JPH06337207A - 三次元形状計測用輝線結像方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 三次元形状計測用輝線結像方法及び装置の改
良であり、１軸方向に連続的に成形されている成形物の
三次元形状を光切断法によって測定する時に使用するこ
とのできる被計測物体上に線状の輝線を結像する方法及
び装置の改良である。 【構成】 三次元形状を計測する光切断法に使用される
三次元形状計測用輝線結像装置を使用してなす三次元形
状計測用輝線結像方法において、ケーラー照明光学系で
構成される三次元形状計測用輝線結像装置１を使用し、
三次元形状計測用輝線結像装置１のケーラー照明光学系
の視野絞りの位置に線状パターン投影手段３を設置し、
三次元形状計測用輝線結像装置１が発する線状パターン
投影手段３に対応する像をケーラー照明光学系の照射面
の位置に設置してある被計測物体９に輝線１０を結像さ
せる三次元形状計測用輝線結像方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、三次元形状計測用輝線
結像方法及び装置の改良に関する。特に、１軸方向に連
続的に成形されている成形物の三次元形状を光切断法に
よって測定する時に使用することのできる、被計測物体
上に線状の輝線を結像する方法及び装置の改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、１軸方向に連続的に成形されてい
る成形物、例えばプロジェクション・テレビ用スクリー
ンに用いられる、レンチキュラー・シートの表面の凹凸
を計測する光切断法においては、レーザ発振器が発する
スポット光線を、反射鏡の傾きを制御する走査光学系に
よりスポット光線を走査して、あるいは、レーザ発振器
が発するスポット光線をシリンドリカルレンズにより１
方向に一旦拡大した後縮小して、板状の光線を作成し、
この板状の光線をレンチキュラー・シート等の被計測物
体の表面に向けて照射し輝線を発生させ、この輝線を観
測して、表面の凹凸を計測していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この従来技
術において、走査光学系は可動部の装置や制御が複雑で
あり、走査速度にも限界がある。また、レンズ系により
１方向に一旦拡大した後縮小して作成する板状の光線
は、レーザスポットの断面の出力分布がガウシアン分布
であり、一様ではないため、板状の光線の照度が一様と
ならず、照明ムラが生じる。

【０００４】また、任意の板状の光線、例えば、点線状
の輝線を必要とする場合があり、この場合、レーザ発振
器を使用して点線状の光線を投光するには、装置の複雑
化が避けられない。

【０００５】さらに、レーザ発振器では選択できる波長
が限られているし、一般的に白色光源よりも高価であ
る。

【０００６】本発明の目的は、この欠点を解消すること
にあり、被計測物体上に、照度ムラがなく、任意のパタ
ーンで、任意の本数の、任意の波長の、線状の輝線を安
価に結像可能とする、三次元形状計測用輝線結像方法及
び装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、三次元形
状を計測する光切断法に使用される三次元形状計測用輝
線結像装置を使用してなす三次元形状計測用輝線結像方
法において、ケーラー照明光学系で構成される三次元形
状計測用輝線結像装置（１）を使用し、この三次元形状
計測用輝線結像装置（１）の前記のケーラー照明光学系
の視野絞りの位置に線状パターン投影手段（３）を設置
し、前記の三次元形状計測用輝線結像装置（１）が発す
る前記の線状パターン投影手段（３）に対応する像を前
記のケーラー照明光学系の照射面の位置に設置してある
被計測物体（９）に輝線（１０）を結像させる三次元形
状計測用輝線結像方法によって達成される。

【０００８】さらに、前記の三次元形状計測用輝線結像
方法において、光源（２）として白色光源を使用し、前
記の線状パターン投影手段（３）に近接して波長選択手
段（４）を設置すると、被計測物体（９）に応じて輝線
の波長を変えることができるので都合がよい。

【０００９】また、上記の目的は、三次元形状を計測す
る光切断法に使用される三次元形状計測用輝線結像装置
において、光源（２）と、この光源（２）が発する光線
を集光し、前記の光源（２）の像を開口絞りの位置に結
像させる集光レンズ（５）と、前記の開口絞りの位置か
ら前記の集光レンズ（５）と逆の方向に位置し、前記の
集光レンズ（５）の後側焦点位置にある像を被計測物体
（９）上に結像させ、前記の開口絞りから自分の位置ま
での距離と等しい焦点距離を有する照明レンズ（６）
と、前記の集光レンズ（５）の後側焦点位置に設置され
た線状パターン投影手段（３）とを有する三次元形状計
測用輝線結像装置によっても達成される。

【００１０】なお、この三次元形状計測用輝線結像装置
において、前記の光源（２）は白色光源であり、前記の
三次元形状計測用輝線結像装置（１）は、前記の線状パ
ターン投影手段（３）に近接して設置された波長選択手
段（４）を有していると、被計測物体（９）に応じて輝
線の波長を変えることができるので都合がよい。

【００１１】

【作用】本発明に係る三次元形状計測用輝線結像方法及
び装置は上記のようにケーラー照明光学系を使用してい
る。

【００１２】図１２参照 図１２はケーラー照明光学系を説明する図である。図１
２において、実線は主光線を示し、二点鎖線は軸上光線
を示す。２は光源であり、５は集光レンズであり、６は
照明レンズである。このケーラー照明光学系は、次のよ
うに動作する。

【００１３】１．光源２が発する光は、集光レンズ５で
集光され、屈折して、照明レンズ６の前側焦点位置にお
かれた開口絞りＳ２の位置に結像し、２次光源となる。

【００１４】２．２次光源から発した光は、照明レンズ
６で屈折し、平行光線となり、照明レンズ６に対して共
役な関係にある視野絞りＳ１の像を照射面Ｐに結像す
る。

【００１５】３．開口絞りＳ２の位置に２次光源が形成
されるため、照射面Ｐに結像される像の明るさは、開口
絞りＳ２の大きさに依存し、視野絞りＳ１の大きさと独
立して機能する。

【００１６】４．２次光源の１点から発する光は、照明
レンズ６により平面波となって照射面を照明するため、
平面波上の光線の強度は一定とみなせるので、照明ムラ
は生じない。２次光源上のすべての点から発する光線も
同様であり、照明ムラは生じない。

【００１７】本発明に係る三次元形状計測用輝線結像方
法及び装置はケーラー照明光学系を使用し、ケーラー照
明光学系の視野絞りＳ１の位置に線状パターン投影手段
３を設置し、ケーラー照明光学系の照射面Ｐの位置に被
計測物体を置いているから、イ．線状パターン投影手段
３の開口部を希望する形状にすることにより、上記の２
項にあるように、被計測物体上に、線状で任意のパター
ンの輝線や、任意の本数の輝線を結像させることがで
き、ロ．上記の４項にあるように、被計測物体に対し照
度ムラのない輝線を結像させることができる。

【００１８】さらに、光源２として白色光源を使用し、
線状パターン投影手段３に近接して波長選択手段４を設
置すれば、白色光源は広い波長範囲の光を有しているか
ら、ハ．被計測物体に応じて輝線の波長を変えることが
できる。

【００１９】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明に係る三次元
形状計測用輝線結像方法及び装置についてさらに詳細に
説明する。

【００２０】第１実施例 図１参照 図１は本発明に係る三次元形状計測用輝線結像方法の概
略を示す図である。図１において、１は三次元形状計測
用輝線結像装置であり、ケーラー照明光学系を構成して
いる。３はスリット等からなる線状パターン投影手段で
ある。８は三次元形状計測用輝線結像装置１の筐体であ
り、円筒状となっている。９は被計測物体である。８１
は円筒状の筐体８の１端に開口されている、被計測物体
９を照射する光線を投光する投光口である。１０は三次
元形状計測用輝線結像装置１から照射され、被計測物体
９上に結像している輝線である。図１に示すように、投
光口８１から出た広がりを持つ光線は被計測物体９上で
線状に収束し、輝線１０となっている。

【００２１】３１は第１実施例に係る線状パターン投影
手段３上に設けられた一直線の開口である。通常、ケー
ラー照明光学系を使用した顕微鏡の照明等では、視野絞
りは円形の開口であり、その大きさは光軸と同心円状に
可変にされているが、本発明に係る三次元形状計測用輝
線結像方法においては、被計測物体９上に線状の輝線１
０を得るため、一直線の開口３１としてある。

【００２２】１５はこの輝線１０を上方から観測する輝
線観測手段である。

【００２３】図２参照 図２は輝線観測手段１５により観測される映像であり、
９１は線状パターン投影手段３が一直線の開口３１を有
するときの輝線１０の映像である。この映像９１にもと
づいて、被計測物体９の断面形状が計測される。

【００２４】図３参照 図３は本発明に係る三次元形状計測用輝線結像装置１を
示す図である。図３において、２は光源であり、白色光
源を使用している。３はスリット等からなる線状パター
ン投影手段であり、４は光学フィルタ等よりなる波長選
択手段である。５は集光レンズであり、６は照明レンズ
であり、７は開口絞りである。そして、光源２と集光レ
ンズ５と照明レンズ６と被計測物体９（図１参照）とに
よりケーラー照明光学系を構成している。スリット等か
らなる線状パターン投影手段３はこのケーラー照明光学
系の視野絞り位置（集光レンズ５の後側焦点位置）に設
けられており、開口絞り７はケーラー照明光学系の開口
絞り位置（照明レンズ６の前側焦点位置）に設けられて
いる。波長選択手段４は線状パターン投影手段３の光源
２と反対の側に設けてあるが、同一側でもよい。また、
線状パターン投影手段３と波長選択手段４との距離はあ
る程度近接しておればよい。

【００２５】８は三次元形状計測用輝線結像装置１の筐
体であり、筐体８は光源支持台８２とスリット・光学フ
ィルタ取付台８３と集光レンズ取付治具８５と照明レン
ズ取付治具８６と絞り取付治具８７とを有し、円筒状筐
体８の光源２と反対側の端部に投光口８１が開口し、円
筒状筐体８の側面にスリット・光学フィルタ取付口８８
と絞り調節口８９とが開口している。８４はスリット・
光学フィルタ取付治具であり、線状パターン投影手段３
と波長選択手段４とをスリット・光学フィルタ取付台８
３に固定させるとともに、筐体８に開口されているスリ
ット・光学フィルタ取付口８８の蓋を兼ねている。図３
は、スリット・光学フィルタ取付治具８４を矢印Ａに示
す方向に取り外した状態を示してある。７１は開口絞り
７の開口度を調節する絞り調節つまみである。

【００２６】第２実施例 図４・図５参照 図４は第２実施例に係る線状パターン投影手段３であ
り、図５はこの第２実施例に係る線状パターン投影手段
３を使用して、図１に示す被計測物体９に輝線１０を結
像させ、輝線観測手段１５（図１参照）で観測したとき
の映像９２を示す図である。この実施例では、図４の３
２をもって示すように、被計測物体９上の輝線１０を輝
線観測手段１５で観測した映像９２が一直線となるよう
に、複数の直線からなる開口としてある。このようにす
れば、映像９２が一直線であるかないかと云う簡単な画
像処理で被計測物体９の良否判定ができる。

【００２７】なお、照明レンズ６から被計測物体９の凸
面の輝線１０までの距離と、凹面の輝線１０までの距離
とに差があると、凸面と凹面との両方に焦点を合わせる
ことができないので、輝線１０の像がぼやける。ぼやけ
の程度は、光学系の焦点深度によって決まる。計測に当
たって、下記の１または２のいづれかを満足する範囲内
を焦点深度とすれば、実用に耐えるものになる。

【００２８】１．シュトールのディフィニション 結像平面における回折像の中心強度を１００％とした
時、焦点がずれることにより８０％となる距離までを焦
点深度とする。

【００２９】２．レイリー限界 結像平面において、照明光学系により生じた波面収差が
光源波長の１／４波長以内を満足する焦点のずれ量を焦
点深度とする。

【００３０】そして、焦点深度の点から第１実施例と第
２実施例とを比較すると、図１の線状パターン投影手段
３を使用するより、図４の線状パターン投影手段３を使
用するほうが、照明レンズ６から被計測物体９の凸面の
輝線１０までの距離と、凹面の輝線１０までの距離との
差が少ないので、輝線１０がぼやけることがなく、計測
精度上有利である。

【００３１】第３実施例 図６参照 図６は第３実施例に係る被計測物体９の断面図である。
この断面から判るように、被計測物体９には円筒状の部
分があり、上に凹の円筒状の部分９３では、矢印Ｂをも
って示すように、輝線１０の反射光が輝線観測手段１５
の局所に集中し、例えばＣＣＤカメラの場合にＣＣＤに
おいて電荷が飽和し悪影響を受ける。また、上に凸の円
筒状の部分９４では、矢印Ｃをもって示すように、輝線
１０の反射光が散乱して、上に凸の円筒状の部分９４の
隣の三角筒状の部分が輝線観測手段１５にシャープに写
らない。

【００３２】図７・図８参照 図７と図８とは、それぞれ、図６に示す被計測物体９に
対応した第３実施例に係る線状パターン投影手段３と、
第３実施例に係る波長選択手段４とを示す図である。図
７において、線状パターン投影手段３は、開口３３をも
って示すように、上に凹の円筒状の部分９３に輝線１０
が結像しないように遮光し、上に凹の円筒状の部分９３
に対応する部分以外のみを開口させている。そして、図
８において、波長選択手段４は、上に凸の円筒状の部分
９４の輝線１０が暗くなるように、上に凸の円筒状の部
分９４に対応する部分のみに中性フィルタ４３を挿入
し、照射光量を低下させている。なお、一点鎖線をもっ
て示す（３３）は、開口３３に対応する位置を示したも
のである。

【００３３】第４実施例 図９参照 図９は第４実施例に係る被計測物体９の斜視図である。
第４実施例に係る被計測物体９には、不特定の波長の光
線によって感光する感光物質が含まれている部分９５
と、特定の波長の光線によって光化学変化をする物質例
えば紫外線硬化樹脂の部分９６と、黄色の部分９７と、
青色の部分９８とがある。

【００３４】図１０と図１１とは、それぞれ、図９に示
す被計測物体９に対応した第４実施例に係る線状パター
ン投影手段３と、第４実施例に係る波長選択手段４とを
示す図である。図１０において、線状パターン投影手段
３は、開口３４をもって示すように、光そのものに反応
する感光物質が含まれている部分９５に対応する部分は
遮光し、その左右のみを開口させている。図１１におい
て、波長選択手段４は、紫外線硬化樹脂の部分に対応す
る部分９６には紫外線カットフィルタ４４を挿入して紫
外線硬化樹脂の硬化を防止し、黄色の部分に対応する部
分９７には青色フィルタ４５を挿入して輝線観測手段に
おいて輝線の認識の低下を防止している。青色の部分９
８には特別な対応をしておらず白色光をそのまま照射し
ているが、輝線の認識を向上する色のフィルタ等を挿入
しても勿論よい。なお、一点鎖線をもって示す（３３）
は、開口３３に対応する位置を示したものである。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明に係る三次
元形状計測用輝線結像方法及び装置においては、ケーラ
ー照明光学系を使用しているので、被計測物体に照度ム
ラのない輝線を結像させることができ、ケーラー照明光
学系の視野絞りの位置におかれる線状パターン投影手段
の開口が被計測物体に結像させるから、線状パターン投
影手段の開口の形状や位置や数を工夫することによっ
て、被計測物体に、任意のパターンの、任意の本数の線
状の輝線を結像させることができ、光源に波長範囲の広
い白色光源を使用し、線状パターン投影手段の近傍に波
長選択手段をおくことにより、被計測物体の光線に対す
る特性に対応した波長の輝線を結像させることができ
る。

【００３６】このように、従来技術に係るレーザ光を使
用するスリット光線と同様の効果を安価な装置により得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る三次元形状計測用輝線結像方法を
示す図である。

【図２】第１実施例において観測される映像である。

【図３】本発明に係る三次元形状計測用輝線結像装置を
示す図である。

【図４】第２実施例に係る線状パターン投影手段であ
る。

【図５】第２実施例において観測される映像である。

【図６】第３実施例に係る被計測物体の断面図である。

【図７】第３実施例に係る線状パターン投影手段を示す
図である。

【図８】第３実施例に係る波長選択手段を示す図であ
る。

【図９】第４実施例に係る被計測物体の斜視図である。

【図１０】第４実施例に係る線状パターン投影手段を示
す図である。

【図１１】第４実施例に係る波長選択手段を示す図であ
る。

【図１２】ケーラー照明光学系を説明する図である。

【符号の説明】

１ 三次元形状計測用輝線結像装置 ２ 光源 ３ 線状パターン投影手段 ４ 波長選択手段 ５ 集光レンズ ６ 照明レンズ ７ 開口絞り ８ 筐体 ９ 被計測物体 １０ 輝線 １５ 輝線観測手段 ３１ 第１実施例に係る線状パターン投影手段上に設
けられた開口 ３２ 第２実施例に係る線状パターン投影手段上に設
けられた開口 ３３ 第３実施例に係る線状パターン投影手段上に設
けられた開口 ３４ 第４実施例に係る線状パターン投影手段上に設
けられた開口 ４３ 中性フィルタ ４４ 紫外線カットフィルタ ４５ 青色フィルタ ７１ 絞り調節つまみ ８１ 投光口 ８２ 光源支持台 ８３ スリット・光学フィルタ取付台 ８４ スリット・光学フィルタ取付治具 ８５ 集光レンズ取付治具 ８６ 照明レンズ取付治具 ８７ 絞り取付治具 ８８ スリット・光学フィルタ取付口 ８９ 絞り調節口 ９１ 第１実施例に係る被計測物体を観測した時の輝
線の映像 ９２ 第２実施例に係る被計測物体を観測した時の輝
線の映像 ９３ 第３実施例に係る被計測物体の上に凹の円筒状
の部分 ９４ 第３実施例に係る被計測物体の上に凸の円筒状
の部分 ９５ 第４実施例に係る被計測物体の不特定の波長の
光線によって感光する感光物質が含まれている部分 ９６ 第４実施例に係る被計測物体の特定の波長の光
線によって光化学変化をする物質の部分 ９７ 第４実施例に係る被計測物体の黄色の部分 ９８ 第４実施例に係る被計測物体の青色の部分

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三次元形状を計測する光切断法に使用さ
   れる三次元形状計測用輝線結像装置を使用してなす三次
   元形状計測用輝線結像方法において、 ケーラー照明光学系で構成される三次元形状計測用輝線
   結像装置（１）を使用し、 該三次元形状計測用輝線結像装置（１）の前記ケーラー
   照明光学系の視野絞りの位置に線状パターン投影手段
   （３）を設置し、 前記三次元形状計測用輝線結像装置（１）が発する前記
   線状パターン投影手段（３）に対応する像を前記ケーラ
   ー照明光学系の照射面の位置に設置してある被計測物体
   （９）に輝線（１０）を結像させることを特徴とする三
   次元形状計測用輝線結像方法。
2. 【請求項２】 前記三次元形状計測用輝線結像方法にお
   いて、 光源（２）として白色光源を使用し、 前記線状パターン投影手段（３）に近接して波長選択手
   段（４）を設置することを特徴とする請求項１記載の三
   次元形状計測用輝線結像方法。
3. 【請求項３】 三次元形状を計測する光切断法に使用さ
   れる三次元形状計測用輝線結像装置において、 光源（２）と、 該光源（２）が発する光線を集光し、前記光源（２）の
   像を開口絞りの位置に結像させる集光レンズ（５）と、 前記開口絞りの位置から前記集光レンズ（５）と逆の方
   向に位置し、前記集光レンズ（５）の後側焦点位置にあ
   る像を被計測物体（９）上に結像させ、前記開口絞りか
   ら自分の位置までの距離と等しい焦点距離を有する照明
   レンズ（６）と、 前記集光レンズ（５）の後側焦点位置に設置された線状
   パターン投影手段（３）とを有することを特徴とする三
   次元形状計測用輝線結像装置。
4. 【請求項４】 前記光源（２）は白色光源であり、 前記三次元形状計測用輝線結像装置（１）は、前記線状
   パターン投影手段（３）に近接して設置された波長選択
   手段（４）を有することを特徴とする請求項３記載の三
   次元形状計測用輝線結像装置。