JP5487920B2 - Optical three-dimensional shape measuring apparatus and optical three-dimensional shape measuring method - Google Patents

Optical three-dimensional shape measuring apparatus and optical three-dimensional shape measuring method Download PDF

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Description

本発明は、光学式3次元形状計測装置及び光学式3次元形状計測方法、特に、光沢のある物体表面の3次元形状計測に適用可能な光学式3次元計測装置及び3次元計測方法に関するものである。   The present invention relates to an optical three-dimensional shape measuring device and an optical three-dimensional shape measuring method, and more particularly to an optical three-dimensional measuring device and a three-dimensional measuring method applicable to three-dimensional shape measurement of a glossy object surface. is there.

物体の3次元形状計測には、光学式3次元計測装置が工業的に良く用いられている。中でも、三角測量原理に基づく光学式3次元計測装置は、測定範囲、測定分解能、測定時間、信頼性の面などでバランスがとれている。   For measuring the three-dimensional shape of an object, an optical three-dimensional measuring apparatus is often used industrially. Among them, the optical three-dimensional measuring apparatus based on the triangulation principle is balanced in terms of measurement range, measurement resolution, measurement time, reliability, and the like.

三角測量原理を用いた物体の3次元計測装置として、例えば特許文献1には、測定対象にスリット光を投光し、対象物体から反射した反射光をレンズで集光して画像センサで検出する形状計測装置が記載されている。   As a three-dimensional measuring device for an object using the triangulation principle, for example, in Patent Document 1, slit light is projected onto a measurement target, and reflected light reflected from the target object is collected by a lens and detected by an image sensor. A shape measuring device is described.

特許文献2には、光照射手段から被計測物の表面に照射されたスポット光の反射光を、ハーフミラーを介して分離し、分離した透過光の受光強度の重心位置を第1の光検出手段によって検出し、分離した反射光の受光強度の重心位置を第2の光検出手段によって検出し、第1及び第2の光検出手段の出力信号に基づき、所定の計測基準位置から被計測物までの距離を算出する演算手段を備えた光学式形状計が記載されている。   In Patent Document 2, the reflected light of the spot light irradiated from the light irradiation means onto the surface of the object to be measured is separated through a half mirror, and the center of gravity position of the received light intensity of the separated transmitted light is detected by the first light. The center of gravity of the received light intensity of the separated reflected light detected by the means is detected by the second light detecting means, and the object to be measured is measured from the predetermined measurement reference position based on the output signals of the first and second light detecting means. An optical shape meter provided with computing means for calculating the distance to is described.

特許文献3には、特許文献2に記載の構成に加え、被計測物に対して集光された光をスポット走査光とする回転ミラーと、該スポット走査光を所定の入射角で被計測物に照射する光照射手段と、該被計測物の表面から反射される入射光を集光して反射させる2次曲面鏡と、所定の計測基準位置から被計測物までの距離を、前記回転ミラーの回転と同期させて演算する演算手段とを備えた光学式形状計が記載されている。   In Patent Document 3, in addition to the configuration described in Patent Document 2, a rotating mirror that uses spot-condensed light focused on the object to be measured and the object to be measured at a predetermined incident angle. Light irradiating means for irradiating, a secondary curved mirror for collecting and reflecting incident light reflected from the surface of the object to be measured, and a distance from a predetermined measurement reference position to the object to be measured as the rotating mirror. There is described an optical shape meter provided with a calculation means for calculating in synchronization with the rotation of.

また、将来光学式3次元計測装置への適用が考えられる画像センサとして、非特許文献1には、分子の光学的異方性によって得られる偏光検出特性を透明電極に組み合わせて構成した透明イメージセンサ(Transparent Image Sensor)が記載されている。   Further, as an image sensor that can be applied to an optical three-dimensional measurement apparatus in the future, Non-Patent Document 1 discloses a transparent image sensor configured by combining a polarization detection characteristic obtained by molecular optical anisotropy with a transparent electrode. (Transparent Image Sensor).

特開平11−118443号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-118443 特開平5−1904号公報JP-A-5-1904 特開平5−60532号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-60532

「Transparent Image Sensors Using an Organic Multilayer Photodiode」、H.Tanaka et al、Advanced Materials Volume18、Issue17、2006、Pages 2230−2233“Transparent Image Sensors Using an Organic Multilayer Photodiode”, H.C. Tanaka et al, Advanced Materials Volume 18, Issue 17, 2006, Pages 2230-2233

特許文献1に記載の形状計測装置では、反射光は測定対象表面の3次元形状に応じて画像センサの対応する位置に結像するので、三角測量原理により、スリット光の物体表面上での反射点の3次元位置が検出できる。そして、スリット光を測定対象上に走査しつつ、測定対象から反射する反射光を受光し、それぞれの結像位置に対して、三角測量原理により測定対象の3次元形状を測定できる。   In the shape measuring apparatus described in Patent Document 1, since reflected light forms an image at a corresponding position of the image sensor in accordance with the three-dimensional shape of the surface to be measured, reflection of the slit light on the object surface by the triangulation principle. The three-dimensional position of the point can be detected. The reflected light reflected from the measurement target is received while scanning the slit light on the measurement target, and the three-dimensional shape of the measurement target can be measured by the triangulation principle at each imaging position.

しかしながら、特許文献1に記載の三角測量原理による3次元位置の検出においては、被測定物が無光沢表面であることが前提とされている。これは、被測定物が無光沢表面である場合、被測定物の表面で光は乱反射するので、それをレンズにより集光して画像センサ上に結像させると、集光した光の光束の中心は必ずレンズ中心を通るので、物体表面の傾きにかかわらず、三角測量原理が適用でき、光の物体表面での反射位置が検出できるためである。   However, in the detection of the three-dimensional position based on the triangulation principle described in Patent Document 1, it is assumed that the object to be measured has a matte surface. This is because, when the object to be measured is a matte surface, light is irregularly reflected on the surface of the object to be measured. Therefore, when the light is condensed by the lens and imaged on the image sensor, the light flux of the collected light is reflected. This is because, since the center always passes through the center of the lens, the triangulation principle can be applied regardless of the inclination of the object surface, and the reflection position of light on the object surface can be detected.

ところが、被測定物が金属表面などのような光沢のある表面では、被測定物の表面では反射光は乱反射せずに、光源から投光された光線の形状を維持したまま、正反射して、レンズを介して画像センサに結像する。この場合、物体表面が正確にレンズ焦点位置にあれば正反射光はレンズ中心を通るが、このような場合はまれで、光沢表面での反射光は、必ずしもレンズ中心を通らない。   However, when the object to be measured is a glossy surface such as a metal surface, the reflected light is not irregularly reflected on the surface of the object to be measured, and is regularly reflected while maintaining the shape of the light beam projected from the light source. The image is formed on the image sensor through the lens. In this case, if the object surface is exactly at the lens focal position, the specularly reflected light passes through the center of the lens. However, in such a case, the reflected light on the glossy surface does not necessarily pass through the center of the lens.

特許文献2あるいは特許文献3に記載の光学式形状計は、所定の計測基準位置から被計測物の表面までの距離を算出するようにしてあるので、被計測物の表面が鏡面、または鏡面に近い場合に、オンラインで被計測物が傾斜変動したり、ハレーションを起こすようなときにも、非接触で被計測物の形状、変位または厚さを安定して連続計測することができるとされている。しかしながら、特許文献2あるいは特許文献3に記載の光学式形状計は、以下に述べる(1)理論的厳密性と(2)適用対象の制限の観点から、鏡面等の光沢表面をもつ物体の3次元形状計測には適用し得ないものである。   Since the optical shape meter described in Patent Document 2 or Patent Document 3 calculates a distance from a predetermined measurement reference position to the surface of the object to be measured, the surface of the object to be measured is a mirror surface or a mirror surface. It is said that the shape, displacement or thickness of the measurement object can be stably and continuously measured in a non-contact manner even when the measurement object is tilted and halation occurs online in the near case. Yes. However, the optical shape meter described in Patent Document 2 or Patent Document 3 is an object that has a glossy surface such as a mirror surface from the viewpoint of (1) theoretical strictness and (2) restriction of application targets described below. It cannot be applied to dimension shape measurement.

(1)理論的厳密性
特許文献2あるいは特許文献3に記載の光学式形状計は、特許文献2の段落[0024]並びに特許文献3の段落[0046]に「被計測物11の表面は鏡面であるため光の正反射が生じ、入射光は反射角β´で反射される。」との記載があるように、被計測物表面の反射で正反射を仮定している。光の正反射を仮定していることから、特許文献2並びに特許文献3においては、入射角β=反射角β´を仮定している。しかしながら、現実の物体においては、入射角=反射角は厳密に成立しない。このため、入射角β=反射角β´を仮定している特許文献2あるいは特許文献3に記載の光学式形状計は、入射角と反射角が異なる現実の物体において理論的な誤差が生じる。
(1) Theoretical rigor The optical shape meter described in Patent Document 2 or Patent Document 3 is described in paragraph [0024] of Patent Document 2 and paragraph [0046] of Patent Document 3 as “the surface of the object to be measured 11 is a mirror surface. Therefore, specular reflection of light occurs, and incident light is reflected at a reflection angle β ′ ”. Since regular reflection of light is assumed, Patent Document 2 and Patent Document 3 assume an incident angle β = reflection angle β ′. However, in an actual object, the incident angle = reflection angle is not strictly established. For this reason, the optical shape meter described in Patent Document 2 or Patent Document 3 that assumes the incident angle β = the reflection angle β ′ causes a theoretical error in an actual object having a different incident angle and reflection angle.

(2)適用対象の制限
特許文献2あるいは特許文献3に記載の光学式形状計は、特許文献2の段落[0030]並びに特許文献3の段落[0036]に「平面幾何学的解析を行い、」との記載があるように、この仮定が成立する被計測物にしか適用できない。すなわち、特許文献2あるいは特許文献3に記載の光学式形状計は、一次元的な傾きしか考慮していないものであり、適用対象が当該仮定が許容できる範囲に限定されるものである。
(2) Restriction of application target The optical shape meter described in Patent Document 2 or Patent Document 3 is “performs a planar geometric analysis in paragraph [0030] of Patent Document 2 and paragraph [0036] of Patent Document 3; As described in the above, it can be applied only to an object to be measured that satisfies this assumption. That is, the optical shape meter described in Patent Document 2 or Patent Document 3 considers only a one-dimensional inclination, and the application target is limited to a range where the assumption is acceptable.

このように、従来の三角測量原理に基づく光学式計測装置は、鏡面などの光沢表面をもつ物体の3次元形状計測には適用が困難であるという問題がある。   Thus, the conventional optical measuring device based on the triangulation principle has a problem that it is difficult to apply to the three-dimensional shape measurement of an object having a glossy surface such as a mirror surface.

上記問題点に鑑み、本発明は、無光沢表面のみならず、鏡面などの光沢表面をもつ物体の光学式3次元形状測定を実現可能とするための光学式3次元形状計測装置及び光学式3次元形状計測方法を提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention provides an optical three-dimensional shape measuring apparatus and an optical type 3 for realizing optical three-dimensional shape measurement of an object having not only a non-glossy surface but also a glossy surface such as a mirror surface. An object is to provide a dimension shape measuring method.

上記目的を達成するため、本発明は、
光線を測定対象物に照射する光源と、前記光線が前記測定対象物に照射された光線照射面で反射した反射光の入射ベクトルを検出する光入射ベクトル検出手段と、前記光線照射面の3次元位置を算出する照射面位置算出手段と、を備え、
前記光入射ベクトル検出手段は、前記反射光を集光するレンズと、少なくとも2つの画像センサを含む光学系から構成され、
前記2つの画像センサは、前記レンズの光軸又は該光軸から分割された方向の軸線に対してセンサ面が垂直となるように、かつ前記光線照射面から異なった距離に配置され、
前記照射面位置算出手段が、3次元ベクトル解析により、前記2つの画像センサの受光位置および前記光学系の幾何学条件から、前記2つの画像センサへの入射ベクトルを導出し、前記測定対象物上の光線の反射位置ベクトルを導出することによって、前記光線照射面の3次元位置を算出すること
を特徴とする光学式3次元形状計測装置を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
A light source for irradiating a measurement object with a light beam, light incident vector detection means for detecting an incident vector of reflected light reflected by the light beam irradiation surface irradiated with the light beam on the measurement object, and a three-dimensional image of the light irradiation surface An irradiation surface position calculating means for calculating a position,
The light incident vector detection means includes an optical system including a lens that collects the reflected light and at least two image sensors.
The two image sensors are arranged such that the sensor surfaces are perpendicular to the optical axis of the lens or an axis in a direction divided from the optical axis, and at different distances from the light irradiation surface,
The irradiation surface position calculating means derives an incident vector to the two image sensors from a light receiving position of the two image sensors and a geometric condition of the optical system by three-dimensional vector analysis, An optical three-dimensional shape measuring apparatus is provided that calculates a three-dimensional position of the light irradiation surface by deriving a reflection position vector of the light beam.

また、本発明は、
光線を測定対象物に照射する光源と、前記光線が前記測定対象物に照射された光線照射面で反射した反射光の入射ベクトルを検出する光入射ベクトル検出手段と、前記光線照射面の3次元位置を算出する照射面位置算出手段と、を備え、
前記光入射ベクトル検出手段は、前記反射光を集光するレンズと、前記反射光を2方向に分割するハーフミラーと、第1画像センサと第2画像センサの2つの画像センサから構成され、
前記レンズは、一端面側が前記測定対象物に対向するよう配置され、
前記ハーフミラーは、前記レンズの他端面側に、中心が前記レンズの光軸と一致するよう前記レンズの光軸に対して45度傾けられて配置され、
前記第1画像センサは、前記レンズの光軸と前記ハーフミラー中心とを結ぶ軸線上に、該軸線に対してセンサ面が垂直となるよう配置され、
前記第2画像センサは、前記レンズの光軸と前記ハーフミラー中心とを結ぶ軸線の垂直方向の軸線上であって前記ハーフミラーが前記レンズに対して傾けられている方向に、該軸線に対してセンサ面が垂直となるよう配置され、
前記ハーフミラー中心と前記第1の画像センサとの間の距離と、前記ハーフミラー中心と前記第2画像センサとの間の距離が異なる距離とされ
前記照射面位置算出手段が、前記2つの画像センサの受光位置および前記光学系の幾何学条件から、3次元ベクトル解析により前記反射光のベクトルを算出し、前記光線照射面の3次元位置を算出すること
を特徴とする光学式3次元形状計測装置を提供する。
The present invention also provides:
A light source for irradiating a measurement object with a light beam, light incident vector detection means for detecting an incident vector of reflected light reflected by the light beam irradiation surface irradiated with the light beam on the measurement object, and a three-dimensional image of the light irradiation surface An irradiation surface position calculating means for calculating a position,
The light incident vector detecting means includes a lens that collects the reflected light, a half mirror that divides the reflected light in two directions, and two image sensors, a first image sensor and a second image sensor,
The lens is arranged such that one end surface side faces the measurement object,
The half mirror is disposed on the other end surface side of the lens and tilted by 45 degrees with respect to the optical axis of the lens so that the center coincides with the optical axis of the lens.
The first image sensor is arranged on an axis connecting the optical axis of the lens and the center of the half mirror so that a sensor surface is perpendicular to the axis,
The second image sensor is on an axis perpendicular to an axis connecting the optical axis of the lens and the center of the half mirror and in a direction in which the half mirror is inclined with respect to the lens. Are arranged so that the sensor surface is vertical,
The distance between the half mirror center and the first image sensor is different from the distance between the half mirror center and the second image sensor ,
The irradiation surface position calculation means calculates a vector of the reflected light by a three-dimensional vector analysis from a light receiving position of the two image sensors and a geometric condition of the optical system, and calculates a three-dimensional position of the light irradiation surface. An optical three-dimensional shape measuring apparatus is provided.

また、本発明は、
光線を測定対象物に照射する光源と、前記光線が前記測定対象物に照射された光線照射面で反射した反射光の入射ベクトルを検出する光入射ベクトル検出手段と、前記光線照射面の3次元位置を算出する照射面位置算出手段と、を備え、
前記光入射ベクトル検出手段は、前記反射光を第1反射光と第2反射光の2方向に分割するハーフミラーと、前記第1反射光を集光する第1レンズと、前記第2反射光を集光する第2レンズと、前記第1反射光を受光する第1画像センサと、前記第2反射光を受光する第2画像センサとから構成され、
前記ハーフミラーは、前記測定対象物に対して傾けられて配置され、
前記第1レンズは、前記測定対象物と前記ハーフミラーを結ぶ軸線上に、該軸線に対して一端面側が垂直となるよう配置され、前記第1画像センサは前記第1レンズの他端面側とセンサ面が平行となるよう配置され、
前記第2レンズは、前記測定対象物と前記ハーフミラー中心とを結ぶ軸線の垂直方向の軸線上であって前記ハーフミラーが前記測定対象物に対して傾けられている方向に、該軸線に対して一端面側が垂直となるよう配置され、前記第画像センサは前記第レンズの他端面側とセンサ面が平行となるよう配置され、
前記ハーフミラー中心と前記第1レンズとの間の距離と、前記ハーフミラー中心と前記第2レンズとの間の距離は同じ距離とされ、
前記第1レンズと前記第1の画像センサとの間の距離と、前記第2レンズと前記第2画像センサとの間の距離が異なる距離とされ
前記照射面位置算出手段が、前記2つの画像センサの受光位置および前記光学系の幾何学条件から、3次元ベクトル解析により前記反射光のベクトルを算出し、前記光線照射面の3次元位置を算出すること
を特徴とする光学式3次元形状計測装置を提供する。
The present invention also provides:
A light source for irradiating a measurement object with a light beam, light incident vector detection means for detecting an incident vector of reflected light reflected by the light beam irradiation surface irradiated with the light beam on the measurement object, and a three-dimensional image of the light irradiation surface An irradiation surface position calculating means for calculating a position,
The light incident vector detection means includes a half mirror that divides the reflected light into two directions of first reflected light and second reflected light, a first lens that collects the first reflected light, and the second reflected light. A second lens that collects the first reflected light, a first image sensor that receives the first reflected light, and a second image sensor that receives the second reflected light,
The half mirror is arranged to be inclined with respect to the measurement object,
The first lens is disposed on an axis connecting the measurement object and the half mirror so that one end surface side is perpendicular to the axis, and the first image sensor is connected to the other end surface side of the first lens. It is arranged so that the sensor surfaces are parallel,
The second lens is on an axis perpendicular to an axis connecting the measurement object and the center of the half mirror, and the half mirror is inclined with respect to the measurement object with respect to the axis. And the second image sensor is arranged such that the other lens surface of the second lens and the sensor surface are parallel to each other.
The distance between the half mirror center and the first lens and the distance between the half mirror center and the second lens are the same distance,
The distance between the first lens and the first image sensor is different from the distance between the second lens and the second image sensor ,
The irradiation surface position calculation means calculates a vector of the reflected light by a three-dimensional vector analysis from a light receiving position of the two image sensors and a geometric condition of the optical system, and calculates a three-dimensional position of the light irradiation surface. An optical three-dimensional shape measuring apparatus is provided.

また、本発明は、
光線を測定対象物に照射する光源と、前記光線が前記測定対象物に照射された光線照射面で反射した反射光の入射ベクトルを検出する光入射ベクトル検出手段と、前記光線照射面の3次元位置を算出する照射面位置算出手段と、を備え、
前記光入射ベクトル検出手段は、前記反射光を透過する透過センサと、前記透過センサを透過した透過光を受光する画像センサとから構成され、
前記透過センサは、センサ面が前記測定対象物に対向するように配置され、
前記画像センサは、前記透過センサと平行になるよう配置され
前記照射面位置算出手段が、前記2つの画像センサの受光位置および前記光学系の幾何学条件から、3次元ベクトル解析により前記反射光のベクトルを算出し、前記光線照射面の3次元位置を算出すること
を特徴とする光学式3次元形状計測装置を提供する。
The present invention also provides:
A light source for irradiating a measurement object with a light beam, light incident vector detection means for detecting an incident vector of reflected light reflected by the light beam irradiation surface irradiated with the light beam on the measurement object, and a three-dimensional image of the light irradiation surface An irradiation surface position calculating means for calculating a position,
The light incident vector detection means includes a transmission sensor that transmits the reflected light, and an image sensor that receives the transmitted light transmitted through the transmission sensor.
The transmission sensor is arranged so that a sensor surface faces the measurement object,
The image sensor is arranged in parallel with the transmission sensor ,
The irradiation surface position calculation means calculates a vector of the reflected light by a three-dimensional vector analysis from a light receiving position of the two image sensors and a geometric condition of the optical system, and calculates a three-dimensional position of the light irradiation surface. An optical three-dimensional shape measuring apparatus is provided.

また、本発明は、前記光源からの光線を前記測定対象物の表面上に走査させる光線走査手段を備えることを特徴とする光学式3次元形状計測装置を提供する。   Further, the present invention provides an optical three-dimensional shape measuring apparatus comprising a light beam scanning means for scanning a light beam from the light source on the surface of the measurement object.

上記目的を達成するため、本発明は、
光線を測定対象物に照射する光源と、前記光線が前記測定対象物に照射された光線照射面で反射した反射光の入射ベクトルを検出する光入射ベクトル検出手段と、前記光線照射面の3次元位置を算出する照射面位置算出手段と、を備えた光学式3次元形状計測装置を用いた光学式3次元形状計測方法であって、
前記光入射ベクトル検出手段は、前記反射光を集光するレンズと、少なくとも2つの画像センサを含む光学系から構成され、
前記2つの画像センサは、前記レンズの光軸又は該光軸から分割された方向の軸線に対してセンサ面が垂直となるように、かつ前記光線照射面から異なった距離に配置され、
前記照射面位置算出手段が、3次元ベクトル解析により、前記2つの画像センサの受光位置および前記光学系の幾何学条件から、前記2つの画像センサへの入射ベクトルを導出し、前記測定対象物上の光線の反射位置ベクトルを導出することによって、前記光線照射面の3次元位置を算出すること
を特徴とする光学式3次元形状計測方法を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
A light source for irradiating a measurement object with a light beam, light incident vector detection means for detecting an incident vector of reflected light reflected by the light beam irradiation surface irradiated with the light beam on the measurement object, and a three-dimensional image of the light irradiation surface An optical three-dimensional shape measuring method using an optical three-dimensional shape measuring device comprising an irradiation surface position calculating means for calculating a position,
The light incident vector detection means includes an optical system including a lens that collects the reflected light and at least two image sensors.
The two image sensors are arranged such that the sensor surfaces are perpendicular to the optical axis of the lens or an axis in a direction divided from the optical axis, and at different distances from the light irradiation surface,
The irradiation surface position calculating means derives an incident vector to the two image sensors from a light receiving position of the two image sensors and a geometric condition of the optical system by three-dimensional vector analysis, An optical three-dimensional shape measuring method is provided, wherein a three-dimensional position of the light irradiation surface is calculated by deriving a reflection position vector of the light beam.

また、本発明は、前記光源からの光線を前記測定対象物の表面上を走査することで測定対象物の3次元形状を計測することを特徴とする光学式3次元形状計測方法を提供する。   In addition, the present invention provides an optical three-dimensional shape measurement method characterized by measuring a three-dimensional shape of a measurement object by scanning a light beam from the light source on the surface of the measurement object.

本発明によれば、無光沢表面のみならず、鏡面などの光沢表面をもつ物体の光学式3次元形状測定を実現可能とするための光学式3次元形状計測装置及び光学式3次元形状計測方法が得られる。   According to the present invention, an optical three-dimensional shape measuring apparatus and an optical three-dimensional shape measuring method for realizing an optical three-dimensional shape measurement of an object having not only a non-glossy surface but also a glossy surface such as a mirror surface. Is obtained.

本発明の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical three-dimensional shape measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置の座標系を示す図である。It is a figure which shows the coordinate system of the optical three-dimensional shape measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置が備えるハーフミラー周辺の座標系を示す図である。It is a figure which shows the coordinate system of a half mirror periphery with which the optical three-dimensional shape measuring device which concerns on embodiment of this invention is provided. 本発明の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置が備えるレンズ周辺の座標系を示す図である。It is a figure which shows the coordinate system of the lens periphery with which the optical three-dimensional shape measuring device which concerns on embodiment of this invention is provided. 本発明の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置が備えるレンズ周辺の座標系を示す図である。It is a figure which shows the coordinate system of the lens periphery with which the optical three-dimensional shape measuring device which concerns on embodiment of this invention is provided. 本発明の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置の測定対象物における光線照射面周辺の座標系を示す図である。It is a figure which shows the coordinate system around the light irradiation surface in the measuring object of the optical three-dimensional shape measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical three-dimensional shape measuring apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置の座標系を示す図である。It is a figure which shows the coordinate system of the optical three-dimensional shape measuring apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置が備えるハーフミラー周辺の座標系を示す図である。It is a figure which shows the coordinate system of a half mirror periphery with which the optical three-dimensional shape measuring device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention is provided. 本発明の第3の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical three-dimensional shape measuring apparatus which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置の座標系を示す図である。It is a figure which shows the coordinate system of the optical three-dimensional shape measuring device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical three-dimensional shape measuring apparatus which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical three-dimensional shape measuring device which concerns on the 5th Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1の実施の形態]
図1に、本発明の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置の構成を示す。図1に示す光学式3次元形状計測装置1は、光入射ベクトル検出手段2と、照射面位置算出手段3と、光源4とから構成される。本実施の形態において、照射面位置算出手段として、演算機33を用いている。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a configuration of an optical three-dimensional shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. An optical three-dimensional shape measuring apparatus 1 shown in FIG. 1 includes a light incident vector detecting unit 2, an irradiation surface position calculating unit 3, and a light source 4. In the present embodiment, the calculator 33 is used as the irradiation surface position calculating means.

光入射ベクトル検出手段2は、レンズ23と、ハーフミラー24と、画像センサ25であるところの第1画像センサ25aと、画像センサ25であるところの第2画像センサ25bとから構成される。   The light incident vector detection means 2 includes a lens 23, a half mirror 24, a first image sensor 25a that is an image sensor 25, and a second image sensor 25b that is an image sensor 25.

レンズ23は、一端面側が測定対象物6に対向するよう配置される。ハーフミラー24は、レンズ23の他端面側、すなわち測定対象物6に対向する面の反対側の面側に配置される。このときハーフミラー24は、その中心がレンズ23の光軸と一致するように、該光軸に対して45度傾けて配置される。   The lens 23 is arranged so that one end surface side faces the measurement object 6. The half mirror 24 is arranged on the other end surface side of the lens 23, that is, on the surface side opposite to the surface facing the measurement object 6. At this time, the half mirror 24 is disposed with an inclination of 45 degrees with respect to the optical axis so that the center thereof coincides with the optical axis of the lens 23.

レンズ23の光軸とハーフミラー24を結ぶ軸線上に、該軸線に対してセンサ面が垂直となるよう第1画像センサ25aが配置される。第2画像センサ25bは、レンズ23の光軸とハーフミラー24とを結ぶ軸線の垂直方向の軸線上であって、ハーフミラー24がレンズ23に対して傾けられている方向に、該軸線に対して第2画像センサ25bのセンサ面が垂直となるよう配置される。このようにして配置された第1画像センサ25a、第2画像センサ25bは、ハーフミラー24の中心からの距離は各々異なった距離となるよう配置される。   A first image sensor 25 a is disposed on an axis connecting the optical axis of the lens 23 and the half mirror 24 so that the sensor surface is perpendicular to the axis. The second image sensor 25b is on the axis perpendicular to the axis connecting the optical axis of the lens 23 and the half mirror 24, and the half mirror 24 is inclined with respect to the lens 23 with respect to the axis. The second image sensor 25b is arranged so that the sensor surface is vertical. The first image sensor 25a and the second image sensor 25b thus arranged are arranged such that the distances from the center of the half mirror 24 are different from each other.

本実施の形態において、第1画像センサ25a並びに第2画像センサ25bには、例えばCCDカメラ、あるいはPSDカメラなどが好適に使用される。   In the present embodiment, for example, a CCD camera or a PSD camera is preferably used for the first image sensor 25a and the second image sensor 25b.

第1画像センサ25a並びに第2画像センサ25bは、それぞれ照射面位置算出手段3である演算機33に接続される。演算機33は、第1画像センサ25a及び第2画像センサ25bの受光位置情報から、後述の方法により反射光7の軌跡を3次元ベクトル解析により逆追跡する。   The first image sensor 25 a and the second image sensor 25 b are each connected to a calculator 33 that is the irradiation surface position calculation means 3. The computing unit 33 reversely traces the locus of the reflected light 7 by a three-dimensional vector analysis from the light receiving position information of the first image sensor 25a and the second image sensor 25b by a method described later.

光源4から測定対象物6に向けて照射された光線5は、測定対象物6表面の光線照射面55で反射され、反射光7が光入射ベクトル検出手段2を構成するレンズ23に入射する。   The light beam 5 irradiated from the light source 4 toward the measurement object 6 is reflected by the light irradiation surface 55 on the surface of the measurement object 6, and the reflected light 7 enters the lens 23 constituting the light incident vector detection means 2.

レンズ23に入射した反射光7は、レンズ23を通過後ハーフミラー24に入射する。ハーフミラー24に入射した反射光7は、ハーフミラー24で2方向に分割され、一方が第1画像センサ25aで受光され、他方が第2画像センサ25bで受光される。   The reflected light 7 incident on the lens 23 enters the half mirror 24 after passing through the lens 23. The reflected light 7 incident on the half mirror 24 is divided in two directions by the half mirror 24, one is received by the first image sensor 25a, and the other is received by the second image sensor 25b.

(反射光7の軌跡の3次元ベクトル解析)
(1)本実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置1の座標系
本実施の形態においては、第1画像センサ25a及び第2画像センサ25bの2つの画像センサの受光位置から、反射光7の入射ベクトル、すなわち、図2に示す入射ベクトルuが求められることに特徴がある。
(3D vector analysis of the locus of reflected light 7)
(1) Coordinate system of optical three-dimensional shape measuring apparatus 1 according to the present embodiment In the present embodiment, the reflected light is reflected from the light receiving positions of the two image sensors, the first image sensor 25a and the second image sensor 25b. 7, that is, the incident vector u 1 shown in FIG. 2 is obtained.

本実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置1の座標系を図2に示す。図2に示す座標系において、座標原点はレンズ23の中心である。測定対象物6上のP点は、光線5が測定対象物6上に照射される光線照射面55であり、P点が本解析で求める値である。Pは光源4の位置ベクトル、Lは光源4の投光ベクトルである。 FIG. 2 shows a coordinate system of the optical three-dimensional shape measuring apparatus 1 according to the present embodiment. In the coordinate system shown in FIG. 2, the coordinate origin is the center of the lens 23. The P 1 point on the measurement object 6 is a light irradiation surface 55 on which the light beam 5 is irradiated on the measurement object 6, and the P 1 point is a value obtained by this analysis. P 0 is a position vector of the light source 4, and L is a light projection vector of the light source 4.

これらの値と、第1画像センサ25aと第2画像センサ25bにおける反射光7の受光位置ベクトルの測定値であるPとPの値を基に、Pを求める。 Based these values and the values of P 4 and P 5 is a measure of the light receiving position vector of the reflected light 7 in the first image sensor 25a and the second image sensor 25b, obtains the P 1.

レンズ23、ハーフミラー24、第1画像センサ25a、第2画像センサ25bの位置関係は以下の通りである。
ハーフミラー24中心の位置ベクトル…h
ハーフミラー24と第1画像センサ25a間の距離…d
ハーフミラー24と第2画像センサ25b間の距離…d
レンズ23とハーフミラー24間の距離…d
The positional relationship among the lens 23, the half mirror 24, the first image sensor 25a, and the second image sensor 25b is as follows.
Position vector of half mirror 24 center ... h
Distance between the half mirror 24 and the first image sensor 25a... D 1
Distance between the half mirror 24 and the second image sensor 25b... D 2
Distance between lens 23 and half mirror 24 ... d 3

また、レンズ23の口径はrd、レンズ厚みはdである。さらに、u、u、uは計算の途中で生ずる未知量であり、それぞれ測定対象物6の表面からの反射ベクトル、レンズ23内部での反射光7の光線ベクトル、反射光7の光線の画像センサ25a、25bへの入射ベクトルを表している。 The aperture of the lens 23 is rd, and the lens thickness is d. Further, u 1 , u 2 , and u 3 are unknown quantities generated in the middle of the calculation, and are respectively a reflection vector from the surface of the measurement object 6, a light beam vector of the reflected light 7 inside the lens 23, and a light beam of the reflected light 7. The incident vectors to the image sensors 25a and 25b are shown.

(2)画像センサ25a、25bへの入射ベクトルuの導出
本実施の形態に係る光学式3次元形状測定装置1が備えるハーフミラー24周辺の座標系を図3に示す。本実施の形態においては、図3に示すように、ハーフミラー24、第1画像センサ25a、第2画像センサ25bの位置関係と、ハーフミラー24がレンズ23の光軸に対して45度傾けていることから、uはPとPと鏡像の位置関係にあるP´から以下のように求めることができる。
(2) Derivation of the incidence vector u 3 to the image sensors 25a and 25b FIG. 3 shows a coordinate system around the half mirror 24 provided in the optical three-dimensional shape measuring apparatus 1 according to the present embodiment. In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the positional relationship between the half mirror 24, the first image sensor 25a, and the second image sensor 25b, and the half mirror 24 is inclined 45 degrees with respect to the optical axis of the lens 23. Therefore, u 3 can be obtained as follows from P 5 ′ in the positional relationship between P 4 and P 5 and a mirror image.

今、既知量であるh、P、Pの各成分を
h=(h、h、h) (1)
=(P4x、P4y、P4z) (2)
=(P5x、P5y、P5z) (3)
とおくと、ベクトルuのx成分とz成分はそれぞれ
3x=P5x´−P4x=d−d (4)
3z=P5z´−P4z=P5z−P4z (5)
ここで、z座標系はハーフミラー24がxy平面に垂直に設置されているので、鏡像の関係にあったとしても、その位置は不変であることを利用している。
Now, each component of h, P 4 , and P 5 that is a known amount is represented by h = (h x , h y , h z ) (1)
P 4 = (P 4x , P 4y , P 4z ) (2)
P 5 = (P 5x , P 5y , P 5z ) (3)
Then, the x component and the z component of the vector u 3 are u 3x = P 5x '-P 4x = d 1 -d 2 (4)
u3z = P5z' - P4z = P5z- P4z (5)
Here, since the half mirror 24 is installed perpendicular to the xy plane, the z coordinate system utilizes the fact that the position is invariable even if it is in a mirror image relationship.

一方、uのy成分は以下のようにして求める。
a=p5x−h (6)
b=a (7)
c=P4x−h (8)
3y=b−c=P5x−h−(P4x−h) (9)
On the other hand, the y component of u 3 is obtained as follows.
a = p 5x -h x (6)
b = a (7)
c = P 4x -h y (8 )
u 3y = b-c = P 5x -h x - (P 4x -h y) (9)

これより、ベクトルuは(10)式のように求められる。 Thus, the vector u 3 is obtained as shown in equation (10).

Figure 0005487920
Figure 0005487920

(3)レンズ23の交点ベクトルPの導出
一般的に、レンズの焦点距離f、レンズの材質の屈折率n、空気の屈折率n、レンズ口径(半径)r、レンズの厚さdとしたとき、レンズの曲率中心Cとレンズの曲率半径Rは以下のように求められる。
(3) Derivation of intersection vector P 3 of lens 23 Generally, the focal length f of the lens, the refractive index n d of the lens material, the refractive index n of air, the lens aperture (radius) r d , and the lens thickness d , The center of curvature C of the lens and the radius of curvature R of the lens are obtained as follows.

Figure 0005487920

Figure 0005487920
Figure 0005487920

Figure 0005487920

このとき、図4に示す、レンズ23周りの座標系を参照して、Pはレンズ23の球面上にあり、かつPを始点するu上にあるので、以下の式を満足する。ここでP、u、Cはベクトルを表している。
(P−C)(P−C)=R (13)
=P+t・u (14)
At this time, referring to the coordinate system around the lens 23 shown in FIG. 4, since P 3 is on the spherical surface of the lens 23 and u 3 starting from P 4 , the following expression is satisfied. Here, P 4 , u 3 , and C 2 represent vectors.
(P 3 -C 2 ) (P 3 -C 2 ) = R 2 (13)
P 3 = P 4 + t · u 3 (14)

(13)式、(14)式よりtを計算すれば、Pは次式で求まる。 (13), by calculating the t from equation (14), P 3 is determined by the following equation.

Figure 0005487920
Figure 0005487920

(4)レンズ23内の光線ベクトルuの導出
図4を参照し、屈折の式より、uは以下のように求まる。
(4) Derivation of ray vector u 2 in lens 23 Referring to FIG. 4, u 2 is obtained from the refraction formula as follows.

Figure 0005487920
Figure 0005487920

ここで、n、nはそれぞれガラスの屈折率と空気の屈折率を表している。Cはレンズ23の曲率中心を表し、eは点Pにおける法線ベクトルであり、以下の式で求めることができる。 Here, n d and n represent the refractive index of glass and the refractive index of air, respectively. C 2 represents the center of curvature of the lens 23, e 2 is the normal vector at the point P 3, can be obtained by the following equation.

Figure 0005487920
Figure 0005487920

(5)レンズ23内の光線ベクトルuの導出
レンズ23の交点ベクトルPは、図5に示す座標系を参照し、(3)と同様に以下の式が成り立つ。
(P−C)(P−C)=R (18)
=P+s・u (19)
(18)式、(19)式よりsを計算して、Pを次式で求める。ここでC、uはベクトルである。
(5) Derivation of the ray vector u 2 in the lens 23 The intersection vector P 2 of the lens 23 refers to the coordinate system shown in FIG.
(P 2 -C 1 ) (P 2 -C 1 ) = R 2 (18)
P 2 = P 3 + s · u 2 (19)
S is calculated from the equations (18) and (19), and P 2 is obtained by the following equation. Here, C 1 and u 2 are vectors.

Figure 0005487920
Figure 0005487920

(6)測定対象物6からの反射光7の光線ベクトルuの導出
測定対象物6からの反射光7の光線ベクトルuは、(4)の場合と同様に、屈折の式を用いて以下の式で求める。
(6) light vector u 1 of the reflected light 7 from the derived measurement object 6 light vectors u 1 of the reflected light 7 from the measurement object 6, using the similar to the case, the expression of refraction (4) Obtained by the following formula.

Figure 0005487920

ここで、eは点P2における法線ベクトルであり、以下の式で求めることができる。
Figure 0005487920

Here, e 1 is the normal vector at the point P2, it can be obtained by the following equation.

Figure 0005487920
Figure 0005487920

(7)測定対象物6上の光線の反射位置ベクトルPの導出
図6に示す、測定対象物6における光線照射面55(=ベクトルP点)周辺の座標系により、Pについて以下の連立方程式が成り立つ。
=P+s・L (23)
=P+t・u (24)
(7) shows the derivation Figure 6 of the reflection position vector P 1 of the light beam on the measurement object 6, the measuring light irradiation surface 55 in the object 6 (= vector P 1 point) near the coordinate system, the below P 1 Simultaneous equations hold.
P 1 = P 0 + s · L (23)
P 1 = P 2 + t · u 1 (24)

、L、Pの各成分を以下のようにおいて、sとtを求めれば、Pを求めることができる。
=(P0x、P0y、P0z) (25)
L=(L、L、L) (26)
=(P2x、P2y、P2z) (27)
P 1 can be obtained by calculating s and t for each component of P 0 , L, and P 2 as follows.
P 0 = (P 0x , P 0y , P 0z ) (25)
L = (L x , L y , L z ) (26)
P 2 = (P 2x , P 2y , P 2z ) (27)

Figure 0005487920
Figure 0005487920

(本実施の形態の効果)
このように、本実施の形態においては、第1画像センサ25a及び第2画像センサ25bの2つの画像センサの受光位置から、反射光7の入射ベクトル、すなわち入射ベクトルuが求められる。そして、uを基に、測定対象物6上の光線の反射位置ベクトルPが導出される。
(Effect of this embodiment)
Thus, in the present embodiment, the light receiving position of the two image sensors of the first image sensor 25a and the second image sensor 25b, the incident vector of the reflected light 7, that is, the incident vector u 1 is determined. Then, based on u 1, reflecting the position vector P 1 of the light beam on the measurement object 6 is derived.

これにより、三角測量原理を用いた光学式3次元形状計測の適用できる形状の制約が除かれ、測定対象物の表面反射特性(乱反射面(無光沢面)か、鏡面などの光沢表面か、等)の制約が除かれ、また光学式3次元形状の算出の際生ずる理論的誤差が除かれ、鏡面などの光沢表面をもつ物体の光学式3次元形状測定が実現可能となるものである。   This removes the restrictions on the shape that can be applied to optical three-dimensional shape measurement using the triangulation principle, whether the surface reflection characteristics of the measurement object (irregular reflection surface (matte surface), glossy surface such as a mirror surface, etc.) ) And the theoretical error that occurs when calculating the optical three-dimensional shape is eliminated, and the optical three-dimensional shape measurement of an object having a glossy surface such as a mirror surface can be realized.

[第2の実施の形態]
図7に、本発明の第2の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置の構成を示す。図7に示す光学式3次元形状計測装置11は、光入射ベクトル検出手段12の構成以外は図1に示す光学式3次元形状計測装置1と共通しているので、共通する構成部材については説明を省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 7 shows the configuration of an optical three-dimensional shape measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. Since the optical three-dimensional shape measuring apparatus 11 shown in FIG. 7 is common to the optical three-dimensional shape measuring apparatus 1 shown in FIG. 1 except for the configuration of the light incident vector detecting means 12, the common components will be described. Is omitted.

図7に示す光入射ベクトル検出手段12は、ハーフミラー24と、レンズ23であるところの第1レンズ23aと、レンズ23であるところの第2レンズ23bと、画像センサ25であるところの第1画像センサ25aと、画像センサ25であるところの第2画像センサ25bとから構成される。   The light incident vector detecting means 12 shown in FIG. 7 includes a half mirror 24, a first lens 23a that is a lens 23, a second lens 23b that is a lens 23, and a first lens that is an image sensor 25. The image sensor 25 a and the second image sensor 25 b which is the image sensor 25 are configured.

ハーフミラー24は、第1レンズ23aの光軸に対して、45度傾けて配置される。   The half mirror 24 is disposed with an inclination of 45 degrees with respect to the optical axis of the first lens 23a.

第1レンズ23aは、測定対象物6とハーフミラー24の中心とを結ぶ軸線上に、該軸線に対して一端面側が垂直となるよう配置される。第2レンズ23bは、測定対象物6とハーフミラー24の中心とを結ぶ軸線の垂直方向の軸線上であって、ハーフミラー24が第1レンズ23aの光軸に対して傾けられている方向に、該軸線に対して一端面側が垂直となるよう配置される。   The first lens 23 a is disposed on an axis connecting the measurement object 6 and the center of the half mirror 24 so that one end surface side is perpendicular to the axis. The second lens 23b is on the axis perpendicular to the axis connecting the measurement object 6 and the center of the half mirror 24, and the half mirror 24 is inclined with respect to the optical axis of the first lens 23a. The one end surface side is arranged perpendicular to the axis.

このようにして配置された第1レンズ23a、第2レンズ23bは、ハーフミラー24の中心からの距離が同じとなるよう配置される。   The first lens 23 a and the second lens 23 b arranged in this way are arranged so that the distance from the center of the half mirror 24 is the same.

第1画像センサ25aは、第1レンズ23aの他端面側に、センサ面が第1レンズ23aと平行になるよう配置される。第2画像センサ25bは、第2レンズ23bの他端面側に、センサ面が第2レンズ23bと平行になるよう配置される。   The first image sensor 25a is disposed on the other end surface side of the first lens 23a so that the sensor surface is parallel to the first lens 23a. The second image sensor 25b is arranged on the other end surface side of the second lens 23b so that the sensor surface is parallel to the second lens 23b.

このようにして配置された第1画像センサ25a、第2画像センサ25bは、第1画像センサ25aと第1レンズ23aとの距離と、第2画像センサ25bと第2レンズ23bとの距離が、それぞれ異なった距離となるよう配置される。   The first image sensor 25a and the second image sensor 25b arranged in this way have a distance between the first image sensor 25a and the first lens 23a and a distance between the second image sensor 25b and the second lens 23b. They are arranged at different distances.

光源4から測定対象物6に向けて照射された光線5は、測定対象物6表面の光線照射面55で反射され、反射光7が光入射ベクトル検出手段12を構成するハーフミラー24に入射する。   The light beam 5 irradiated from the light source 4 toward the measurement object 6 is reflected by the light irradiation surface 55 on the surface of the measurement object 6, and the reflected light 7 enters the half mirror 24 constituting the light incident vector detection means 12. .

ハーフミラー24に入射した反射光7は、ハーフミラー24で2方向に分割され、一方が第1レンズ23aを透過して第1画像センサ25aで受光され、他方が第2レンズ23bを透過して第2画像センサ25bで受光される。   The reflected light 7 incident on the half mirror 24 is divided in two directions by the half mirror 24, one of which is transmitted through the first lens 23a and received by the first image sensor 25a, and the other is transmitted through the second lens 23b. Light is received by the second image sensor 25b.

(反射光7の軌跡の3次元ベクトル解析)
(1)本実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置11の座標系
本実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置11の座標系を図8に示す。図8に示す座標系において、座標原点は第1レンズ23aの中心である。パラメータは第1の実施の形態と基本的に同じであるので、異なる点のみ説明する。
(3D vector analysis of the locus of reflected light 7)
(1) Coordinate system of optical three-dimensional shape measuring apparatus 11 according to the present embodiment FIG. 8 shows a coordinate system of optical three-dimensional shape measuring apparatus 11 according to the present embodiment. In the coordinate system shown in FIG. 8, the coordinate origin is the center of the first lens 23a. Since the parameters are basically the same as those in the first embodiment, only different points will be described.

ハーフミラー24、第1レンズ23a、第2レンズ23b、第1画像センサ25a、第2画像センサ25bの位置関係は以下の通りである。ハーフミラー24の中心の位置ベクトルをh、第1レンズ23aと第1画像センサ25a間の距離をd、第2レンズ23bと第2画像センサ25bとの距離をd、ハーフミラー24とレンズ23a、23bとの距離をそれぞれdとする。また、レンズ23a、23bの2つのレンズの口径(半径)とレンズ厚みはそれぞれr、dである。 The positional relationship among the half mirror 24, the first lens 23a, the second lens 23b, the first image sensor 25a, and the second image sensor 25b is as follows. The position vector of the center of the half mirror 24 h, the distance between the first lens 23a and the first image sensor 25a d 1, the distance between the second lens 23b and the second image sensor 25b d 2, a half mirror 24 and the lens 23a, the distance between 23b respectively and d 3. The apertures (radius) and lens thicknesses of the two lenses 23a and 23b are r d and d, respectively.

(2)画像センサ25a、25bへの入射ベクトルuの導出
本実施の形態に係る光学式3次元形状測定装置11が備えるハーフミラー24周辺の座標系を図9に示す。本実施の形態においては、図9に示すハーフミラー24、第1レンズ23a、第2レンズ23b、第1画像センサ25a、第2画像センサ25bの位置関係から、uは第1の実施の形態と全く同様に求めることができる。
(2) Derivation of the incidence vector u 3 to the image sensors 25a and 25b FIG. 9 shows a coordinate system around the half mirror 24 provided in the optical three-dimensional shape measuring apparatus 11 according to the present embodiment. In the present embodiment, u 3 is the first embodiment because of the positional relationship among the half mirror 24, the first lens 23a, the second lens 23b, the first image sensor 25a, and the second image sensor 25b shown in FIG. Can be obtained in exactly the same way.

すなわち、ベクトルuのx成分とz成分はそれぞれ、
3x=P5x´−P4x=d−d (29)
3z=P5z´−P4z=P5z−P4z (30)
That is, the x component and the z component of the vector u 3 are respectively
u 3x = P 5x '-P 4x = d 1 -d 2 (29)
u3z = P5z' - P4z = P5z- P4z (30)

一方、uのy成分も第1の実施の形態と同様に以下のようにして求める。
a=p5x−h (31)
b=a (32)
c=P4x−h (33)
3y=b−c=P5x−h−(P4x−h) (34)
となるので、ベクトルuは第1の実施の形態と同様に(35)式で求める。
On the other hand, the y component of u 3 is also determined as follows, as in the first embodiment.
a = p 5x -h x (31)
b = a (32)
c = P 4x -h y (33 )
u 3y = b-c = P 5x -h x - (P 4x -h y) (34)
Therefore, the vector u 3 is obtained by the equation (35) as in the first embodiment.

Figure 0005487920
Figure 0005487920

(3)測定対象物6上の光線の反射位置ベクトルPの導出
第2の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置11の場合も、測定対象物6上の光線の反射位置ベクトルPは、第1レンズ23aを通った、ベクトルuと光源4からの方向ベクトルLとの交点になるので、反射位置ベクトルPは第1の実施の形態と全く同じ式になる。
(3) Derivation of the reflection position vector P 1 of the light beam on the measurement object 6 Also in the case of the optical three-dimensional shape measuring apparatus 11 according to the second embodiment, the reflection position vector P of the light beam on the measurement object 6. Since 1 is an intersection of the vector u 1 passing through the first lens 23a and the direction vector L from the light source 4, the reflection position vector P 1 is exactly the same as that in the first embodiment.

Figure 0005487920
Figure 0005487920

このように、本実施の形態においても、第1画像センサ25a及び第2画像センサ25bの2つの画像センサの受光位置から、反射光7の入射ベクトル、すなわち入射ベクトルuが求められる。そして、uを基に、測定対象物6上の光線の反射位置ベクトルPが導出される。 Thus, also in this embodiment, the light receiving position of the two image sensors of the first image sensor 25a and the second image sensor 25b, the incident vector of the reflected light 7, that is, the incident vector u 1 is determined. Then, based on u 1, reflecting the position vector P 1 of the light beam on the measurement object 6 is derived.

これにより、三角測量原理を用いた光学式3次元形状計測の適用できる形状の制約が除かれ、測定対象物の表面反射特性(乱反射面か、鏡面などの光沢表面か、等)の制約が除かれ、また光学式3次元形状の算出の際生ずる理論的誤差が除かれ、鏡面などの光沢表面をもつ物体の光学式3次元形状測定が実現可能となる。   This removes the restrictions on the shape that can be applied to optical three-dimensional shape measurement using the triangulation principle, and the restrictions on the surface reflection characteristics of the measurement object (whether it is a diffuse reflection surface or a glossy surface such as a mirror surface). In addition, the theoretical error that occurs when calculating the optical three-dimensional shape is eliminated, and the optical three-dimensional shape measurement of an object having a glossy surface such as a mirror surface can be realized.

[第3の実施の形態]
図10に、本発明の第3の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置の構成を示す。図10に示す光学式3次元形状計測装置21は、光入射ベクトル検出手段22の構成以外は図1に示す光学式3次元形状計測装置1と共通しているので、共通する構成部材については説明を省略する。
[Third Embodiment]
FIG. 10 shows the configuration of an optical three-dimensional shape measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention. Since the optical three-dimensional shape measuring apparatus 21 shown in FIG. 10 is common to the optical three-dimensional shape measuring apparatus 1 shown in FIG. 1 except for the configuration of the light incident vector detecting means 22, the common constituent members will be described. Is omitted.

図10に示す光入射ベクトル検出手段22は、レンズ23と、透過センサ26と、画像センサ25とから構成される。   The light incident vector detection means 22 shown in FIG. 10 includes a lens 23, a transmission sensor 26, and an image sensor 25.

本実施の形態における透過センサ26としては、例えば、非特許文献1に記載の透明イメージセンサ(Transparent Image Sensor)のように、光を透過しつつ受光位置を検出できるセンサを使用することができる。   As the transmission sensor 26 in the present embodiment, for example, a sensor that can detect a light receiving position while transmitting light, such as a transparent image sensor described in Non-Patent Document 1, can be used.

レンズ23は、一端面側が測定対象物6に対向するよう配置される。   The lens 23 is arranged so that one end surface side faces the measurement object 6.

測定対象物6とレンズ23の光軸を結ぶ軸線上のレンズ23の他端面側に、該軸線に対してセンサ面が垂直となるよう透過センサ26が配置される。画像センサ25は軸線上に、該軸線に対して画像センサ25のセンサ面が垂直となるよう、透過センサと平行に配置される。   A transmission sensor 26 is disposed on the other end surface side of the lens 23 on the axis line connecting the measurement target 6 and the optical axis of the lens 23 so that the sensor surface is perpendicular to the axis line. The image sensor 25 is arranged on the axis parallel to the transmission sensor so that the sensor surface of the image sensor 25 is perpendicular to the axis.

光源4から測定対象物6に向けて照射された光線5は、測定対象物6表面の光線照射面55で反射され、反射光7が光入射ベクトル検出手段2を構成するレンズ23に入射する。   The light beam 5 irradiated from the light source 4 toward the measurement object 6 is reflected by the light irradiation surface 55 on the surface of the measurement object 6, and the reflected light 7 enters the lens 23 constituting the light incident vector detection means 2.

レンズ23に入射した反射光7は、レンズ23を通過後透過センサ26に入射する。透過センサ26に入射した反射光7は、透過センサ26で受光されつつ透過センサ26を通過し、画像センサ25で受光される。このとき、例えば透過センサ26に非特許文献1に記載の透明イメージセンサを用いると、透過センサ26に入射した反射光7が透過センサ26で偏光され、透過センサ26である透明イメージセンサを構成するフォトダイオードによって微量の光電流が検出される。このフォトダイオードによって検出される光電流によって、透過センサ26が反射光7を受光した位置を検出することができる。   The reflected light 7 that has entered the lens 23 enters the transmission sensor 26 after passing through the lens 23. The reflected light 7 incident on the transmission sensor 26 passes through the transmission sensor 26 while being received by the transmission sensor 26 and is received by the image sensor 25. At this time, for example, when the transparent image sensor described in Non-Patent Document 1 is used as the transmission sensor 26, the reflected light 7 incident on the transmission sensor 26 is polarized by the transmission sensor 26, thereby forming a transparent image sensor that is the transmission sensor 26. A very small amount of photocurrent is detected by the photodiode. The position at which the transmission sensor 26 receives the reflected light 7 can be detected by the photocurrent detected by the photodiode.

(反射光7の軌跡の3次元ベクトル解析)
(1)本実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置21の座標系
本実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置21の座標系を図11に示す。図11に示す座標系において、座標原点は第1レンズ23の中心である。パラメータは第1の実施の形態と基本的に同じであるので、異なる点のみ説明する。
(3D vector analysis of the locus of reflected light 7)
(1) Coordinate system of optical three-dimensional shape measuring apparatus 21 according to the present embodiment FIG. 11 shows a coordinate system of optical three-dimensional shape measuring apparatus 21 according to the present embodiment. In the coordinate system shown in FIG. 11, the coordinate origin is the center of the first lens 23. Since the parameters are basically the same as those in the first embodiment, only different points will be described.

レンズ23、透過センサ26、画像センサ25の位置関係は以下の通りである。レンズ23と透過センサ26間の距離をd、レンズ23と画像センサ25との距離をdとする。また、レンズ23のレンズの口径とレンズ厚みはそれぞれr、dである。 The positional relationship among the lens 23, the transmission sensor 26, and the image sensor 25 is as follows. The distance between the lens 23 and the transmission sensor 26 is d 1 , and the distance between the lens 23 and the image sensor 25 is d 2 . The lens diameter and lens thickness of the lens 23 are r d and d, respectively.

(2)透過センサ26、画像センサ26への入射ベクトルuの導出
本実施の形態においては、図11に示すレンズ23、透過センサ26、画像センサ25の位置関係から、uは第1の実施の形態と全く同様に求めることができる。
(2) Derivation of the incidence vector u 3 to the transmission sensor 26 and the image sensor 26 In the present embodiment, u 3 is the first value based on the positional relationship of the lens 23, the transmission sensor 26, and the image sensor 25 shown in FIG. It can be obtained in the same manner as in the embodiment.

すなわち、ベクトルuのx成分とz成分はそれぞれ、
3x=P5x−P4x=d−d (37)
3z=P5z−P4z=P5z−P4z (38)
That is, the x component and the z component of the vector u 3 are respectively
u 3x = P 5x -P 4x = d 1 -d 2 (37)
u 3z = P 5z -P 4z = P 5z -P 4z (38)

一方、uのy成分も第1の実施の形態と同様に以下のようにして求める。
a=p5x (39)
b=a (40)
c=P4x (41)
3y=b−c=P5x−P4x (42)
となるので、ベクトルuは第1の実施の形態と同様に(43)式で求める。
On the other hand, the y component of u 3 is also determined as follows, as in the first embodiment.
a = p 5x (39)
b = a (40)
c = P 4x (41)
u 3y = b-c = P 5x -P 4x (42)
Therefore, the vector u 3 is obtained by the equation (43) as in the first embodiment.

Figure 0005487920
Figure 0005487920

(3)測定対象物6上の光線の反射位置ベクトルPの導出
第3の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置21の場合も、測定対象物6上の光線の反射位置ベクトルPは、レンズ23を通った、ベクトルuと光源4からの方向ベクトルLとの交点になるので、反射位置ベクトルPは第1の実施の形態と全く同じ式になる。
(3) Derivation of the reflection position vector P 1 of the light beam on the measurement object 6 Also in the case of the optical three-dimensional shape measuring apparatus 21 according to the third embodiment, the reflection position vector P of the light beam on the measurement object 6. Since 1 is an intersection of the vector u 1 passing through the lens 23 and the direction vector L from the light source 4, the reflection position vector P 1 is exactly the same as that in the first embodiment.

Figure 0005487920
Figure 0005487920

このように、本実施の形態においても、透過センサ26及び画像センサ25の2つの画像センサの受光位置から、反射光7の入射ベクトル、すなわち入射ベクトルuが求められる。そして、uを基に、測定対象物6上の光線の反射位置ベクトルPが導出される。 As described above, also in the present embodiment, the incident vector of the reflected light 7, that is, the incident vector u 1 is obtained from the light receiving positions of the two image sensors of the transmission sensor 26 and the image sensor 25. Then, based on u 1, reflecting the position vector P 1 of the light beam on the measurement object 6 is derived.

これにより、三角測量原理を用いた光学式3次元形状計測の適用できる形状の制約が除かれ、測定対象物の表面反射特性(乱反射面(無光沢面)か、鏡面などの光沢表面か、等)の制約が除かれ、また光学式3次元形状の算出の際生ずる理論的誤差が除かれ、鏡面などの光沢表面をもつ物体の光学式3次元形状測定が実現可能となる。   This removes the restrictions on the shape that can be applied to optical three-dimensional shape measurement using the triangulation principle, whether the surface reflection characteristics of the measurement object (irregular reflection surface (matte surface), glossy surface such as a mirror surface, etc.) ) And the theoretical error that occurs when calculating the optical three-dimensional shape is removed, and the optical three-dimensional shape measurement of an object having a glossy surface such as a mirror surface can be realized.

[第4の実施の形態]
本発明の第4の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置を図12に示す。図12に示す光学式3次元形状計測装置31は、図1に示す本発明の第1の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置1の構成に光線走査手段を付加したものである。従って、図1に示す光学式3次元形状計測装置1と共通する部材については説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
An optical three-dimensional shape measuring apparatus according to the fourth embodiment of the present invention is shown in FIG. An optical three-dimensional shape measuring apparatus 31 shown in FIG. 12 is obtained by adding a light beam scanning means to the configuration of the optical three-dimensional shape measuring apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. Therefore, description of members common to the optical three-dimensional shape measuring apparatus 1 shown in FIG. 1 is omitted.

図12に示す光学式3次元形状計測装置31は、図1に示す本発明の第1の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置1の構成に、PC81と、コントローラ82と、6軸制御ロボット83と、回転ステージ84が付加されて構成される。なお、本実施の形態においては、光学式3次元形状計測装置1の構成において用いられていた演算機33に代え、キャプチャーボード34が用いられている。   An optical three-dimensional shape measuring apparatus 31 shown in FIG. 12 has a configuration of the optical three-dimensional shape measuring apparatus 1 according to the first embodiment of the invention shown in FIG. A control robot 83 and a rotary stage 84 are added. In the present embodiment, a capture board 34 is used in place of the calculator 33 used in the configuration of the optical three-dimensional shape measuring apparatus 1.

光源4は、6軸制御ロボット83のアーム部分に取り付けられる。6軸制御ロボット83はコントローラ82を介してPC81に接続され、PC81によって制御される。   The light source 4 is attached to the arm portion of the 6-axis control robot 83. The 6-axis control robot 83 is connected to the PC 81 via the controller 82 and is controlled by the PC 81.

レンズ23、ハーフミラー24、第1画像センサ25a、第2画像センサ25bから構成される光入射ベクトル検出手段2は、回転ステージ84の上に配置される。回転ステージ84はコントローラ82を介してPC81に接続され、PC81によって制御される。   The light incident vector detection means 2 including the lens 23, the half mirror 24, the first image sensor 25a, and the second image sensor 25b is disposed on the rotary stage 84. The rotary stage 84 is connected to the PC 81 via the controller 82 and is controlled by the PC 81.

第1画像センサ25a及び第2画像センサ25bはキャプチャーボード34に接続され、キャプチャーボード34はPC81に接続される。当該構成により、第1画像センサ25a及び第2画像センサ25bで検出された受光情報は、キャプチャーボード34を介してPC81に送信され、PC81で3次元ベクトル解析が行われる。すなわち、本実施の形態において、キャプチャーボード34と、PC81とが照射面位置算出手段3を構成する。   The first image sensor 25 a and the second image sensor 25 b are connected to the capture board 34, and the capture board 34 is connected to the PC 81. With this configuration, the light reception information detected by the first image sensor 25a and the second image sensor 25b is transmitted to the PC 81 via the capture board 34, and three-dimensional vector analysis is performed by the PC 81. That is, in the present embodiment, the capture board 34 and the PC 81 constitute the irradiation surface position calculation means 3.

PC81の制御により、コントローラ82によって、6軸制御ロボット83は、アーム部分に取り付けられた光源4から照射される光線5が測定対象物6の表面上を走査するよう操作される。同時に、回転ステージ84は、測定対象物6よりの反射光7がレンズ23に入射するよう、PC81の制御によりコントローラ82によって回転動作がされる。すなわち、本実施の形態において、PC81と、コントローラ82と、6軸制御ロボット83と、回転ステージ84とから、光線走査手段8が構成される。   Under the control of the PC 81, the six-axis control robot 83 is operated by the controller 82 so that the light beam 5 emitted from the light source 4 attached to the arm portion scans the surface of the measurement object 6. At the same time, the rotary stage 84 is rotated by the controller 82 under the control of the PC 81 so that the reflected light 7 from the measurement object 6 enters the lens 23. That is, in the present embodiment, the beam scanning means 8 is configured by the PC 81, the controller 82, the six-axis control robot 83, and the rotary stage 84.

本実施の形態においては上述の構成により、光源4からの光線5が測定対象物6の表面上で走査され、測定対象物6の3次元形状の計測が可能となる。   In the present embodiment, with the above-described configuration, the light beam 5 from the light source 4 is scanned on the surface of the measurement object 6, and the three-dimensional shape of the measurement object 6 can be measured.

[第4の実施の形態の変形例]
本発明の第4の実施の形態の変形例に係る光学式3次元形状計測装置を図13に示す。図13に示す光学式3次元形状計測装置41は、図7に示す本発明の第2の実施の形態に係る光学式3次元形状計測装置11の構成に光線走査手段8を付加したものである。
[Modification of Fourth Embodiment]
FIG. 13 shows an optical three-dimensional shape measuring apparatus according to a modification of the fourth embodiment of the present invention. An optical three-dimensional shape measuring apparatus 41 shown in FIG. 13 is obtained by adding a light beam scanning means 8 to the configuration of the optical three-dimensional shape measuring apparatus 11 according to the second embodiment of the present invention shown in FIG. .

光学式3次元形状計測装置41は、光入射ベクトル検出手段12が備えられている以外の構成は、図12に示す光学式3次元形状計測装置31と同様である。   The optical three-dimensional shape measuring apparatus 41 is the same as the optical three-dimensional shape measuring apparatus 31 shown in FIG. 12 except that the light incident vector detecting means 12 is provided.

本実施の形態においても、PC81の制御により、コントローラ82によって、6軸制御ロボット83は、アーム部分に取り付けられた光源4から照射される光線5が測定対象物6の表面上を走査するよう操作される。同時に、回転ステージ84は、測定対象物6よりの反射光7がレンズ23に入射するよう、PC81の制御によりコントローラ82によって回転動作がされる。すなわち、本実施の形態において、PC81と、コントローラ82と、6軸制御ロボット83と、回転ステージ84とから、光線走査手段8が構成される。   Also in the present embodiment, under the control of the PC 81, the 6-axis control robot 83 is operated by the controller 82 so that the light beam 5 emitted from the light source 4 attached to the arm portion scans the surface of the measurement object 6. Is done. At the same time, the rotary stage 84 is rotated by the controller 82 under the control of the PC 81 so that the reflected light 7 from the measurement object 6 enters the lens 23. That is, in the present embodiment, the beam scanning means 8 is configured by the PC 81, the controller 82, the six-axis control robot 83, and the rotary stage 84.

本実施の形態においては上述の構成により、光源4からの光線5が測定対象物6の表面上で走査され、測定対象物6の3次元形状の計測が可能となるものである。   In the present embodiment, with the above-described configuration, the light beam 5 from the light source 4 is scanned on the surface of the measurement object 6 and the three-dimensional shape of the measurement object 6 can be measured.

1,11,21,31,41…光学式3次元形状計測装置、2,12,22,32…光入射ベクトル検出手段、3…照射面位置算出手段、4…光源、5…光線、6…測定対象物、7…反射光、8…光線走査手段、23…レンズ、24…ハーフミラー、25…画像センサ、26…透過センサ、33…演算機、34…キャプチャーボード、55…光線照射面、81…PC、82…コントローラ、83…6軸制御ロボット、84…回転ステージ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,11,21,31,41 ... Optical three-dimensional shape measuring device, 2, 12, 22, 32 ... Light incident vector detection means, 3 ... Irradiation surface position calculation means, 4 ... Light source, 5 ... Light, 6 ... Measurement object, 7 ... reflected light, 8 ... light beam scanning means, 23 ... lens, 24 ... half mirror, 25 ... image sensor, 26 ... transmission sensor, 33 ... calculator, 34 ... capture board, 55 ... light irradiation surface, 81 ... PC, 82 ... controller, 83 ... 6-axis control robot, 84 ... rotary stage.

Claims (7)

光線を測定対象物に照射する光源と、前記光線が前記測定対象物に照射された光線照射面で反射した反射光の入射ベクトルを検出する光入射ベクトル検出手段と、前記光線照射面の3次元位置を算出する照射面位置算出手段と、を備え、
前記光入射ベクトル検出手段は、前記反射光を集光するレンズと、少なくとも2つの画像センサを含む光学系から構成され、
前記2つの画像センサは、前記レンズの光軸又は該光軸から分割された方向の軸線に対してセンサ面が垂直となるように、かつ前記光線照射面から異なった距離に配置され、
前記照射面位置算出手段が、3次元ベクトル解析により、前記2つの画像センサの受光位置および前記光学系の幾何学条件から、前記2つの画像センサへの入射ベクトルを導出し、前記測定対象物上の光線の反射位置ベクトルを導出することによって、前記光線照射面の3次元位置を算出すること
を特徴とする光学式3次元形状計測装置。
A light source for irradiating a measurement object with a light beam, light incident vector detection means for detecting an incident vector of reflected light reflected by the light beam irradiation surface irradiated with the light beam on the measurement object, and a three-dimensional image of the light irradiation surface An irradiation surface position calculating means for calculating a position,
The light incident vector detection means includes an optical system including a lens that collects the reflected light and at least two image sensors.
The two image sensors are arranged such that the sensor surfaces are perpendicular to the optical axis of the lens or an axis in a direction divided from the optical axis, and at different distances from the light irradiation surface,
The irradiation surface position calculating means derives an incident vector to the two image sensors from a light receiving position of the two image sensors and a geometric condition of the optical system by three-dimensional vector analysis, A three-dimensional position of the light irradiation surface is calculated by deriving a reflection position vector of the light beam of the optical three-dimensional shape measuring apparatus.
前記光入射ベクトル検出手段は、前記反射光を集光するレンズと、前記反射光を2方向に分割するハーフミラーと、第1画像センサと第2画像センサの2つの画像センサから構成され、
前記レンズは、一端面側が前記測定対象物に対向するよう配置され、
前記ハーフミラーは、前記レンズの他端面側に、中心が前記レンズの光軸と一致するよう前記レンズの光軸に対して45度傾けられて配置され、
前記第1画像センサは、前記レンズの光軸と前記ハーフミラー中心とを結ぶ軸線上に、該軸線に対してセンサ面が垂直となるよう配置され、
前記第2画像センサは、前記レンズの光軸と前記ハーフミラー中心とを結ぶ軸線の垂直方向の軸線上であって前記ハーフミラーが前記レンズに対して傾けられている方向に、該軸線に対してセンサ面が垂直となるよう配置され、
前記ハーフミラー中心と前記第1の画像センサとの間の距離と、前記ハーフミラー中心と前記第2画像センサとの間の距離が異なる距離とされること
を特徴とする請求項1に記載の光学式3次元形状計測装置。
The light incident vector detecting means includes a lens that collects the reflected light, a half mirror that divides the reflected light in two directions, and two image sensors, a first image sensor and a second image sensor,
The lens is arranged such that one end surface side faces the measurement object,
The half mirror is disposed on the other end surface side of the lens and tilted by 45 degrees with respect to the optical axis of the lens so that the center coincides with the optical axis of the lens.
The first image sensor is arranged on an axis connecting the optical axis of the lens and the center of the half mirror so that a sensor surface is perpendicular to the axis,
The second image sensor is on an axis perpendicular to an axis connecting the optical axis of the lens and the center of the half mirror and in a direction in which the half mirror is inclined with respect to the lens. Are arranged so that the sensor surface is vertical,
The distance between the half mirror center and the first image sensor and the distance between the half mirror center and the second image sensor are different from each other. Optical three-dimensional shape measuring device.
光線を測定対象物に照射する光源と、前記光線が前記測定対象物に照射された光線照射面で反射した反射光の入射ベクトルを検出する光入射ベクトル検出手段と、前記光線照射面の3次元位置を算出する照射面位置算出手段と、を備え、
前記光入射ベクトル検出手段は、前記反射光を第1反射光と第2反射光の2方向に分割するハーフミラーと、前記第1反射光を集光する第1レンズと、前記第2反射光を集光する第2レンズと、前記第1反射光を受光する第1画像センサと、前記第2反射光を受光する第2画像センサとから構成され、
前記ハーフミラーは、前記測定対象物に対して傾けられて配置され、
前記第1レンズは、前記測定対象物と前記ハーフミラーを結ぶ軸線上に、該軸線に対して一端面側が垂直となるよう配置され、前記第1画像センサは前記第1レンズの他端面側とセンサ面が平行となるよう配置され、
前記第2レンズは、前記測定対象物と前記ハーフミラー中心とを結ぶ軸線の垂直方向の軸線上であって前記ハーフミラーが前記測定対象物に対して傾けられている方向に、該軸線に対して一端面側が垂直となるよう配置され、前記第画像センサは前記第レンズの他端面側とセンサ面が平行となるよう配置され、
前記ハーフミラー中心と前記第1レンズとの間の距離と、前記ハーフミラー中心と前記第2レンズとの間の距離は同じ距離とされ、
前記第1レンズと前記第1の画像センサとの間の距離と、前記第2レンズと前記第2画像センサとの間の距離が異なる距離とされ
前記照射面位置算出手段が、前記2つの画像センサの受光位置および前記光学系の幾何学条件から、3次元ベクトル解析により前記反射光のベクトルを算出し、前記光線照射面の3次元位置を算出すること
を特徴とする光学式3次元形状計測装置。
A light source for irradiating a measurement object with a light beam, light incident vector detection means for detecting an incident vector of reflected light reflected by the light beam irradiation surface irradiated with the light beam on the measurement object, and a three-dimensional image of the light irradiation surface An irradiation surface position calculating means for calculating a position,
The light incident vector detection means includes a half mirror that divides the reflected light into two directions of first reflected light and second reflected light, a first lens that collects the first reflected light, and the second reflected light. A second lens that collects the first reflected light, a first image sensor that receives the first reflected light, and a second image sensor that receives the second reflected light,
The half mirror is arranged to be inclined with respect to the measurement object,
The first lens is disposed on an axis connecting the measurement object and the half mirror so that one end surface side is perpendicular to the axis, and the first image sensor is connected to the other end surface side of the first lens. It is arranged so that the sensor surfaces are parallel,
The second lens is on an axis perpendicular to an axis connecting the measurement object and the center of the half mirror, and the half mirror is inclined with respect to the measurement object with respect to the axis. And the second image sensor is arranged such that the other lens surface of the second lens and the sensor surface are parallel to each other.
The distance between the half mirror center and the first lens and the distance between the half mirror center and the second lens are the same distance,
The distance between the first lens and the first image sensor is different from the distance between the second lens and the second image sensor ,
The irradiation surface position calculation means calculates a vector of the reflected light by a three-dimensional vector analysis from a light receiving position of the two image sensors and a geometric condition of the optical system, and calculates a three-dimensional position of the light irradiation surface. optical and three-dimensional shape measurement device characterized by.
光線を測定対象物に照射する光源と、前記光線が前記測定対象物に照射された光線照射面で反射した反射光の入射ベクトルを検出する光入射ベクトル検出手段と、前記光線照射面の3次元位置を算出する照射面位置算出手段と、を備え、
前記光入射ベクトル検出手段は、前記反射光を透過する透過センサと、前記透過センサを透過した透過光を受光する画像センサとから構成され、
前記透過センサは、センサ面が前記測定対象物に対向するように配置され、
前記画像センサは、前記透過センサと平行になるよう配置され
前記照射面位置算出手段が、前記2つの画像センサの受光位置および前記光学系の幾何学条件から、3次元ベクトル解析により前記反射光のベクトルを算出し、前記光線照射面の3次元位置を算出すること
を特徴とする光学式3次元形状計測装置。
A light source for irradiating a measurement object with a light beam, light incident vector detection means for detecting an incident vector of reflected light reflected by the light beam irradiation surface irradiated with the light beam on the measurement object, and a three-dimensional image of the light irradiation surface An irradiation surface position calculating means for calculating a position,
The light incident vector detection means includes a transmission sensor that transmits the reflected light, and an image sensor that receives the transmitted light transmitted through the transmission sensor.
The transmission sensor is arranged so that a sensor surface faces the measurement object,
The image sensor is arranged in parallel with the transmission sensor ,
The irradiation surface position calculation means calculates a vector of the reflected light by a three-dimensional vector analysis from a light receiving position of the two image sensors and a geometric condition of the optical system, and calculates a three-dimensional position of the light irradiation surface. optical and three-dimensional shape measurement device characterized by.
前記光源からの光線を前記測定対象物の表面上に走査させる光線走査手段を備えること
を特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の光学式3次元形状計測装置。
5. The optical three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising: a light beam scanning unit configured to scan a light beam from the light source on a surface of the measurement object.
光線を測定対象物に照射する光源と、前記光線が前記測定対象物に照射された光線照射面で反射した反射光の入射ベクトルを検出する光入射ベクトル検出手段と、前記光線照射面の3次元位置を算出する照射面位置算出手段と、を備えた光学式3次元形状計測装置を用いた光学式3次元形状計測方法であって、
前記光入射ベクトル検出手段は、前記反射光を集光するレンズと、少なくとも2つの画像センサを含む光学系から構成され、
前記2つの画像センサは、前記レンズの光軸又は該光軸から分割された方向の軸線に対してセンサ面が垂直となるように、かつ前記光線照射面から異なった距離に配置され、
前記照射面位置算出手段が、3次元ベクトル解析により、前記2つの画像センサの受光位置および前記光学系の幾何学条件から、前記2つの画像センサへの入射ベクトルを導出し、前記測定対象物上の光線の反射位置ベクトルを導出することによって、前記光線照射面の3次元位置を算出すること
を特徴とする光学式3次元形状計測方法。
A light source for irradiating a measurement object with a light beam, light incident vector detection means for detecting an incident vector of reflected light reflected by the light beam irradiation surface irradiated with the light beam on the measurement object, and a three-dimensional image of the light irradiation surface An optical three-dimensional shape measuring method using an optical three-dimensional shape measuring device comprising an irradiation surface position calculating means for calculating a position,
The light incident vector detection means includes an optical system including a lens that collects the reflected light and at least two image sensors.
The two image sensors are arranged such that the sensor surfaces are perpendicular to the optical axis of the lens or an axis in a direction divided from the optical axis, and at different distances from the light irradiation surface,
The irradiation surface position calculating means derives an incident vector to the two image sensors from a light receiving position of the two image sensors and a geometric condition of the optical system by three-dimensional vector analysis, An optical three-dimensional shape measuring method, wherein a three-dimensional position of the light irradiation surface is calculated by deriving a reflection position vector of the light beam.
前記光源からの光線を前記測定対象物の表面上を走査することで測定対象物の3次元形状を計測すること
を特徴とする請求項6に記載の光学式3次元形状計測方法。
The optical three-dimensional shape measurement method according to claim 6, wherein the three-dimensional shape of the measurement object is measured by scanning a light beam from the light source on the surface of the measurement object.
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