JP5136108B2 - 3D shape measuring method and 3D shape measuring apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、光切断法による三次元形状計測方法および三次元形状計測装置に関する。 The present invention relates to a three-dimensional shape measuring method and a three-dimensional shape measuring apparatus using an optical cutting method.
従来、非接触式の三次元形状計測の技術として、光切断法と呼ばれるものがある(例えば、特許文献1参照。)。かかる技術においては、測定対象物(以下「ワーク」という。)に対して、レーザ光等によるスリット状の光(以下「スリット光」という。)が照射される。スリット光が照射されたワークの表面には、その断面形状に応じて光切断線(反射光の輝線)が形成される。このワークの表面に形成された光切断線は、カメラ等の撮像手段によって受光され撮像される。この撮像された光切断線に基づいて、三角測量の原理が用いられてワークの表面上(光切断線上)の各点の三次元座標が計測される。こうした計測が、スリット光がワークに対して走査(スキャニング)されながら行われることで、ワークの三次元形状が計測される。 Conventionally, as a non-contact type three-dimensional shape measurement technique, there is a technique called a light cutting method (see, for example, Patent Document 1). In such a technique, a measurement object (hereinafter referred to as “work”) is irradiated with slit-shaped light (hereinafter referred to as “slit light”) by laser light or the like. On the surface of the workpiece irradiated with the slit light, a light cutting line (bright line of reflected light) is formed according to the cross-sectional shape. The light cutting line formed on the surface of the workpiece is received and imaged by imaging means such as a camera. Based on the imaged light cutting line, the principle of triangulation is used to measure the three-dimensional coordinates of each point on the surface of the workpiece (on the light cutting line). Such measurement is performed while the slit light is scanned (scanned) with respect to the workpiece, whereby the three-dimensional shape of the workpiece is measured.
このような光切断法による三次元形状の計測は、従来、ワークに照射されるスリット光(レーザシート)が、理想的な平面(スリット光の断面が直線状)であるとの仮定のもとに行われている。つまり、従来の光切断法による三次元形状の計測に際しては、ワークに照射されるスリット光が理想的な平面であるとの仮定のもとに構築された計測理論が用いられ、ワークの三次元形状についてのデータ(三次元形状データ)の算出のための演算等が行われている。 The measurement of the three-dimensional shape by such a light cutting method is based on the assumption that the slit light (laser sheet) irradiated on the workpiece is an ideal plane (the cross section of the slit light is linear). Has been done. In other words, when measuring the three-dimensional shape by the conventional light cutting method, the measurement theory built on the assumption that the slit light applied to the workpiece is an ideal plane is used. Calculations for calculating shape data (three-dimensional shape data) are performed.
しかし、ワークに照射されるスリット光は、例えばレーザ光がスリット状に変換されるために用いられるシリンドリカルレンズにおける収差等の光学系の問題により、実際には曲がった状態で投影されている。つまり、ワークに照射されるスリット光は、理想的な平面ではなく曲面状となっている。このため、スリット光の照射によってワークの表面に形成される光切断線は、スリット光が平面であると仮定される場合の二次元断面(平面断面)に乗っていないこととなる。結果として、その光切断線の平面断面からのずれの分、得られる三次元形状データについて実際の三次元形状に対する誤差が発生し、高精度な三次元形状データを得ることができない。したがって、スリット光が平面であると仮定されている従来の光切断法による三次元形状の計測のもとでは、ワークが、仮に平面であることが計測等により保証されている基準板(平面基準板)である場合であっても、その三次元形状が平面ではなく曲面であるという計測結果が得られることとなる。 However, the slit light irradiated on the workpiece is actually projected in a bent state due to problems of the optical system such as aberration in a cylindrical lens used for converting the laser light into a slit shape. That is, the slit light applied to the workpiece is not an ideal plane but a curved surface. For this reason, the light cutting line formed on the surface of the workpiece by the irradiation of the slit light does not ride on the two-dimensional cross section (planar cross section) when the slit light is assumed to be flat. As a result, an error of the obtained three-dimensional shape data with respect to the actual three-dimensional shape occurs due to the deviation of the optical cutting line from the plane cross section, and high-accuracy three-dimensional shape data cannot be obtained. Therefore, under the measurement of the three-dimensional shape by the conventional light cutting method, in which the slit light is assumed to be flat, a reference plate (planar reference) that guarantees that the workpiece is flat is measured. Even if it is a board | plate), the measurement result that the three-dimensional shape is not a plane but a curved surface will be obtained.
こうした光学系の問題に起因するスリット光の曲がり等の形状歪みについては、光学系における機器や調整にかかるコストを上げることによって対応することは可能である。しかし、コスト面との兼ね合いから、スリット光の形状歪みを生じさせる光学系の問題を皆無にすることは、現状では不可能であると考えられる。そこで、このようなスリット光の形状歪みに起因する計測精度の低下を解消するための技術として、例えば特許文献2に開示されているものがある。
Shape distortion such as bending of slit light caused by such problems of the optical system can be dealt with by increasing the cost of equipment and adjustment in the optical system. However, from the viewpoint of cost, it is considered impossible to eliminate the problem of the optical system that causes the shape distortion of the slit light. Therefore, as a technique for eliminating the decrease in measurement accuracy caused by the shape distortion of the slit light, there is one disclosed in
特許文献2に開示されている技術は、スリット光等の検出光をワークに照射する光投影法による非接触式の三次元形状の計測において、前述のスリット光の曲がりのような、検出光についての形状歪みの存在を認め、その検出光の形状歪みについての対策を講じるものである。すなわち、特許文献2に開示の技術においては、光切断線が撮像される撮像素子の撮像面が、複数の領域に区分されている。そして、ワークについての三次元座標の演算に際し、撮像面において区分された領域ごとに個別のパラメータが用いられている。
In the technique disclosed in
具体的には、図11に示すように、撮像素子(イメージセンサ)の撮像面113が、複数(図示では9個)の領域113a〜113iに区分される。これら各領域について、予め実験的に求められた適切なパラメータが、その種類ごとに数値テーブルの形で記憶される。そして、ワークについての三次元座標の演算に際して用いられるパラメータとして、撮像面113における各領域に対応するパラメータが用いられる。
Specifically, as shown in FIG. 11, the
例えば、図11(a)に示すように、平面であるワークが撮像された場合、スリット光が曲がっていることにより、撮像された光切断線として、実際には曲線状のスリット画像120が得られる。スリット光の形状歪みについての対策が講じられない場合、曲線状のスリット画像120が、破線で示す直線状のスリット画像120aとして処理され、三次元座標の演算が行われることとなる。したがってこの場合、両スリット画像120、120a間の差が計測誤差となり、高い計測精度が得られない。
For example, as shown in FIG. 11A, when a workpiece that is a plane is imaged, the slit light is bent, so that a
これに対し、特許文献2の技術では、図11(b)に示すように、区分された領域ごとに校正されたパラメータが用いられることにより、実際に得られる曲線状のスリット画像120(破線参照)に近似するスリット画像120bが得られる。そして、この近似するスリット画像120bに基づいて、三次元座標の演算が行われる。曲線状のスリット画像120に近似するスリット画像120bとしては、例えば図11(b)に示すように、曲線状のスリット画像120が領域ごとに直線に近似され、領域ごとの直線が連続するような画像が得られる。このように、実際に得られる曲線状のスリット画像120が、それに近似するスリット画像120bとされることで、スリット光の曲がり等の形状歪みが補正されている。
On the other hand, in the technique of
しかし、特許文献2の技術においては、次のような問題がある。まず、撮像面において区分された各領域について適切なパラメータが個別に求められることから、その各領域に対応するパラメータの取得が困難となる。すなわち、各領域に対応するパラメータの取得に際しては、個々の撮像手段(カメラ)について実測が行われ、各領域に最も適切なパラメータの数値が実験的に求められる。このため、パラメータの取得に際して必要となる作業に手間がかかり、パラメータの取得が困難となる。
However, the technique of
また、前述のように、実際に得られるスリット画像が、区分された領域ごとに例えば直線として近似されるという方法では、実際に得られるスリット画像に対する誤差が十分に解消されない場合がある。この点、撮像面において区分される領域の数が多くされることにより、誤差を小さくすることができると考えられる。しかし、領域の区分数が多くなることは、前記のような各領域についてのパラメータの取得の困難性を増すこととなる。また、各領域についてのパラメータの取得や、そのパラメータによる三次元座標の演算に基づく三次元形状の計測に際しては、作業者によるバラツキが影響しやすいと考えられる。このように、特許文献2の技術は、各領域についてのパラメータの取得が困難であること等から、スリット光の形状歪みに対する処置がシステマチックではなく、計測の安定性や汎用性に欠ける面がある。
Further, as described above, in the method in which the actually obtained slit image is approximated as a straight line for each divided area, for example, an error with respect to the actually obtained slit image may not be sufficiently eliminated. In this regard, it is considered that the error can be reduced by increasing the number of regions divided on the imaging surface. However, an increase in the number of area divisions increases the difficulty in obtaining parameters for each area as described above. In addition, it is considered that the variation by the operator is likely to affect the measurement of the three-dimensional shape based on the acquisition of the parameters for each region and the calculation of the three-dimensional coordinates using the parameters. As described above, in the technique of
また、特許文献2の技術は、前記のとおり検出光についての形状歪みの存在を認めて対策を講じるものであるが、その検出光の形状歪みが、ワークに対してスリット光を照射する側のレンズ(シリンドリカルレンズ等の投光レンズ)の歪みによるものなのか、ワークからの反射光(光切断線)を受光する側のレンズ(計測用受光レンズ)の歪みによるものなのかを明確にせずに対応したものとなっている。
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、光切断法による三次元形状計測において、測定対象物に照射されるスリット光について存在する曲がり等の形状歪みに対する処置をシステマチックにすることができるとともに、スリット光の形状歪みに起因する計測誤差を低減することができ、計測の安定性や汎用性を向上することができる三次元形状計測方法および三次元形状計測装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and a problem to be solved by the present invention is a bending that exists with respect to slit light irradiated on a measurement object in three-dimensional shape measurement by an optical cutting method. 3D shape measurement that can improve the stability and versatility of measurement by reducing the measurement error caused by the shape distortion of the slit light. It is to provide a method and a three-dimensional shape measuring apparatus.
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。 The problem to be solved by the present invention is as described above. Next, means for solving the problem will be described.
すなわち、請求項1においては、測定対象物に対してスリット光を照射し、測定対象物の表面に形成される光切断線を撮像手段により撮像し、撮像した光切断線についての画像から計測される前記光切断線上の各点の三次元座標に基づいて測定対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測方法であって、前記撮像手段により、前記撮像手段のキャリブレーションプレートに備えられ平面であることが既知の基準平面を撮影し、当該撮影画像における前記基準平面の表面属性の、実際の前記基準平面における表面属性に対するずれ量を修正する、前記撮像手段のキャリブレーションを行うキャリブレーション工程と、前記キャリブレーションプレートを用い、前記基準平面に対して一定のスリット光を照射した状態で、前記基準平面に形成される光切断線である前記スリット光の断面線の前記撮像手段による撮像を、前記キャリブレーションプレートの複数の異なる位置姿勢について行うことにより、前記キャリブレーションプレートの各位置姿勢における前記基準平面についての前記スリット光の断面線を取得し、前記各位置姿勢における前記基準平面に対応する前記スリット光の断面線に基づき、これら複数の前記スリット光の断面線が近似的に適合する共通の曲面を導き、測定対象物に照射するスリット光のスリット面形状を、前記曲面としてモデル化する曲面モデル化工程と、前記三次元形状を計測するに際し、前記スリット光のスリット面形状を、モデル化した前記曲面として、前記三次元座標を計測する形状計測工程とを備え、前記キャリブレーション工程での前記キャリブレーションプレートの基準平面の撮影と、前記曲面モデル化工程での前記スリット光の断面線の撮像とが、前記キャリブレーションプレートの位置姿勢が変化させられるたびに交互に行われるものである。 That is, in claim 1, the slit light is irradiated to the measurement object, the light cutting line formed on the surface of the measurement object is picked up by the imaging means, and measured from the image of the picked light cutting line. A three-dimensional shape measurement method for measuring a three-dimensional shape of an object to be measured based on the three-dimensional coordinates of each point on the light cutting line , wherein the imaging means includes a plane provided on a calibration plate of the imaging means. A calibration step for calibrating the imaging means that captures a reference plane that is known to be and corrects the amount of deviation of the surface attribute of the reference plane in the captured image from the actual surface attribute of the reference plane When, in a state where the use of a calibration plate and irradiated with a constant slit light with respect to the reference plane, is formed on the reference plane That imaging by the imaging means of the cross-section line of the slit light is a light section line, by performing for a plurality of different positions and orientations of the calibration plate, wherein for said reference plane at each position and orientation of the calibration plate Obtaining a cross-sectional line of the slit light, and based on the cross-sectional line of the slit light corresponding to the reference plane in each position and orientation, a common curved surface in which the cross-sectional lines of the plurality of slit light approximately match, The curved surface modeling step of modeling the slit surface shape of the slit light irradiated to the measurement object as the curved surface, and the slit surface shape of the slit light as the modeled curved surface when measuring the three-dimensional shape , and a shape measuring step of measuring the three-dimensional coordinates, the key in the calibration step And imaging of the reference plane of the calibration plate, and imaging the cross-section line of the slit light at the curved surface modeling step, in which the position and orientation of the calibration plate are alternately performed each time be varied.
請求項2においては、請求項1に記載の三次元形状計測方法において、前記曲面の形状を、円錐面または円筒面の一部形状とするものである。 According to a second aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measurement method according to the first aspect, the shape of the curved surface is a conical surface or a partial shape of a cylindrical surface.
請求項3においては、測定対象物に対してスリット光を照射する照射手段と、前記照射手段によって照射される前記スリット光により測定対象物の表面に形成される光切断線を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された光切断線についての画像から前記光切断線上の各点の三次元座標を計測し、この三次元座標に基づいて測定対象物の三次元形状を計測する演算手段と、を備える三次元形状計測装置であって、前記撮像手段のキャリブレーションプレートに備えられ平面であることが既知の基準平面に対して前記照射手段により一定のスリット光を照射した状態で、前記基準平面に形成される光切断線である前記スリット光の断面線の撮像を、前記撮像手段により前記キャリブレーションプレートの複数の異なる位置姿勢について行うことにより、前記キャリブレーションプレートの各位置姿勢における前記基準平面についての前記スリット光の断面線を取得するスリット断面取得手段と、前記照射手段により測定対象物に照射されるスリット光のスリット面形状を、前記スリット断面取得手段により取得された、前記各位置姿勢における前記基準平面に対応する前記スリット光の断面線に基づき、これら複数の前記スリット光の断面線が近似的に適合する共通の曲面としてモデル化するスリット面形状モデル化手段と、を備え、前記三次元形状を計測するに際して、前記撮像手段により前記キャリブレーションプレートの基準平面を撮影し、当該撮影画像における基準平面の表面属性の、実際の前記基準平面における表面属性に対するずれ量を修正する、前記撮像手段のキャリブレーションが行われ、前記キャリブレーションが行われる際の前記キャリブレーションプレートの基準平面の撮影と、前記スリット断面取得手段により前記スリット光の断面線を取得する際の前記スリット光の断面線の撮像とが、前記キャリブレーションプレートの位置姿勢が変化させられるたびに交互に行われ、前記演算手段は、前記三次元形状を計測するに際し、前記スリット光のスリット面形状を、前記スリット面形状モデル化手段によりモデル化された前記曲面として、前記三次元座標を計測するものである。 In Claim 3 , The irradiation means which irradiates slit light with respect to a measurement object, The imaging means which images the light cutting line formed in the surface of a measurement object by the slit light irradiated by the said irradiation means, Calculating means for measuring the three-dimensional shape of the measuring object based on the three-dimensional coordinates, and measuring the three-dimensional coordinates of each point on the light cutting line from the image of the light cutting line imaged by the imaging means; A reference plate that is provided on a calibration plate of the imaging unit and is known to be a plane, and that is irradiated with a fixed slit light by the irradiation unit. the imaging section line of said slit light is a light section lines formed on a plane, with a plurality of different positions and orientations of the calibration plate by the image pickup means By performing the slit-section acquiring means for acquiring cross-sectional line of the slit light for the reference plane at each position and orientation of the calibration plate, the slit-sectional shape of the slit beam irradiated on the measurement object by the radiation means Based on the cross-sectional line of the slit light corresponding to the reference plane at each position and orientation acquired by the slit cross-section acquiring means, and a common curved surface to which the cross-sectional lines of the plurality of slit light approximately match Slit surface shape modeling means for modeling as, when measuring the three-dimensional shape, by photographing the reference plane of the calibration plate by the imaging means, the surface attribute of the reference plane in the captured image, The imaging hand for correcting a deviation amount with respect to a surface attribute in the actual reference plane The calibration plate is photographed, the reference plane of the calibration plate when the calibration is performed, and the slit light cross-sectional line when the cross-sectional line of the slit light is obtained by the slit cross-section obtaining means Imaging is alternately performed each time the position and orientation of the calibration plate is changed, and the calculation means determines the slit surface shape of the slit light as the slit surface shape model when measuring the three-dimensional shape. The three-dimensional coordinates are measured as the curved surface modeled by the converting means.
請求項4においては、請求項4に記載の三次元形状計測装置において、前記曲面の形状は、円錐面または円筒面の一部形状であるものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the fourth aspect, the shape of the curved surface is a partial shape of a conical surface or a cylindrical surface.
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
すなわち、本発明によれば、光切断法による三次元形状計測において、測定対象物に照射されるスリット光について存在する曲がり等の形状歪みに対する処置をシステマチックにすることができるとともに、スリット光の形状歪みに起因する計測誤差を低減することができ、計測の安定性や汎用性を向上することができる。
As effects of the present invention, the following effects can be obtained.
That is, according to the present invention, in the three-dimensional shape measurement by the light cutting method, it is possible to systematically deal with shape distortion such as bending existing in the slit light irradiated to the measurement object, and Measurement errors due to shape distortion can be reduced, and measurement stability and versatility can be improved.
本発明は、光切断法による三次元形状の計測に際し、測定対象物(以下「ワーク」という。)に照射されるスリット状の光(以下「スリット光」という。)について、従来は理想的な平面であると仮定されているが光学系の問題により実際には曲面状となる(形状歪みが生じる)スリット面形状を、所定の曲面にモデル化するものである。 The present invention is conventionally ideal for slit-shaped light (hereinafter referred to as “slit light”) irradiated on a measurement object (hereinafter referred to as “work”) when measuring a three-dimensional shape by a light cutting method. The slit surface shape, which is assumed to be a plane but actually becomes a curved surface due to a problem with the optical system (which causes shape distortion), is modeled as a predetermined curved surface.
図10に、スリット光の形状歪みの一例(計測例)を示す。図10は、平面であることが計測等により保証されている基準板(平面基準板)の板面に対して照射されたスリット光の断面線(以下「スリット断面線」ともいう。)についての計測例である。本例に係る計測対象面は、前記のとおり平面であることが保証されていることから、そのスリット断面線は、理想的には直線となるはずである。しかし、図10に示す計測結果からわかるように、本例の計測によって得られたスリット断面線については、形状歪みが生じている。具体的には、本計測例に係るスリット断面線は、視野幅が約70mmで、平面度が約0.2mm(約±0.1mm)の凹状に反った曲線状となっている。このように、スリット光が平面に対して照射された場合におけるスリット断面線に形状歪みが生じることは、前記のとおり光学系の問題、例えばスリット光を形成するレーザ光がスリット状に変換されるために用いられるシリンドリカルレンズにおける収差等による。 FIG. 10 shows an example (measurement example) of the shape distortion of the slit light. FIG. 10 illustrates a cross-sectional line of slit light (hereinafter also referred to as “slit cross-sectional line”) irradiated to a plate surface of a reference plate (planar reference plate) that is guaranteed to be flat by measurement or the like. It is a measurement example. Since the measurement target surface according to this example is guaranteed to be a plane as described above, the slit cross-section line should ideally be a straight line. However, as can be seen from the measurement result shown in FIG. 10, the shape distortion occurs in the slit cross-sectional line obtained by the measurement of this example. Specifically, the slit cross-section line according to this measurement example has a curved shape that is warped in a concave shape with a visual field width of about 70 mm and a flatness of about 0.2 mm (about ± 0.1 mm). As described above, when the slit light is irradiated onto the plane, the shape distortion occurs in the slit cross-section line, as described above, the problem of the optical system, for example, the laser light forming the slit light is converted into the slit shape. This is due to aberrations in the cylindrical lens used for this purpose.
そこで、本発明は、光切断法による三次元形状の計測に際し、図10に示すようなスリット光についての形状歪みの存在を認め、その曲面形状となるスリット面形状を陽に所定の曲面に近似的にモデル化するものである。以下、本発明の実施の形態を説明する。 Therefore, the present invention recognizes the existence of the shape distortion of the slit light as shown in FIG. 10 when measuring the three-dimensional shape by the light cutting method, and the slit surface shape as the curved surface shape is approximated to a predetermined curved surface. Modeling. Embodiments of the present invention will be described below.
図1に示すように、本実施形態に係る三次元形状計測装置1は、照射手段としてのレーザ投光部2と、撮像手段としてのカメラ3と、演算手段としての演算制御部5を含む制御装置4とを備える。
As shown in FIG. 1, the three-dimensional shape measuring apparatus 1 according to the present embodiment includes a
レーザ投光部2は、ワーク10に対してスリット光11を照射する。レーザ投光部2は、例えば赤外半導体レーザ等のレーザ光の光源であるレーザ発信器やシリンドリカルレンズ(円筒レンズ)等を有するレーザ出力ユニットとして構成される。すなわち、レーザ投光部2においては、レーザ発信器から発射されたレーザ光が、シリンドリカルレンズを透過することでスリット光(レーザシート)11に変換される。そして、レーザ投光部2から投光されるスリット光11が、ワーク10に照射される。レーザ投光部2からのスリット光11が照射されたワーク10の表面には、その断面形状に応じて光切断線(反射光の輝線)12が形成される。
The
カメラ3は、レーザ投光部2によって照射されるスリット光11によりワーク10の表面に形成される光切断線12を撮像する。カメラ3は、光切断線12、つまりワーク10の表面にて反射するレーザ光(反射光)を受光する受光センサであり、CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサ等の撮像素子により構成される。そして、カメラ3は、ワーク10の表面に形成される光切断線12を受光して撮像することにより、光切断線12についての画像(以下「スリット画像」ともいう。)を、撮像素子の撮像面13(図2参照)において二次元画像として取得する。カメラ3は、撮像面13に対する光切断線12の結像に際してワーク10の表面からの反射光を受ける受光レンズ14(図2参照)を有する。
The camera 3 images the
また、カメラ3は、レーザ投光部2からのスリット光11の照射方向(投光軸方向)に対して光軸(受光軸)が所定角度ずらされた状態で配置される。例えば、カメラ3は、ワーク10における水平面の部分に形成される光切断線12の部分が、画像上で水平方向となるような姿勢で配置される。カメラ3により撮像された光切断線12についての画像データは、制御装置4に送られる。
The camera 3 is arranged in a state where the optical axis (light receiving axis) is shifted by a predetermined angle with respect to the irradiation direction (light projecting axis direction) of the slit light 11 from the laser
制御装置4に備えられる演算制御部5は、カメラ3によって撮像されたスリット画像から光切断線12上の各点の三次元座標を計測し、この三次元座標に基づいてワーク10の三次元形状を計測する。すなわち、演算制御部5は、カメラ3によって撮像されたスリット画像の画像データに基づいて、レーザ投光部2の位置や、受光レンズ14のレンズ中心O1の位置(図2参照)や、ワーク10の表面からの反射光のカメラ3に対する入射角度などから、三角測量の原理により、ワーク10の表面における光切断線12上の各点(照射点)についての三次元座標を計測する。つまり、この光切断線12上の各点の三次元座標が、演算制御部5による計測データ(ワーク10の断面形状に対応する位置データ)となる。一つの光切断線12についての計測データにより、ワーク10の物体としての輪郭線が計測されることとなる。そして、ワーク10に照射されるスリット光11の位置が走査(スキャニング)され所定間隔ごとに更新されることで、演算制御部5は、ワーク10に対するスリット光11の各走査位置(照射位置)における計測データを連続的に求め、ワーク10の三次元形状を計測する。
The
ワーク10に対するスリット光11の走査に際し、本実施形態の三次元形状計測装置1は、次のような構成を備える。すなわち、図1に示すように、本実施形態の三次元形状計測装置1においては、レーザ投光部2とカメラ3とが、互いに所定の位置関係となる状態で、ケース6内に収容される。ケース6は、レーザ投光部2から照射されるスリット光11のワーク10に対する走査方向に、図示せぬ移動手段によって移動可能に設けられる。
When scanning the
本実施形態では、図1に示すように、ワーク10は、平面部10aとこの平面部10a上に形成される直方体状の凸部10bとを有する。かかるワーク10に対して、レーザ投光部2からのスリット光11は、そのスリット面方向(光切断線12が形成される方向)が凸部10bの短手方向となるように略鉛直下向きに照射され、凸部10bの長手方向(図1における左右方向)に走査される。つまり、本実施形態では、凸部10bの長手方向がワーク10に対するスリット光11の走査方向となり、かかる方向が、ケース6の移動方向となる(矢印A1参照)。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the
なお、ワーク10に対するスリット光11の走査のための構成は、本実施形態に限定されるものではない。スリット光11の走査に際しては、例えば、回動可能に設けられスリット光11を反射させるミラーを備える構成が用いられてもよい。かかる構成においては、ミラーによるスリット光11の反射方向が、ミラーの角度によって偏向されることで、スリット光11がワーク10に対して走査されることとなる。
Note that the configuration for scanning the
制御装置4は、前記のとおりワーク10の三次元形状を計測する演算制御部5に加え、入力部16と、表示部17とを備える。
The control device 4 includes the input unit 16 and the
演算制御部5は、三次元形状計測装置1の一連の動作を制御する。演算制御部5は、プログラム等を格納する格納部、プログラム等を展開する展開部、プログラム等に従って所定の演算を行う演算部、演算部による演算結果等を保管する保管部等を有する。前記格納部に格納されるプログラム等には、後述するスリット断面取得プログラムと、スリット面形状モデル化プログラムとが含まれる。
The
演算制御部5としては、具体的には、CPU、ROM、RAM、HDD等がバスで接続される構成や、ワンチップのLSI等からなる構成が用いられる。演算制御部5としては、専用品のほか、市販のパーソナルコンピュータやワークステーション等に上記プログラム等が格納されたものが用いられる。
Specifically, a configuration in which a CPU, a ROM, a RAM, an HDD, or the like is connected by a bus, or a configuration that includes a one-chip LSI or the like is used as the
入力部16は、演算制御部5に接続され、演算制御部5に三次元形状計測装置1の動作に係る種々の情報・指示等を入力する。入力部16としては、専用品のほか、市販のキーボード、マウス、ポインティングデバイス、ボタン、スイッチ等が用いられる。
The input unit 16 is connected to the
表示部17は、演算制御部5に接続され、三次元形状計測装置1の動作状況、入力部16から演算制御部5への入力内容、三次元形状計測装置1による計測結果等を表示する。表示部17による表示内容には、光切断線12についての画像であるスリット画像20が含まれる。具体的には、図1に示すように、前記のとおり平面部10aと凸部10bとを有するワーク10についてのスリット画像20は、平面部10aに対応する直線部20aと、凸部10bに対応する凸形状部20bとを有することとなる。表示部17としては、専用品のほか、市販のモニターや液晶ディスプレイ等が用いられる。
The
以上のような構成を備える三次元形状計測装置1が用いられて行われる本実施形態に係る三次元形状計測方法について説明する。本実施形態の三次元形状計測方法は、ワーク10に対してスリット光11を照射し、ワーク10の表面に形成される光切断線12を撮像し、撮像した光切断線12についての画像(スリット画像)から計測される光切断線12上の各点の三次元座標に基づいてワーク10の三次元形状を計測するものである。
A three-dimensional shape measurement method according to the present embodiment performed using the three-dimensional shape measurement apparatus 1 having the above-described configuration will be described. In the three-dimensional shape measurement method of this embodiment, the
そして、このような光切断法による三次元形状計測方法において、ワーク10に照射されるスリット光11のスリット面形状(レーザシートのシート面形状)について、所定の曲面へのモデル化が行われる。そして、所定の曲面にモデル化されたスリット光11が用いられ、ワーク10についての三次元形状の計測が行われる。したがって、本実施形態の三次元形状計測方法は、ワーク10に照射されるスリット光11のスリット面形状の曲面へのモデル化(以下スリット光11について「曲面モデル化」という。)が行われる曲面モデル化工程と、曲面モデル化されたスリット光11が用いられてワーク10の三次元形状の計測、つまりワーク10の形状についての三次元データ化が行われる形状計測工程とを含む。
Then, in such a three-dimensional shape measuring method using the light cutting method, the slit surface shape (sheet surface shape of the laser sheet) of the
本実施形態の三次元形状計測方法における曲面モデル化工程について説明する。曲面モデル化工程におけるスリット光11の曲面モデル化に際しては、図3に示すように、平面であることが既知の基準平面31を有する基準物体である平面基準板30が用いられる。
The curved surface modeling process in the three-dimensional shape measurement method of this embodiment will be described. In the curved surface modeling in the curved surface modeling step, as shown in FIG. 3, a
そして、平面基準板30が用いられて行われる曲面モデル化工程では、平面基準板30の基準平面31に対して一定のスリット光11が照射された状態で、基準平面31に形成される光切断線であるスリット光11の断面線(スリット断面線)22の撮像が、平面基準板30の複数の異なる位置姿勢について行われる。
Then, in the curved surface modeling process performed using the
すなわち、図3において(a)〜(e)に示すように、平面基準板30のレーザ投光部2およびカメラ3に対する様々な位置や姿勢から、平面基準板30の基準平面31についての計測(スリット光11の照射およびスリット断面線22の撮像)が行われる。レーザ投光部2およびカメラ3に対する平面基準板30の位置は、平面基準板30のレーザ投光部2およびカメラ3に対する相対的な距離に対応し、レーザ投光部2およびカメラ3に対する平面基準板30の姿勢は、平面基準板30の基準平面31のスリット光11に対する傾き度合いに対応する。
That is, as shown in (a) to (e) in FIG. 3, measurement on the
具体的には、例えば図3(a)〜(c)に示すように、レーザ投光部2およびカメラ3に対してスリット光11の照射方向(図3において下方向)を含む直線方向(図3において上下方向)に平面基準板30が移動させられることにより、平面基準板30のレーザ投光部2およびカメラ3に対する相対的な距離が変化させられる。ここで、スリット光11は、その照射方向側(図3において下側)にかけて略扇状に広がる形状を有するため、平面基準板30がスリット光11の照射方向側に位置するほど、スリット光11によって基準平面31上に形成されるスリット断面線22の長さは長くなる。つまり、図3においては、同図(a)〜(c)にかけて、平面基準板30がスリット光11の照射方向側に位置するので、各図におけるスリット断面線22の長さは、同図(a)に示されるスリット断面線22a、同図(b)に示されるスリット断面線22b、同図(c)に示されるスリット断面線22cの順に長くなっている。また、図3(d)、(e)に示すように、平面基準板30が回転させられること等により、平面基準板30が有する基準平面31のスリット光11に対する傾き度合いが変化させられる。
Specifically, for example, as shown in FIGS. 3A to 3C, the linear direction including the irradiation direction (downward in FIG. 3) of the
また、平面基準板30の各位置姿勢に対するスリット光11の照射およびスリット断面線22の撮像に際しては、レーザ投光部2から照射されるスリット光11は一定とされる。つまり、強度や照射方向等の照射条件が一定とされて照射された共通のスリット光11に対して、平面基準板30の位置姿勢が変化させられることで、各位置姿勢に対応するスリット断面線22の撮像が行われる。また、平面基準板30の各位置姿勢についてのスリット断面線22の撮像に際しては、前記のとおりレーザ投光部2とカメラ3とはケース6において所定の位置関係で収容されることから、レーザ投光部2(スリット光11)に対するカメラ3の撮像位置も一定となる。
In addition, the
こうした平面基準板30の各位置姿勢に対するスリット光11の照射およびスリット断面線22の撮像により、平面基準板30の各位置姿勢における基準平面31についてのスリット断面線22(22a〜22e)が取得される。すなわち、平面基準板30の各位置姿勢についてのスリット断面線22が、計測データとしてサンプリングされる。ここで取得される各スリット断面線22は、基準平面31が既知の平面であること、および基準平面31に照射されるスリット光11においては光学系の問題により形状歪みが生じることから、曲線状となる。
By irradiating the
このような平面基準板30の各位置姿勢に対応するスリット断面線22の取得に際し、本実施形態の三次元形状計測装置1においては、図1に示すように、演算制御部5において、スリット断面取得部51が備えられる。
In acquiring the
すなわち、スリット断面取得部51は、スリット断面取得手段の実施の一形態であり、基準平面31に対してレーザ投光部2により一定のスリット光11が照射された状態で、基準平面31に形成されるスリット断面線22の撮像が、カメラ3により平面基準板30の複数の異なる位置姿勢について行われることにより、平面基準板30の各位置姿勢における基準平面31についてのスリット断面線22(22a〜22e)を取得する。実体的には、演算制御部5が、その格納部に格納されたスリット断面取得プログラムに従って所定の演算等を行うことにより、スリット断面取得部51としての機能を果たす。
That is, the slit
続いて、平面基準板30の各位置姿勢における基準平面31に対応するスリット断面線22に基づき、これら複数のスリット断面線22が近似的に適合する共通の曲面が導かれる。
Subsequently, based on the
すなわち、図4に示すように、平面基準板30の各位置姿勢(図3(a)〜(e)参照)についてのスリット断面線22a〜22eから、これらがベストフィットする曲面40が導かれる。つまり、各スリット断面線22a〜22eは、レーザ投光部2から照射されるスリット光11の異なる位置におけるスリット断面形状に対応するものである。そして、曲面40は、複数のスリット断面線22a〜22eのそれぞれが近似的に適合する(沿う状態となる)共通の(一つの)曲面となる。したがって、曲面40の形状は、スリット光11のスリット面形状に近似する形状となる。図4に示すように、本実施形態では、複数のスリット断面線22から導かれる曲面40の形状は、円筒面の一部形状とされている。
That is, as shown in FIG. 4, a
そして、このように複数のスリット断面線22から導かれた曲面40が、スリット光11についての曲面モデルとして用いられる。すなわち、ワーク10に照射されるスリット光11のスリット面形状が、曲面40としてモデル化(数式化)される。
The
このようなスリット光11の曲面モデル化に際し、本実施形態の三次元形状計測装置1においては、図1に示すように、演算制御部5において、スリット面形状モデル化部52が備えられる。
In the curved surface modeling of the
すなわち、スリット面形状モデル化部52は、スリット面形状モデル化手段の実施の一形態であり、レーザ投光部2によりワーク10に照射されるスリット光11のスリット面形状を、スリット断面取得部51により取得された、平面基準板30の各位置姿勢における基準平面31に対応するスリット断面線22に基づき、これら複数のスリット断面線22が近似的に適合する共通の曲面40としてモデル化する。実体的には、演算制御部5が、その格納部に格納されたスリット面形状モデル化プログラムに従って所定の演算等を行うことにより、スリット面形状モデル化部52としての機能を果たす。
That is, the slit surface
以上のようにして、本実施形態の三次元形状計測方法における曲面モデル化工程が行われる。 As described above, the curved surface modeling step in the three-dimensional shape measurement method of the present embodiment is performed.
なお、本実施形態では、図3(a)〜(e)および図4に示すように、スリット光11の曲面モデル化に際し、取得されるスリット断面線22の数が5本(スリット断面線22a〜22e)とされている(スリット断面線22が取得される平面基準板30の異なる位置姿勢が5つとされている)が、スリット光11の曲面モデル化に際して用いられるスリット断面線22の数は、特に限定されるものではない。例えば、本実施形態のように、スリット光11がモデル化される曲面40の形状が円筒面の一部形状とされる場合等においては、スリット光11の曲面モデル化に際して用いられるスリット断面線22の数は、曲面モデル化についての精度や生産性等との兼ね合いから、10〜20本程度が好ましいことが実験等によりわかっている。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 3A to 3E and FIG. 4, when the curved surface of the
また、スリット光11の曲面モデル化に際して用いられる曲面としては、本実施形態における曲面40のような円筒面のほか、円錐面であってもよい。また、スリット光11の曲面モデル化に際し、例えば円筒面や円錐面へのスリット光11のフィッティングが困難な場合などにおいては、スリット光11がフィッティングされる曲面として、NURBS曲面、Bスプライン曲面、Bezier(ベツィエ)曲面、グレゴリ曲面などのパラメトリック曲面が用いられてもよい。
Further, the curved surface used for modeling the curved surface of the
ただし、スリット光11の曲面モデル化に際しては、曲面モデルとして用いられる曲面の形状は、円錐面または円筒面の一部形状であることが有利であると考えられる。すなわち、上記のようなNURBS曲面などのパラメトリック曲面は、円錐面や円筒面といった初等関数で表せる曲面に比べて、幾何学的に複雑となる。このため、演算制御部5が有する演算処理能力によっては、スリット光11の曲面モデル化やその後のワーク10についての三次元形状の計測における演算処理がやや重たくなる場合がある。この点、円錐面や円筒面といった基本形態は、数式的に簡潔に表現できるため、演算制御部5における処理についての負担が比較的少なく、良好な作業性が得られると考えられる。一方で、スリット光11の曲面モデル化に際しての汎用性の面からは、円錐面や円筒面に比べて形状自由度の高いNURBS曲面などのパラメトリック曲面の方が、円錐面や円筒面よりも好ましいともいえる。
However, when modeling the curved surface of the
また、本実施形態では、スリット光11の曲面モデル化に際して用いられる基準物体として、カメラ3についてのキャリブレーション用のキャリブレーションプレートが用いられる。つまり、基準物体として平面基準板30が用いられる本実施形態では、平面基準板30として、カメラ3のカメラキャリブレーション用のキャリブレーションプレートが用いられる。このように、本実施形態では、曲面モデル化工程においてスリット断面線22の取得に際してスリット光11が照射される基準平面31が、カメラ3についてのキャリブレーション用のキャリブレーションプレートが有する被撮影面とされる。
In the present embodiment, a calibration plate for calibration of the camera 3 is used as a reference object used for curved surface modeling of the
通常、光切断法による三次元形状の計測のように、二次元画像から三次元形状への復元が行われるに際して用いられるカメラについては、キャリブレーション(校正)が行われる。カメラのキャリブレーションの手法には、キャリブレーションプレートが用いられるものがある。かかる手法は、公知の技術であるため、その詳細な説明は省略するが、概略的には次のようにして行われる。 Usually, calibration is performed on a camera used when a two-dimensional image is restored to a three-dimensional shape, such as measurement of a three-dimensional shape by a light cutting method. Some camera calibration methods use a calibration plate. Since this technique is a known technique, a detailed description thereof will be omitted, but is roughly performed as follows.
すなわち、カメラのキャリブレーションは、カメラが配置された世界座標系における三次元空間の点と、二次元画像の点との間の射影を定める射影行列から、カメラが有する固有のパラメータ(変数)を求めるプロセスである。カメラの変数には、焦点距離や画素サイズ(縦横比)や画像中心やレンズ歪み等のような内部パラメータ(内部変数)と、カメラの位置や姿勢(向き)を表す外部パラメータ(外部変数)とがある。こうしたカメラのパラメータが求められるに際して、キャリブレーションプレートが用いられる。 In other words, the camera calibration is based on a projection matrix that defines the projection between a point in the world coordinate system where the camera is located and a point in the two-dimensional image. It is a process to seek. Camera variables include internal parameters (internal variables) such as focal length, pixel size (aspect ratio), image center and lens distortion, and external parameters (external variables) that indicate the position and orientation (orientation) of the camera. There is. When such camera parameters are determined, a calibration plate is used.
キャリブレーションプレートとは、三次元形状や表面属性が既知の物体である。このキャリブレーションプレートが、例えばカメラに対して異なる距離や姿勢で複数回撮影される。これにより、キャリブレーションプレートにおける三次元位置と、キャリブレーションプレートのカメラ画像における二次元位置との両者の位置関係が計測される。そして、かかる位置関係から、前記のような射影行列が求められ、この射影行列により、カメラの各種パラメータが算出される。キャリブレーションプレートの表面属性としては、大きさや形状等が全て既知のマーカや格子状のパターン等が用いられる。 The calibration plate is an object having a known three-dimensional shape and surface attribute. The calibration plate is photographed a plurality of times at different distances and postures with respect to the camera, for example. Thereby, the positional relationship between the three-dimensional position on the calibration plate and the two-dimensional position on the camera image of the calibration plate is measured. Then, the projection matrix as described above is obtained from the positional relationship, and various parameters of the camera are calculated from the projection matrix. As the surface attribute of the calibration plate, a marker, a lattice pattern or the like whose size and shape are all known is used.
本実施形態では、ワーク10の三次元形状の計測に際し、光切断線12を撮像するための手段であるカメラ3についてのキャリブレーションが行われる。そして、カメラ3のキャリブレーションに用いられるキャリブレーションプレートとして、平面基準板30が用いられる。キャリブレーションプレートとしての平面基準板30は、矩形状の板状部材であり、その一側の板面が、平面であることが既知の基準平面31となる。この平面基準板30が有する基準平面31が、カメラ3のキャリブレーションに際しての被撮影面となる。そして、このカメラ3のキャリブレーションに用いられる基準平面31上には、キャリブレーションプレートが有する表面属性として、所定の間隔で格子状に並ぶドット(白丸)32が、略全面にわたって描かれている(図3参照)。
In the present embodiment, when measuring the three-dimensional shape of the
このようなドット32が描かれた平面基準板30が用いられて行われるカメラ3のキャリブレーションの一例としては、基準平面31が、カメラ3の撮像面13と平行になるように撮影される。この撮影画像においては、基準平面31上のドット32が、カメラ3のレンズ(受光レンズ14)のレンズ歪み(樽型歪みや糸巻型歪みなどの歪曲収差)によって本来写るべき位置からずれる。こうしたカメラ3におけるレンズ歪みによるずれ量が、画像処理によって計算され、カメラ3の内部パラメータであるレンズ歪みが求められる。このようなレンズ歪みに基づくドット32のずれが、実際の平面基準板30におけるドット32の配置に対応するように、カメラ3における画像が修正される。この修正量は、演算制御部5における格納部などに予め格納される。
As an example of the calibration of the camera 3 performed using the
このように、本実施形態では、スリット光11の曲面モデル化に際して用いられる平面基準板30が、カメラ3のキャリブレーションプレートとして兼用される。これにより、スリット光11の曲面モデル化に際して、平面基準板30として機能する部材を別途用意する必要がなくなるとともに、スリット光11の曲面モデル化を、カメラ3について行われるキャリブレーションと関連させて行うことが可能となり、作業性の向上を図ることができる。以下の説明では、平面基準板30を指して「キャリブレーションプレート60」という。
As described above, in this embodiment, the
曲面モデル化工程の次に、ワーク10の三次元形状の計測が行われる形状計測工程が行われる。つまり、曲面モデル化工程において曲面モデル化されたスリット光11が用いられて、ワーク10の三次元形状の計測が行われる。
Following the curved surface modeling step, a shape measuring step is performed in which the three-dimensional shape of the
具体的には、形状計測工程では、ワーク10の三次元形状が計測されるに際し、ワーク10に照射されるスリット光11のスリット面形状が、モデル化された曲面40とされ、ワーク10の表面に形成される光切断線12上の各点について三次元座標が計測される。なお、以下の説明では、曲面40として曲面モデル化されたスリット光11を、「スリット曲面モデル41」とする。
Specifically, in the shape measurement step, when the three-dimensional shape of the
ワーク10の三次元形状の計測に際しては、前述したように、レーザ投光部2によりスリット光11がワーク10に照射され、カメラ3によって撮像されたスリット画像の画像データに基づいて、レーザ投光部2の位置などから、三角測量の原理により、ワーク10の表面における光切断線12上の各点についての三次元座標が計測される。この三次元座標が計測される光切断線12上の各点は、スリット光11のスリット面上の点となる。そこで、本実施形態の形状計測工程においては、図2に示すように、カメラ3における撮像面13上のスリット画像20(撮像された光切断線12についての画像)上の各点からの、光切断線12上の各点についての三次元座標の計測に際し、スリット曲面モデル41が用いられる。
When measuring the three-dimensional shape of the
したがって、本実施形態では、演算制御部5は、ワーク10の三次元形状を計測するに際し、スリット光11のスリット面形状を、スリット面形状モデル化部52によりモデル化された曲面40として、ワーク10の表面に形成される光切断線12上の各点の三次元座標を計測する。
Therefore, in the present embodiment, when measuring the three-dimensional shape of the
以上のように、曲面モデル化工程と形状計測工程とを含む本実施形態の三次元形状計測方法について、図5に示すフロー図を用いて説明する。 As described above, the three-dimensional shape measurement method of this embodiment including the curved surface modeling step and the shape measurement step will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
本実施形態の三次元形状計測方法においては、まず、カメラ3の(受光レンズ14の)キャリブレーションが行われる(S110)。すなわち、カメラ3によってキャリブレーションプレート60の被撮影面となる基準平面31が撮影され、その撮影画像におけるドット32等に基づいて、カメラ3の各種パラメータが求められる。カメラ3のキャリブレーションによって求められた各種パラメータは、演算制御部5における格納部等に予め格納される。
In the three-dimensional shape measurement method of the present embodiment, first, calibration of the camera 3 (of the light receiving lens 14) is performed (S110). That is, the camera 3 captures the
次に、スリット光11の曲面モデル化が行われる(S120〜S140)。スリット光11の曲面モデル化に際しては、まず、キャリブレーションプレート60に対するスリット光11の照射が行われる(S120)。すなわち、前記のとおりカメラ3のキャリブレーションに用いられるキャリブレーションプレート60に対して、レーザ投光部2により、スリット光11が照射される。
Next, curved surface modeling of the
次に、キャリブレーションプレート60を用いた複数のスリット断面線22の取得が行われる(S130)。すなわち、図3(a)〜(e)に示すように、スリット光11の照射を受けるキャリブレーションプレート60のレーザ投光部2およびカメラ3に対する位置姿勢が変化させられ、各位置姿勢についてのスリット断面線22が取得される。
Next, acquisition of the plurality of slit
そして、複数のスリット断面線22を用いたスリット曲面モデル41の構築が行われる(S140)。すなわち、図4に示すように、キャリブレーションプレート60の各位置姿勢について取得された複数のスリット断面線22a〜22eから、これらが近似的に適合する共通の曲面として、円筒面の一部形状を有する曲面40が導かれる。そして、ワーク10に照射されるスリット光11のスリット面形状が、曲面40としてモデル化(数式化)されることで、スリット曲面モデル41が構築される(図2参照)。
Then, the slit curved
このように、スリット光11の曲面モデル化が行われる上記のステップS120〜S140が、本実施形態の三次元形状計測方法における曲面モデル化工程に対応する。ただし、スリット光11の曲面モデル化は、カメラ3のキャリブレーションと関連して行われてもよい。スリット光11の曲面モデル化がカメラ3のキャリブレーションと関連して行われるに際しては、本実施形態に係る方法は次のような態様となる。
As described above, the above steps S120 to S140 in which the curved surface modeling of the
すなわち、上記ステップS110におけるカメラ3のキャリブレーションに際しては、キャリブレーションプレート60が、カメラ3に対して異なる位置姿勢で複数回撮影され、各位置姿勢についての撮影画像が用いられる場合がある。かかる場合、そのカメラ3のキャリブレーションに際して撮影されるキャリブレーションプレート60の各位置姿勢について、スリット光11の曲面モデル化に用いられるスリット断面線22の取得が行われる。
That is, when the camera 3 is calibrated in step S110, the
つまり、レーザ投光部2およびカメラ3に対して、変化させられて異なるキャリブレーションプレート60の各位置姿勢について、カメラ3のキャリブレーション用の撮影と、キャリブレーションプレート60に対してレーザ投光部2からのスリット光11の照射が行われた状態でのスリット断面線22の取得とが行われる。したがって、この場合、キャリブレーションプレート60の位置姿勢が変化させられるたびに、キャリブレーションプレート60について、カメラ3による、スリット光11が照射されていない状態での撮像(カメラ3のキャリブレーション用の撮影)と、スリット光11が照射されている状態での撮像(スリット断面線22の取得)とが、交互に(順序問わず)行われることとなる。なお、カメラ3のキャリブレーション用のキャリブレーションプレート60の撮影は、スリット光11が照射された状態で行われてもよい。
That is, for each position and orientation of the
このように、本実施形態では、スリット光11の曲面モデル化に際して用いられる平面基準板30が、カメラ3のキャリブレーション用のキャリブレーションプレート60として兼用されているため、スリット光11の曲面モデル化を、カメラ3のキャリブレーションと関連して行うことができる。これにより、変化させられるキャリブレーションプレート60の位置姿勢を、カメラ3のキャリブレーションとスリット光11の曲面モデル化とで共用することができるので、作業の効率化が図れる。
Thus, in this embodiment, since the
つまりは、キャリブレーションプレート60が用いられるスリット光11の曲面モデル化(スリット断面線22の取得)は、カメラ3のキャリブレーション工程の最中に(カメラ3のキャリブレーションと関連して)行われても、カメラ3のキャリブレーション工程の後に行われてもよい。
That is, the curved surface modeling of the
以上により、本実施形態の光切断法によるワーク10の三次元形状の計測に際しての、スリット光11の曲面モデル化を含むキャリブレーションが完了する。
Thus, the calibration including the curved surface modeling of the
続いて、スリット光11の曲面モデル化によって構築されたスリット曲面モデル41が用いられ、ワーク10の三次元形状の計測が行われる。ワーク10の三次元形状の計測に際しては、まず、ワーク10に対するスリット光11の照射が行われる(S210)。すなわち、ワーク10に対して、レーザ投光部2により、スリット光11が照射される(図1参照)。
Subsequently, the slit curved
次に、光切断線12の撮像およびスリット画像20の中心線(以下「スリット画像中心線」という。)の抽出が行われる(S220)。すなわち、カメラ3により、スリット光11が照射されたワーク10の表面に形成される光切断線12が撮像される。これにより、カメラ3の撮像面13にて光切断線12についての画像であるスリット画像20が得られる。そして、このスリット画像20についてのスリット画像中心線の抽出が行われる。
Next, imaging of the
具体的には、例えば図6(a)に示すように、スリット光11の照射により形成される光切断線12についての撮像画像であるスリット画像20は、線状の画像となるが、撮像面13において有限の幅(線の太さ)を有する。つまり、スリット画像20の幅は、撮像面13における一つの画素(ピクセル)の長さよりも長く、複数の画素にわたることとなる。そこで、撮像面13におけるスリット画像20の幅方向の輝度分布(撮像素子の出力レベルの分布)に基づいて、スリット画像中心線20cが抽出される。
Specifically, for example, as illustrated in FIG. 6A, the
スリット画像20について、ある位置におけるスリット画像20の幅方向に沿う輝度Lの分布は、例えば図6(b)に示すグラフG1ようになる。このようなスリット画像20の幅方向(w方向)についての輝度分布から、その幅方向についての中心位置(中心点)が求められる。スリット画像20についての幅方向の中心位置としては、例えば、図6(b)において幅方向を示すw軸とグラフG1とで囲まれる面積が等しくなる幅方向の位置や、グラフG1における輝度についての所定の閾値以上の部分の加重平均となる位置や、輝度Lの分布を正規分布に近似させた場合の平均の位置などが用いられる。このようにして求められるスリット画像20についての幅方向の中心位置(中心点)の、スリット画像20の長さ方向(線方向)に沿う集合が、スリット画像中心線20cとして抽出される。
For the
続いて、スリット画像中心線20c上の各点に対応するスリット曲面モデル41上の点の算出が行われる(S230)。すなわち、スリット画像中心線20c上の各点について、これら各点と受光レンズ14のレンズ中心O1とを結ぶ直線が算出され、この直線の、スリット曲面モデル41に対する交点が求められる。
Subsequently, a point on the slit curved
具体的に、図2に示すように、例えばスリット画像中心線20c上の点P1について説明する。撮像面13において二次元座標で表される点P1の位置(x1、y1)や、受光レンズ14のレンズ中心O1の位置や、レンズ中心O1に対する撮像面13の位置などは、カメラ3のキャリブレーションによって求められたカメラ3のパラメータから測定される。また、スリット曲面モデル41の世界座標系における位置は、スリット光11の曲面モデル化に際して、実際のスリット光11との関係から測定される。これらの測定値から、スリット画像中心線20c上の点P1と、受光レンズ14のレンズ中心O1とを通る直線L1が算出され、この直線L1の、スリット曲面モデル41に対する交点となる点P2が求められる。このスリット曲面モデル41上の点P2が、二次元画像である撮像面13のスリット画像中心線20c上における点P1に対応する、世界座標系における三次元空間における計測点となる。
Specifically, as shown in FIG. 2, for example, a point P1 on the slit
つまり、撮像面13上のスリット画像20は、ワーク10におけるスリット光11の光切断線12についての画像であり、また、スリット曲面モデル41は、スリット光11が曲面モデル化されたものである。したがって、スリット曲面モデル41上には、スリット画像中心線20c上の個々の点に対応する点が存在することとなる。このスリット画像中心線20c上の個々の点に対応するスリット曲面モデル41上の点が、三次元空間上の計測点となる。
That is, the
次に、スリット曲面モデル41上の点の三次元座標の計測が行われる(S240)。すなわち、スリット画像中心線20c上の各点に対応するスリット曲面モデル41上の計測点の三次元座標が、レーザ投光部2の位置や、受光レンズ14のレンズ中心O1の位置や、ワーク10の表面からの反射光のカメラ3に対する入射角度などから、三角測量の原理により計測される。つまり、上記の例においては、スリット画像中心線20c上の点である点P1の位置(x1、y1)から、これに対応するスリット曲面モデル41上の点P2についての三次元座標(X、Y、Z)が計測される。ここで、図2に示すように、カメラ3の撮像面13における二次元座標で認識された点(スリット画像中心線20c上の点)は、円筒面の一部形状を有するスリット曲面モデル41において存在する高さデータとして演算される。
Next, the three-dimensional coordinates of the points on the slit curved
そして、このような計測点についての三次元座標の計測が、ワーク10について得られる全ての点群について行われる(S250)。すなわち、スリット画像中心線20c上の各点に対応する計測点についての三次元座標の計測が、ワーク10に対するスリット光11の全走査範囲について、所定間隔ごとに更新されるスリット光11の各走査位置(照射位置)にて行われる。したがって、ここでのワーク10について得られる全ての点群とは、ワーク10に対するスリット光11の走査範囲において、全ての走査位置にて得られるスリット画像中心線20c上の全ての点となる。このような点群における各点に対応する計測点についての三次元座標の計測値は、演算制御部5において随時記憶される。
And the measurement of the three-dimensional coordinate about such a measurement point is performed about all the point groups obtained about the workpiece | work 10 (S250). That is, each scan of the
このようにしてワーク10について得られる全ての点群についての三次元座標の計測データから、ワーク10の三次元形状が計測される。すなわち、前記のとおりスリット画像中心線20c上の点はスリット曲面モデル41において高さデータとして演算されることから、スリット光11のある走査位置(照射位置)に対応するスリット画像中心線20c上の点群についてのスリット断面モデル41上の計測データ(計測点の集合)により、その走査位置におけるワーク10の断面形状に対応する輪郭線45が計測される(図2参照)。このようなワーク10についての輪郭線45が、スリット光11の走査方向に連続的に取得されることで、これらの輪郭線45の集合から、ワーク10の三次元形状が計測される。
The three-dimensional shape of the
そして、ワーク10についての全ての計測点の統合、および三次元点群としてのファイル保存が行われる(S260)。すなわち、三次元座標が計測されたワーク10について得られる全ての点群についての計測点が、輪郭線45およびこれらの集合として統合され、ワーク10の三次元点群、つまりワーク10の三次元形状として、演算制御部5において保存される。
Then, integration of all measurement points for the
このように、ワーク10の三次元形状の計測が行われる上記のステップS210〜S260が、本実施形態の三次元形状計測方法における形状計測工程に対応する。形状計測工程によって計測されたワーク10の三次元形状は、制御装置4における表示部17において表示される。
Thus, said step S210-S260 by which the measurement of the three-dimensional shape of the workpiece | work 10 respond | corresponds to the shape measurement process in the three-dimensional shape measurement method of this embodiment. The three-dimensional shape of the
以上のようにして計測されたワーク10についての三次元形状が用いられ、図面等との比較による解析、品質検査が行われる(S270)。すなわち、前記のとおり表示部17に表示されるワーク10についての三次元形状について、CAD図面等の設計図面や試作品等から選出されたマスターワーク等との比較が行われる。これにより、計測対象であるワーク10についての三次元形状の解析や、品質の良否判定等の品質検査が行われる。
The three-dimensional shape of the
以上説明した本実施形態の三次元形状計測装置1および三次元形状計測方法によれば、光切断法による三次元形状計測において、ワーク10に照射されるスリット光11について存在する曲がり等の形状歪みに対する処置をシステマチックにすることができるとともに、スリット光11の形状歪みに起因する計測誤差を低減することができ、計測の安定性や汎用性を向上することができる。
According to the three-dimensional shape measurement apparatus 1 and the three-dimensional shape measurement method of the present embodiment described above, in the three-dimensional shape measurement by the light cutting method, the shape distortion such as the bending existing in the
すなわち、本実施形態によって説明したように、光切断法による三次元形状計測において、光学系の問題により形状歪みを有し曲面となるスリット光11を、陽に所定の曲面にモデル化することにより、従来のようにスリット光11が平面としてモデル化される場合に比べて計測性能を向上することができる。
That is, as described in the present embodiment, in the three-dimensional shape measurement by the light cutting method, the
また、スリット光11が、スリット曲面モデルとしてモデル化(数式化)されることから、そのスリット曲面モデルを表す数式についてのパラメータの調整により、カメラ3のパラメータ等の計測条件の変更等に対してパラメトリックに容易に対応することができるとともに、計測に必要となる必要となるデータ量を少なくすることができる。これにより、スリット光11の形状歪みに対応した三次元形状の計測を行うに際し、従来技術のように光切断線が撮像される撮像面において区分された領域ごとに個別のパラメータが用いられる方式に比べ、計測がシステマチックで管理しやすくなり、計測について高い安定性や汎用性が得られる。
In addition, since the
本実施形態の三次元形状計測装置1および三次元形状計測方法の適用例およびその効果について、図1、図7、図8および図9を用いて説明する。本適用例は、本実施形態の三次元形状計測が、機械加工部品の三次元形状についてのインライン検査に用いられる場合についてのものである。 Application examples and effects of the three-dimensional shape measurement apparatus 1 and the three-dimensional shape measurement method of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1, 7, 8, and 9. FIG. This application example is for the case where the three-dimensional shape measurement of the present embodiment is used for in-line inspection of the three-dimensional shape of a machined part.
まず、インラインでの直進スキャンによる検査の例について説明する。すなわち、図1に示すように、インライン検査の検査対象となる三次元形状の計測対象(ワーク10)に対するスリット光11の走査に際し、スリット光11が直進移動させられる場合について説明する。また、本例に係るワーク10は、反りのない機械加工部品である場合とする。この場合、前述したようにワーク10における凸部10bの長手方向がスキャン方向となり、かかる方向が、スリット光11の直進移動方向となる。また、ワーク10は、前記のとおり反りのない機械加工部品であるため、ワーク10を形成する面がいずれも平面となる。
First, an example of inspection by in-line straight scanning will be described. That is, as shown in FIG. 1, a case will be described in which the
このようなワーク10についての直進スキャンによる検査において、ワーク10の三次元形状計測に際してスリット光11についての曲面モデル化が行われない場合、つまりスリット光11のスリット面形状について所定の曲面とする補正が行われずにスリット面形状が平面であるとして計測が行われる場合、計測されるワーク10の三次元形状について生じる計測誤差が大きくなる。具体的には、例えば図7(a)に示すように、ワーク10の三次元形状についての計測誤差が大きくなることにより、計測結果として表示部17において表される三次元形状画像70aにおいて、三次元形状に反り(図示では凹状の反り)が生じた計測結果が得られる。つまりこの場合、計測結果に反映されることとなるスリット光11が有する形状歪みとしての反りによる影響が大きくなり、十分な計測精度が得られない。
In such inspection of the
一方、ワーク10についての直進スキャンによる検査において、ワーク10の三次元形状計測に際してスリット光11についての曲面モデル化が行われる場合、つまりスリット光11のスリット面形状について所定の曲面とする補正が行われる場合、計測されるワーク10の三次元形状について生じる計測誤差が低減される。具体的には、図7(b)に示すように、ワーク10の三次元形状についての計測誤差が低減されることにより、計測結果として表示部17において表される三次元形状画像70bにおいて、三次元形状における反りが補正された計測結果が得られる。つまりこの場合、計測結果に反映されることとなるスリット光11が有する形状歪みとしての反りによる影響が低減され、十分な計測精度が得られる。
On the other hand, in the inspection by the straight scanning of the
次に、インラインでの回転スキャンによる検査の例について説明する。図8に示すように、本例に係るワーク80は、円筒形状を有する機械加工部品である。そして、このインライン検査の検査対象となる三次元形状の計測対象(ワーク80)に対するスリット光11の走査に際しては、ワーク80の円筒面にスリット光11が照射された状態で、ワーク80が円筒形状の筒軸方向(軸心線C1参照)を回転軸方向として回転させられる。したがって、本例においては、ワーク80の回転方向と反対の方向が、ワーク80が有する円筒面に対するスキャン方向となる。
Next, an example of inspection by in-line rotational scanning will be described. As shown in FIG. 8, the
このようなワーク80についての回転スキャンによる検査において、前述したワーク10についての直進スキャンの場合と同様に、ワーク80の三次元形状計測に際して、スリット光11についての曲面モデル化が行われない場合と、曲面モデル化が行われる場合とのそれぞれについての計測結果例を図9に示す。
In the inspection by the rotational scan for the
図9(a)に示すように、スリット光11についての曲面モデル化が行われない場合、ワーク80の三次元形状についての計測誤差が大きくなることにより、計測結果として表示部17において表される三次元形状画像90aにおいて、例えば円筒形状が糸巻き状に反った計測結果が得られる。一方、図9(b)に示すように、スリット光11についての曲面モデル化が行われる場合、ワーク80の三次元形状についての計測誤差が低減されることにより、計測結果として表示部17において表される三次元形状画像90bにおいて、三次元形状が円筒面形状として正しく計測された計測結果が得られる。
As shown in FIG. 9A, when the curved surface modeling of the
このように、機械加工部品の三次元形状についてのインライン検査において、本実施形態の三次元形状計測が適用されることにより、三次元形状の計測に際し、計測結果に反映されることとなるスリット光11が有する形状歪みによる影響が低減され、十分な計測精度が得られる。 As described above, in the in-line inspection of the three-dimensional shape of the machined part, the slit light that is reflected in the measurement result when measuring the three-dimensional shape by applying the three-dimensional shape measurement of the present embodiment. 11 is reduced, and sufficient measurement accuracy can be obtained.
以上説明した本発明に係る三次元形状計測は、例えば自動車業界において、ボディパネル等の曲面が計測検査される場合において、従来方式に比べて正確な形状ディジタイズが可能になる。そして、その計測結果が、より厳密なボディのプレス成形の品質検査において適用できる可能性が出てくる。 The above-described three-dimensional shape measurement according to the present invention enables accurate shape digitization as compared with the conventional method when a curved surface such as a body panel is measured and inspected in the automobile industry, for example. And the possibility that the measurement result can be applied in the quality inspection of the press molding of the body becomes more strict.
また、本発明に係る三次元形状計測が用いられることで、自動車部品としての軸状やパイプ状の部品の検査に際して三次元形状が計測される場合、より正確に三次元形状(例えば直径など)を捕えることが可能となる。また、スリット光の曲面モデル化というシステマチックな手法が用いられることにより、前述したような部品のインライン検査における管理調整が容易となる。特に、インライン検査においては、ワークに照射されるスリット光の形状歪みに対する処置として、時間のかかる再キャリブレーションは実現しにくいため、本発明に係る三次元形状計測のように、スリット光の曲面モデル化に際してパラメトリックで効率的な校正を行うことができる手法が有効となる。 In addition, by using the three-dimensional shape measurement according to the present invention, when a three-dimensional shape is measured when inspecting a shaft-like or pipe-like part as an automobile part, the three-dimensional shape (for example, a diameter) is more accurately measured. Can be captured. Further, by using a systematic method of modeling the curved surface of the slit light, management adjustment in the in-line inspection of parts as described above becomes easy. In particular, in in-line inspection, it is difficult to implement time-consuming recalibration as a treatment for the shape distortion of the slit light applied to the workpiece. Therefore, as in the three-dimensional shape measurement according to the present invention, a curved surface model of the slit light is used. A method capable of performing parametric and efficient calibration becomes effective.
1 三次元形状計測装置
2 レーザ投光部(照射手段)
3 カメラ(撮像手段)
5 演算制御部(演算手段)
10 ワーク(測定対象物)
11 スリット光
12 光切断線
20 スリット画像
22 スリット断面線
30 平面基準板(基準物体)
31 基準平面
40 曲面
41 スリット曲面モデル
51 スリット断面取得部
52 スリット面形状モデル化部
60 キャリブレーションプレート
1 Three-dimensional
3 Camera (imaging means)
5 Calculation control unit (calculation means)
10 Workpiece (object to be measured)
DESCRIPTION OF
31
Claims (4)
前記撮像手段により、前記撮像手段のキャリブレーションプレートに備えられ平面であることが既知の基準平面を撮影し、当該撮影画像における前記基準平面の表面属性の、実際の前記基準平面における表面属性に対するずれ量を修正する、前記撮像手段のキャリブレーションを行うキャリブレーション工程と、
前記キャリブレーションプレートを用い、
前記基準平面に対して一定のスリット光を照射した状態で、前記基準平面に形成される光切断線である前記スリット光の断面線の前記撮像手段による撮像を、前記キャリブレーションプレートの複数の異なる位置姿勢について行うことにより、
前記キャリブレーションプレートの各位置姿勢における前記基準平面についての前記スリット光の断面線を取得し、
前記各位置姿勢における前記基準平面に対応する前記スリット光の断面線に基づき、これら複数の前記スリット光の断面線が近似的に適合する共通の曲面を導き、
測定対象物に照射するスリット光のスリット面形状を、前記曲面としてモデル化する曲面モデル化工程と、
前記三次元形状を計測するに際し、前記スリット光のスリット面形状を、モデル化した前記曲面として、前記三次元座標を計測する形状計測工程とを備え、
前記キャリブレーション工程での前記キャリブレーションプレートの基準平面の撮影と、前記曲面モデル化工程での前記スリット光の断面線の撮像とが、前記キャリブレーションプレートの位置姿勢が変化させられるたびに交互に行われる、
ことを特徴とする三次元形状計測方法。 Each point on the optical cutting line is measured by irradiating the measuring object with slit light, picking up an optical cutting line formed on the surface of the measuring target with an imaging means, and measuring the image of the picked optical cutting line. A three-dimensional shape measurement method for measuring a three-dimensional shape of a measurement object based on the three-dimensional coordinates of
The imaging unit is used to photograph a reference plane that is provided on the calibration plate of the imaging unit and is known to be a plane, and the surface attribute of the reference plane in the captured image is shifted from the actual surface attribute of the reference plane. A calibration step for calibrating the imaging means to correct the amount;
Using the calibration plate ,
In a state in which a certain slit light is irradiated on the reference plane, imaging by the imaging means of the cross-sectional line of the slit light, which is a light cutting line formed on the reference plane, is performed by a plurality of different calibration plates. By doing about position and orientation,
Obtaining a sectional line of the slit light for the reference plane at each position and orientation of the calibration plate ;
Based on the cross-sectional line of the slit light corresponding to the reference plane in each position and orientation, a common curved surface that approximately matches the cross-sectional line of the plurality of slit light,
A curved surface modeling step of modeling the slit surface shape of the slit light applied to the measurement object as the curved surface ;
When measuring the three-dimensional shape, comprising the shape measurement step of measuring the three-dimensional coordinates as the curved surface modeled slit surface shape of the slit light ,
The imaging of the reference plane of the calibration plate in the calibration process and the imaging of the sectional line of the slit light in the curved surface modeling process are alternately performed whenever the position and orientation of the calibration plate is changed. Done,
A three-dimensional shape measuring method characterized by that.
前記照射手段によって照射される前記スリット光により測定対象物の表面に形成される光切断線を撮像する撮像手段と、Imaging means for imaging a light cutting line formed on the surface of the measurement object by the slit light irradiated by the irradiation means;
前記撮像手段によって撮像された光切断線についての画像から前記光切断線上の各点の三次元座標を計測し、この三次元座標に基づいて測定対象物の三次元形状を計測する演算手段と、を備える三次元形状計測装置であって、An arithmetic unit that measures the three-dimensional coordinates of each point on the optical cutting line from an image of the optical cutting line imaged by the imaging unit, and measures the three-dimensional shape of the measurement object based on the three-dimensional coordinates; A three-dimensional shape measuring apparatus comprising:
前記撮像手段のキャリブレーションプレートに備えられ平面であることが既知の基準平面に対して前記照射手段により一定のスリット光を照射した状態で、前記基準平面に形成される光切断線である前記スリット光の断面線の撮像を、前記撮像手段により前記キャリブレーションプレートの複数の異なる位置姿勢について行うことにより、前記キャリブレーションプレートの各位置姿勢における前記基準平面についての前記スリット光の断面線を取得するスリット断面取得手段と、The slit which is a light cutting line formed on the reference plane in a state where a fixed slit light is irradiated by the irradiation unit on a reference plane which is provided on a calibration plate of the imaging unit and is known to be a plane. The cross-sectional line of the slit light with respect to the reference plane at each position and orientation of the calibration plate is obtained by imaging the cross-sectional line of light at a plurality of different positions and orientations of the calibration plate by the imaging means. Slit cross-section acquisition means;
前記照射手段により測定対象物に照射されるスリット光のスリット面形状を、前記スリット断面取得手段により取得された、前記各位置姿勢における前記基準平面に対応する前記スリット光の断面線に基づき、これら複数の前記スリット光の断面線が近似的に適合する共通の曲面としてモデル化するスリット面形状モデル化手段と、を備え、The slit surface shape of the slit light irradiated to the measurement object by the irradiation means is based on the sectional lines of the slit light corresponding to the reference plane acquired at the respective positions and orientations acquired by the slit cross-section acquisition means. Slit surface shape modeling means for modeling as a common curved surface to which the cross-sectional lines of the plurality of slit lights approximately match,
前記三次元形状を計測するに際して、前記撮像手段により前記キャリブレーションプレートの基準平面を撮影し、当該撮影画像における基準平面の表面属性の、実際の前記基準平面における表面属性に対するずれ量を修正する、前記撮像手段のキャリブレーションが行われ、When measuring the three-dimensional shape, the reference plane of the calibration plate is imaged by the imaging means, and the deviation amount of the surface attribute of the reference plane in the captured image with respect to the actual surface attribute of the reference plane is corrected. Calibration of the imaging means is performed,
前記キャリブレーションが行われる際の前記キャリブレーションプレートの基準平面の撮影と、前記スリット断面取得手段により前記スリット光の断面線を取得する際の前記スリット光の断面線の撮像とが、前記キャリブレーションプレートの位置姿勢が変化させられるたびに交互に行われ、Imaging of a reference plane of the calibration plate when the calibration is performed, and imaging of a cross-sectional line of the slit light when the cross-sectional line of the slit light is acquired by the slit cross-sectional acquisition unit are the calibration. Every time the position and orientation of the plate is changed,
前記演算手段は、前記三次元形状を計測するに際し、前記スリット光のスリット面形状を、前記スリット面形状モデル化手段によりモデル化された前記曲面として、前記三次元座標を計測することを特徴とする三次元形状計測装置。The arithmetic means measures the three-dimensional coordinates when measuring the three-dimensional shape, using the slit surface shape of the slit light as the curved surface modeled by the slit surface shape modeling means. 3D shape measuring device.
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