JP7418455B2

JP7418455B2 - 三次元測定機器及び測定システム

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Publication number: JP7418455B2
Application number: JP2021547618A
Authority: JP
Inventors: 向千文; 敖万嘉; 庄佑敏; 王若珈; 謝梓▲シン▼; 呉敏▲トン▼; 張瑞涵
Original assignee: Chendgu Pin Tai Ding Feng Business Administration
Current assignee: Chendgu Pin Tai Ding Feng Business Administration
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2024-01-19
Anticipated expiration: 2038-11-08
Also published as: US20210254969A1; EP3879226A4; EP3879226A1; WO2020093321A1; JP2022514440A; US11953313B2; CN112930468A; EP3879226B1; CN112930468B

Description

本発明は測定機器に関し、特に三次元測定機器及び測定システムに関する。

近年、光学に基づく三次元測定技術は比較的急速に発展され、光学デバイス、機械機器、測定データ処理アルゴリズムなどの複数の技術面で画期的な進歩があり、構造化光ビジョン測定、位相シフト測定（ＰＭＰ）、共焦点スキャン、デジタルスペックルなどを含む複数の成熟したまたは段階的に成熟した測定技術も登場し、これにより三次元測定は産業、製造業、ひいては日常生活の複数の分野に幅広く使用されている。例示的に、大中型の物体の測定に適した機器があり、小さな物体や微小な物体の測定に適した機器があり、非常に高い測定精度が必要な機器があり、一般的な測定精度を必要とする機器があり、オープンスペースでの測定に適した機器があり、狭い空洞や通路空間での測定に適した機器があり、三次元測定を完了するとともに、さらにカラーテクスチャ情報を表現するなどの追加機能を必要とする機器もある。現在、上記の例示的な用途範囲の異なる三次元測定機器はほぼすべて独立した専用機器であり、異なる測定要件を実現するために、異なる専用の三次元測定機器を製造する必要があり、その結果、機器の設計と製造のコストが高い。

なお、単一フレーム（マルチスペクトル）測定の符号化方法と機器の実現方法は、従来の技術に既に存在し、それぞれ中国公開特許ＣＮ１０８０３８８９８Ａ号公報（発明の名称が単一フレームバイナリ構造化光の符号化及び復号化方法である）と中国登録特許ＣＮ１０４６３４３２３Ｂ号公報（発明の名称が多段撮影三次元カメラシステム及び方法である）を参照することができる。Ｐｌａｎｍｅｃａ、Ｒｕｉｋｅなどの主流会社は、依然としてマルチフレームタイムシェアリングをほとんど使用して三次元ポイントクラウドを実現しており、三次元測定データの形成効率が低い。

このため、構造が簡単且つコンパクトであり、単一フレーム（マルチスペクトル）測定を実現できる三次元測定機器を提供することが望ましく、さらに簡単に拡張可能なモジュラー三次元測定機器を提供することが望ましく、それにより、様々な測定要件に適用する三次元測定機器を製造しやすい。

このため、本発明は、三次元測定機器を提供し、前記三次元測定機器は照明システム（Ｉ）及びイメージングシステム（ＩＩ）を含み、前記照明システム（Ｉ）は、照明光路に沿ったＮ色の光源（８）、ビーム整形装置（７）、パターン変調装置（６）及び投影レンズ（２）を含み、前記パターン変調装置（６）はＮスペクトルパターン変調装置であり、Ｎ個のスペクトルチャネルを含む符号化パターンを形成するために使用され、前記ビーム整形装置（７）は光源（８）から発光した光をほぼ平行な光に整形するために使用され、前記投影レンズ（２）は符号化パターンを目標物体に投射するために使用され、前記イメージングシステム（ＩＩ）は、イメージング光路に沿ったイメージングレンズ（３）、第１の分光システム、及びＮ個のイメージセンサを含むイメージセンサ群を含み、前記第１の分光システムはイメージングレンズ（３）によって受信された、目標物体（１）に投射された符号化パターンをイメージセンサ群のＮ個のイメージセンサに送信して、Ｎ個の画像信号を形成するために使用され、Ｎ＞１であり、前記Ｎ色の光源（８）は、同時に照射するＮ個の単色ＬＥＤまたはＮ個の単色レーザの複合光源を含み、前記パターン変調装置（６）は、グレーティング、ＤＭＤ、または投影パターンフィルムを含み、前記照明システム（Ｉ）は、テクスチャイメージセンサ（４）と第２の分光システムをさらに含み、前記第２の分光システムは前記照明光路に位置するとともに、前記テクスチャイメージセンサ（４）に前記目標物体（１）の表面画像信号を取得させることができ、前記第２の分光システムはテクスチャ分光器（５）或いはテクスチャプリズム（２２）を含み、前記テクスチャイメージセンサ（４）は前記テクスチャ分光器（５）或いは前記テクスチャプリズム（２２）の反射光路に位置する。

本発明による三次元測定機器の第１の実施例の構造図である。本発明による三次元測定機器の第１の実施例の他の構造図であり、図示しない照明装置（１４）を含む。

本発明の実施形態の目的、技術的解決手段及び長所をより明確にするため、以下、本発明の実施形態の図面と組み合わせて、本発明の技術的解決手段を明確に、完全に述べるが、明らかに、述べられる実施形態は本発明の一部の実施形態であり、すべての実施形態ではないことが分かる。本発明における実施形態に基づいて、当業者が創造的労働を伴わないことを前提に取得したその他のすべての実施形態は、すべて本発明の保護範囲内にある。

図１に示すように、本発明の第１の実施例は、三次元測定機器を提供し、従来の技術と同様に、本発明の三次元測定機器も、照明システム（Ｉ）とイメージングシステム（ＩＩ）を含む。

当該実施例において、照明システム（Ｉ）は、照明光路に沿った光源（８）、ビーム整形装置（７）、パターン変調装置（６）及び投影レンズ（２）を含む。ビーム整形装置（７）は、光源（８）から発光した光を均一なほぼ平行な光に整形するために使用され、当該実施例において、ほぼ平行な光の意味には、平行な光、及び完全に平行ではないが、産業上のエラーのみが許可される平行な光を含む。ビーム整形装置（７）を通じて、光源から発光した発散ビームを均一なほぼ平行な光に整形し、これにより光源の利用率を向上させることができる。パターン変調装置（６）は、符号化パターンを形成するために使用され、即ちほぼ平行な光は、パターン変調装置（６）を通過または照射する場合、符号化パターンを形成することができる。投影レンズ（２）は、パターン変調装置（６）によって形成された符号化パターンを目標物体（１）に投射するために使用される。

当該実施例によれば、光源（８）はＮ色の光源であり、Ｎ＝１またはＮ＞１とする。

当該実施例の一選択可能な形態によれば、Ｎ＝１である時、光源（８）は、実質的に単色光源であり、物理的に単色ＬＥＤまたは単色レーザを含むことができる。対応的に、パターン変調装置（６）は単一スペクトルパターン変調装置であり、物理的にグレーティング、ＤＭＤ、投影パターンフィルム、または回折光学素子を含むことができる。

当該実施例の一好ましい形態によれば、Ｎ＞１である時、光源（８）は複合光源であり、物理的に白色光源、ＲＧＢ光源（即ちＲＧＢ３色の光で複合してなる光源）、Ｎ個の単色ＬＥＤの複合光源或いはＮ個の単色レーザの複合光源を含むことができる。対応的に、パターン変調装置（６）はマルチスペクトルパターン変調装置であり、物理的にグレーティング、ＤＭＤ、投影パターンフィルムを含むことができる。さらに、光源（８）は、Ｎ個の単色ＬＥＤ或いは単色レーザの複合光源を含む場合、パターン変調装置（６）はＮスペクトルパターン変調装置である。

当該実施例において、ビーム整形装置（７）は光源（８）と合わせて使用され、従来の技術における任意のビームを平行光に整形できる装置として実現されることができる。好ましくは、光源（８）はＬＥＤ光源（例えば単色ＬＥＤ光源またはＬＥＤ複合光源）を含む場合、ビーム整形装置（７）はコリメート素子を含むことができ、光源（８）はレーザ光源（例えば単色レーザ光源またはレーザ複合光源）を含む場合、ビーム整形装置（７）はコリメート素子と散逸素子を含むことができる。前述コリメート素子は、光源から発光した光をほぼ平行な光に整形するために使用され、レンズまたは回折光学素子として物理的に実現されることができる。前述散逸素子は、レーザ光源から発光した光のコヒーレンスを排除するために使用され、ほぼ平行な光を照明光路の空間に沿って均一に分布させ、選択可能に静的ホモジナイザーまたはモーター駆動の動的ホモジナイザー（均質化ホイール）として物理的に実現されることができる。

当該実施例によれば、イメージングシステム（ＩＩ）は、イメージング光路に沿ったイメージングレンズ（３）、第１の分光システム、及びＮ個のイメージセンサを含むイメージセンサ群を含む。第１の分光システムは、イメージングレンズ（３）によって受信された、目標物体（１）に投射された符号化パターンをイメージセンサ群のＮ個のイメージセンサに送信して、Ｎ個の画像信号を形成するために使用される。

当該実施例の一選択可能な形態によれば、Ｎ＝１である時、第１の分光システムを使用しないことができ、即ち分光を必要としないとともに、イメージセンサ群を１つのイメージセンサに縮退する。

当該実施例の他の選択可能な形態によれば、Ｎ＞１である時、第１の分光システムは、イメージング光路に位置するＮ－１個の分光器を含む。例えば、Ｎ＝２である時、第１の分光システムは、イメージング光路上の分光器として実現される。

当該実施例の一好ましい形態によれば、Ｎ＞２である時、第１の分光システムにおけるＮ－１個の分光器は互いに平行或いは交互に垂直であり、Ｎ個のイメージセンサのうちの１つはイメージング光路に位置し、他のＮ－１個はイメージング光路の同じ側に位置し或いは交互にイメージング光路の両側のＮ－１個の分光器の反射光路に位置する。当該実施例によれば、分光器にはいずれもスペクトル分光器が用いられ、即ち分光面では、特定の波長のスペクトルを反射することを許可するとともに、他の波長のスペクトルを透過する。

図１に示すように、当該実施例のＮ＝３の好ましい形態において、第１の分光システムは、イメージング光路に位置する互いに垂直な第１の分光器（１２）と第２の分光器（１３）を含み、イメージセンサ群は、３つのイメージセンサを含み、それぞれ第１のイメージセンサ（９）、第２のイメージセンサ（１０）、及び第３のイメージセンサ（１１）である。

当該実施例によれば、イメージセンサはカラーイメージセンサ或いは白黒イメージセンサを含むことができる。しかし、好ましくは、白黒イメージセンサとして実現される。さらに、各白黒イメージセンサには複合光源（８）における単色光スペクトルに対応するフィルタが前面に配置され、それにより、イメージセンサは、複合光源（８）における対応する単色光のイメージング情報を取得することができる。

当該実施例によれば、投影レンズ（２）によって投射された符号化パターン付きのビームによって照射された目標物体（１）は、イメージングレンズ（３）を通過し、イメージング光路に沿って、第１、第２の分光器（１２）（１３）を通じて、照射された目標物体（１）の画像信号がそれぞれ第１、第２、第３のイメージセンサ（９）（１０）（１１）に送信される。このように、目標物体（１）に投射された符号化パターン情報はいずれも取得される。これらの画像に対する分析処理を通じて目標物体（１）の三次元データを取得することができる。

図２に示すように、当該実施例のＮ＝３の好ましい形態において、第１の分光システムはイメージング光路に位置するプリズム（２１）を含み、即ち第１の分光器（１２）と第２の分光器（１３）をプリズム（２１）に取り替える。このように、投影レンズ（２）によって投射された符号化パターン付きのビームによって照射された目標物体（１）は、イメージングレンズ（３）を通過し、イメージング光路に沿って、プリズム（２１）によって分光され、照射された目標物体（１）の画像信号がそれぞれ第１、第２、第３のイメージセンサ（９）（１０）（１１）に送信される。このように、目標物体（１）に投射された符号化パターン情報はいずれも取得される。これらの画像の分析処理を通じて目標物体（１）の三次元データを取得することができる。

本発明の第１の実施例によれば、選択可能に、図１に示すように、三次元測定機器は目標物体（１）を照射するための照明装置（１４）をさらに含む。好ましくは、前記照明装置（１４）は単色白色光ＬＥＤ光源、または単色ＲＧＢ時分割光源を含む。当該実施例の一実現形態によれば、照明装置（１４）は、複数の均一に分布しているＬＥＤとして物理的に実現され、直接に目標物体（１）を照射することができる。他の実現形態において、照明装置（１４）は、ＬＥＤとＬＥＤから発光した光を目標物体（１）に伝達することができる光ファイバおよび／またはレンズを含む。このように、照明装置（１４）の照射下で、第１、第２、第３のイメージセンサ（９）（１０）（１１）を通じて、それぞれ目標物体（１）のＲＧＢ色を取得することができ、それにより、目標物体（１）のカラーテクスチャ画像を合成することができる。さらに、取得された目標物体（１）の三次元データと組み合わせることにより、目標物体（１）のカラー三次元データを取得することができる。

本発明の第１の実施例によれば、選択可能に、図１に示すように、三次元測定機器の照明システム（Ｉ）は、テクスチャイメージセンサ（４）と第２の分光システムをさらに含み、前記第２の分光システムは前記照明光路に位置するとともに、前記テクスチャイメージセンサが前記目標物体（１）の表面画像信号を取得することを可能にすることができる。選択可能に、第２の分光システムは図１に示すようなテクスチャ分光器（５）或いは図２に示すようなテクスチャプリズム（２２）を含み、前記テクスチャイメージセンサ（４）は前記分光器（５）の反射光路に位置し、或いは前記テクスチャプリズム（２２）の反射光路に位置する。このように、テクスチャイメージセンサ（４）で目標物体（１）の表面状況を容易に観察することができる。当該実施例によれば、好ましくは、テクスチャイメージセンサはカラーイメージセンサを含み、目標物体（１）の表面カラー画像信号を取得するために使用される。このように、目標物体を観察することに加えて、テクスチャイメージセンサ（４）はさらに目標物体（１）のカラーテクスチャ画像を取得することができ、さらに、取得された目標物体（１）の三次元データと組み合わせて、目標物体（１）のカラー三次元データを取得することもできる。以上のように、テクスチャ分光器（５）は、電圧によって制御される分光器であってもよく、分光フィルムをメッキすることによって実現されてもよい。テクスチャ分光器（５）の透過光は、反射光よりもはるかに大きくし、それにより、三次元データの取得の正確さと効率を確保し、好ましくは、テクスチャ分光器（５）における透過光は全光の７０％以上であり、反射光は、全光の３０％以下である。

本発明の第２の実施例によれば、三次元測定機器を提供し、図１または図２の照明システム（Ｉ）におけるテクスチャイメージセンサ（４）とイメージングシステム（ＩＩ）におけるイメージセンサ群を三次元測定システムの両目として使用し、照明装置（１４）を使用して目標物体（１）を照射することができ、それにより、両目立体イメージング原理に基づいて目標物体（１）の三次元データを取得する。

本発明の第３の実施例によれば、図１または図２に示すような２組の照明システム（Ｉ）と１組のイメージングシステム（ＩＩ）を使用して２投影１受信の三次元測定システムを構成する。具体的に、三次元測定システムは第１の照明システム、第２の照明システム及びイメージングシステムを含み、それにより、目標物体（１）の三次元データを取得する。

本発明の第４の実施例によれば、図１または図２に示すような１組の照明システム（Ｉ）と２組のイメージングシステム（ＩＩ）を使用して１投影２受信の三次元測定システムを構成する。具体的に、三次元測定システムは照明システム、第１のイメージングシステム及び第２のイメージングシステムを含み、それにより、目標物体（１）の三次元データを取得する。

第２、第３、第４の実施例から分かるように、本発明の第１の実施例の技術の上で、その他の測定需要を満たす三次元測定機器を容易に拡張して製造することができる。

以上のように、本発明の好ましい実施形態に過ぎず、いかなる形態によって本発明を限定するものではない。本発明の技術的本質に基づいて上記の実施形態に加えられたいずれかの簡単な修正、等価変化はいずれも本発明の保護範囲に落ちる。

Claims

照明システム（Ｉ）及びイメージングシステム（ＩＩ）を含む三次元測定機器であって、前記照明システム（Ｉ）は、照明光路に沿ったＮ色の光源（８）、ビーム整形装置（７）、パターン変調装置（６）及び投影レンズ（２）を含み、前記パターン変調装置（６）はＮスペクトルパターン変調装置であり、Ｎ個のスペクトルチャネルを含む符号化パターンを形成するために使用され、前記ビーム整形装置（７）は光源（８）から発光した光をほぼ平行な光に整形するために使用され、前記投影レンズ（２）は符号化パターンを目標物体に投射するために使用され、
前記イメージングシステム（ＩＩ）は、イメージング光路に沿ったイメージングレンズ（３）、第１の分光システム、及びＮ個のイメージセンサを含むイメージセンサ群を含み、前記第１の分光システムはイメージングレンズ（３）によって受信された、目標物体（１）に投射された符号化パターンをイメージセンサ群のＮ個のイメージセンサに送信して、Ｎ個の画像信号を形成するために使用され、
Ｎ＞１であり、
前記Ｎ色の光源（８）は、同時に照射するＮ個の単色ＬＥＤまたはＮ個の単色レーザの複合光源を含み、
前記パターン変調装置（６）は、グレーティング、ＤＭＤ、または投影パターンフィルムを含み、
前記照明システム（Ｉ）は、テクスチャイメージセンサ（４）と第２の分光システムをさらに含み、前記第２の分光システムは前記照明光路に位置するとともに、前記テクスチャイメージセンサ（４）に前記目標物体（１）の表面画像信号を取得させることができ、
前記第２の分光システムはテクスチャ分光器（５）或いはテクスチャプリズム（２２）を含み、前記テクスチャイメージセンサ（４）は前記テクスチャ分光器（５）或いは前記テクスチャプリズム（２２）の反射光路に位置することを特徴とする三次元測定機器。
前記第１の分光システムは、イメージング光路に位置するＮ－１個の分光器を含み、前記Ｎ－１個の分光器は互いに平行或いは交互に垂直であり、前記Ｎ個のイメージセンサのうちの１つはイメージング光路に位置し、他のＮ－１個のイメージセンサはイメージング光路の同じ側に位置するか或いは交互にイメージング光路の両側の、Ｎ－１個の分光器の反射光路に位置することを特徴とする請求項１に記載の三次元測定機器。
Ｎ＝３である時、前記イメージセンサ群は、第１のイメージセンサ（９）、第２のイメージセンサ（１０）、及び第３のイメージセンサ（１１）を含み、前記第１の分光システムは、イメージング光路に位置する第１の分光器（１２）と第２の分光器（１３）を含み、好ましくは、イメージセンサは白黒イメージセンサであることを特徴とする請求項２に記載の三次元測定機器。
前記第１のイメージセンサ（９）は前記第１の分光器（１２）の反射光路に位置し、前記第２のイメージセンサ（１０）は第２の分光器（１３）の反射光路に位置し、前記第３のイメージセンサ（１１）は前記第１の分光器（１２）と第２の分光器（１３）の透過光路に位置することを特徴とする請求項３に記載の三次元測定機器。
第１の分光システムはイメージング光路に位置するプリズム（２１）を含み、前記プリズム（２１）による分光を通じて、照射された目標物体（１）の画像信号がそれぞれ第１のイメージセンサ（９）、第２のイメージセンサ（１０）、第３のイメージセンサ（１１）に送信されることを特徴とする請求項１に記載の三次元測定機器。
目標物体（１）を照射するための照明装置（１４）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の三次元測定機器。
請求項１～６のいずれか１項に記載の三次元測定機器を含む測定システムであって、照明システム（Ｉ）と同様な第２の照明システムをさらに含むことを特徴とする測定システム。
請求項１～６のいずれか１項に記載の三次元測定機器を含む測定システムであって、イメージングシステム（ＩＩ）と同様な第２のイメージングシステムをさらに含むことを特徴とする測定システム。
前記光源（８）がＮ個の単色ＬＥＤの複合光源を含む場合、前記ビーム整形装置（７）はコリメート素子を含むことができ、前記コリメート素子はＬＥＤ光源から発光した光をほぼ平行な光に整形するために使用されることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の三次元測定機器。
前記光源（８）がＮ個の単色レーザの複合光源を含む場合、前記ビーム整形装置（７）はコリメート素子と散逸素子を含むことができ、前記コリメート素子はレーザ光源から発光した光をほぼ平行な光に整形するために使用され、前記散逸素子はレーザ光源から発光した光のコヒーレンスを排除するために使用されることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の三次元測定機器。
前記光源（８）は白色光源を含み、前記三次元測定機器は目標物体（１）を照射するための照明装置（１４）をさらに含むことを特徴とする請求項３～５のいずれか１項に記載の三次元測定機器。
前記照明装置（１４）は単色白色光ＬＥＤ光源（例えば複数の均一に分布している単色白色光ＬＥＤを含み、或いは、複数の均一に分布している単色白色光ＬＥＤ及びＬＥＤから発光した光を目標物体に伝達することができる光ファイバおよび／またはレンズを含む）、または単色ＲＧＢ時分割光源（例えば単色ＲＧＢ時分割光源を含み、或いは、ＲＧＢ時分割光源及びＲＧＢ時分割光源から発光した光を目標物体に伝達することができる光ファイバおよび／またはレンズを含む）を含むことを特徴とする請求項６または１１に記載の三次元測定機器。
前記イメージセンサ群の第１のイメージセンサ（９）、第２のイメージセンサ（１０）、及び第３のイメージセンサ（１１）は、第１の時間で、目標物体（１）に投射された、三次元データを分析するための符号化パターン情報を取得し、第２の時間で、それぞれ目標物体（１）でのカラーテクスチャ画像を合成できるＲＧＢ色を取得することができることを特徴とする請求項１１または１２に記載の三次元測定機器。