JPH07120232A - 非接触型三次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多断面形状を有する被測定物や動き易い被測
定物の外形を正確且つ迅速に測定できる非接触型三次元
形状測定装置を提供する。 【構成】 測定軸Ｍ周りに３台以上の測定ユニット２１
を配置し、この測定ユニット２１を測定軸Ｍに沿って移
動可能に設ける。測定ユニット２１は、１台のレーザ発
射器２２と１台以上の撮像機２３とにより構成する。各
レーザ発射器２２は、測定軸Ｍに対し直交する同一平面
上にレーザ光Ｌを発射する。形状検出部２４で、全ての
撮像機２３の映像信号を同期させて処理し、その最大輝
度点から被測定物５の外形の座標を求める。被測定物５
に対して３台以上の測定ユニット２１から同時にレーザ
光Ｌを投射し、且つ撮像し、被測定物５の全周に対する
１ライン分の測定を瞬時に行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物に例えばレー
ザ光を投射してその光像をＣＣＤカメラ等の撮像機で撮
像することにより、被測定物の位置を求めて、その外形
状を非接触で測定する三次元形状測定装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】非接触型の三次元形状測定装置として、
従来から知られているものに、被測定物にレーザ光によ
るスポット光を投射してラインセンサでその反射光を捕
らえる、あるいは、光切断法と呼称されるもので、被測
定物にレーザスリット光を投射してＣＣＤカメラのよう
な面センサでスリット光像を撮像することにより、三角
測量の原理に基づいて被測定物の位置および形状を算出
する方法を採用したものが一般的である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そして、前述の被測定
物にレーザスリット光を投射する測定装置では、図５
（平面図）に示すように、例えばポリゴンミラー（図示
せず）を回転することによりレーザスリット光を被測定
物５Ａに対し投射する一台のレーザ発射器２の両側に、
スリット光像を撮像するＣＣＤカメラ等の撮像機３を、
死角部分を減らすために２台設置して測定ユニット１を
構成し、この測定ユニット１を、回動軸心４を中心に二
点鎖線で示す回動軌跡に沿って回動させるとともに、被
測定物５Ａを回転軸心４の方向に移動させることによ
り、被測定物５Ａの全外表面を測定するよう構成したも
のが一般に採用されている。

【０００４】しかしながら、上述の測定装置では、例え
ば円柱形状のように、全外表面から測定ユニット１まで
の距離に大きなばらつきが無い外形を有する被測定物に
ついては、支障無く測定できるが、図５に示すような水
平方向に対し細長い外形を有する被測定物５Ａについて
は、測定ユニット１が回転方向に等角度間隔θごとに撮
像機３で撮像してデータを取り込むので、被測定物５Ａ
における測定ユニット１の回転軸心４に近い部分は、測
定間隔Ｄ１が小さいことにより密度の高いデータを得ら
れるのに対し、被測定物５Ａにおける測定ユニット１の
回転軸心４から離れた部分は、測定間隔Ｄ２が大きくな
って密度の粗いデータとなる。そのため、得られたデー
タを処理した場合に被測定物５の正確な外形を求めるこ
とができない。

【０００５】また、直立状態の人体を被測定物５Ｂとす
る場合には、その横断面形状の一部を示した図６（ａ）
のように、胴体Ｈ１、両方の腕Ｈ２，Ｈ３のように多断
面形状となるため、×印で示すようにレーザ光が投射さ
れない影の部分が測定の死角となり、被測定物５Ｂの三
次元形状の全体を測定することができない。さらに、図
６（ｂ）に示すように、上面に比較的大きな凹凸がある
被測定物５Ｃの場合には、×印で示す部分が測定の死角
となり、やはり正確に測定することができない。一方、
測定ユニット１を固定して、被測定物を回転させながら
回転軸方向に移動させて測定する装置も存在するが、測
定に比較的多くの時間を要するだけでなく、被測定物が
人体のような生体である場合には、被測定物が動き易い
ために測定が困難となる欠点がある。

【０００６】そこで本発明は、多断面形状或いは上面に
比較的大きな凹凸形状を有したり、または動き易い等の
従来において測定困難であった被測定物の外形を正確に
且つ迅速に測定することのできる非接触型三次元形状測
定装置を提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記した目的
を達成するために、非接触型三次元形状測定装置を次の
ように構成した。即ち、測定軸周りに３台以上の測定ユ
ニットが配置され、この各測定ユニットは１台のレーザ
発射器と１台以上の撮像機とを有し、前記３台以上の測
定ユニットは、そのレーザ発射器が測定軸に対し直交す
る同一平面上にレーザ光を発射するように設定されると
ともに、測定軸に沿って移動可能に設定され、さらに、
すべての測定ユニットの撮像機からの映像信号を同期さ
せて処理して、その最大輝度点から被測定物の外形の座
標を求める形状検出部を備えている。

【０００８】また、上述の非接触型三次元形状測定装置
において、測定ユニットを測定軸に沿って移動可能に支
持するフレームが、基台に、測定軸と直交する回動軸の
周りに回動自在に装着されている。

【０００９】

【作用】上記構成において、被測定物に対しこれの周囲
の少なくとも三方向から同時にレーザ光を同一平面上に
投射し、かつ測定ユニットの撮像機で撮像する。したが
って、被測定物の全周に対する１ライン分の測定を、測
定ユニットおよび被測定物の何れをも全く回動させるこ
となく瞬時に行えるので、人体等の被測定物が測定時に
レーザ光の投写面に沿った方向に動いても、断面形状の
変化は殆ど無いから、測定データに誤差は生じない。ま
た、人体等の比較的多くの断面形状を有する被測定物の
測定においても、例えば手の影になるといった測定死角
箇所が無くなり、正確な測定データを得ることができ
る。さらに、測定ユニットを回動させながら等角度間隔
で撮像する場合のような測定データの疎密が全く生じな
い。特に、１ライン分の測定を瞬時に行えるので、人体
等のように測定に多くの時間をかけられない被測定物の
形状測定に適している。

【００１０】また、測定ユニットを測定軸に沿って移動
可能に支持するフレームを、基台に、測定軸と直交する
回動軸の周りに回動自在に装着する構成とすれば、測定
ユニットを被測定物の外形に応じて、回動軸の周りに任
意の角度だけ回動できるので、多様な形状の被測定物の
形状測定に対応できる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例について図面
を参照しながら詳述する。図１は本発明の一実施例の全
体構成の一部破断したシステム構成図であり、同図にお
いて、基台１０の両側に、断面コ字形状の一対の支持フ
レーム１１Ａ，１１Ｂが鉛直に立設固定されている。両
支持フレーム１１Ａ，１１Ｂの各々の上端部間に、駆動
軸１２が回転自在に架け渡されて支持されているととも
に、この駆動軸１２の両端部に上部プーリ１３が同心状
に固設されている。一方の支持フレーム１１Ａの外面に
は、駆動軸１２を回転させる駆動源であるモータ１４が
取り付けられている。さらに、両支持フレーム１１Ａ，
１１Ｂの各々の下端部に、下部プーリ１５が回転自在に
保持され、各支持フレーム１１Ａ，１１Ｂにおける上部
プーリ１３と下部プーリ１５とにタイミングベルト１６
Ａ，１６Ｂが架け渡されており、モータ１４の回転駆動
により両タイミングベルト１６Ａ，１６Ｂが同期して走
行する。

【００１２】両支持フレーム１１Ａ，１１Ｂの各々の内
部におけるタイミングベルト１６Ａ，１６Ｂの前後両側
位置に、一対のガイドレール１７がタイミングベルト１
６Ａ，１６Ｂに平行に立設されている。一方、平面コ字
形状の支持アーム１８における両支持フレーム１１Ａ，
１１Ｂとの対向箇所の外面にそれぞれ、取付板１９が固
着されており、この取付板１９の外側面の中央部に、ブ
ラケット（図示せず）を介してタイミングベルト１６
Ａ，１６Ｂの一部が固着され、さらに、取付板１９の外
面の両側箇所にそれぞれ、各２個ずつのコ字形状のガイ
ド体２０が固着され、この各ガイド体２０が、対応する
ガイドレール１７に摺動自在に係合されている。なお、
図示の簡略化のため、図１では左側の取付板１９，ガイ
ド体２０，ガイドレール１７が省略されている。したが
って、モータ１４の回転駆動による各タイミングベルト
１６Ａ，１６Ｂの走行により、各ガイド体２０がガイド
レール１７に摺動して支持アーム１８を水平状態を保持
しながら、この支持アーム１８が円滑に上下動される。

【００１３】支持アーム１８上に、同一構成の４台の測
定ユニット２１が、測定軸Ｍ、つまり４台の測定ユニッ
トから等距離にある測定装置の中心軸の周りに等間隔で
載置固定されている。この測定ユニット２１内にはそれ
ぞれ、図２に示すように、レーザ発射器２２がスリット
レーザ光Ｌを水平面に向かって発射する姿勢で収容され
ているとともに、被測定物５からの反射光を受光してス
リット光像を撮像する撮像機２３が、スリットレーザ光
Ｌの放射面、つまり水平面に対し３０度の視差を有する
傾斜姿勢で装着されている。したがって、モータ１４の
回転駆動によるタイミングベルト１６Ａ，１６Ｂの走行
により、支持アーム１８と一体的に各測定ユニット２１
が上動または下動されて、鉛直方向にスキャンニングし
ながら測定が行われる。ここで、鉛直方向に設定された
測定軸Ｍに対し直交する水平方向の同一平面上に各レー
ザ発射器２２からスリットレーザ光Ｌが発射されるよう
設定されている。また、各撮像機２３は、図３に示すよ
うに、スリットレーザ光Ｌによるレーザ面の測定中心に
向けて設置されている。

【００１４】各測定ユニット２１における各々の撮像機
２３からそれぞれ出力される各映像信号は、同期をかけ
られて形状検出部２４における個別の各画像処理回路２
５に入力される。この画像処理回路２５は、何れも周知
の同一構成であって、映像信号における最輝度点を、撮
像機２３の座標上の座標点として検出し、この最輝度点
のデータをコンピュータ６に対し出力する。この最輝度
点が、被測定物５の輪郭線（スリット光像）に相当す
る。コンピュータ２６は、各画像処理回路２５からそれ
ぞれ入力された最輝度点のデータに基づいて被測定物５
が存在する空間である物体座標上の高さ（Ｚ座標）を求
めるとともに、同一横断面上の平面座標（Ｘ，Ｙ）、つ
まり被測定物５の外形の実座標を演算し、その演算結果
を内蔵メモリに格納する。

【００１５】上述の三次元形状測定装置は、図３に示す
ように、被測定物５に対し四方向から同時にスリットレ
ーザ光Ｌを投射し、かつ撮像機２３で撮像するので、被
測定物５の全周に対する１ラインの測定を、測定ユニッ
ト２１および被測定物５の何れをも何ら回動させること
なく瞬時に行える。実際、１ラインの測定と計算とを、
１／３０秒で行うことができる。このように１ラインの
撮像を瞬時に行えるため、人体等の被測定物５が測定時
に測定軸（前記実施例では鉛直軸）Ｍに対し直交方向
（水平方向）に動いても、断面形状の変化は殆どなく、
測定データに誤差は生じない。

【００１６】また、人体等の比較的多くの断面形状を有
する被測定物５の測定に対しても、四方向から同時にス
リットレーザ光Ｌを投射するため、例えば手の影になる
といった測定死角箇所が極めて少なく、正確な測定デー
タを得ることができる。さらに、やはり四方向から同時
にスリットレーザ光Ｌを投射するため、測定ユニットを
回動させながら等角度間隔で撮像する場合のような測定
データの疎密が全く生じない。

【００１７】図４は本発明の他の実施例における要部の
斜視図であり、同図において、図１と同一若しくは相当
する部分には同一の符号を付してある。４台の測定ユニ
ット２１を測定軸Ｍの周りに等間隔に配置して固着した
支持アーム１８が、一対の支持フレーム１１Ａ，１１Ｂ
に、測定軸Ｍに沿って移動自在に支持されている構成は
図１と同様であるが、図１の構成とは異なり、一対の支
持フレーム１１Ａ，１１Ｂの各々の両端部間が、コ字形
状の連結部材２７で互いに連結されて、両支持フレーム
１１Ａ，１１Ｂが一体化されている。この一体化された
両支持フレーム１１Ａ，１１Ｂの対向箇所の外面に、そ
れぞれ回動軸２８Ａ，２８Ｂが突出状態で固着されてお
り、この各回動軸２８Ａ，２８Ｂが、それぞれ支持台１
０Ａ，１０Ｂ上に固設された軸受部３０に回動自在に支
持されて、一対の支持フレーム１１Ａ，１１Ｂが、測定
軸Ｍに対し直交する回動軸２８Ａ，２８Ｂの周りに回動
自在に設けられている。

【００１８】そして、一方（図の右方）の回動軸２８に
ウォームギャ３１が同心状に固着されているとともに、
このウォームギャ３１が、支持台１０Ａ上に固定された
保持部材３２により回転自在に保持されている。支持台
１０Ａ上に配設されたケーシング（図示せず）内に、作
動軸３３が、これの一端部に同心状に設けられたウォー
ムホィール３４を前記ウォームギャ３１に噛合させた状
態で回転自在に装設されている。この作動軸３３の他端
部に同心状に設けられた従動側傘歯車３５に、ケーシン
グに回動自在に装着されたハンドル３７の軸部に設けら
れている駆動側傘歯車３６が噛合されている。

【００１９】また、ウォームギャ３１を貫通した回動軸
２８Ａの先端部に円盤体３８が固着されている。この円
盤体３８の周縁部に９０°間隔で４個の係止凹部３９が
形設されており、この係止凹部３９には、ケーシングの
所定箇所のガイド孔を通じてロックピン４０が挿入さ
れ、ウォームギャ３１つまり一対の支持フレーム１１
Ａ，１１Ｂが回り止めされる。さらに、円盤体３８、つ
まり支持フレーム１１Ａ，１１Ｂを制動するためのブレ
ーキ４２および測定角度を表示するインジケータ４１が
設けられている。

【００２０】この実施例の三次元形状測定装置は、図示
のように測定軸を鉛直方向に設定した状態に固定して図
１の実施例装置と同様に使用でき、直立状態の人体等の
側部周面に多くの凹凸形状を有する被測定物５の外形を
正確に測定できる。ところが、人体のように上面または
下面に多くの凹凸形状を有する被測定物５の場合には、
測定軸Ｍが鉛直方向に設定された状態でその外形を測定
するのが困難である。このような場合には、測定軸Ｍを
水平方向に設定する、つまり測定ユニット２１からのス
リットレーザ光Ｌが鉛直方向に投射されるように設定す
ることにより、容易に測定できる。

【００２１】測定軸Ｍを水平方向に向ける場合、ロック
ピン４０を抜いてウォームギャ３１の固定を解除した後
に、ハンドル３７を回転操作すると、その回転が、駆動
側傘歯車３６、従動側傘歯車３５およびウォームホィー
ル３４を介してウォームギャ３１に伝達され、このウォ
ームギャ３１に挿着固定されている回動軸２８Ａが回動
し、この回動軸２８Ａが固着された支持フレーム１１Ａ
およびこの支持フレーム１１Ａに連結部材２７で一体に
連結された支持フレーム１１Ｂが一体に回動される。こ
の支持フレーム１１Ａ，１１Ｂが正確に水平方向に位置
した時に、何れかの係止凹部３９がケーシングのガイド
孔に合致するので、ロックピン４０をガイド孔を通じ係
止凹部３９に嵌挿してロック状態とし、両支持フレーム
１１Ａ，１１Ｂを水平状態に固定する。

【００２２】測定軸Ｍを鉛直方向または水平方向の何れ
かに設定する場合に、ロックピン４０をガイド孔を通じ
係止凹部３９に嵌挿してロック状態とする。その他に、
被測定物５によっては測定軸Ｍを鉛直方向および水平方
向に対し傾斜した方向に設定するのが好ましい場合があ
る。このような場合、測定軸Ｍが所望の方向を向く角度
に支持フレーム１１Ａ，１１Ｂを回動させた後に、ブレ
ーキ４２により設定した角度に固定する。

【００２３】尚、前記実施例では、測定ユニット２１を
４台配置した場合について説明したが、測定ユニット２
１は少なくとも３台配置すれば、上述と同様の効果を得
られる。また、１台のレーザ発射器２２に対しこれの両
側にそれぞれ撮像機２３を２台配置して測定ユニットを
構成してもよい。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明の非接触型三次元形
状測定装置によれば、被測定物の全周に対する１ライン
分の測定を瞬時に行うことができるため、人体等の被測
定物が測定時にレーザ光の投射面の方向に動いても、撮
像した断面形状に変化が無く、測定データに誤差は生じ
ない。また、多くの断面形状を有する被測定物の測定に
対しても、測定死角箇所が無くなって正確な測定データ
を得ることができる。さらに、測定データの疎密が全く
生じない。

【００２５】また、測定ユニットを測定軸に沿って移動
可能に支持するフレームを、基台に、測定軸と直交する
回動軸の周りに回動自在に装着する構成とすれば、測定
ユニットを被測定物の外形に応じて、回動軸の周りに任
意の角度だけ回動でき、多様な形状の被測定物の形状測
定に対応できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の非接触型三次元形状測定装
置の一部破断したシステム構成図である。

【図２】同実施例の測定ユニットの側面図である。

【図３】同実施例の測定ユニットの配置と被測定物５の
関連を示す概略平面図である。

【図４】本発明の他の実施例の要部を示す斜視図であ
る。

【図５】従来装置による測定方法を説明するための概略
平面図である。

【図６】（ａ），（ｂ）は何れも従来装置では測定困難
な被測定物５の説明図である。

【符号の説明】

１０，１０Ａ，１０Ｂ…基台、１１Ａ，１１Ｂ…支持フ
レーム、２１…測定ユニット、２２…レーザ発射器、２
３…撮像機、２４…形状検出部、２８Ａ，２８Ｂ…回動
軸、Ｌ…レーザ光、Ｍ…測定軸。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定軸周りに３台以上の測定ユニットが
   配置され、 この各測定ユニットは１台のレーザ発射器と１台以上の
   撮像機とを有し、 前記３台以上の測定ユニットは、そのレーザ発射器が測
   定軸に対し直交する同一平面上にレーザ光を発射するよ
   うに設定されるとともに、測定軸に沿って移動可能に設
   定され、 さらに、すべての測定ユニットの撮像機からの映像信号
   を同期させて処理して、その最大輝度点から被測定物の
   外形の座標を求める形状検出部を備えている非接触型三
   次元形状測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、測定ユニットを測定
   軸に沿って移動可能に支持するフレームが、基台に、測
   定軸と直交する回動軸の周りに回動自在に装着されてい
   る非接触型三次元形状測定装置。