JPH08152310A - 三次元形状入力装置の座標演算基準データの生成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 調整のための作業が簡素化でき、しかも高精
度な三次元形状入力装置の座標演算基準データの生成方
法を提供する。 【構成】 方形の対角線を境界に明暗に塗り分けた高さ
Ｈの平面でなる第一調整治具を、Ｘ軸方向に移動させて
得られる測定データから、Ｙ軸方向の複数ポイントと前
記受光素子の出力との位置対応関係を求め、求められた
位置対応関係から任意高さＨ’における前記位置対応関
係を幾何学的に演算導出して座標演算基準データを求め
て、所定の傾斜角の滑らかな傾斜面でなる第二調整治具
を、その傾斜方向に走査して得られる測定データから、
前記座標演算基準データに基づいて前記傾斜面の形状デ
ータを演算導出し、導出された形状データで表された傾
斜角が、前記第二調整治具の傾斜角と等しくなるように
前記座標演算基準データを補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、三次元形状入力装置の
座標演算基準データの生成方法に関し、詳述すると、図
１に示すように、光源８からの測定用光線束をＸ−Ｙ参
照面（基準テーブル１）上の測定対象物２に向けて走査
し、前記測定対象物２の表面での散乱光線束の位置を受
光素子９により検出する光学機構３を備えた三次元形状
入力装置に対して、図３に示すように、Ｙ軸に平行な前
記測定用光線束の走査方向と角度をもった直線状の識別
体が表面に形成された所定高さＨの平面６ａでなる第一
調整治具６を、Ｘ軸方向に移動させて得られる測定デー
タから、Ｙ軸方向の複数ポイントと前記受光素子９の出
力との位置対応関係を求め、求められた位置対応関係か
ら任意高さＨ’における前記位置対応関係を幾何学的に
演算導出して座標演算基準データを求める三次元形状入
力装置の座標演算基準データの生成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】上述の三次元形状入力装置では、図２に
示すように、測定用光線束をＸ軸方向に副走査しながら
Ｙ軸方向に主走査して、測定対象物からの散乱光線束を
検出することによりＹ軸方向の位置を演算導出するもの
であるが、通常は、前記制御手段に、予め、基準座標空
間（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と散乱光線束検出素子（受光素子のこ
とであり、例えばＣＣＤリニアセンサ）との対応関係
（ＣＣＤリニアセンサの場合には画素位置データ）を示
す座標演算基準データであるデータテーブル（主走査方
向の複数のサンプリングポイントに対して定まるＣＣＤ
画素位置とＹ座標の関係を示すテーブル）を生成して、
そのテーブルデータに基づいて計測値を演算処理するこ
とにより各計測ポイントのＹ軸座標データを求めるもの
である。

【０００３】そのため、従来、三次元形状入力装置用の
調整治具として、Ｙ軸に平行な前記測定用光線束の走査
方向と角度をもった直線状の識別体が表面に形成された
所定高さの平面でなる第一調整治具、例えば、図３に示
すように、一定高さＨの正方形の平面６ａに対角線で明
暗の塗り分けがなされた第一調整治具６を用いて上述し
た座標演算基準データを生成していた。

【０００４】以下に、図３（イ）（ロ）に示す調整治具
を用いた従来の座標演算基準データの生成方法について
詳述する。先ず、高さＨの方形の第一調整治具６をその
一片が主走査方向（Ｙ軸と平行な方向）に平行となるよ
うに基準テーブル１に載置し、基準テーブル１を移動機
構によりＸ軸方向に移動（副走査）させつつ計測する。
基準テーブル１のＸ軸方向への移動に連れて主走査線上
のＹ軸方向に対する明暗の境界位置がＸ軸方向への移動
距離に応じた距離だけずれることから、その境界位置を
示す受光素子９の検出位置（例えばＣＣＤリニアセンサ
９の場合には画素位置）が求まれば、Ｚ座標Ｈにおける
Ｙ座標とＣＣＤリニアセンサ９の画素位置との対応関係
がとれる。次に、第一調整治具６を異なる高さＨ’に調
節して、上述と同様の計測を行う。

【０００５】図７に示すように、５１２ポイントのサン
プリングポイントに対して、測定用光線束が基準テーブ
ルの零ポイント（Ｐ₀ ）目を照射する場合において、高
さＨにおける第一調整治具６の計測点をＡとし、高さ
Ｈ’における第一調整治具６の計測点をＡ’とする。同
様に、２５５ポイント（Ｐ₂₅₅ ）目を照射する場合にお
いて、高さＨにおける第一調整治具６の計測点をＤと
し、高さＨ’における第一調整治具６の計測点をＤ’、
始点からの垂線と高さＨにおける交点をＢとする。又、
光線束の始点Ｏから基準テーブルの最遠点までの距離を
Ｌとし、始点ＯとポイントＰ₂₅₅ を結ぶ線分と線分ＯＢ
とのなす角をθとする。

【０００６】始点ＯとポイントＰ₂₅₅ を結ぶ線分を基準
とすると、任意の高さ（例えば、Ｈ’）におけるＥ’の
Ｙ軸方向の座標は、 Ｙ＝（Ｐ₀ ，Ｐ₂₅₅ ）−（Ｅ’，Ｄ’）＋（Ｐ₂₅₅ ＋Ｐ
_D'） Ｐ₂₅₅ ，Ｐ_D'＝Ｈ’・ｔａｎθ で求まる。ここに、ｔａｎθの値は以下のように求ま
る。即ち、三角形ＯＡＣと三角形ＯＡ’Ｃ’が互いに相
似することから次式が成立することから、 Ｌ＝（Ｈ−Ｈ’）・（Ｃ’−Ａ’）／（（Ｃ’−Ａ’）
−（Ｃ−Ａ））＋Ｈ’ そこで、 ＳＣ＝（Ｌ−Ｈ）・（（Ｃ−Ｂ）−（Ｂ−Ａ））／２・
（Ｃ−Ｂ）・（Ｂ−Ａ） とおくと、 ｔａｎθ＝２・ＳＣ／（１＋（１＋４・ＳＣ² ）^1/2 ） となる。

【０００７】このようにして、座標演算基準データから
任意の高さＨ’におけるＹ座標データが演算導出される
ことになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の治具によれば、座標演算基準データを生成するため
に、高さＨに設定された治具を基準テーブルに載置し
て、基準テーブルをＸ軸方向に所定のピッチで移動させ
ながら測定した後に、治具を異なる高さＨ’に設定し直
した後に、再度同様の測定をしなければならず、その作
業が煩に耐えないものであるという問題点があった。
又、基準テーブルの移動機構に用いるガルバノモータ機
構の駆動誤差や、治具の高さ調節誤差を考慮すると、二
回にわたる測定作業の結果、得られた座標演算基準デー
タもそれら誤差の影響を受けて高精度の計測を保障しが
たいという問題点もあった。

【０００９】本発明の目的は上述した従来欠点を解消
し、座標演算基準データの生成のための作業が簡素化で
き、しかも、高精度な座標演算基準データを得ることが
できる三次元形状入力装置の座標演算基準データの生成
方法を提供する点にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明による三次元形状入力装置の座標演算基準デ
ータの生成方法の特徴構成は、光源からの測定用光線束
をＸ−Ｙ参照面上の測定対象物に向けて走査し、前記測
定対象物の表面での散乱光線束の位置を受光素子により
検出する光学機構を備えた三次元形状入力装置に対し
て、Ｙ軸に平行な前記測定用光線束の走査方向と角度を
もった直線状の識別体が表面に形成された所定高さＨの
平面でなる第一調整治具を、Ｘ軸方向に移動させて得ら
れる測定データから、Ｙ軸方向の複数ポイントと前記受
光素子の出力との位置対応関係を求め、求められた位置
対応関係から任意高さＨ’における前記位置対応関係を
幾何学的に演算導出して座標演算基準データを求めて、
所定の傾斜角の滑らかな傾斜面でなる第二調整治具を、
その傾斜方向に走査して得られる測定データから、前記
座標演算基準データに基づいて前記傾斜面の形状データ
を演算導出し、導出された形状データで表された傾斜角
が、前記第二調整治具の傾斜角と等しくなるように前記
座標演算基準データを補正する点にある。

【００１１】

【作用】図３（イ）（ロ）に示すように、高さＨの方形
の第一調整治具６をその一片が主走査方向（Ｙ軸と平行
な方向）に平行となるように基準テーブル１に載置し、
基準テーブル１を移動機構によりＸ軸方向に移動（副走
査）させつつ計測する。図４に示すように、測定用光線
束の走査中心点ｏと各分割点とを結ぶ線分を考えると、
基準テーブル１から高さＨの水平線と線分との交点
（ｄ，ｅ，ｆ等）のＹ座標と受光素子９の検出位置との
対応関係が把握される。走査中心点ｏから点ｆを通りＹ
軸に下ろした線分ｏｃを基準として、互いに相似する三
角形の比を用いて基準テーブル１から任意高さＨ’の水
平線と線分との交点（ｇ，ｈ，ｉ等）のＹ座標とＣＣＤ
リニアセンサ９の画素位置との対応関係が求まる。例え
ば、互いに相似する三角形ｏｅｆと三角形ｏｈｉを考え
ると、底辺ｅｆ，高さＨ，Ｈ’が既知であるので底辺ｈ
ｉの長さが判明し、同様に三角形ｏｄｆと三角形ｏａｃ
を考えると、底辺ａｃの長さが判明するが如きであり、
基準テーブル１の端点からの距離ｊｈは、長方形ａｃ’
ｉｊに対して、以下の式により求まる。 ｊｈ＝ａｃ−ｈｉ＋ｃ’ｉ・ｔａｎθ ここに、θは走査中心点ｏからＹ軸に下ろした垂線ｏｐ
と線分ｏｆとのなす角度である。

【００１２】走査中心点ｏからＹ軸に下ろした垂線の交
点ｐとＣＣＤリニアセンサ９の画素位置（より詳しくは
画素の中心点）とは必ずしも対応しないために、走査中
心点ｏからＣＣＤリニアセンサ９の画素位置（より詳し
くは画素の中心点）と対応する任意の分割点を結ぶ線分
を基準線分に設定する必要があり、そのため、走査中心
点ｏからＹ軸に下ろした垂線ｏｐと基準線分ｏｆとは角
度θを有する。ここで、θ＝０°と仮定すれば、以下の
式によりＹ座標を求めることができる。 ｊｈ≒ａｃ−ｈｉ このようにして、座標演算基準データが生成される。

【００１３】次に、図５（イ）（ロ）に示すように、最
大高さがＨで所定の傾斜角、例えば、４５度の滑らかな
傾斜面５ａを形成した第二調整治具５を、その傾斜面５
ａの幅方向が副走査方向（Ｘ軸方向）と平行姿勢となる
ようにＸ−Ｙ参照面１上に載置して計測し、先に求めた
式 ｊｈ≒ａｃ−ｈｉ に基づいて、複数高さにおける基準テーブル１の端点か
らの距離を演算導出し、図６に示すように、それら複数
点を貫く直線の式を最小二乗法により求めると、その直
線が第二調整治具５の傾斜面５ａを示すものとなる。第
二調整治具５の最大高さがＨであり傾斜角が４５度であ
るので、第二調整治具５のＹ軸方向の長さもＨとなると
ころが、上述した原因でΔＹ＝Ｈ・ｔａｎθだけ誤差を
含む値となる。そこで、ｔａｎθ＝ΔＹ／Ｈからｔａｎ
θが求まるので、 ｊｈ＝ａｃ−ｈｉ＋ｃ’ｉ・ｔａｎθ なる式に基づいて、任意高さＨ’における基準テーブル
１の端点からの距離が正確に演算導出できるのである。

【００１４】

【発明の効果】従って、本発明によれば、座標演算基準
データを生成するために、高さＨに設定された第一調整
治具を基準テーブルに載置して、基準テーブルをＸ軸方
向に所定のピッチで移動させながら測定した後に、第二
調整治具を基準テーブルに載置して傾斜方向に一度だけ
測定するだけで済むので、座標演算基準データの生成の
ための作業が簡素化でき、しかも、高精度な座標演算基
準データを得ることができる三次元形状入力装置の座標
演算基準データの生成方法を提供することができるよう
になった。

【００１５】

【実施例】以下実施例を説明する。図１に示すように、
三次元形状入力装置は、光源８からの測定用光線束をＸ
−Ｙ参照面、即ち基準テーブル１に載置された測定対象
物２に向けて照射し、前記測定対象物２の表面で散乱し
た光線束を検出する光学機構３と、前記光学機構３を駆
動制御するとともに、前記光学機構３により検出された
散乱光線束の検出データに基づいて前記測定対象物２の
表面形状データを演算導出する制御手段５とから構成し
てある。

【００１６】前記光学機構３は、レーザを用いた光源８
とＣＣＤリニアセンサを用いた受光素子９とを、走査用
の両面ミラー７を挟んで対向配置して、光源８から出力
された光線束を走査用ミラー７及び固定ミラー１０を介
して測定用の光線束として測定対象物２に照射するとと
もに、測定対象物２の表面で散乱した光線束を固定ミラ
ー１０’、走査用ミラー７及び集光レンズ１１を介して
受光素子９に導くように構成してある。

【００１７】前記制御手段４は、前記光学機構３を駆動
制御するマイクロコンピュータ及びその周辺回路でな
り、前記光源８の発光強度を調節する調光部４ａと、前
記走査用の両面ミラー７を回動制御して測定用光線束を
Ｙ軸方向に走査する主走査制御部４ｂと、前記基準テー
ブル１をＸ方向に移動させて副走査する副走査制御部４
ｃと、前記光学機構３の駆動に同期して得られる受光素
子９による検出データに基づいて、測定対象物２の三次
元形状を演算導出する演算制御部４ｄとからなる。

【００１８】即ち、前記制御手段４は、前記光学機構３
に対して基準テーブル１をＸ軸方向へ移動させる移動機
構（図示せず）を駆動制御してＸ軸方向に副走査しなが
ら、モータＭ１により走査用の両面ミラー７をＸ軸に平
行な軸心ｐ周りに回動させて測定用光線束をＹ軸方向に
主走査する。図２に示すように、受光素子９で検出され
る測定対象物２の表面からの散乱光線束の位置Ｙ₁ と参
照面１の表面からの散乱光線束の位置Ｙ₀ （既知であ
る）との距離Ｙ₀ Ｙ₁ が、測定用の光線束の測定対象物
２と参照面１との照射位置のＹ方向への位置ずれΔＹ₀
に比例すること、及び、参照面１からの測定対象物２の
表面までのＺ軸方向への距離Ｚ₀ がＺ₀ ×θ＝ΔＹ₀ な
る関係を有することから、測定用の光線束が照射された
点のＺ座標が判明し、その結果、測定対象物２上に複数
の測定点におけるＸ，Ｙ，Ｚ座標が求まる。

【００１９】具体的には、三次元形状入力装置の計測誤
差を吸収するために、予め設定された座標演算基準デー
タであるデータテーブル（主走査方向にＮ個の測定点を
設定し、その点に対応するＣＣＤリニアセンサ９の画素
位置を特定するデータを、Ｚ方向への所定のピッチ毎に
計測した複数の値でなる）を前記演算制御部５ｄに備え
た記憶回路（図示せず）に格納しておき、計測生データ
をテーブルデータに基づいて座標データに変換演算する
のである。

【００２０】以下に、前記データテーブルの生成用の治
具、及び、その使用方法について説明する。三次元形状
入力装置用の治具は、図３（ロ）及び図５（ロ）に示す
ように、一定高さＨの正方形の平面６ａに対角線で明暗
の塗り分けがなされた第一調整治具６と、傾斜角４５度
の滑らかな傾斜面５ａを形成した第二調整治具５とから
なる。

【００２１】先ず、図３（イ）に示すように、方形の第
一調整治具６をその一片が主走査方向に平行となるよう
に基準テーブル１に載置し、基準テーブル１を移動機構
によりＸ軸方向に移動（副走査）させつつ計測する。基
準テーブル１のＸ軸方向への移動に連れて主走査線上の
Ｙ軸方向に対する明暗の境界位置がＸ軸方向への移動距
離と等距離だけずれることから、その境界位置を示すＣ
ＣＤリニアセンサ９の画素位置を検出すれば、Ｚ座標Ｈ
におけるＹ座標とＣＣＤリニアセンサ９の画素位置との
対応関係がとれ、そのような対応関係から任意の高さ
Ｈ’におけるＹ座標とＣＣＤリニアセンサ９の画素位置
との対応関係が演算導出されることになる。

【００２２】詳述すると、図４に示すように、測定用光
線束の走査中心点ｏと各分割点とを結ぶ線分を考える
と、基準テーブル１から高さＨの水平線と線分との交点
（ｄ，ｅ，ｆ等）のＹ座標とＣＣＤリニアセンサ９の画
素位置との対応関係が把握される。走査中心点ｏから点
ｆを通りＹ軸に下ろした線分ｏｃを基準として、互いに
相似する三角形の比を用いて基準テーブル１から任意高
さＨ’の水平線と線分との交点（ｇ，ｈ，ｉ等）のＹ座
標とＣＣＤリニアセンサ９の画素位置との対応関係が求
まる。例えば、互いに相似する三角形ｏｅｆと三角形ｏ
ｈｉを考えると、底辺ｅｆ，高さＨ，Ｈ’が既知である
ので底辺ｈｉの長さが判明し、同様に三角形ｏｄｆと三
角形ｏａｃを考えると、底辺ａｃの長さが判明するが如
きであり、基準テーブル１の端点からの距離ｊｈは、長
方形ａｃ’ｉｊに対して、以下の式により求まる。 ｊｈ＝ａｃ−ｈｉ＋ｃ’ｉ・ｔａｎθ ここに、θは走査中心点ｏからＹ軸に下ろした垂線ｏｐ
と線分ｏｆとのなす角度である。

【００２３】従って、走査中心点ｏからＹ軸に下ろした
垂線の交点ｐとＣＣＤリニアセンサ９の画素位置（より
詳しくは画素の中心点）とは必ずしも対応しないため
に、走査中心点ｏからＣＣＤリニアセンサ９の画素位置
（より詳しくは画素の中心点）と対応する任意の分割点
を結ぶ線分を基準線分に設定する必要があり、そのた
め、走査中心点ｏからＹ軸に下ろした垂線ｏｐと基準線
分ｏｆとは角度θを有することになる。

【００２４】ここで、角度θを０°と仮定すれば、ｃ’
ｉ・ｔａｎθの項を無視して以下に示す近似式を採用す
ることもできる。 ｊｈ≒ａｃ−ｈｉ しかし、そのような近似式により任意高さＨ’の水平線
と線分との交点（ｇ，ｈ，ｉ等）のＹ座標とＣＣＤリニ
アセンサ９の画素位置との対応関係を求めると、図６に
示すように、高さＺに比例してＹ座標値がＺ・ｔａｎθ
＝ΔＹだけずれることになる。

【００２５】次に、図５（イ）に示すように、最大高さ
がＨで傾斜角４５度の滑らかな傾斜面５ａを形成した第
二調整治具５を、その傾斜面５ａの幅方向が副走査方向
（Ｘ軸方向）と平行姿勢となるようにＸ−Ｙ参照面１上
に載置して計測し、先に求めた式 ｊｈ≒ａｃ−ｈｉ に基づいて、複数高さにおける基準テーブル１の端点か
らの距離を演算導出し、図６に示すように、それら複数
点を貫く直線の式を最小二乗法により求めると、その直
線が第二調整治具５の傾斜面５ａを示すものとなる。第
二調整治具５の最大高さがＨであり傾斜角が４５度であ
るので、第二調整治具５のＹ軸方向の長さもＨとなると
ころが、上述した原因でΔＹ＝Ｈ・ｔａｎθだけ誤差を
含む値となる。そこで、ｔａｎθ＝ΔＹ／Ｈからｔａｎ
θが求まるので、 ｊｈ＝ａｃ−ｈｉ＋ｃ’ｉ・ｔａｎθ なる式に基づいて、任意高さＨ’における基準テーブル
１の端点からの距離が正確に演算導出できるのである。

【００２６】以下に別実施例を説明する。先の実施例で
は、第二調整治具５の傾斜角θを４５度に設定した場合
を説明したが、上述の説明より明らかなように傾斜角θ
は４５度に限定するものではなく任意の角度でよい。

【００２７】先の実施例では、第一調整治具６の平面６
ａを正方形としたものを説明したが、平面６ａの形状は
正方形に限定するものではなく任意であり、治具の副走
査方向（Ｘ軸方向）への移動に伴い明暗の境界の主走査
方向（Ｙ軸方向）への移動距離が捕捉できる関係があれ
ばよい。又、第一調整治具６の平面６ａの高さをＨとし
たものを説明したが、Ｈの値は特に限定するものではな
く任意である。さらに、第一調整治具は、Ｙ軸に平行な
測定用光線束の走査方向と角度をもった直線状の識別体
が表面に形成された平面で構成されるものであれば任意
であり、対角線方向に明暗の塗り分けがなされたものに
限定するものではない。

【００２８】本発明に適用できる三次元形状計測装置
は、光源からの測定用光線束をＸ−Ｙ参照面上の測定対
象物に向けて照射し、前記測定対象物の表面で散乱した
光線束を検出する光学機構と、前記光学機構により検出
された散乱光線束の検出データに基づいて、前記測定対
象物の表面形状データを演算導出する制御手段とを設け
て構成してあるものであれば、先の実施例で説明した構
成のものに限定されないことはいうまでもなく、光学機
構は適宜構成できるものであり、散乱光線束の検出手段
としてＣＣＤリニアセンサを用いるものに限定するもの
でもない。

【００２９】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にする為に符号を記すが、該記入により本発明は添
付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】三次元形状入力装置の全体構成図

【図２】原理を示す説明図

【図３】三次元形状入力装置用の治具の斜視図

【図４】調整方法の説明図

【図５】三次元形状入力装置用の治具の斜視図

【図６】調整方法の説明図

【図７】従来技術の調整方法の説明図

【符号の説明】

２ 測定対象物 ３ 光学機構 ５ 第二調整治具 ５ａ 傾斜面 ６ 第一調整治具 ６ａ 平面 ８ 光源 ９ 受光素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源（８）からの測定用光線束をＸ−Ｙ
   参照面上の測定対象物（２）に向けて走査し、前記測定
   対象物（２）の表面での散乱光線束の位置を受光素子
   （９）により検出する光学機構（３）を備えた三次元形
   状入力装置に対して、 Ｙ軸に平行な前記測定用光線束の走査方向と角度をもっ
   た直線状の識別体が表面に形成された所定高さ（Ｈ）の
   平面（６ａ）でなる第一調整治具（６）を、Ｘ軸方向に
   移動させて得られる測定データから、Ｙ軸方向の複数ポ
   イントと前記受光素子（９）の出力との位置対応関係を
   求め、 求められた位置対応関係から任意高さ（Ｈ’）における
   前記位置対応関係を幾何学的に演算導出して座標演算基
   準データを求めて、 所定の傾斜角の滑らかな傾斜面（５ａ）でなる第二調整
   治具（５）を、その傾斜方向に走査して得られる測定デ
   ータから、前記座標演算基準データに基づいて前記傾斜
   面（５ａ）の形状データを演算導出し、 導出された形状データで表された傾斜角が、前記第二調
   整治具（５）の傾斜角と等しくなるように前記座標演算
   基準データを補正する三次元形状入力装置の座標演算基
   準データの生成方法。