JPH04127006A - 三次元画像入力装置 - 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 本発明は二次元的な広がりを持った領域の三次元データ
を読み取る三次元画像入力装置に関するものである。

従来の技術 従来より微細な高さを計測する装置として三次元測定機
がある。この三次元測定機はＸＹ子テーブルＺ軸方向を
計測する接触子があり、被測定物をＸＹ子テーブル上載
せ接触子を接触させながらＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の変位を読
み取る構成になっている。かかる三次元測定機では広が
りを持った領域の三次元データを取得するには大変手間
がかかり、また、接触子の大きさにより、ＸＹの刻みピ
ッチの細かさに制限が発生する。また、非接触の三次元
画像入力装置として第７図に示すような光り切断法の原
理を用いた装置がある。第７図において、７０１はスポ
ット光を発するレーザ光源、７０２はスポット光をスリ
ット光に変換する振動ミラー　７０３はスリット光、７
０４は被測定物、７０６は被測定物７０４を回転させる
ターンテーブル、７０７はスリット光７０３の散乱光を
読み取るＣＣＤカメラ、７０８はＣＣＤカメラ７０７の
出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、７０
９番よ全体系を制御するスキャナ制御機構、７１０はス
リット光７０３の散乱光の像より高さ演算をする高さ演
算機構、７１１は本装置で得られる三次元データである
。かかる装置において、レーザ光Ｂ　７０１からのレー
ザスポット光は振動ミラー７０２によりスリット光７０
３に変換されて被測定物７０４に照射されており、被測
定物７０４はスリット光７０３を受けながらターンテー
ブル７０６で回転する。ＣＣＤカメラ７０７は回転中の
各シーンのスリット散乱光を回転と同期して撮像する。

この場合、１つのシーンのＣＣＤカメラ７０７の撮像は
被測定物７０４の表面の凸凹に応じてスリット散乱光の
像が凸凹に見えるＡ／Ｄ変換器７０８はＣＣＤカメラ７
０７の信号をデジタル信号に変換して高さ演算機構７０
９に渡す。

高さ演夏機ｉ　７０９ではデジタル化された画像信号を
メモリに記憶し、副走査方向毎にその輝度が最大となる
点Ｑ　（ｕ、、Ｗ、）を求め測定点の像とみなし、以下
の様にして測定点Ｐの座標値を計算する。計算が簡単に
なるようにＣＣＤカメラ７０７やスリット光７０３を第
６図に示す直交座標系に配置し、その計算方法を説明す
る。すなわち、スリット光とＣＣＤカメラの光軸の交点
を原点Ｑ（０，０１０）とし、ＸＺ平面をスリット光と
直交するよう配置する。これによりスリット光はＹＺ平
面に一致し、ＣＣＤカメラはＸＺ平面上に配置される。

測定点Ｐ（ｘ、、ｙ、、ｚ、）、ＣＣＤカメラの位置を
Ｂ（ｆ、０．２０　）　、ＣＣＤカメラからＹＺ平面へ
の垂線の交点をＡ（０，０，２０）、測定点ＰのＣＣＤ
カメラの受光面での像をＱ　（ｕａｗａ）とする、この
場合、次の計算式が成立し測定点Ｐの座標（ｘｐ、ｙ２
、ｚ、）を求めることが出来る。

このようにしてレーザスリット光の照射された被測定物
の１つの面に対する三次元データを取得し、被測定物を
ターンテーブルで回転させて各回転角毎の三次元データ
を取得し、被測定物全体の側面三次元データを取得する
。

発明が解決しようとする課題 しかし、かかる装！では被測定物にスリット光が当たら
ない面や、ＣＣＤカメラから見えない面のスリット散乱
光を撮像できないためそれらの面の三次元データの取得
が不可能である。

本発明の解決する課題は、従来の欠点を鑑み被測定物の
スリット光が当たらない面やＣＣＤカメラから見えない
面を削減しより良質の三次元データを取得することであ
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、スリット光を発生させるス
リット光源と、被測定物を移動させる移動機構と、スリ
ット光の面に直交するよう被測定物の上部に配置した上
面反射ミラーと、被措定物のスリット散乱光及び上面反
射ミラーによる被測定物のスリット散乱光の反射光を同
−措像面に撮像するカメラと、カメラからの被測定物の
スリット散乱光の像及び上面反射ミラーによる被測定物
のスリット散乱光の反射光の像の電気信号を基に距離計
算をする距離計算機構とを具備する。

作用 本発明は上記構成により、１つのスリット光に応じた被
測定物の上面及び側面の三次元データが取得でき、これ
らのデータはお互いに補関しあうため、２つのデータを
統合することでより精度の良い三次元データを取得でき
、スリット光が当たらない面やＣＣＤカメラから見えな
い面を削減した良質の三次元データの取得が可能となる
。

実施例 本発明においては従来の三次元画像入力装置に加え、被
測定物の上部にスリット光面に直交した上面反射ミラー
を配置していることを特徴としており、その概念を、第
３図、第４図、第５図を用いてまず説明する。第３図に
おいて、３０３はスリット光、３０４は上面反射ミラー
　３０５は被測定物、３０６はターンテーブル、３０７
はＣＣＤカメラである。第４図は本発明によるＣＣＤカ
メラの撮像面の撮像状態を図示し、４０５は被測定物の
実像、４０７はＣＣＤカメラの撮像面、４１２は被測定
物の虚像、４１３は実像のスリット散乱光の像、４１４
は虚像のスリット散乱光の像である。第５図（ｂ）は本
発明により得られる１つのスリット光に対応して得られ
た側面の三次元データの実施例を、第５図（ａｌは本発
明により得られる１つのスリット光に対応して得られた
上面三次元データの例を図示している。なお、第３図に
おける座標系は、ＸＺ平面がスリット光３０３と直交し
かつスリット光３０３とＣＣＤカメラ３０７の光軸の交
点を原点とする座標系とし、第３図は−Ｘ軸方向から見
た図を示している。かかる構成ではＣＣＤカメラ３０７
には第４図に示すように被測定物の像４０５及び実像の
スリット散乱光の像４１３が撮像面の下半分に、被測定
物の虚像の像４１２及び虚像のスリット散乱光の像４１
４が撮像面の上半分に結像される。これらの像の下半分
より副走査方向毎の輝度が最大となる点を求め測定点の
像と見なし、第（１）式を用いて被測定物の側面の三次
元データが取得でき、これらの像の上半分より同様に副
走査方向毎の輝度が最大となる点を求め測定点の虚像と
見なし、第（１）式を用いて被測定物の虚像の上面の三
次元データが取得できる。虚像と実像の対応は次のよう
にして得られる。すなわち、虚像の点を■、対応する実
像の点をＲ１上面反射ミラー平面の法線ベクトルをａと
する。

１ａ１′ が成立し、これにより被測定物の上面の三次元データが
取得できる。このようにして第５図（ａ）及び第５図伽
）に示すように１つのスリット光に応じた被測定物の上
面及び側面の三次元データが取得でき、これらのデータ
はお互いに補関しあうため、２つのデータを統合するこ
とでより精度の良い三次元データを取得できる。

以下に第１図を参照しながら本発明の具体的な第１の実
施例について説明する。

第１図において、１０１はスポット光を発するレーザ光
源、１０２はスポット光をスリット光に変換する振動ミ
ラー　１０３はスリット光、１０４は被測定物、１０５
は被測定物１０４の上部に配置された上面反射ミラー　
１０６は被測定物１０４を回転させるターンテーブル、
１０７はスリット光１０３の散乱光およびスリット光１
０３の散乱光の上面反射ミラー１０５による反射光を読
み取るＣＣＤカメラ、１０８はＣＣＤカメラ１０７の出
力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、１０９
は全体系を制御するスキャナ制御機構、１１０は前記デ
ジタル信号より高さ演算をする高さ演算機構、１１１は
本装置で得られる三次元データである。

かかる装置に於て、レーザ光１０１からのレーザスポッ
ト光を振動ミラー１０２によりスリット光１０３に変換
し、スリット光１０３を被測定物１０４に側面から照射
し、またスリット光１０３の上面反射ミラー１０５によ
る反射光を被測定物に上面から照射する。この場合、ス
リット光１０３と上面反射ミラー１０５によるスリット
光１０３の反射光が同一平面になるようにスリット光１
０３と上面反射ミラー１０５が直交するように配置しで
ある。ＣＣＤカメラ１０７は被測定物１０４の像及びそ
のスリット散乱光の像を撮像面の下半分に、また、被測
定物１０４の虚像及びそのスリット散乱光の上面反射ミ
ラーによる反射光の像を上半分に受像し、Ａ／Ｄ変換器
１０８を経由し、デジタル化された輝度データが高さ演
算機構１１０に送られる。スキャナ制御機構１０９では
ターンチーフルの回転とＣＣＤカメラ１０７の読み取り
と高さ演算機構１１０に於ける高さ演算が同期するよう
全体系を制御している。

高さ演算機構１１０はマイクロコンピュータとメモリと
入出力１／Ｆより構成されており、以下の手順をソフト
ウェアで実現し三次元データを取得している。すなわち
、基準座標から角度αだけ回転したときのスリット光に
対するデジタル化された輝度データは、入出力１７Ｆを
通して第４図に示すように、メモリの該当領域の上半分
に被測定物の虚像４１２及び虚像のスワン）散乱光の像
４１４として、またメモリの該当領域の下半分に被測定
物の実像４０５及び実像のスリット散乱光の像４１３と
して記憶される。これらの輝度データの下半分より副走
査方向にその輝度が最大となる点Ｑ（ｕ。

Ｗ９）を求め、この点に対応する測定点Ｐの座標（Ｘｐ
、）’ｐ、Ｚｅ　）を第（１）式より演算する。また、
これらの輝度データの上半分より同様にして虚像の測定
点Ｖ（Ｘ１１．Ｒ９，Ｚｌｌ）を演算する。

次に虚像の測定点■に対応する実像の測定点Ｒ（Ｘｒ、
　　ｙｒ、Ｚｒ　）を第（２）式を用いて演算する。

このようにして、回転角α時のスリット光に応した第５
図（ａ）、［有］）に示す被測定物の上面と側面の形状
データを得、ｚｒの値がＯまたは正の点のみを集めてΦ
とし、Φの点を次のようにして順序付けを行う。すなわ
ち、 １、ｚｒが最小の点よりｙ、が最小の点を取り出しＲ，
とじ、Ｒ，をΦより取り除き点列ψに組入れる。

２、Ｒ，、、をＲ１との距離が最小となるΦの点とし、
のＲ５゜１をΦより取り除き点列ψに組み入れる。

とし、１を最初に実行し、２を帰納法的に繰り返すこと
により回転角α時の点列ψ（Ｒ＋　、Ｒ２・・・Ｒ，）
を得る。この点列ψの各点Ｒ４の座標は回転変換マトリ
ックスＴ により Ｒ２・Ｔ　　　　　　　　　　　・・・式（３）を演算
して基準座標に対する被測定物の回転角αの表面の三次
元データとする０本実施例ではスキャナ制御機構１０９
及び高さ演算機構１１０によりタンテーブル１０６の回
転に同期して上記演算を行うため、各回転角毎の被測定
物の三次元データを得、最終的に被測定物の全体の三次
元データを得ている。

また、第２図を参照しながら本発明の第２の実施例につ
いて説明する。

第２図において、２０１はスボント光を発するレーザ光
源、２０２はスポ・ノド光をスリット光に変換する振動
ミラー、２０３はスリット光、２０４は被測定物、２０
５は被測定物２０４の上部に移動させる一軸搬送装置、
２０７はスリット光２０３の散乱光およびスリット光２
０３の散乱光の上面反射ミラー２０５による反射光を読
み取るＣＣＤカメラ、２０８はＣＣＤカメラ２０７の出
力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、２０９
は全体系を制御するスキャナ制御機構、２１０は前記デ
ジタル信号より高さ演算をする高さ演算機構、２１１は
本装置で得られる三次元データである。

かかる装置に於て、レーザ光２０１からのレーザスポッ
トは振動ミラー２０２によりスリット光２０３に変換し
、スリット光２０３を被測定物２０４に側面から照射し
、また、スリット光２０３の上面反射ミラー２０５によ
る反射光を被測定物に上面から照射する。この場合、ス
リット光２０３と上面反射ミラー２０５によるスリット
光２０３の反射光が同一平面になるようにスリット光２
０３と上面反射ミラー２０５が直交するように配置しで
ある。ＣＣＤカメラ２０７は被測定物２０４の像及びそ
のスリット散乱光の像を撮像面の下半分に、また、被測
定物２０４の虚像及びそのスリット散乱光の上面反射ミ
ラーによる反射光の像を上半分に受像し、Ａ／Ｄ変換器
２０８を経由し、デジタル化された輝度データが高さ演
算機構２１０に送られる。スキャナ制御機構２０９では
一軸搬送装置の移動とＣＣＤカメラ２０７の読み取りと
高さ演算機構２１０に於ける高さ演算が同期するよう全
体系を制御している。

高さ演算機構２１０はマイクロコンピュータとメモリと
入出力１／Ｆより構成されており、以下の手順をソフト
ウェアで実現し三次元データを取得している。すなわち
、基準座標からｄだけ移動したときのスリット光に対す
るデジタル化された輝度データは、入出力１７Ｆを通し
て第４図に示すように、メモリの該当領域の上半分に被
測定物の虚像４１２及び虚像のスリット散乱光の像４１
４として、またメモリの該当領域の下半分に被測定物の
実像４０５及び実像のスリット散乱光の像４１３として
記憶される。これらの輝度データの下半分より副走査方
向にその輝度が最大となる点Ｑ（ｕ。

ＷＱ）を求め、この点に対応する測定点Ｐの座標（ｘｐ
　、ｙｐ　、Ｚｐ　）を第（１）式より演算する。また
、これらの輝度データの上半分より同様にして虚像の測
定点Ｖ（ｘｖ、７９．Ｚｗ）を演算する。

次に虚像の測定点■に対応する実像の測定点Ｒ（Ｘｒ　
、ｙｒ　、　　Ｚｒ　）を第（２）式を用いて演算する
。

このようにして、移動時６時のスリット光に応した第５
図（司、［有］）に示す被測定物の上面と側面の形状デ
ータを得、Φとし、Φの点を次のようにして順序付けを
行う、すなわち、 １、Φ中のｚｒが最小の点Ｒ１とし、Ｒ，をΦより取り
除き点列ψに組入れる。

２、Ｒ１゜１をＲ８との距離が最小となるΦの点とし、
のＲ８，１をΦより取り除き点列φに組み入れる。

とし、１を最初に実行し、２を帰納法的に繰り返すこと
により点列ψ（Ｒ，、Ｒ，・・・Ｒ，）を得て、これを
基準座標よりｄだけ移動した被測定物の表面の三次元デ
ータとする０本実施例ではスキャナ制御機構２０９及び
高さ演算機構２１０により一軸搬送装置２０６の移動に
同期して上記演算を行うため、各移動量毎の被測定物の
三次元データを得、最終的に被測定物の上面及び側面の
三次元データを得ている。

以上のごとく、２つの実施例で取得する三次元データは
、第５図（ａ）、（ｂ）等からも解るように被測定物の
上面及び側面の三次元データを得ているため、従来の三
次元画像入力装置に比して良質のデータが得られている
。

発明の効果 ・以上述べたごとく、本発明はスリット光を発生させる
スリット光源と、被測定物を移動させる移動機構と、ス
リット光の面に直交するよう被測定物の上面に配置した
上面反射ミラーと、被測定物のスリット散乱光及び上面
反射ミラーによる被測定物のスリット散乱光の反射光を
同一撮像面に撮像するカメラと、カメラからの被測定物
のスリット散乱光の像及び上面反射ミラーによる被測定
物のスリット散乱光の反射光の像の電気信号を基に距離
計算をする距離計算機構を具備することにより、スリッ
ト光が当たらない面やＣＣＤカメラから見えない面を削
減した良質の三次元データの取得が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における三次元画像入力
装置のブロック結線図、第２図は本発明の第２の実施例
における三次元画像入力装置のブロック結線図、第３図
は本発明の概念における被測定物と上面反射ミラーと被
測定物の虚像の関連図、第４図は同概念のＣＣＤカメラ
の撮像状態図、第５図（ａ）は同概念の被測定物の上面
の三次元データを示す図、第５図（ｂ）は同概念の被測
定物の側面の三次元データを示す図、第６図は従来の高
さデータ取得の原理図、第７図は従来の三次元画像入力
装置のブロック結線図である。 １０１・・・・・・レーザ光源、１０２・・・・・・振
動ミラー、１０３・・・・・・スリット光、１０４・・
・被測定物、１０５・・・・・・上面反射ミラー　１０
６・・・・・・ターンテーブル、１０７・・・・・・Ｃ
ＣＤカメラ、１０８・・・・・・Ａ／Ｄ変換器、１０９
・・・・・・スキャナ制御機構、１１０・・・・・・高
さ演算機構、１１１・・・・・・三次元データ。 代理人の氏名　弁理士　小鍜治　明　ばか２名第 図 第 図 （Ｑ） ■ と

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）スリット光を発生させるスリット光源と、被測定
   物を移動させる移動機構と、前記スリット光の面に直交
   するよう前記被測定物の上部に配置した上面反射ミラー
   と、前記被測定物のスリット散乱光及び前記上面反射ミ
   ラーによる前記被測定物のスリット散乱光の反射光を同
   一撮像面に撮像するカメラと、そのカメラからの前記被
   測定物のスリット散乱光の像及び前記上面反射ミラーに
   よる被測定物のスリット散乱光の反射光の像の電気信号
   を基に距離計算をする距離計算機構を具備することを特
   徴すとる三次元画像入力装置。
2. （２）被測定物を移動させる移動機構は、ターンテーブ
   ルを用いて行うことを特徴とする請求項１記載の三次元
   画像入力装置。
3. （３）被測定物を移動させる移動機構は、一軸搬送装置
   を用いて行うことを特徴とする請求項１記載の三次元画
   像入力装置。