JPH0329806A

JPH0329806A - 物体形状測定方法

Info

Publication number: JPH0329806A
Application number: JP16573289A
Authority: JP
Inventors: Hideki Inaka; 伊中　秀樹; Tatsuo Arai; 竜雄新井; Hisashi Yoshimori; 久吉森
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 1989-06-28
Filing date: 1989-06-28
Publication date: 1991-02-07
Anticipated expiration: 2013-02-16
Also published as: JP2714152B2

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】（ａ）産業上の利用分野この発明は、レーザ光を用い、非接触により物体形状を
測定する物体形状測定方法に関する。

（ｂ）従来の技術物体の三次元形状を認識する方法として、従来より主と
して次の三方式がある。

（１）モアレ法二枚の格子によるモアレ縞発生原理を応用して、物体形
状に応じた等高線モアレ縞を発生させて三次元計測をす
る方法で、格子照射型と格子投影型の二方式に大別され
る。いずれの場合でも正規な格子（基準格子）が三次元
物体上に影をおとした場合、物体形状に応じて基準格子
の影の形が変化し、変形格子となる。この変形格子と基
準格子を重ねることによって等高線に相当するモアレ縞
を得る。

（２）変位計による方法レーザビーム照射部と、物体に照射されたレーザビーム
の輝点位置を検出するポジションセンサからなるレーザ
変位計を用い、三角測量法によって変位計と物体間の距
離を測定する方法であり、物体または変位計を順次移動
させることによって物体の三次元形状を計測する。

（３）光切断法レーザ光またはその他の光をスリソト光（シートビーム
）として物体表面に照射し、物体表面に形威される帯状
パターンをカメラにより撮像し、光学系と物体間を相対
的に移動させて物体の三次元情報を得る。

（Ｃｌ発明が解決しようとする課題ところが、前述の各種方法には一長一短があり、用途や
測定の目的によっては不充分なものであった。

すなわち、モアレ法では物体形状の定性的性質をみるに
は適しているが、干渉縞を用いるため、定量的な測定精
度が限られる。変位計による方法では、高い測定精度を
得ることができるが、物体の一点一点を計測する必要が
あり、物体の三次元形状を測定するためには変位計また
は物体を順次移動させなければならない。光切断方法で
も、物体の三次元形状を測定するためには、光学系また
は物体を移動させなければならない。

この発明の目的は、測定系または物体を動かさずに、か
つ物体の三次元形状を高精度に測定できるようにした物
体形状測定方法を提供することにある。

（ｄ１課題を解失するための手段この発明の物体形状測定方法は、レーザ光を粗表面もし
くは不均質媒質の透過板を透過させて、または粗表面の
反射板に反射させて、物体表面にスペックルパターンを
投影し、前記透過板または反射板を移動させるとともに
、前記物体表面のスペソクルパターンを撮像し、異なっ
たタイミングにおける画像データを取り込み、二つの画
像データ間の二次元相関をとって前記スベソクルパター
ンの速度ベクトルを求めることを特徴としている（ｅｌ
作用この発明の物体形状測定方法の説明図を第１図〜第３図
に示す。

第１図において１はレーザ光を発生するレーザ光源、２
はすりガラス、３はレンズ、４は被測定物体、５はカメ
ラである。レーザ光源１から出たレーザ光はすりガラス
２を透過することによって拡散する。この拡散された光
がレンズ３により広げられ、物体４に照射される。レー
ザ光がすりガラス２を透過することによって、レーザ光
にランダム位相変調が与えられ、物体４の表面には拡散
光同士の干渉によって光の強度分布がランダムになりス
ベソクルパターンが現れる。この状態で、すりガラス２
を図中矢印方向に移動させれば、これにともない物体表
面のスペックルパターンも移動する。データ処理部６は
カメラ５により撮像された、異なったタイミングにおけ
る物体表面のスペックルパターンの画像データを取り込
み、二つの画像データ間の二次元相関をとってスベソク
ルパターンの速度ベクトルを求める。

第２図（Ａ），　　（Ｂ）は異なった二つのタイミング
で取り込まれた画像データを示している。

画面分の画像データは、たとえば２　５　６Ｘ２　５　
６画素で表され、これを図に示すように１　６Ｘ１　６
の区画に区分して、この区分毎に二次元相関をとる。す
なわち、第２図（Ａ）に示した各区画と第２図（Ｂ）に
示した各区画間の二次元相関をとって、相関の強い区画
を対応づける。第２図（Ｂ）の一部の区画内に表した番
号は第２図（Ａ）に示した区画の画像データとの対応関
係を示している。このようにして画像データ内の各区画
間におけるスベソクルパターンの速度ベクトル（移動方
向と速度）を求める。そして、たとえば同一速度ベクト
ルを有する区画を抽出することによって、光源に対して
一定角度にある平面を見出すことができる。たとえば第
２図（Ａ），（Ｂ）に示したように、図においてスペッ
クルパターンが下方向へ移動している区画をａとし、図
においてスペックルパターンが斜め下方向へ移動してい
る区画をｂで表せば第３図のようになる。このようにし
て測定系または物体を動かさずに、しかも高い測定精度
で物体表面の形状を測定することができる。

（ｆ）実施例この発明の実施例である物体形状測定装置の光学系の構
或を第４図に示す。第４図においてｌａは赤色レーザ光
源、１ｂは緑色レーザ光源、２は円板状すりガラスであ
る。この円板状すりガラス２はモータ（不図示）により
回転する。前記二つのレーザ光源１ａ，ｌｂのすりガラ
ス２に対する照射点は、すりガラス２の回転中心に対し
て直角の関係としている。３ａ，３ｂはそれぞれすりガ
ラス２により拡散される光の指向角を広げるためのレン
ズである。４は被測定物体、５は物体４の表面に投影さ
れるスペックルパターンを擺像ずるカメラである。

第４図に示した光学系において、すりガラス２が矢印方
向に回転すれば、赤色レーザ光源１ａによるすりガラス
２の照射点は常に水平右方向へ移動し、緑色レーザ光源
１ｂによるすりガラス２の照射点は常に垂直下方向へ移
動する。したがって物体４表面に投影された赤色レーザ
光によるスペソクルパターンは図において破線方向に移
動し、緑色レーザ光によるスペックルパターンは図にお
いて実線方向に移動する。

物体形状測定装置の制御部のブロック図を第５図に示す
。第５図においてＣＰＵＩ　４は制御部全体を統括する
。ＲＯＭ１５にはＣＰＵ１４の実行すべきプログラムを
予め書き込んでいる。ＲＡＭ１６は二つの画像データ間
の二次元相関の演算処理および速度ベクトルの算出の際
ワーキングエリ．アとして用いられる。１ａは赤色レー
ザ光源として用いられる赤色レーザ光発生器であり、た
とえばＨｅ−Ｎｅレーザ、半導体レーザ、Ｄｙｅレーザ
等を用いる。１ｂは緑色レーザ光源として用いられる緑
色レーザ光発生器であり、たとえばＡｒレーザ、半導体
ボンプＹＡＧレーザ、Ｉ）ｙｅレーザ等を用いる。１２
は両レーザ光発生器のオンオフ制御を行う制御回路であ
る。また、１０は第４図に示した円板状すりガラスを回
転させるモータ、ｌ１はその制御回路である。レーザ制
御回路１２とモータ制御回路１）はＩ／Ｏポート１３を
介してＣＰＵ１４により制御される。また、５はカラ一
〇ＣＤカメラであり、物体表面に投影されたスペックル
パターンを撮像する。Ａ−Ｄコンバータ１７ａ．１７ｂ
は赤色威分の映像信号と緑色戒分の映像信号をそれぞれ
ディジタルデー夕に変換する。画像データ処理回路１８
はカメラ５に対して同期信号を与えるとともにＡ−Ｄコ
ンバータ１７ａ，１７ｂの出力データを取り込み、画像
メモＵ　１　９〜２２へ順次書き込む。画像メモリ１９
および２０は赤色或分の画像データを記憶するメモリで
あり、１９は奇数回目に取り込んだ画像データを記憶し
、２０は偶数回目に取り込んだ画像データを記憶する。

また、画像メモリ２１および２２はそれぞれ緑色威分の
画像データを記憶するメモリであり、２１は奇数回目に
取り込んだ画像データを記憶し、２２は偶数回目に取り
込んだ画像データを記憶する。

上述した制御部の処理手順を第６図のフローチャ−１・
にしたがって説明する。まず、予め定めたサンプリング
タイミングとなれば、第５図に示した画像データ処理回
路１８が、カメラ５の撮像により得られた映像信号から
赤色或分の画像データおよび緑色或分の画像データをそ
れぞれ作威して画像メモリへ書き込む。すなわち、サン
プリングが奇数回目であれば、赤色戒分の画像データを
画像メモリ１９へ、緑色戒分の画像データを２１へそれ
ぞれ書き込む。また、サンプリングが偶数回目であれば
、赤色威分の画像データを画像メモリ２０へ、緑色或分
の画像データを画像メモリ２２へそれぞれ書き込む。こ
のように画像メモリに新たな画像データが書き込まれた
後、ＣＰＵ１４は、新たに書き込まれた画像データの所
定区画と前回の画像データの所定区画間の二次元相関を
赤色戒分の画像データと緑色威分の画像データについて
それぞれ求める。続いて、サンプリングタイξングの間
隔とスペックルパターンの移動方向とによって画面内各
部の速度ベクトルを各色戒分毎に求める。前述のように
、速度ベクトルによって、物体表面各部のレーザ光源お
よびカメラに対する角度関係が明らかとなる。その後、
たとえば第３図に示したように、同一速度ベクトルの分
布する領域を物体の外形の一部を構或する平面とみなし
、各平面の境界線を抽出することによって、いわゆるワ
イヤーフレームによる物体の外形データを作戒する。

以上に示した実施例によれば、異なった色のスペックル
パターンを物体表面に投影するとともにｑ１０、両スペックルパターンを互いに９０度の角度で移動さ
せるようにしたので、凹凸面を有する物体についても、
その凹凸形状を求めることができるなお、上記実施例で
は赤色レーザ光発生器と緑色レーザ光発生器を別個に用
いたが、青色レーザ光発生器を設け、カメラの青色成分
信号を用いることもできる。また、たとえば第７図に示
すように、白色レーザ光発生器と白色レーザ光を色分解
する色フィルターハーフ旦ラーまたはプリズムを用いて
所定の色別光源を得ることもできる。

また、実施例では、物体に対して一方向からレーザ光を
照射する例であったが、複数組の測定系を物体の周囲に
配置して、全周方向から同時に物体の形状を測定するこ
ともできる。その例を第８図に示す。第８図において、
３０．３１はハーフξラー、３２，３３．３４はξラー
、２ａ，２ｂ２Ｃはすりガラス、５ａ，５ｂ，５ｃはカ
メラ、４は被測定物体である。このように構或すること
により、レーザ光源位置から照射されたレーザ光はハー
フミラーおよびξラーによって三つのすりガラス２ａ，
２ｂ，２ｃに導かれ、物休４に対し、三方からスペック
ルパターンが投影される。

したがって物体の全周について、その外形状を測定する
ことができる。

さらに、実施例では、物体表面にスペソクルパターンを
投影する方法として、レーザ光をすりガラスを透過させ
て得たが、その他に媒質の不均質な透過板を用いること
もできる。また、反射面が粗面である反射板に反射させ
て、その散乱光を照射するようにしてもよい。

（ｇｌ発明の効果この発明によれば、被測定物体と測定系を動かさずに物
体の外形状を測定することができ、しかもスペックルパ
ターンの移動量を比較的小さくし、二次元相関をとる際
の分解能を高めることによって、従来の光切断法と同程
度もしくはそれ以上の高い精度で物体形状を測定するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

１）１２第１図〜第３図は、この発明の作用を説明するための図
であり、第１図は物体形状測定装置の構或図、第２図（
Ａ），（Ｂ）は二次元相関をとる方法を説明する図、第
３図は求めた速度ベクトルの例を示す図である。第４図
はこの発明の実施例に係る物体形状測定装置の光学系の
構威図、第５図は同装置の制御部のブロック図、第６図
はその処理手順を表すフローチャートである。第７図と
第８図はそれぞれ他の実施例に係る物体形状測定装置の
光学系の構或図である。レーザ光源（レーザ光発生器）、一すりガラス、一レンズ、一被測定物体、一カメラ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）レーザ光を粗表面もしくは不均質媒質の透過板を
透過させて、または粗表面の反射板に反射させて、物体
表面にスペックルパターンを投影し、前記透過板または
反射板を移動させるとともに、前記物体表面のスペック
ルパターンを撮像し、異なったタイミングにおける画像
データを取り込み、二つの画像データ間の二次元相関を
とって前記スペックルパターンの速度ベクトルを求める
ことを特徴とする物体形状測定方法。