JPH0571882B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は人体等の被測定物の三次元形状を計測
するための三次元形状計測装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

被測定物の三次元形状を計測する従来技術とし
て、ステレオ写真法、モアレトポグラフイ法およ
び光切断法などがある。

上記の従来技術のうち、ステレオ写真法および
モアレトポグラフイによれば、測定時間が短かく
することができる長所がある。しかしながら、三
次元座標系へのデータ変換に多大の時間と労力が
必要になるだけでなく、高精度の絶対位置を得る
のが難しくなるという欠点があつた。

これに対して光切断法によれば、複数のテレビ
カメラとレーザ光を用いることによい、比較的精
度の高い計測が可能になるという長所がある。し
かしながら、ビデオ信号を白と黒とレベルに２値
化する際に、被測定物の反射率に合わせてスレツ
シヨルドレベルを設定しなければならず、この作
業が煩雑である。また、光源との関係で、被測定
物が人体であるときには安全性の点がら保護メガ
ネを着用することが必要になり、また被測定物を
長時間にわたつて静止させなければなりない短所
があつた。

そこで本出人者は、被測定物の静止を短い時間
だけ保つことにより測定を可能とし、また被測定
物に応じた調整を不要とし、さらに被測定物が人
体などであるときにも高い安全性を維持すること
のできる装置として、先に三次元形状計測装置
（未公開）を出願した（特願昭62−192372号）。

この特許出願に係る三次元形状計測装置は、第
６図のようになつている。図示の通り、この装置
は、所定の軸（ｚ方向の軸）に垂直な平面（ｘ−
ｙ平面）に配設された距離計測リング１２と、光
源および半導体位置検出器をそれぞれ含み、所定
の軸まで距離がほぼ同一となるように距離計測リ
ング１２の内側面に取り付けられた複数の検出ヘ
ツド１１と、距離計測リング１２を所定の軸方向
に案内する３本のガイドロツド５１と、距離計測
リング１２をガイドロツド５１に沿つて移動させ
る駆動機構（図示せず）と、複数の検出ヘツド１
１のそれぞれからの検出信号にもとづいて被測定
物２３までの距離をそれぞれ算出し、当該被測定
物の三次元形状を計測する計測手段（図示せず）
とを備える。

この構成によれば、距離計測リング１２の内側
面に設けられた複数の検出ヘツド１１は、被測定
物２３までの距離い対応する検出信号をそれぞれ
出力する。そして、この検出ヘツド１１はガイド
ロツド５１に沿つて距離計測リング１２と共に移
動するので、被測定物２３の三次元形状に応じた
検出信号が得られることになり、従つてこの検出
信号にもとづいて三次元形状が計測されることに
なる。

しかしながら、上記の三次元形状計測装置にお
いては、距離計測リング１２の移動速度は移動開
始の時と停止前において等速度でなく、第７図の
如くなる。同図において、駆動モータ（図示せ
ず）の駆動力に対して距離計測リング１２の重量
が大きいほど、時間t₀〜t₁およびt₂〜t₃が長くな
る。ところが、前出の特許出願の如く、測距動作
を一定周期で実行させると、ｚ軸方向における測
定点の間隔が時間t₀〜t₁およびt₂〜t₃の間で狭く
なり、t₁〜t₂の間で一定となる。すなわち、ｚ軸
方向の測定点の間隔を一定に保つた計測をするた
めには、測定範囲を時間t₁〜t₂の時間のみに制限
しなければならないという欠点があつた。

そこで本発明は、距離計測リングの移動速度が
一定でなくても、設定された範囲で正確に三次元
形状を計測することができる三次元形状計測装置
を提供すること目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る三次元形状計測装置は、所定の軸
に垂直な平面に配設され、所定の軸上もしくはそ
の近傍の被測定物までの距離検出用の複数の検出
ヘツドが内側面に取り付けられた距離計測リング
と、距離計測リングを所定の軸方向に案内するガ
イド部材と、距離計測リングをガイド部材に沿つ
て移動させる駆動機構と、距離計測リングの所定
の軸方向の位置を検出する位置検出手段と、この
位置検出手段の出力信号にもとづき複数の検出ヘ
ツドの検出信号が所定の軸方向に所定間隔（例え
ば、ほぼ一定間隔）で出力されるように測距動作
のタイミングを制御するタイミング制御手段と、
複数の検出ヘツドのそれぞれからの検出信号にも
とづいて被測定物までの距離をそれぞれ算出し、
当該被測定物の三次元形状を計測する計測手段と
を備えることを特徴とする。

〔作用〕

本発明によれば、距離計測リングの位置が検出
され、この検出位置にもとづいて検出ヘツドの測
距動作のタイミングが定められ、従つて、距離計
測リングの移動速度にかかわりなく、所定の軸方
向に所定間隔で検出ヘツドから検出信号が得られ
る。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳
細に説明する。なお、図面の説明において同一の
要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略
する。

第１図は本発明の一実施例に係る三次元形状計
測装置の要部の側面図であり、第２図はその基本
構成を示すブロツク図である。図示の通り、本実
施例は被測定物３３を囲むように配設された距離
計測リング１２を有し、このリングの内側面には
複数の検出ヘツド（距離検出用ヘツド）１１₁〜
１１ｎが配設されている。そして、この検出ヘツ
ドからの検出信号に対して後述の演算処理を行な
うことにより、被測定物の三次元形状を求めるも
のである。

この検出ヘツドとしては、従来から公知の距離
検出装置を用いることができ、また本出願人が昭
和62年６月19日付で特許出願（特願昭62−152881
号）した距離検出装置なども用いることができ、
本発明はこれらの三次元形状を計測に応用したも
のである。そこで、具体的に実施例の説明に先立
つて、上記の距離検出装置について、第８図ない
し第１３図を参照して説明する。

第８図は従来から公知の一般的な半導体位置検
出器の構成図であり、第９図は第８図の半導体位
置検出器を用いた一般的な距離検出装置の構成図
である。第９図に示されるように、距離検出装置
は光源１、投光レンズ２、受光レンズ３および半
導体位置検出器４を有し、被測定物５までの距離
を半導体位置検出器４上の光点位置SPから求め
られるようになつている。そこで、まず半導体位
置検出器４の構成と作用について説明する。

第８図において、半導体位置検出器４はN⁺型
半導体層４１と、高抵抗のＮ型半導体層４２と、
抵抗率が均一なＰ型半導体層４３とが順次に積層
されて形成されている。Ｎ型半導体層４２および
Ｐ型半導体層４３はフオートダイオードを構成し
ており、N⁺型半導体４１にはフオトダイオード
に逆バイアスの電圧を印加するための共通電極４
４が設けられている。また、Ｐ型半導体層４３の
両端部には一対の電極４５，４６が設けられてい
る。この半導体位置検出器４の共通電極４４に所
定の電圧を印加し、第８図中の位置SPNのとこ
ろに光点として光が入射したとすると、位置SP
の下方のＰ型半導体層４３とＮ型半導体層４２と
のPN接合部には電子−正孔対が生じ、これによ
り光点の入射エネルギーに比例した光電流I₀が共
通電極４４からＰ型半導体４３に向つて流れる。

ところで、第８図に示すように、電極４５，４
６間の距離をＣとし、その間のＰ型半導体層４３
の抵抗をR_Cとし、さらに光点入射位置SPと電極
４６との間の距離をＸとし、その間のＰ型半導体
層４３の抵抗をR_Xとすれば、光電流I₀は光点入射
位置SPのところで、Ｐ型半導体層４３の有する
抵抗によつて分割される。すなわち、電極４５へ
の電流I_Aおよび電極４６への電流I_Bは、電極４５
と光点入射位置SPとの間のＰ型半導体層４３の
抵抗（R_C−R_X）と、電極４６と光点入射位置SP
との間のＰ型半導体装置４３の抵抗R_X′のそれぞ
れに反比例するように分割され、 I_A＝I₀・［R_X／R_C］ I_B＝I₀・［（R_C−R_X）／R_C］ …(1) のようになる。

前述のように、Ｐ型半導体層４３の抵抗率は均
一に分布しているので、抵抗R_X、R_Cは距離Ｘ、
Ｃにそれぞれ同じ比例定数で比例する。従つて、
上記(1)式は I_A＝I₀・Ｘ／Ｃ I_B＝I₀・［（Ｃ−Ｘ）／Ｃ］ …(2) のように表現される、上記(2)式からわかるよう
に、電流I_A、I_Bを電極４５，４６から取出し、所
定の演算回路（図示せず。）において所定のアナ
ログ演算処理を施すことで、電極４６から光点入
射位置SPまでの距離Ｘを求めることができる。

次に、第９図を参照して一般的な距離検出装置
の構成と作用を説明する。

同図において、距離検出装置は被測定物５を参
照するための光を出力する光源１と、光源１で出
力された光を被測定物５にう集光させる投光レン
ズ２と、被測定物５で反射された光を集光させる
受光レンズ３と、受光レンズ３により集光された
反射光が光点として入射し、その光点入射位置
SPを検出する前述の半導体位置検出器４とから
構成されている。ここで、光源１は発光ダイオー
ドあるいは半導体レーザからなつている。また、
受光レンズ３は投光レンズ２に対して基線長Ｂだ
け間隔をあけて配置されており、半導体位置検出
器４は受光レンズ３に対して焦点距離ｆだけ間隔
をあけて配置されている。なお、受光レンズ３の
光軸Ａは半導体位置検出器４の電極４６と整合し
ておらず、電極４６から距離X₀だけ間隔をあけ
ているとする。

第９図の距離検出装置において、被測定物５が
投光レンズ２から距離Ｌのところに位置し、この
とき受光レンズ３からの光点が半導体位置検出器
４の位置SPのところ（電極４６から距離Ｘのと
ころ）に入射したとすると、距離Ｘは第９図に基
づき、被測定物５までの距離Ｌに対して Ｘ−X₀＝X₁＝ｆ・Ｂ／Ｌ …(3) として求められる。従つて、前述の(2)式の電流
I_A、I_Bに所定のアナログ演算処理を施して距離Ｘ
が求まるので、上記(3)式を用いて被測定物５まで
の距離Ｌを検出することができる。

すなわち、電流I_A、I_Bを （I_A−I_B）／（I_A＋I_B）＝１−2X／Ｃ …(4) のように割り算の演算処理を行なうことにより、
前述の距離Ｘを求める。そして、前述の(3)式と(4)
式から距離Ｘを消去すると、 （I_A−I_B）／（I_A＋I_B） ＝１−2X₀／Ｃ−2f・Ｂ／（Ｃ・Ｌ） …(5) の関係が得られるので、電流演算値（I_A−I_B）／
（I_A＋I_B）は被測定物５までの距離Ｌに反比例し
ていることがわかり、従つて間接的に距離Ｌを求
めることができる。

一方、前述の昭和62年６月19日付の特許出願に
示される方式よれば、より簡単な構成で広い範囲
の距離検出が可能になる。

第１０図は当該出願に係る距離検出装置の基本
構成図である。図示の通り、距離検出装置は光源
１と、この発光光束を集光す投光レンズ２と、こ
の投光レンズ２に対して基線長Ｂだけ隔てて配置
された受光レンズ３と、受光レンズ３からの光を
受ける半導体位置検出器４と、この半導体位置検
出器４からの光電流を受けて後述の演算を行なう
演算回路２０により構成される。そして、演算回
路２０は分割された電流I_A、I_Bを電圧信号V_A、
V_Bに変換するＩ／Ｖ変換器２１Ａ、２１Ｂと、
電圧信号V_A、V_Bを加算する加算器２２と、電圧
信号V_Aと電圧信号の和V_A＋V_Bの割り算を行なう
アナログ割算器２３を有している。

上記の構成によれば、演算回路２０の出力
（V_A＋V_B）／V_Aは（I_A＋I_B）／I_Aに比例し、かつ
（I_A＋I_B）／I_Aは後述の如く第９図中のＣ，ｆ，
Ｂ，L_Fにより定まる数値を比例定数とする距離
Ｌい等しくなるので、被測定物５まで距離Ｌを簡
単に求めることが可能である。そこで、距離検出
の原理から、第１０図の距離検出装置の構成と作
用を、順次に説明する。

第１１図は測距範囲をL_NからL_Fに設定した時
の距離検出用光学系を示す図である。光源１の発
光光束を投光レンズ２によつて集光し、被測定物
５を照射する。被測定物５からの反射光は投光レ
ンズ２に対して基線長Ｂだけ隔てて配置された受
光レンズ３により集光される。半導体位置検出器
４は受光レンズ３からの距離ｆの集光位置（光点
位置）に配置されている。

ここで、測距範囲内の最至近距離および最遠距
離をそれぞれL_NおよびL_Fとし、被測定物５まで
の距離をＬとする。また、受光レンズ３の光軸か
ら半導体位置検出器４の受光部の一方の端までと
距離をX_Fとし、被測定物５からの反射光が受光
レンズ３によつて集光させる光点SPの位置から
受光レンズ３の光軸までの距離をＸとし、光点
SPの位置から半導体位置検出器４の受光部の一
方の端までの距離をX₁とし、半導体位置検出器
４の受光部の長さ（一対の電極の間隔）をＣとす
ると、それぞれ以下の関係式が成り立つ。

X_F＝ｆ・Ｂ／L_F …(6) Ｘ＝ｆ・Ｂ／Ｌ …(7) X₁＝Ｘ−X_F＝ｆ・Ｂ・（１／Ｌ−１／L_F） …(8) Ｃ＝ｆ・Ｂ・（１／L_N−１／L_F） …(9) 第１２図は半導体位置検出器４の一方の電極に
抵抗R_XFを付加させた図である。電極４６から光
点入射位置SPまで距離X₁とし、この部分のＰ型
半導体層の抵抗をR_X1とし、半導位置検出器４の
受光部の長さをＣとし、この抵抗をR_Cとし、光
点入射位置で発生した電流をI_Oとする。また、付
加抵抗をR_XFを第１１図に示すX_Fに対応させる
と、この値は下記の(10)式の関係になる。

R_XF＝R_C・X_F／Ｃ＝R_C・ｆ・Ｂ／Ｃ・L_F ……(10) ここで電極４５，４６から取出される電流をそ
れぞれI_A、I_Bとする時には、その値は下記の(11)式
及び(12)式より求めることができる。

I_A＝I_O・（R_X1＋R_XF／R_C＋R_XF） ……(11) I_B＝I_O・（R_C＋R_X1／R_C＋R_XF） ……(12) そこで、第１０図の演算回路２０のアナログ割
算部にて(13)式の演算を実行させると、下記(13)式の
ようになる。

I_A＋I_B／I_A＝R_C＋R_XF／R_X1＋R_XF＝Ｃ＋X_F／X₁＋X_F
……(13) ここで、(8)式よりＸ＝X₁＋X_Fであるから、こ
れを(13)式に代入すると、次の(14)式を得ることがで
きる。

I_A＋I_B／I_A＝Ｃ＋X_F／Ｘ ＝Ｃ＋X_F／ｆ・Ｂ・Ｌ＝（Ｃ／ｆ・Ｂ＋１／L_F）・Ｌ
……(14) (14)式の右辺のカツコ内は全て定数となるので、
アナログ割算部の出力は被測定物５までの距離Ｌ
に比例していることがわかる。従つて、任意の測
定範囲に対して(10)式で示す付加抵抗R_XFの値を決
定すれば、(14)式で示すアナログ割算部の出力値は
被測定物５までの距離Ｌに比例していることがわ
かる。

本発明に係る三次元形状計測装置は、以上のよ
うに構成される距離検出装置を検出ヘツドに用い
る。そこで、以上の説明を前提にして、第１図お
よび第２図により本発明の一実施例の構成を説明
する。

第１図に示す通り、実施例の三次元計測装置で
は、計測時の外乱光の影響を除去するために、装
置の外側は遮光用カーテン１０８で囲まれてい
る。被検者（被測定物）３３は距離計測リング１
２の中心位置（前述の所定の軸の位置）に立つて
ハンドル１０５に掴まり、一定時間静止状態を保
つことができる。

支持台１０１に取付けられた駆動モータ３２を
回転させると、ボールネジとなつている駆動シヤ
フト１０２が回転し、キヤリアーボツクス１０３
が上下に移動する。距離計測リング１２は６個の
滑車１０７と駆動ワイヤ１０６を介してキヤリア
ーボツクス１０３に連結されている。この構成に
よれば、キヤリアーボツクス１０３が上方から10
cm下降すると、距離計測リング１２はガイド部材
（ガイドロツド５１）に沿つて20cm上昇すること
になる。

また、駆動シヤフト１０２には位置検出器とし
てのロータリーエンコーダ１０４が取付けられて
おり、この出力パルスを用いて距離計測リング１
２に取付けられた複数の距離検出器（検出ヘツ
ド）の測距動作のタイミングを制御すると共に、
距離計測リング１２の高さを検出するようになつ
ている。

第２図に示すように、ｎ個の検出ヘツド１１₁，
１１₂，……，１１_oは円環状の距離計測リング１
２の内側面に固設される。そして、各検出ヘツド
１１₁，１１₂，……，１１_oは、赤外線LEDの如
き光源と、光源からの光を距離計測リング１２の
中央に配置された被測定物３３の表面に入射する
投光レンズと、被測定物３３からの反射光を集光
する受光レンズと、受光レンズからの光を光点と
して入射する半導体位置検出器とを備えている。
そして半導体位置検出器に流れる光電流が、検出
信号としてアナログマルチプレクサ１３を介して
出力される。次に、検出信号は信号処理回路１４
に送られ、その結果がＡ／Ｄコンバータ１５を介
してメモリ１６に記憶され、Ｉ／Ｏインターフエ
ース回路１７を介してコンピユータ１８に送ら
れ、表示装置１９で三次元表示されるようになつ
ている。

一方、距離計測リング１２はガイドロツド５１
に取り付けられ、これに沿つてリング１２の軸方
向に移動可能になつている。このため、システム
シーケンスコントローラ３０およびモータ駆動回
路３１によりモータ３２が作動させられると、距
離計測リング１２は第２図の紙面に垂直な軸方向
（距離計測リング１２の軸に平行な方向）に移動
を行なう。さらに、第１図にも示したロータリー
エンコーダ１０４は、システムシーケンスコント
ローラ３０に接続され、従つて距離計測リング１
２のＺ軸方向の位置に応じた信号がコントローラ
３０に与えられるようにつている。

次に、上記実施例に係る三次元形状計測装置の
動作を説明する。

前述の通り、駆動モータ３２により駆動シヤフ
ト１０２は回転させられ、これにより距離計測リ
ング１２は同図の紙面に垂直方向（紙面をＸ−Ｙ
平面に指定した時のＺ軸方向）に移動することが
できる機構になつている。距離計測リング１２は
前もつて計測スタート位置に設定されており、シ
ステムシーケンスコントローラ３０からの計測ス
タート信号により、Ｚ軸方向の移動を開始する。

距離計測リング１２が移動するときには駆動シ
ヤフト１０２は回転しており、従つてロータリー
エンコーダ１０４からは移動量に応じた数のパル
スが出力される。そこで、システムシーケンスコ
ントローラ３０は上記パルスの数をカウントし、
あらかじめ設定した所定値になつたところでアナ
ログマルチプレクサ１３に測距指令を出力する。
そして、アナログマルチプレクサ１３により距離
検出ヘツド１１₁の信号ラインがONになる。

次に、距離検出ヘツド１１₁の光源をパルス点
燈させ、投光レンズにより被測定物３３の表面上
に集光させる。被測定物３３の表面で反射された
光束は、受光レンズにより半導体位置検出器の受
光面上に集光される。そして、この半導体位置検
出器から得られる信号電流（検出信号）は、電流
−電圧変換後にアナログマルチプレクサ１３を介
して信号処理回路１４に送られる。

信号処理回路１４では外乱光のノイズ成分が重
畳された信号のうち、ノイズを除いた成分のみが
抜き取られる。このノイズの除去は、例えば第１
３図に示すように信号処理により行なうことがで
きる。同図において、タイミングφ₀は光源がパ
ルス点燈するタイミングであり、V_A、V_A＋V_Bそ
れぞれ半導体位置検出器の電極から得られる光電
流に対応した検出信号（電圧信号）である。この
ような状態において、タイミングφ₁で信号のサ
ンプリングを行なうと、サンプリングされた信号
にはノイズのみが含まれる。また、タイミング
φ₂でサンプリングを行なうと、サンプリングさ
れた信号にはノイズ成分と信号成分とが含まれ
る。そこで、タイミングφ₂でサンプリングされ
た信号からタイミングφ₁でサンプリングされた
信号を引くと、ノイズを含まない信号成分のみを
抽出できる。

次に、信号処理回路１４中のアナログ割算器に
より、演算されたアナログ出力が得られる。この
アナログ出力は距離検出ヘツド１１から被測定部
３３の表面の照射位置までの距離に対応している
このアナログ出力はＡ／Ｄコンバータ１５により
デジタル信号に変換され、一時的に記憶しておく
ためのメモリ１６に記憶される。

以上述べた測距動作が、距離検出ヘツド１１₁
に関するものであるが、同様の動作を距離検出ヘ
ツド１１₂，１１₃，……，１１_oで時系列に実行
して行く。そして、ｎ番目の距離検出ヘツド１１
_ｏによる測距動作が完了すると、被測定物３３を
一周した測定が完了する。この計測時点において
距離計測リング１２はＺ軸方向に移動しており、
第１周目の計測の開始時点においてリセツトされ
たシステムシーケンスコントローラ３０のカウン
ト値（ロータリーエンコーダ１０４の出力パルス
のカウント値）が再び前述の所定値になつたら、
同様にして第２周目の計測が実行される。以下、
同様の計測が繰り返され、計測完了するまでの全
てのデータが一時記憶のためのメモリ１６に格納
される。

計測完了の後には、メモリ１６に格納された距
離データはＩ／Ｏインターフエース回路１７を介
してコンピユータ１８の主記憶メモリに転送さ
れ、Ｘ、Ｙ、Ｚの三次元座標の数値データに変換
される。この変換されたデータは被測定物３３の
三次元形状のためのデータであり、表示装置１９
にグラフイツク表示するために、任意に設定され
たビユーポイントに対する表示が可能なデータに
変換され、被測定物３３の三次元形状が表示装置
１９によつて表示される。

次に、上記の実施例に係る三次元形状計測装置
を、人体の三次元形状の計測に応用した例を説明
する。第３図は計測動作を説明するためのタイム
チヤートである。

この応用例では、第１図の装置において、内径
が1200mmの距離計測リング１２の内側面には、
180個の検出ヘツド１１₁〜１１₁₈₀が組み込まれ
ている。距離計測リング１２は少なくとも１本の
ガイドロツド５１に摺動自在に取り付けられ、駆
動モータ３２により第３図ａに示す速度でｚ軸方
向に移動する。すなわち、時点t_Sで移動を開始し
た後は時点t₁まで一定加速度で加速され、時点t₁
からt₂までの間は0.5ｍ／秒の等速度となる。そ
して、時点t₂になると一定加速度で減速され、時
点t_tで停止する。

このとき、ロータリーエンコーダ１０４からは
第３図ｂのようなパルスが出力され、システムシ
ーケンスコントローラ３０に内蔵されたカウンタ
（図示せず）に与えられる。このカウンタのカウ
ント値が“０”から“８”までカウントアツプさ
れたときに、システムシーケンスコントローラ３
０から測距タイミング信号が出力されるとする
と、この信号出力時点は第３ｃのt₃，t₄，t₅，t₆，
t₇となる。このとき、距離計測リング１２のｚ軸
方向位置は第３図ｃのz₃，z₄，z₅，z₆，z₇となり、
これらは等間隔である。

第３図の時点t_Sにおいて計測スタート信号が入
力されると、第２図に示すシステムシーケンスコ
ントローラ３０が動作を開始し、距離計測リング
１２があらかじめ設定された上部スタート位置z_s
（第３図ｃ図示）より動き出し、同時にロータリ
ーエンコーダ１０４からパルス（第３図ｂ図示）
が出力される。上記パルスのカウント値が時点t₃
で“８”になつたとき、システムシーケンスコン
トローラ３０は測距タイミングパルスを出力し、
これによつてアナログマルチプレクサは具体的な
測距を行なう。同時に、上記カウンタはリセツト
され、再びロータリーエンコーダ１０４の出力パ
ルスのカウントを開始する。そして、時点t₄でス
カウント値が“８”になつたら、再び上記の動作
を繰り返す。しかる後、100ミリ秒以内に移動速
度が0.5ｍ／ｓの等速度になり安定するが、上記
の動作は等速期間中も継続し、減速時間中も同様
に継続する。

第４図はこの具体例を計測動作において、等速
期間中の各信号のタイミングを示す図である。第
４図において、計測スタート信号が起動された後
の100ミリ秒は、前述の移動速度が一定になるま
での時間である。この時間および減速の際の100
ミリ秒は、前出の特願昭62−192372号においては
計測のために用いることができなかつた。しか
し、本発明は上記のように作用するので、この期
間をも計測期間とすることができる。

各距離検出ヘツド１１内の半導体位置検出器か
ら得られる光電流には、信号電流（I_AおよびI_B）
以外に、外乱光による光電流（I_o）が重畳されて
いる。それ故、Ｉ−Ｖ変換後に信号成分のみを抜
き取る必要があり、これ実行するのが第２図中に
示す信号処理回路１４内のパルス信号抜取回路
（図示せず）である。パルス信号抜取回路は２個
のサンプルアンドホールド回路と１つの作動オペ
アンプで構成されており、一方のサンプルホール
ド回路（Ｓ／H₁）でパルス点燈する直前の電圧
レベルを第４図に示す信号波形φ_1-1〜φ_180-1のタ
イミングでサンプルしてホールドし、もう一方の
サンプルアンドホールド回路（Ｓ／H₂）でパル
ス点燈時の電圧レベルを、信号波形φ_1-2〜φ_180-2
のタイミングでサンプルホールドする。これら２
つのサンプリングアンドホールド回路（Ｓ／H₁、
Ｓ／H₂）の出力は、差動オペアンプによつてそ
の差分（V_S/H2−V_S/H1）が演算され、信号成分
（V_A、V_B）のみが抜き取られる。なお、このノイ
ズ除去の原理については、第１３図を参照してす
でに説明した。

次に、信号成分の演算として（V_A＋V_B）／
V_A）、（V_A＋V_B）／V_Bあるいは（V_A−V_B）／
（V_A＋V_A）などを実行する。このようにすれば、
先に説明したようにいずれの演算であつても、出
力特性上の差異はあるが、距離に対応したアナロ
グ出力が得られる。アナログ出力は第２図に示す
Ａ／Ｄコンバータ１５によりデジタル信号に変換
され、第４図に示す信号波形Ａ／D₁〜Ａ／D₁₈₀
のタイミングで一時記憶用のメモリ１６に格納さ
れる。各距離検出ヘツド１１₁の測距動作は50マ
イクロ秒以内に完了し、次の測距動作に移る。

距離計測リング１２における一周期の計測時間
は約９ミリ秒であり、身長170cmの披検者３３の
全身の計測に要する時間は、等速期間のみについ
て考えると次のようになる。

一周期の計測動作時間（９ミリ秒）に移動す
る距離計測リングの距離 500〔mm／ｓ〕×0.009〔ｓ〕＝4.5mm ……（21） 被検者全身の計測に必要な周期回数 1700〔mm〕÷4.5〔mm〕＝378回 ……（22） 計測時間 ９〔ms〕×378〔回〕＝3.4〔ｓ〕 ……（23） 以上の結果より、被検者が一定の姿勢で3.4秒
間静止状態を保つことは容易であり、計測精度を
向上させることが可能であることがわかる。ここ
で、ある距離検出ヘツドを基準に設定し、それぞ
れの番号をＮ計測時の周期番号をＴとし、各距離
データをＬ（Ｔ、Ｎ）の形で表わすと、この具体
例ではそれぞれの番号の最大値がＮ＝180、Ｔ＝
378で、一時記憶メモリ１６に格納される距離デ
ータは第５図に示すデータ構成となる。

コンピユータ１８において第５図に示す距離デ
ータによりＸ、Ｙ、Ｚ三次元座標系に変換するに
は、以下の方式を用いる。すなわち、Ｘ−Ｙ平面
の原点は距離計測リング１２の内径中心に一致さ
せ、またこの内径の半径をＲとし、Ｚ軸の原点は
Ｌ（１、１）の測定位置に選ぶと次の関係式が成
り立つ。

Ｘ（Ｔ、Ｎ）＝｛Ｒ−Ｌ（Ｔ、Ｎ）｝COSθ_N
……（24） Ｙ（Ｔ、Ｎ）＝｛Ｒ−Ｌ（Ｔ、Ｎ）｝SINθ_N
……（25） Ｚ（Ｔ、Ｎ）＝4.5×（Ｔ−１） ＋4.5×（Ｎ−１）／180 ……（26） 但し、 θ_N＝２（度）×Ｎ ……（27） 上記の方式によつて得られる被検者の三次元形
状データに対して、任意の観察をするための視点
を設定し、二次元表示用演算を実行することによ
り、表示装置１９で任意の角度から見た時の形状
を表示することができる。またこの具体例におい
ては、安全確保のために、計測スタートおよび停
止の制御が被検者とオペレータとの両方から実行
可能になつている。

本発明は上記の実施例に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。

例えば、検出ヘツドの具体的な構成について
は、被測定物からの光を光点として入射し、その
光電流を検出信号として出力するものであれば、
種々の構成とすることができる。また、距離計測
リングの具体的な構成についても、図示されるも
のに限らない。さらに、計測手段の具体的な構成
についても、第２図でブロツクにより示したもの
に限られない。

距離計測リングの位置検出については、例えば
ガイドロツクに等間隔にセンサを配置し、これに
よつて距離計測リングの通過を検知してもよい。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り本発明によれば、距
離計測リングの位置が検出され、この検出位置に
もとづいて検出ヘツドの測距タイミングが定めら
れるので、距離計測リングの移動速度にかかわり
なく、所定の軸方向にほぼ一定間隔で検出ヘツド
から検出信号が得られる。従つて、距離計測リン
グの移動速度が一定でなくても、設定された範囲
で正確に三次元形状を計測することができる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る三次元形状計
測装置の要部の側面図、第２図はその基本構成の
ブロツク図、第３図は実施例による計測動作のタ
イムチヤート、第４図は具体例による計測動作を
等期間中について説明するタイミング図、第５図
は距離データの構成図、第６図は別途に特許出願
した装置を人体の三次元形状の計測に応用した例
の要部の斜視図、第７図は距離計測リングの移動
速度の説明図、第８図は一般的な半導体位置検出
器の構成図、第９図は第８図の半導体位置検出器
を用いた検出装置の構成図、第１０図は別途に特
許出願した距離検出装置の基本構成図、第１１図
は測距範囲を広くしたときの距離検出用光学系の
説明図、第１２図は半導体位置検出器の一方の電
極に抵抗を付加した図、第１３図はノイズ除去の
ための信号処理を説明する波形図である。 １……光源、２……投光レンズ、３……受光レ
ンズ、４……半導体位置検出器、５，３３……被
測定物、１１₁〜１１_o……検出ヘツド、１２……
距離計測リング、１３……アナログマルチプレク
サ、１４……信号処理回路、１５……Ａ／Ｄコン
バータ、１６……メモリ、１７……Ｉ／Ｏインタ
フエース回路、１８……コンピユータ、１９……
表示装置、３０……システムシーケンスコントロ
ーラ、３１……モータ駆動回路、３２……モー
タ、５１……ガイドロツド、１０１……支持台、
１０２……駆動シヤフト、１０３……キヤリアー
ボツクス、１０４……ロータリーエンコーダ、１
０５……ハンドル、１０８……遮光用カーテン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所定の軸に垂直な平面に配設され、前記所定
   の軸上もしくはその近傍の被測定物までの距離検
   出用の複数の検出ヘツドが内側面に取り付けられ
   た距離計測リングと、前記距離計測リングを前記
   所定の軸方向に案内するガイド部材と、前記距離
   計測リングを前記ガイド部材に沿つて移動させる
   駆動機構と、前記距離計測リングの前記所定の軸
   方向の位置を検出する位置検出手段と、この位置
   検出手段の出力信号にもとづき前記複数の検出ヘ
   ツドの検出信号が前記所定の軸方向に所定間隔で
   出力されるよう測距動作のタイミングを制御する
   タイミング制御手段と、前記複数の検出ヘツドの
   れぞれからの前記検出信号にもとづいて前記被測
   定物までの距離をそれぞれ算出し、当該被測定物
   の三次元形状を計測する計測手段とを備えること
   を特徴とする三次元形状計測装置。 ２ 前記複数の検出ヘツドのそれぞれは、前記被
   測定物に光を入射させる光源と、前記被測定物か
   らの反射光が光点として受光部に入射され、前記
   受光部の半導体層に流れる光電流にもとづいて前
   記検出信号を出力する半導体位置検出器とを有す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   三次元形状計測装置。 ３ 前記駆動機構は、前記距離計測リングを上下
   動させるよう回転するシヤフトを有し、前記位置
   検出手段は前記シヤフトに取り付けられたロータ
   リーエンコーダを有することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項または第２項記載の三次元形状計
   測装置。 ４ 前記計測手段は、前記複数の検出ヘツドの動
   作を順次時系列に切り換えるマルチプレクサと、
   このマルチプレクサを介して前記複数の検出ヘツ
   ドから順次時系列に送られてくる前記検出信号に
   もとづいて前記被測定物までの距離をそれぞれ算
   出する信号処理部とを有することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
   載の三次元形状計測装置。