JPH03128408A - ３次元形状測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、スリットを通った光を被測定物体に照射して
その反射光に基づいて、その形状を測定する３次元形状
測定方法に関するものである。

［従来の技術及びその課題］ 従来、この種の３次元形状測定方法として、特公昭６０
−４４０２号公報のものが知られている。

すなわち、第７図に示すように、プロジェクタ１の光源
２から発した光を集光レンズ３、透明部と不透明部とを
交互に平行に設けた縞状スリット５、絞り６、投影レン
ズ７を介して３次元形状の被測定物体９に照射し、その
反射光を入射光に対して所定角度だけ隔てた位置に設置
したカメラ１１の集光レンズ］３で集光するとともに、
紋り１５で光量を調節して撮像面１７に撮像し、この撮
像した縞状の模様を電気信号に変換し、この信号に基づ
いて信号処理装置］９にて位相分布、さらには被測定物
体９０３次元形状を求め、表面形状表示装置２０にて表
示するものである。

ところで、上記従来の技術において、プロジェクタ１の
合焦位置とカメラ１１の合焦位置とをＰＯにて重ねて設
定しているが、このように両装置の合焦位置ＰＯを一致
させると、合焦位置ＰＯからの距離が大きくなるにした
がってカメラ１１にて撮像された格子縞像の撮像信号の
振幅に違いが生じる。すなわち、撮像信号は、第８図（
Ａ）　　（Ｂ）に示すような波形となるが、第８図（Ａ
）に示す合焦位置での信号波形（よ　第８図（Ｂ）に示
す不合焦位置ての信号波形と違い矩形波により近い。

このため、位相検出時の位相誤差（友大きい場合にはサ
ンプリング周期δΦ程度となってしまうことがあり、よ
って、正確な３次元形状の測定が難しいという問題があ
った。

二のような矩形波に依拠する大きな位相誤差を低減する
ための技術として、スリット５の透明部と不透明部との
間に半透明部を設けて、撮像信号を第９図（Ａ）〜（Ｃ
）のような正弦波とする技術も知られているが、このス
リットは高価であるだけでなく、正確な正弦波となるも
のを作製することが難しく、さらに、このスリットを用
いたもので１友　やはり第９図（Ａ）の合焦位置に比べ
て、第９図（Ｂ）及び（Ｃ）の不合焦位置では撮像信号
のレベルが低くなる。これを、単にダイナミックレンジ
を調節することにより対処しても第９図（Ａ）との位相
検出精度が異なってしまい、かえって正確な形状測定を
行なうことができない。

本発明］上　上記従来の技術の問題を解決することを課
題とし、所定の測定領域内に置いた被測定物体に基づく
撮像信号のレベルを、測定領域全域にわたって等しくな
るように合焦位置を設定することにより、被測定物体の
正確な形状測定ができる３次元形状測定方法を提供する
ことを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するためになされた本発明の３次元形状
測定方法（上 測定領域内に設置した被測定物体に対してスリットを通
った光を投影レンズを介して照射する光照射手段と、 上記被測定物体からの反射光を入射光に対して所定角度
を隔てた位置にて集光レンズで集光して撮像面に撮像す
る撮像手段と、 この撮像手段からの撮像信号に基づいて格子縞の位相分
布を検出し、被測定物体の３次元形状を計算処理して求
める信号処理手段と を備えた３次元形状測定装置を用いて被測定物体の３次
元形状を測定する方法において、光照射手段の投影レン
ズによる第１の合焦位置及び撮像手段の集光レンズによ
る第２の合焦位置を調節するに当り、 測定領域のほぼ中央に位置する基準位置に対して、第１
の合焦位置をプロジェクタに近づけて設定したとき１友
第２の合焦位置を基準位置に対してカメラから遠ざけて
設定し、または、該基準位置１こ対して第１の合焦位置
をプロジェクタから遠ざけて設定した場合に【上　第２
の合焦位置を基準位置に対してカメラに近づけて設定す
ることを特徴とする。

［作用］ 本発明では、光照射手段により、スリット及び投影し〕
ノズを通過した光が被測定物体に照射さね、この反射光
が撮像手段により撮像される。撮像手段からの電気信号
は変換されて、その位相分布が求められう　さらに３次
元形状が計算して求められる。このような装置を用いて
３次元形状が測定されるのであるが、その投影レンズ及
び集光レンズの第１及び第２の合焦位置は、以下のよう
に設定される。

すなわち、測定領域のほぼ中央に位置する基準位置に対
して、第１の合焦位置をプロジェクタに近づけて設定し
たときは、第２の合焦位置を基準位置に対してカメラか
ら遠ざけて設定する。このような合焦位置の設定により
、測定領域内のどの位置でも、被測定物体上の格子縞像
のぼけ量と撮像面上の被測定物体の像のぼけ量の和は常
に等しくなり、よって格子縞像は常に一定のぼけ量で撮
像され３　その撮像面上における縞のコントラストがそ
の全領域にわたってほぼ均一になる。したがって、その
コントラストに対応する撮像信号の振幅は一定となり、
よって全領域にわたって同一のダイナミックレンジにて
測定することができ、正確な３次元形状の測定が可能と
なる。

また、合焦位置の設定の他の手法として匝該基準位置に
対して第１の合焦位置をプロジェクタから遠ざけて設定
した場合には、第２の合焦位置を基準位置に対してカメ
ラに近づけて設定することによっても実現できる。

［実施例］ 以下本発明の実施例を図面にしたがって説明する。第１
７４図は第１実施例を示す。

本実施例による３次元形状測定装置（表　第１図に示す
ように、プロジェクタ１００、カメラ２゜Ｏ１信号処理
装置３００、表面形状表示装置４゜０から構成されてい
る。

プロジェクタ１００は、水銀アーク灯からなる光源１０
１を備え、その光が集光レンズ１０２、スリット１０３
を通り、さらに投影レンズ］０４を介して、被測定物体
７００を設置した測定領域６００の全体にわたって投影
されるように構成されている。なお、上記スリット１０
３は、透明部と不透明部とを所定の格子間隔に配置し、
さらにその間に半透明部を設けたものであり、また、投
影レンズ１０４の開口数は、紋り１０５により調節され
る。

カメラ２００は、集光レンズ２Ｏ２を通し、さらに紋り
２０３により開口数を調節されて、撮像面２０４上に第
２図のような被測定物体７００の映像７Ｏ２を映するも
のであり、通常の低速走査形のテレビジョンカメラやＣ
ＣＤ等により構成さね、測定領域６００全体を一度に撮
像することができるものである。

信号処理装置３００は、カメラ２００からのアナログ信
号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部３１１と、
格子縞像の信号レベルに基づいて位相を検出する位相分
布検出部３１２と、位相分布検出部３］２からの位相分
布信号等に基づいて所定の演算式を用いて被測定物体７
００の表面形状を演算する形状計算部３１３とを備えて
いる。

表面形状表示装置１，４００ｉ＆　形状計算部３１３に
より求められた表面形状を画面上に画像や数値データと
［７て表示するものである。

次（ミ　この信号処理装置３００による被測定物体７０
０の表面形状を求める処理動作について説明する。

プロジェクタ］００の光源１０１の光は、集光レンズ１
０２、スリット］０３を通り、絞り１０５により開口数
を調節された、投影レンズ１０４を介して３次元形状の
被測定物体７００に照射される。その反射光は、所定角
度θだけ隔てた位置に設置したカメラ２００の紋り２０
３に開口数を調節された集光レンズ２Ｏ２により集光さ
れて撮像面２０４に撮像さね　この撮像した縞状の模様
が映像信号に変換される。

カメラ２００からの映像信号は、第３図（Ａ）〜（Ｃ）
に示すような信号としてＡ／Ｄ変換部３１１に送ら狛、
このＡ／Ｄ変換部３１１でアナログ信号からデジタル信
号に変換された後、位相分布検出部３］２に送ら札撮像
面２０４上の位相分布が求められる。っま吠上記処理で
は、第２図に示す格子縞像の映像７０．２をＸ０方向に
何分側して、第３図のようなＸ０方向の１次元波形を得
る。

この１次元波形は、次式（１）より各々の縞のピークが
２ｎπ（ｎは整数）で表されていることがら、各々のピ
ークの位相Φとその位ａｐｏ　（ｘｃｔ　　ｙｏ）が求
められる。すなわち、スリット１０３が等間隔の正弦状
の濃淡をもち、そのピッチがＳｏであるとき、格子縞の
パターン１は、ａ、　　ｂを定数とすると式（１）で表
される。

１　＝ａ十ｂｃｏｓ　（２ｙｒ　ｘ、／Ｓ、）　　　　
＋＋＋式（１）なお、位相項Φ（友　式（２）で表され
る。

Φ＝２πＸ０／ｓ０　　　　　　　・・・式（２）この
ようにして、撮像面２０４上の位相分布（ｘｏ、　　ｙ
ｃ＋　　Φ）が求められると、形状計算部３１３で次式
（３）〜式（５）を用いて表面形状（Ｘ、　　Ｙ。

Ｚ）が計算されるのである。

Ａ＝−Ｈｃｏｓθ Ｂ＝Ｑ２ｃｏｓθ Ｃニー　Ｓ　ｉ　ｎθ Ｄ＝−Ｈ０２ｓｉｎθ Ｅ＝−ＨＬ２ｃｏｓθ Ｆ＝Ｑ２　Ｌ。

Ｇ＝−１２ｓｉ口θ Ｈ＝２π（２，／Ｓ。

Ｘ　＝　ｘ。（Ｌ２−ｚ）　／１２２　　　　　・・・
式（４）Ｙ：ｙｏ（Ｌ２　　Ｚ）／（１２・・・式（５
）ここで、各文字は下記のパラメータを表す。

Ｑ、・・・スリットと投影レンズとの距離り、・・・投
影レンズと座標原点との距離Ｑ２・・・集光レンズと撮
像面との距離Ｌ２・・・座標原点と集光レンズとの距離
上記一連の処理により被測定物体７００の３次元形状が
測定されるのであるが、本実施例ではさらに、特徴的な
手法として、プロジェクタ］００とカメラ２００の合焦
位置や絞り１０５．２０３の特殊な設定が採られる。

すなわち、被測定物体７００が置かれた測定範囲６００
内のほぼ中央の基準位置５００に対して、プロジェクタ
１００の合焦位置をＰ、に、カメラ２００の合焦位置を
Ｃ１に設定し、かつ絞り］０５．２０３を調整し、投影
レンズ１０４と集光レンズ２Ｏ２の開口数を等しく設定
する。つまり、合焦位置Ｐ１は、測定領域６００内の基
準位置５００に対してプロジェクタ１００に近い方に設
定すると共に、合焦位置Ｃｏ１ｔ−、基準位置５００に
対してカメラ２００より遠い方に設定する。

このような合焦位置Ｐ１、Ｃ３等の設定により、被測定
物体７００がどの位置にあっても撮像面２０４上の格子
縞像の撮像信号が一定の振幅となるが、これは次の理由
による。例え（戴測定領域６００内のＡ面または基準位
置５００を含むＢ面で反射し、そのときの撮像面２０４
の縞の明部における受光量を比較すると、Ａ面では、Ｂ
面よりプロジェクタ］００の合焦位置Ｐ、に近いために
ぼけ量が少ないが、カメラ２００に対して（よ　その合
焦位置Ｃ７から遠いためにぼけ量が大きい。かつ、投影
レンズ］０４と集光レンズ２Ｏ２の開口数は等しい。し
たがって、撮像面２０４上のぼけ量は、Ｂ面と同一にな
るのである。同様に、Ｂ面と０面とを比較すると、０面
では照射のぼけ量がＢ面より大きくなるが、集光のぼけ
量が小さくなるので、やはり撮像面２０４上でのぼけ量
はＢ面と同一になる。

すなわち、Ａ面、Ｂ面、０面を含めた測定領域６００内
のどの位置でも、被測定物体７００上の格子縞像のぼけ
量と撮像面２０４上の被測定物体の像のぼけ量の和は常
に等しくなり、よって格子縞像は常に一定のぼけ量で撮
像され、その撮像面２０４上における縞のコントラスト
がその全領域にわたってほぼ均一になる。したがって、
そのコントラストに対応する撮像信号の振幅は一定とな
り、よって全領域にわたって同一のダイナミックレンジ
にて測定することができ、正確な３次元形状の測定が可
能となる。

なお、上記実施例では、プロジェクタ１００の合焦位置
を基準位置５００より該プロジェクタ］００側のＰ、に
設定するとともに、カメラ２００の合焦位置を基準位置
５００より該カメラ２００より遠いＣ３に設定したが、
逆に、プロジェクタ］００の合焦位置を基準位置５００
より遠いＰ２に、カメラ２００の合焦位置を基準位置５
００より近いＣ２に設定した場合にも、撮像面２０４上
のコントラストを同一にすることができ、よって、上記
実施例と同様な効果を奏することができる。

また、他の実施例（第２実施例）として、スリット１０
３に半透明部を有しない透明部と不透明部だけからなる
ものを用いた場合には、撮像信号（よ従来の技術で説明
したような矩形波状になるが、開口数をさらに大きくす
ることにより、ぼけ量が大きくなり、第４図に示すよう
な正弦波を得ることができ、しかもその振幅をすべての
測定領域においてほぼ等しくすることができる。よって
、半透明部を有する高価なスリットを用いることなく、
振幅が一定の正弦波を得ることができる。しかも、映像
信号が正弦波になることからサンプリング点ｄを補間し
、ピーク位置に基づいて位相を求めることができ、よっ
て、第６図に示す従来の技術よりさらに精度よい位相検
出が可能になる。

第５．６図は第１図のプロジェクタ１００におけるスリ
ット１０３の代わりに電極間にギャップを有する液晶ユ
ニット１１３を使用した本願の第３実施例を示す。この
ような液晶ユニットをプロジェクタに使用して３次元形
状を測定する方法として、特開昭６４−５４２０６号公
報が開示されている。この公報において（よ液晶ユニッ
トを通過した光パターンを被測定物体に投影し、カメラ
で撮像する際プロジェクタの合焦位置とカメラの合焦位
置とが一致した位置では第１０図（ａ）。

（ｂ）に示すように液晶ユニット］１３の電極１１３ａ
間のギャップ１１３ｂの像１１３Ｃが光パターンのコー
ド化の際エラーを起こし正確な形状測定ができないとい
う欠点があった。

第３実施例は上記の欠点を除去することを目的とする。

以下第３実施例の構成、作用について説明する。なお、
第１実施例と同一の構成要素に対しては同じ符号を付し
、その説明を省く。

第５図に示すように、本装置はプロジェクタ］００ａと
カメラ２００と信号処理装置３００ａと表面形状表示装
置４００とによって構成されている。プロジェクタ１０
０ａは光源］０１と集光レンズ１Ｏ２と液晶ユニット１
］３と投光レンズ］０４と絞り１０５とによって構成さ
れている。

カメラ２００は第１実施例と同じく撮像面２０１と受光
レンズ２Ｏ２と紋り２０３とにより構成されている。カ
メラ２００の映像信号は信号処理装置３００ａに出力さ
れる。

信号処理装置３００ａは２値化部３］１ａと形状計算部
３１２ａとパターン発生部３１３ａと液晶駆動部３１４
ａとによって構成されている。信号処理装置３００ａに
よる処理結果は表面形状表示装置４００に出力される。

被測定物体７００に投影される光パターン１友パタ一ン
発生部３１３ａにおいて発生させた電圧パターンを液晶
駆動部３１４ａを介して液晶ユニット１１３に印加し、
この液晶ユニット１１３を通過した光によって形成され
る。点線で囲まれた部分６００は測定範囲である。

プロジェクタ１００ａの合焦位置とカメラ２゜Ｏの合焦
位置は第１実施例の場合と同じくプロジェクタ１００ａ
の合焦位置が測定範囲６００のほぼ中心に位置する基準
位置５００に対し、プロジェクタ１００ａ側の位置Ｐ］
にある時はカメラ２００の合焦位置は基準位置５００に
対しカメラ２００と反対側の位置Ｃ］にあるように、又
はプロジェクタ１００ａの合焦位置が基準位置５００に
対しプロジェクタ１００ａと反対側の位置Ｐ２にある時
はカメラ２００の合焦位置は基準位置５００に対し、カ
メラ２００と同じ側の位置Ｃ２にあるように設定されて
いる。又プロジェクタ］００ａおよびカメラ２００の紋
り１０５，２０３を調整し、プロジェクタ１００ａの投
影レンズ１０４の口径Ｄ］と合焦位置Ｐ１までの距離ｆ
１との比Ｄ１／ｆ１及びカメラ２００の集光レンズ２Ｏ
２の口径Ｄ２と合焦位置Ｃ１までの距離ｆ２との比Ｄ２
／ｆ２を同一にする。さらに、第６図（ａ）のように液
晶ユニット１１３の電極間のギャップの像１１３ｅが撮
像面２０１からの信号を２値化する際の閾値１１３ｄよ
りも左右のパターンに近づくように絞りを調整し、ＤＩ
／ｆｌ及びＤ２／ｆ２を大きくする。ＤＩ／ｆｌ及びＤ
２／ｆ２の設定値は光学系の大きさや液晶ユニット１１
３の電極間のギャップの大きさによって異なる。ギャッ
プの影響をなくするだけなら必ずしもプロジェクタ１０
０ａのＤＩ／ｆｌとカメラ２００のＤ２／ｆ２とを同じ
くする必要がなくＤＩ／ｆｌ、Ｄ２／ｆ２の何れか一方
を大きくすればよい。然し、本実施例の場合は測定範囲
６００内で撮像されるパターン像のぼけ量に違いが生じ
るためぼけ二の最も小さい測定位置のパターン像を用い
て絞りの調節をすることが望ましい。又紋りの調整は光
学系の設定時のみ必要であり、画像モニタを見ながら手
動で調整できる。

上記構成においてプロジェクタ１００ａによって、被測
定物体７００に投影された複数の光パターンはカメラ２
００によって順次撮像さね、その映像信号は信号処理装
置３００ａの２値化部３１］ａに送られコード化される
。コード化された信号は形状計算部３１２ａに出力され
ここで各コードの撮像面２０１上の位置と光学系の幾何
学的関係とにより被測定物体７００の形状が求まる。そ
して第６図（ｂ）のように液晶ユニット１１３の電極間
のギャップの像が目立たなくなり、光パターンのコード
化のエラーがなくなる。従って正確な３次元形状の測定
が可能となる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、光照射手段と撮
像手段の合焦位置を互いにずらすことにより、所定の測
定領域内に買いた被測定物体に基づく撮像信号のレベル
が測定領域全域にわたって等しくなり、よって被測定物
体の正確な形状測定ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例による３次元形状測定方法
を説明する説明図、第２図は同実施例の撮像面の状態を
示す説明図、第３図は同実施例の撮像信号を示す波形図
、第４図は第２実施例の撮像信号を示す波形図、第５図
は第３実施例（；よる３次元形状測定方法の説明図、第
６図（ａ）、　　（ｂ）はともに第３実施例においての
撮像面上の位置と照度との関係図、第７図は従来の３次
元形状測定方法を説明する説明図、第８図は従来の撮像
信号を示す波形図、第９図は他の従来の撮像信号を示す
波形図、第１０図Ｃａ”）は従来の液晶ユニットの説明
図、第１０図（ｂ）は従来の液晶ユニットを使用した時
の撮像面上の位置と照度との関係図である。 Ｔｏｏ、１００ａ・・・プロジェクタ（光照射手段）１
０３・・・スリット　　１０４・・・投影レンズ１１３
・・・液晶ユニット（スリット）２００・・・カメラ（
撮像手段）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　測定領域内に設置した被測定物体に対してスリットを
   通つた光を投影レンズを介して照射する光照射手段と、 上記被測定物体からの反射光を入射光に対して所定角度
   を隔てた位置にて集光レンズで集光して撮像面に撮像す
   る撮像手段と、 この撮像手段からの撮像信号に基づいて格子縞の位相分
   布を検出し、被測定物体の３次元形状を計算処理して求
   める信号処理手段と を備えた３次元形状測定装置を用いて被測定物体の３次
   元形状を測定する方法において、光照射手段の投影レン
   ズによる第１の合焦位置及び撮像手段の集光レンズによ
   る第２の合焦位置を調節するに当り、 測定領域のほぼ中央に位置する基準位置に対して、第１
   の合焦位置をプロジェクタに近づけて設定したときは、
   第２の合焦位置を基準位置に対してカメラから遠ざけて
   設定し、または、該基準位置に対して第１の合焦位置を
   プロジェクタから遠ざけて設定した場合には、第２の合
   焦位置を基準位置に対してカメラに近づけて設定するこ
   とを特徴とする３次元形状測定方法。