JPH04110706A - 三次元形状データ取込み装置 - 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］ 本発明は被測定物体の三次元形状を非接触で光学的に計
測する三次元形状計測装置に関する。

［従来の技術］ 被測定物体へ計測光を照射し、被測定物体の表面で反射
した計測光を捕えて被測定物体の形状を計測する非接触
式の形状計測装置が知られており、各方面の分野におい
てその応用が期待されている。

第７図には、上述した被測定物体の形状を光学的に計測
する形状計測装置の原理が示されている。

なお、ここでは、簡単のため、二次元形状計測について
説明する。

第７図において、レーザ光源などの＃Ｊ定光照射手段Ｐ
からＸ軸に対して所定角度θａで照射された測定光１０
０は、被測定物体Ｑの計測点Ｒて散乱され、その散乱光
のうち特定角度の反射測定光１１０は、測定原点０に角
度θｂで到達する。

従って、第７図に示す幾何学的な構図からも理解される
ように、計測点Ｒの座標は、点Ｏと点Ｐとの間の距離を
Ｌとし、この距離りと、測定光の照射角度θａ及び反射
測定光の入射角度θｂと、を用いて解析することが可能
である。

そして、上記反射測定光１１０の入射角度θｂを求める
ために、計測原点Ｏに対して被測定物体Ｑと反対側に受
光素子がマトリックス配置された例えばＣＣＤなどの撮
像素子を設けることにより、その反射測定光１１０の受
光位置Ｓから前記角度θｂを求めることができる。

すなわち、撮像素子１０の中心Ｃから受光点Ｓまでの距
離をＸとし、また、撮像素子１０の中心Ｃと計測原点Ｏ
との距離をｙとすると、このＸ及びｙから三角関数を用
いて前記角度θｂを算出することか可能であり、さらに
計測点Ｒの座標を求めることが可能である。

なお、実際の形状計測装置では、計測原点Ｏの位置に光
集束レンズを設け、その光集束レンズで反射ＪＪ定光１
１０を集束させて、撮像素子１０へ投影させているが、
この場合においても、上述同様に、撮像素子１０におけ
る受光位置Ｓから計測点Ｒの座標を求めることが可能で
ある。

ここで、第７図には、被測定物体Ｑの二次元形状を計測
する原理を示したが、このことは三次元形状計測におい
ても同様である。つまり、測定光１００をＺ方向に偏向
走査することにより、あるいはＺ方向に広がりを有する
スリット光を用いることにより、被測定物体Ｑの三次元
形状を計測することが可能である。

以上のような原理を用いた従来の形状計測装置において
は、撮像素子１０が例えばＣＣＤなとで構成されている
ため、受光点Ｓの位置を求めるために全受光素子のスキ
ャニングが必要とされ、このような走査時間に依存して
形状計測を高速で行うことかできす、例えば運動する物
体などの形状計測を行えないという課題があった。

そこで、特開昭６２−２２８１０６号公報で被測定物体
の形状を高速に計測することのできる形状計測装置が提
案されている。

第６図には、その形状計測装置の構成の概念が示されて
いる。

第６図において、測定光（スリット光）１００の照射角
度（偏向角度）θは、θ信号発生器１２にて検出され、
さらにそのθ信号発生器１２からθ信号が出力されてい
る。

一方、被測定物体Ｑにて反射された反射測定光（反射ス
リット光）１１０は、撮像装置１４に入射され、撮像装
置１４に設けられた二次元配列型フォトセンサ］６に到
達する。

この二次元配列型フォトセンサ１６は、それぞれ独立し
たフォトセンサを二次元マトリックス状に配置したもの
であり、各ホトセンサからは独立したトリガ信号か出力
される。

そして、その各トリガ信号は、θ情報記憶素子群１８を
構成する各記憶素子にそれぞれ対応して送出されており
、各記憶素子では、トリガ信号の入力にて前記θ情報を
格納する。

従って、測定光を照射角度毎に切断して照射を行うこと
なく、連続的に偏向走査しながら照射し、同時に、受光
点Ｓに照射角度θを対応させて被測定物体Ｑの三次元形
状情報を取り込むことが可能である。

そして、このようにθ情報記憶素子群１８の各記憶素子
に格納されたθ情報は、それぞれ読み出されて、三次元
形状解析回路にて、その各記憶素子のアドルスと、その
θ情報と、から被測定物体Ｑにおける計測ラインＲの各
点の座標（ｘ、　ｙ。

Ｚ）が求められる。

なお、光切断を行うことなく高速に三次元形状計測を行
うことができる装置としては、この他に、例えば特願平
２−４６９４６及び特願平２−４６９４７で提案された
装置か挙げられる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このように被測定物体の形状を測定する
場合においては、測定光照射領域と反射測定光受光領域
とで定まる計測可能範囲に被測定物体を的確に位置させ
る必要があるが、上記従来の形状計測装置では、計測対
象となる被測定物体の位置決め、あるいは形状計測装置
自体の位置決めが簡便に行えないという課題があった。

すなわち、従来においては、上記計測可能範囲に被測定
物体が存在しているか否かの判断は、もっばら目視によ
り行われ、このため機動性のある迅速な形状計測が行え
なかった。

また、このような形状計測に係る各部材の位置決めの煩
雑化は、適正な形状データ取込みまでの時間遅延をもた
らし、このようなことから、本来の形状計−１以外の位
置決めに係る不必要な測定光照射を生じ、測定光の光源
の寿命を早めると共に、場合によっては、長時間測定光
を被測定物体に照射することに起因する被測定物体への
悪影響が危惧されていた。

従って、形状計測を行う前に、６１定対象を確認するこ
とのできる装置が要望されていた。

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたちのであり、
その目的は、計測対象を濃淡画像表示して、形状計測前
に計測対象を確認することのできる三次元形状データ取
込み装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、計測用スリット
光を偏向走査しながら照射するスリット光照射手段と、
前記スリット光の偏向角度情報を出力する偏向角度情報
出力手段と、計測対象となった物体の表面で反射された
スリット光を受け、その受光位置に前記偏向角度情報を
対応させた三次元形状情報を取り込む形状情報取込み手
段と、を含む三次元形状データ取込み装置において、計
測対象を撮像し、その計測対象の濃淡画像情報を出力す
る計測対象画像化手段と、前記濃淡画像情報を表示する
計測対象表示手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、携帯型に形成されたデータ取込み装置
本体には、少なくとも前記スリット光照射手段、前記形
状情報取込み手段、及び前記計測対象画像化手段が組み
込まれたことを特徴とする。

［作用］ 上記構成によれば、計測対象は計測対象画像化手段にて
濃淡画像に処理され、さらに計測対象表示手段にて濃淡
画像表示されることになる。

従って、例えば計測対象を常時表示させることにより、
三次元形状計測を行う前に計測対象が画像を通して確認
される。

また、データ取込み装置本体を携帯型に形成し、さらに
各構成を組み込むことにより、計測対象の表示画像を確
認しながら装置本体を移動させて所望の被測定物体にそ
の計測対象を合致させることができ、データ取込みに係
る装置本体の機動性のある簡便な位置決めが可能となる
。

［実施例］ 以下、本発明の好適な実施例を図面に基ついて説明する
。

第１図には、本発明の三次元形状計測装置の構成が示さ
れており、ここにおいて、本発明に係る三次元形状デー
タ取込み装置３０は、三次元形状解析を行う装置本体に
伝送ケーブルにより接続されている。

まず、測定光であるスリット光の照射手段について説明
する。

スリット光照射手段は、レーザ光を発生するレーザ光源
３２と、このレーザ光源３２から発射されたレーザ光を
スリット光に形成するスリット光形成レンズ３４と、こ
のスリット光形成レンズ３４を透過したレーザ光を偏向
する偏向手段であるポリゴンミラー３６とから構成され
ている。ここで、ポリゴンミラー３６は、一定容速度ω
で常時回転し、この回転によりスリット光は所定偏向角
度内で偏向走査されている。

ここで、その偏向走査に係る初期角度を検出するために
、ポリゴンミラー３６の近傍にはフォトダイオード４０
が配置されており、さらにこのフォトダイオード４０か
らの光検出信号は、θ信号発生器４２に送出されている
。

そして、このθ信号発生器４２は、送られてくる光検出
信号Ｓに基づいて、スリット光１００の偏向角度を表す
θ信号を出力している。

三次元形状データ取込み装置３０から発射されたスリッ
ト光１００は、被測定物体Ｑの表面で散乱反射され、散
乱反射された光はレンズ系Ａで集束された後、レンズ系
Ｂに導かれている。

ここで、レンズ系Ｂには、後述するように、ハーフミラ
−あるいはプリズムなどのビームスプリッタなどが用い
られている。レンズ系Ｂを透過したスリット光１１２は
、形状データ取込み部５０に入射されている。

この形状データ取込み部５０は、入射される光１１２の
うち前記スリット光の特定波長のみを透過するフィルタ
５２と、このフィルタ５２を透過したスリット光を受光
するフォトセンサ群５４と、このフォトセンサ群５４の
各フォトセンサに対応して記憶素子が設けられたθ情報
記憶素子群５６とから構成されている。

そして、前記フォトセンサ群５４は、第６図を用いて説
明したように、二次元配列型フォトセンサが用いられて
おり、スリット光１１２の受光位置を受光フォトセンサ
のアドレスから判断可能としている。

前記θ情報記憶素子群５６には、前述したθ信号発生器
４２からθ信号が入力されており、各記憶素子には、そ
のθ信号が並列的に供給され、各記憶素子は、前記ホト
センサの受光に係るトリガ信号に基づいてθ情報を格納
する。

形状データ取込み部５０にて取り込まれた被測定物体Ｑ
の三次元形状情報は、読み出されて三次元形状計測装置
本体に設けられた三次元形状解析回路６０に送られてい
る。

ここで、上述したように、この三次元形状データは、θ
情報記憶素子群５６の各素子のアドレスに前記θ情報を
対応させたものである。

そして、前記三次元形状解析回路６０では、前記各記憶
素子のアドレスｎとθ情報とを用いて被測定物体Ｑの表
面各点の座標を算出している。

次に、計測対象の濃淡画像を取り込み、さらに表示する
手段について説明する。

装置の向きで定まる計測対象の光学像は、前記レンズ系
Ａ及び前記レンズ系Ｂを介して計測対象画像化部６２に
導かれている。

つまり、計測用のスリット光１１０と同一の光学経路を
介して計測対象を撮像することが可能であり、前記形状
データ取込み部５０に結像される計測対象の像と同一の
像を濃淡画像化することが可能である。

計測対象画像化部６２は、レンズ系Ｂで分岐された一方
の光１１４のうちスリット光１００の波長以外の光のみ
を透過する光学フィルタ６４と、この光学フィルタ６４
を透過した光を受光するＣＣＤからなる撮像素子６６と
から構成されている。

つまり、前記光学フィルタ６４にて、前記スリット光が
排除されている。

撮像素子６６にて結像された測定対象の濃淡画像情報は
、読み出されて表示器６８に送出されている。

そして、表示器６８では、三次元形状データ取込み装置
３０における計測対象の濃淡画像か表示されることにな
る。

なお、本実施例の三次元形状データ取込み装置３０にお
いては、計測対象は、常時、表示器６８に表示されてい
る。

ここで、本実施例では、計測対象の濃淡画像情報２００
及び三次元形状情報２１０は、図示されていない画像合
成部に送出されており、被測定物体を三次元画像として
空間表現的に画像処理し、更に表示を行っている。

本実施例の三次元形状データ取込み装置３０は、以上の
構成からなり、以下に、装置の内部構造及び外観につい
て説明する。

第２図には、本実施例の三次元形状データ取込み装置３
０の内部構成を示す断面図が図示されている。

また、第４図には、装置を前方から見た斜視図が示され
ており、さらに第５図には、装置を後方から見た斜視図
が示されている。

第２図において、本体ケース７０の計測側前部７０Ａに
は、第１図で示したレーザ光源３２が配置されており、
また、前部７０Ａ内の下方にはポリボンミラ−３６が設
けられている。

そして、このポリゴンミラーにて反射されたスリット光
を装置３０の外部に発射させるために、本体ケース前部
７０Ａの計測側前面下方には、透明部材からなる曲面形
状の照射部７１が形成されている。

本体ケース前部７０Ａの上方には、レンズ系Ａ８０が設
けられており、被測定物体にて反射されたスリット光は
、このレンズ系Ａ８０から入射される。

本体ケース７０の上部に形成された空洞７０Ｂには、レ
ンズ系Ｂを成すハーフミラ−７４が導かれた光に対して
所定角度をもって配置されている。

そして、ハーフミラ−７４の後方には、上述した形状デ
ータ取込み部５０が配置され、さらに、ハーフミラ−７
４の下方には、測定対象画像化部６２が配置されている
。

ここで、第３図を用いて、三次元形状データ取込み装置
３０に入射される光の光路について説明する。

入射される光１２０は、レンズ系Ａ８０を透過して、レ
ンズ系Ｂを成すハーフミラ−７４に導かれている。

そして、このハーフミラ−７４により入射光は２系統に
分岐され、分けられた一方の入射光が形状データ取込み
部５０に導かれ、分けられた他方の入射光が計測対象画
像化部６２に導かれている。

すなわち、本実施例においては、このハーフミラ−７４
を用いたことにより、形状データ取込み部５０及び計測
対象画像化部６２にそれぞれ同一の計測対象の像を結像
させることが可能であり、操作者は表示器６８に表示さ
れる計測対象の濃淡画像を確認しながら、容易かつ確実
に装置の位置決めを行うことができる。

ここで、本体ケース７０の後部７０Ｃには、表示器６８
が組み込まれている。

ここで、表示器６８は、本実施例においてＬＣＤや小型
ブラウン管などから構成される。ここで、その表示器６
８の表示面は操作者が見易いように、やや上方に向けて
斜めに取り付けられている。

本体ケースの中央部７０Ｄには、スリット光照射をオン
／オフ制御するスイッチ７６が設けられている。

本実施例において、このスイッチ７６は、ピストルにお
ける引金と同様の構造を成しており、操作者が把持部７
０Ｃを把持した状態で、例えば人差指をスイッチ７６に
掛けることが可能である。

なお、第２図においては、第１図で示したその他の構成
が設けられているが、図示省略されている。

ここで、第１図で示したθ信号発生器４２は、この三次
元形状データ取込み装置内に設けることは必要とされず
、三次元形状計測装置本体内に組み込んでも良い。

また、表示器６８を本体ケース７０から分離し、伝送ケ
ーブルにより接続しても良い。

本実施例の三次元形状データ取込み装置３０は、以上の
ように携帯型に構成され、更に上記各構成が組み込まれ
たので、極めて機動性に富み、かつ表示画像を確認しな
がら正確かつ容易に被測定物体の三次元形状計測を行う
ことが可能である。

特に、三次元形状計測に係る装置の位置決めの際には、
スリット光を照射せずに、行うことができ、位置決めが
された後に、スイッチ７６を操作してスリット光を照射
して三次元形状計測が行えるので、レーザ光を長時間照
射することに起因する被測定物体への悪影響やレーザ光
源の劣化を防止しつつ、迅速な三次元形状計測を行える
という効果を有する。

なお、本実施例においては、形状データ取込み部５０に
高速処理可能なものを用いたため、このような携帯型に
しても、手振れによる影響を受けずに、精度の良い三次
元形状計測を行うことができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明に係る三次元形状データ取
込み装置によれば、測定対象を濃淡画像化して、さらに
表示させることができるので、計測対象を確認しつつ確
実な三次元形状計測を行うことができる。

また、データ取込み装置本体を携帯型に形成し、さらに
各構成を組み込むことにより、機動性のある迅速かつ容
易な三次元形状計測におけるそのデータ取込みが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る三次元形状データ取込み装置のブ
ロック図、 第２図は装置の内部構造を示す断面図、第３図は装置の
要部斜視図、 第４図は装置を前方から見た斜視図、 第５図は装置を後方から見た斜視図、 第６図は従来の三次元形状計測装置の説明図、第７図は
非接触式形状計測の原理説明図である。 ３０　・・・　三次元形状データ取込み装置３２　・・
・　レーザ光源 ３６　・・・　ポリゴンミラー ４２　・・・　θ信号発生器 ５０　・・・　形状データ取込み部 ５４　・・・　フォトセンサ群 ５６　・・・　θ情報記憶素子群 ６０　　・・・ ６２　　・・・ ６６　　・・・ ６８　　・・・ １００　　　・・・ １１０　　・・・ 三次元形状解析回路 計測対象画像化部 撮像素子（ＣＯＤ） 表示器 測定光（スリット光） 反射測定光（反射スリット光） 出願人　株式会社　キャデイツクス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）計測用スリット光を偏向走査しながら照射するス
   リット光照射手段と、 前記スリット光の偏向角度情報を出力する偏向角度情報
   出力手段と、 計測対象となった物体の表面で反射されたスリット光を
   受け、その受光位置に前記偏向角度情報を対応させた三
   次元形状情報を取り込む形状情報取込み手段と、 を含む三次元形状データ取込み装置において、計測対象
   を撮像し、その計測対象の濃淡画像情報を出力する計測
   対象画像化手段と、 前記濃淡画像情報を表示する計測対象表示手段と、 を有することを特徴とする三次元形状データ取込み装置
   。
2. （２）請求項（１）記載の三次元形状データ取込み装置
   において、 携帯型に形成されたデータ取込み装置本体には、少なく
   とも前記スリット光照射手段、前記形状情報取込み手段
   、及び前記計測対象画像化手段が組み込まれたことを特
   徴とする三次元形状データ取込み装置。