14から撮影装置16までの光路長によって、波形25と波形29とではタイムラグ(図3のΔt)が生じている。
The
また、撮影装置16は、空気入りタイヤ12で反射して光学フィルター及び撮影装置16の撮影レンズを透過した反射光28を、図2に示すように、4本に均等な光強度で分配するように配置されたビームスプリッター30、32、34を有する。更に、撮影装置16は、ビームスプリッター30、32、34から出射した反射光(分配された光)をそれぞれ受光する4つの受光部38A〜Dを有する。受光部38A〜Dから空気入りタイヤ12までの距離は全て同じにされている。受光部38A〜Dは、例えば、1024×768画素のCCD撮像素子である。また、撮影装置16は、4つの受光部38A〜Dの入射側にそれぞれ配置されたMCP(マイクロチャネルプレート)40A〜Dを備えている。
Further, the photographing
演算処理装置18は、タイヤ表面の各測定対象位置毎に受光部38からの距離を以下のようにして算出し、タイヤ表面の3次元座標を求めるようになっている。
The
上述したように、ビームスプリッター30、32、34は、撮影装置16に入射した反射光28を4つの反射光28A〜Dに分配する。MCP40Aは、図4(A)に示すように、位相角θが0〜180°(0〜Πラジアン)の反射光28Aが通過するように時刻T0からT2までの間だけシャッターを開ける。この結果、受光部38Aで部分波形29Aが撮影される。MCP40Bは、図4(B)に示すように、位相角θが180〜360°(Π〜2Πラジアン)の反射光28Bが通過するように時刻T2からT4までの間だけシャッターを開ける。この結果、受光部38Bで部分波形29Bが撮影される。MCP40Cは、図4(C)に示すように、位相角θが−90〜90°(−Π/2〜Π/2ラジアン)の反射光28Cが通過するように時刻T−1からT1までの間だけシャッターを開ける。この結果、受光部38Cで部分波形29Cが撮影される。MCP40Dは、図4(D)に示すように、位相角θが90〜270°(Π/2〜3Π/2ラジアン)の反射光28Dが通過するように時刻T1からT3までの間だけシャッターを開ける。この結果、受光部38Dで部分波形29Dが撮影される。
As described above, the
以下、受光部38Aによる反射光28Aの総受光量をI0、受光部38Bによる反射光28Bの総受光量をI2、受光部38Cによる反射光28Cの総受光量をI−1、受光部38Dによる反射光28Dの総受光量をI1として説明を続ける。
Hereinafter, the total received light amount of the reflected light 28A by the
本実施形態では、出射光24の光強度(光量)を例えば図3に示すように余弦波を描くような周期としている。ここで、本明細書では、余弦波とは、以下の式で示される波形のことをいう。
In the present embodiment, the light intensity (light quantity) of the emitted
そして、位相シフト法を用いることにより、位相をずらしてIを4点で測定することで、すなわちI−1〜I2を求めることで、各測定対象位置における位相遅れTanθは以下の式で算出される。 Then, by using the phase shift method, the phase lag Tanθ at each measurement target position is calculated by the following equation by measuring I at four points while shifting the phase, that is, by obtaining I −1 to I 2. Is done.
本実施形態では、撮影装置16と空気入りタイヤ12との距離dを波形25の1/2波長(すなわち波形29の1/2波長)とする。
In the present embodiment, the distance d between the photographing
また、光源(LED)14による発光量をPとすると、受光部38A〜Dの撮影画素毎の受光量l(x、y)に、距離dによる時間遅れの変動成分が加えられ、p、l(x、y)は以下の式で求められる。なお、xは撮影された画像の左右方向座標を意味し、yは撮影された画像の上下方向座標を意味する。
ここで、p、L0(x、y)、L1(x、y)は、それぞれ、発光量、背景(光源14以外からの光量)、変動量のことである。 Here, p, L 0 (x, y), and L 1 (x, y) are a light emission amount, a background (a light amount other than the light source 14), and a fluctuation amount, respectively.
また、Tm(m=−1〜4)は以下の式で求められる。 Further, T m (m = −1 to 4) is obtained by the following equation.
I−1〜I2は以下の式で算出される。 I −1 to I 2 are calculated by the following equations.
数2で用いる「I0−I2」及び「I−1−I1」は以下のように算出される。このように差を計算することによって、背景の外光の影響が相殺される。
従って、(I0−I2)/(I−1−I1)は以下のように算出される。
従って、タイムラグであるΔtは以下のように求めることができる。
このΔt(s)と光速c(m/s)とに基づいて距離dを求めることができる。距離dが波形29の半波長以下である場合には、(C/2)×Δtを計算することによって距離dが求められる。そして、各測定対象位置毎に距離dを求めることにより各測定対象位置の3次元座標を求めることができ、これに基づいて空気入りタイヤ12の3次元画像を画像表示部20に表示することができる。
The distance d can be obtained based on this Δt (s) and the speed of light c (m / s). When the distance d is equal to or less than the half wavelength of the
このように、本実施形態では、受光部38で露光する時間を波形29の一周期(例えば数千万分の一秒)で済ませることができる。従って、空気入りタイヤ12が高速で転動していても高精度でその3次元形状を求めることができる。また、反射時間で計測するため測定対象の模様の影響が低減される。なお、光量変動が小さい場合であっても、二周期、三周期と繰り返して受光することにより総受光量を増大させて、3次元形状を高精度で求めることができる。
As described above, in the present embodiment, the exposure time of the light receiving unit 38 can be completed in one cycle of the waveform 29 (for example, tens of millionths of a second). Therefore, even if the
更に、本実施形態では、設置する撮影装置16が1台であり、複数台にわたって設置する必要がない。従って、タイヤ表面の凹凸等による撮影装置の死角が大幅に生じ難くなっているので測定不能となる部位が大幅に低減しており、しかも、複数台の撮影装置で撮影した画像の対応を図る必要がないのでデータ処理が簡易である。
Furthermore, in this embodiment, there is only one photographing
なお、反射光28の輝度(発光量)は以下の式で示すようにI−1〜I2の総和で求められる。
反射率Rは以下の式で求められる。
L0(x、y)、L1(x、y)は以下の式で求められる。
R、L0(x、y)、L1(x、y)などを用いて、距離dなどの算出値の信頼性確認を行うことが可能である。 Using R, L 0 (x, y), L 1 (x, y), etc., it is possible to confirm the reliability of the calculated value such as the distance d.
[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明する。図5に示すように、本実施形態に係る3次元形状測定システム50は、測定対象の空気入りタイヤ12に向けて発光する光源54と、空気入りタイヤ12からの反射光を受光する撮影装置(CCDカメラ)56と、撮影装置56で撮影された画像データを演算処理して空気入りタイヤ12の3次元座標を求める演算処理装置58と、この3次元座標に基づいて空気入りタイヤ12の3次元画像を表示する画像表示部20と、を備えている。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described. As illustrated in FIG. 5, the three-dimensional shape measurement system 50 according to the present embodiment includes a
光源54としては、撮影装置56の撮影レンズ外周部に同軸配置されたリングタイプのLEDを設けている。図7に、光源54からの出射光64の波形65と、タイヤ表面で反射して撮影装置56に取り込まれた反射光68の波形69とを示す。波形65及び波形69は、図3に示したものと同等の形状であり、光源54から撮影装置56までの光路長によって、波形65と波形69とではタイムラグ(図7のΔt)が生じている。
As the
撮影装置56は、第1実施形態で用いた撮影装置16に比べ、構成、作用が異なる。撮影装置56は、空気入りタイヤ12で反射して光学フィルター及び撮影装置56の撮影レンズを透過した反射光68を、図6に示すように3本に分配するビームスプリッター70を有する。ビームスプリッター70としては、例えばキューブ型クロスプリズムを用いる。
The
更に、撮影装置56は、ビームスプリッター70から出射した反射光(分配された光)をそれぞれ受光する3つの受光部78A〜Cを有する。受光部78A〜Cから空気入りタイヤ12までの距離は全て同じにされている。受光部78は受光部38と同等の機能を有する。また、撮影装置56は、3つの受光部78A〜Cの入射側にそれぞれ配置されたMCP(マイクロチャネルプレート)80A〜Cを備えている。MCP80はMCP40と同等の機能を有する。
Furthermore, the
演算処理装置58は、タイヤ表面の各測定対象位置毎に受光部78からの距離を以下のようにして算出し、タイヤ表面の3次元座標を求めるようになっている。
The
ビームスプリッター70は、撮影装置56に入射した反射光68を3つの反射光68に分配する。MCP80Aは位相角θが0〜180°(0〜Πラジアン)の反射光68A(図8(A))が通過するようにシャッターの開閉を行う。この結果、受光部78Aで部分波形69Aが撮影される。MCP80Bは位相角θが90〜270°(Π/2〜3Π/2ラジアン)の反射光68B(図8(B)が通過するようにシャッターの開閉を行う。この結果、受光部78Bで部分波形69Bが撮影される。MCP80Cは位相角θが180〜360°(Π〜2Πラジアン)の反射光68C(図8(C)が通過するようにシャッターの開閉を行う。この結果、受光部78Cで部分波形69Cが撮影される。従って、測定された各反射光では、各位相角範囲の両端部分が互いにオーバーラップしている。
The
各測定対象位置における位相遅れTanθは以下の式で算出される。
この式が導かれる原理を以下に説明する。
仮に、受光部78が4つの受光部で構成されると仮定し、0〜180°(0〜Πラジアン)、180〜360°(Π〜2Πラジアン)、−90〜90°(−Π/2〜Π/2ラジアン)、90〜270°(Π/2〜3Π/2ラジアン)の4つの位相角範囲について4つの受光部でそれぞれ反射光を受光すると仮定する。そして、MCPがシャッターを開けている時間は、0〜180°では時刻T0〜T2の間、180〜360°では時刻T2〜T4の間、−90〜90°では時刻T−1〜T1の間、90〜270°では時刻T1〜T3の間、と仮定する。この場合、4つの受光部の各受光量はI0、I1、I−1、I1とすることができる。ここでI0、I1、I−1、I1は以下の式で示される。
The principle from which this equation is derived will be described below.
Assuming that the light receiving unit 78 is composed of four light receiving units, 0 to 180 ° (0 to Π radians), 180 to 360 ° (Π to 2 Π radians), and −90 to 90 ° (−Π / 2). It is assumed that reflected light is received by each of the four light receiving portions in four phase angle ranges of ˜Π / 2 radians) and 90 to 270 ° (Π / 2 to 3Π / 2 radians). The time during which the MCP opens the shutter is from time T 0 to T 2 at 0 to 180 °, from time T 2 to T 4 at 180 to 360 °, and from time T −1 at −90 to 90 °. It is assumed that it is between time T 1 and T 3 at 90 to 270 ° between ˜T 1 . In this case, the received light amounts of the four light receiving units can be I 0 , I 1 , I −1 , and I 1 . Here, I 0 , I 1 , I −1 , and I 1 are represented by the following equations.
「I0−I2」及び「I−1−I1」は以下のように算出される。このように差を計算することによって、背景の外光の影響が相殺される。
なお、「I0+I2」及び「I−1+I1」は以下のように算出される。このように和を計算することによって、背景が抽出される。
これらの式からI−1を消去して余弦成分を求めると以下の式となる。
位相角θは、光量の変動量の正弦成分と余弦成分とから以下の式で求められる。
従って、タイムラグΔt(x、y)は以下の式で求められる。
第1実施形態でも説明したように、各測定対象位置毎にタイムラグΔt(x、y)に基づいて距離dを求めることにより各測定対象位置の3次元座標を求めることができ、これに基づいて空気入りタイヤ12の3次元画像を画像表示部20に表示することができる。従って、本実施形態により、受光部78の設置数を3つとし、波形69を形成する部分波形を4つではなく3つとしても、高速で転動する空気入りタイヤ12の3次元形状を高精度で測定することができる。
As described in the first embodiment, the three-dimensional coordinates of each measurement target position can be obtained by obtaining the distance d based on the time lag Δt (x, y) for each measurement target position. A three-dimensional image of the
また、本実施形態では、光源54として、撮影装置56の撮影レンズ外周部に同軸配置されたリングタイプのLEDを設けている。従って、出射光64と反射光68とで光路長が全くと言っていいほど同一であり、しかも撮影装置56の光軸と同一の方向から投射することができる。
In the present embodiment, as the
なお、以下の式のようにΔt(x、y)を複素数で扱うと、1つの式で一周期を連続して扱うことができるので便利である。
また、光量の変動量は以下のように2乗和によって求められる。
また、背景の外光の光量は以下の式で求められる。
<第2実施形態の実施例>
本実施例では、光源54を、50MHzの短い周期で光量を変動させることができるLEDとしている。これにより、反射による往復距離(2×d)での影響を抽出する上で好都合である。本実施形態では距離dを3.0mとしている。この結果、Δtは、光速cを3.0×105km/sとすると20nsになる。なお、光源54からの出射光64の周波数fをパラメータとして変化させたときに、距離dと周波数fとの関係を表1に示す。ここで本実施例では、周波数fを出射光64の波長が2dとなるように設定している。
In the present embodiment, the
LEDとしては近赤外線を発光するLEDが用いられている。これにより、撮影画素を構成するフォトダイオードの感度を高くすることができ、その上、近赤外線透過型の光学フィルターとの組み合わせにより蛍光灯などの悪影響を低減することを可能としている。 An LED that emits near infrared light is used as the LED. As a result, the sensitivity of the photodiode constituting the photographic pixel can be increased, and in addition, adverse effects such as fluorescent lamps can be reduced by combination with a near-infrared transmission optical filter.
図9の「部分波形3つ、受光部3つ」の欄に、位相角範囲の両端部が互いにオーバーラップするように位相角をずらして測定することを示す。受光部78Aでは部分波形69Aを計測する時間範囲82Aで、受光部78Bでは部分波形69Bを計測する時間範囲82Bで、受光部78Cでは部分波形69Cを計測する時間範囲82Cで、それぞれMCPのシャッターを開いて露光する。
The column of “three partial waveforms and three light receiving units” in FIG. 9 indicates that measurement is performed by shifting the phase angle so that both ends of the phase angle range overlap each other. The
なお、二周期目で同じように受光部78A〜Cでそれぞれ時間範囲82A〜Cで露光することにより部分波形を計測してもよい。これにより、測定精度を高めることができる。このことは、反射光68の光量変化が小さい場合に特に有効である。
In the second cycle, the partial waveforms may be measured by exposing the
また、図9の「部分波形3つ、受光部1つ」の欄に示すように、1つの受光部78Aで、一周期目で位相角0〜180°の反射光を、二周期目で位相角90〜270°の反射光を、三周期目で位相角180〜360°の反射光を測定してもよい。これにより、受光部の設置数を1つにすることができる。 Further, as shown in the column of “three partial waveforms and one light receiving unit” in FIG. 9, one light receiving unit 78 </ b> A reflects reflected light having a phase angle of 0 to 180 ° in the first cycle and phase in the second cycle. The reflected light having an angle of 90 to 270 ° may be measured, and the reflected light having a phase angle of 180 to 360 ° may be measured in the third period. Thereby, the installation number of a light-receiving part can be made into one.
[第3実施形態]
次に、第3実施形態について説明する。本実施形態では、第1実施形態で説明した3次元形状測定システム10を用い、位相角範囲の両端部が互いにオーバーラップする4つの波形を受光部38A〜Dでそれぞれ計測する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment will be described. In the present embodiment, the three-dimensional
このように位相角範囲の両端部が互いにオーバーラップするように測定することにより、第1実施形態に比べ、測定精度がより向上する。 Thus, by measuring so that the both ends of a phase angle range may mutually overlap, a measurement precision improves more compared with 1st Embodiment.
<第3実施形態の実施例>
図9の「部分波形4つ、受光部4つ」の欄に、位相角範囲の両端部が互いにオーバーラップするように位相角をずらして測定することを示す。受光部38Aでは時間範囲92Aで、受光部38Bでは時間範囲92Bで、受光部38Cでは時間範囲92Cで、受光部38Dでは時間範囲92Dで、それぞれMCP40A〜Dのシャッターを開いて露光する。
<Example of the third embodiment>
In the column of “four partial waveforms and four light receiving units” in FIG. 9, the measurement is performed by shifting the phase angle so that both ends of the phase angle range overlap each other. Exposure is performed by opening the shutters of the
なお、第2実施形態の実施例と同様、二周期目で同じように受光部38A〜Dでそれぞれ部分波形92A〜Dを計測してもよい。
As in the example of the second embodiment, the
更に、図9の「部分波形4つ、受光部2つ」の欄に示すように、一周期目及び二周期目では、時間範囲92Aで受光部78Aを露光するとともに時間範囲92Bで受光部78Bを露光し、三周期目及び四周期目では、時間範囲92Cで受光部78Aを露光するとともに時間範囲92Dで受光部78Bを露光してもよい。これにより、受光部の設置数を2つに半減させることができる。
Further, as shown in the column of “four partial waveforms and two light receiving parts” in FIG. 9, in the first and second periods, the
この場合、同様の原理により、図10に示すように、1つの波形の終端部分Eにおいて受光部38Bを時間範囲102Bで露光してI1を測定するとともに受光部38Aを時間範囲102Aで露光してI0を測定し、更に、この波形に連続する波形の始端部分Fにおいて受光部38Aを時間範囲102Cで露光してI2を測定するとともに受光部38Bを時間範囲102Dで露光してI−1を測定し、これらの測定結果に基づいて空気入りタイヤ12の3次元座標を求めてもよい。これにより、受光部38A、38Bに極めて短時間で露光することによって空気入りタイヤ12の3次元座標を求めることができる。例えば、波形69の周期がTL=1/30秒であっても、終端部分Eと始端部分Fとを露光する時間をΔts=1/10000秒とすることができる。また、図10に示したように、I0〜I2を求める際に2回以上にわたって露光させてもよい。
In this case, the same principle, as shown in FIG. 10, by exposing the
また、図9の「部分波形4つ、受光部1つ」の欄に示すように、受光部38Aのみを用い、一周期目では時間範囲92Aで露光することによりI0を求め、二周期目では時間範囲92Bで露光することによりI1を求め、三周期目では時間範囲92Cで露光することによりI2を求め、四周期目では時間範囲92Dで露光することによりI−1を求めることを行ってもよい。これにより、受光部の設置数を1つにすることができる。
Further, as shown in the column of “four partial waveforms and one light receiving unit” in FIG. 9, only the
以上、実施形態を挙げて本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施形態は一例であり、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。例えば、これらの実施形態では、光源が発する出射光が正弦波或いは余弦波を描く周期の光として説明したが、本発明はこれに限らず、図11に示すように三角波形106を描く周期の光であってもよいし、図12に示すようにパルス波形108を描く周期の光であってもよい。
The embodiments of the present invention have been described above with reference to the embodiments. However, these embodiments are merely examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, in these embodiments, the emitted light emitted from the light source has been described as light having a cycle in which a sine wave or cosine wave is drawn. However, the present invention is not limited to this, and the cycle in which the
また、本発明の権利範囲がこれらの実施形態に限定されないことは言うまでもない。 It goes without saying that the scope of rights of the present invention is not limited to these embodiments.
10 3次元形状測定システム
14 光源
16 撮影装置(受光・演算処理手段)
18 演算処理装置(受光・演算処理手段)
28A〜D 反射光
30 ビームスプリッター
32 ビームスプリッター
34 ビームスプリッター
38A〜D 受光部
40A〜D MCP(マイクロチャネルプレート)
50 3次元形状測定システム
54 光源
56 撮影装置(受光・演算処理手段)
58 演算処理装置(受光・演算処理手段)
68A〜C 反射光
70 ビームスプリッター
78A〜C 受光部
80A〜C MCP(マイクロチャネルプレート)
d 距離
Tanθ 位相遅れ
10 Three-dimensional
18 Arithmetic processing device (light receiving / arithmetic processing means)
28A to D Reflected light 30
50 Three-dimensional
58 Arithmetic processing device (light receiving / arithmetic processing means)
68A-C Reflected light 70
d Distance Tanθ Phase lag
Claims (3)
前記光源から発せられて前記測定対象物の前記測定位置で反射した反射光を受光する第1、第2、第3及び第4の受光部と、
前記反射光を前記第1の受光部から前記第4の受光部のそれぞれへ向け、均等な光量に分配するように設けられた複数のビームスプリッターと、
前記複数のビームスプリッターにより分配された前記反射光を前記第1から前記第4の受光部のそれぞれで受光する際、前記変動周期に対して、前記第1の受光部が0〜πの位相角で受光し、前記第2の受光部がπ〜2πの位相角で受光し、前記第3の受光部が−π/2〜π/2の位相角で受光し、かつ前記第4の受光部がπ/2〜3π/2の位相角で受光するように受光期間を制御する制御手段と、
前記第1から第4の受光部のそれぞれで受光された光量に基づき、位相シフト法を用いて前記測定対象物の前記測定位置までの距離を算出することで、前記測定対象物について前記測定位置ごとの3次元座標を求める演算処理手段と、
前記演算処理手段により求められた前記測定位置ごとの前記3次元座標に基づき、前記測定対象物の3次元形状を表示する表示手段と、
を含む3次元形状測定システム。 A light source that irradiates the measurement position of the measurement object with light while periodically changing the amount of light toward the measurement object with a predetermined fluctuation period ;
First, second, third, and fourth light receiving portions that receive reflected light emitted from the light source and reflected at the measurement position of the measurement object ;
A plurality of beam splitters provided so as to distribute the reflected light from the first light receiving unit to each of the fourth light receiving units, and to distribute the light equally.
When the reflected light distributed by the plurality of beam splitters is received by each of the first to fourth light receiving units, the first light receiving unit has a phase angle of 0 to π with respect to the fluctuation period. The second light receiving unit receives light with a phase angle of π to 2π, the third light receiving unit receives light with a phase angle of −π / 2 to π / 2, and the fourth light receiving unit. Control means for controlling the light receiving period so that light is received at a phase angle of π / 2 to 3π / 2,
Based on the amount of light received by each of the first to fourth light receiving units, a distance to the measurement position of the measurement object is calculated using a phase shift method , whereby the measurement position of the measurement object is measured. and arithmetic processing means asking you to three-dimensional coordinates of each,
And display means before based-out on the 3-dimensional coordinates of each of the measurement positions obtained by Ki演 calculation processing means for displaying the three-dimensional shape of the measurement object,
A three-dimensional shape measuring system.
前記光源から発せられて前記測定対象物の前記測定位置で反射した反射光を受光する第1、第2及び第3の受光部と、
前記反射光を前記第1の受光部から前記第3の受光部のそれぞれへ向け、均等な光量に分配するように設けられたキューブ型クロスプリズムと、
前記キューブ型クロスプリズムにより分配された前記反射光を前記第1から前記第3の受光部のそれぞれで受光する際、前記変動周期に対して、前記第1の受光部が0〜πの位相角で受光し、前記第2の受光部がπ/2〜3π/2の位相角で受光し、かつ前記第3の受光部がπ〜2πの位相角で受光するように受光期間を制御する制御手段と、
前記第1から第3の受光部のそれぞれで受光された光量に基づき、位相シフト法を用いて前記測定対象物の前記測定位置までの距離を算出することで、前記測定対象物について前記測定位置ごとの三次元座標を求める演算処理手段と、
前記演算処理手段により求められた前記測定位置ごとの前記三次元座標に基づき、前記測定対象物の3次元形状を表示する表示手段と、
を含む3次元形状測定システム。 A light source that irradiates the measurement position of the measurement object with light while periodically changing the amount of light toward the measurement object with a predetermined fluctuation period;
First, second, and third light receiving portions that receive reflected light emitted from the light source and reflected at the measurement position of the measurement object;
A cube-shaped cross prism that is provided so as to distribute the reflected light from the first light receiving unit to each of the third light receiving units in an equal amount of light;
When the reflected light distributed by the cube-type cross prism is received by each of the first to third light receiving units, the first light receiving unit has a phase angle of 0 to π with respect to the fluctuation period. For controlling the light receiving period so that the second light receiving unit receives light at a phase angle of π / 2 to 3π / 2 and the third light receiving unit receives light at a phase angle of π to 2π. Means,
Based on the amount of light received by each of the first to third light receiving units, a distance to the measurement position of the measurement object is calculated using a phase shift method , whereby the measurement position of the measurement object is measured. Arithmetic processing means for obtaining a three-dimensional coordinate for each;
Display means for displaying a three-dimensional shape of the measurement object based on the three-dimensional coordinates for each of the measurement positions determined by the arithmetic processing means;
A three-dimensional shape measuring system.
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