JPH11211434A - ３次元イメージスキャナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ３次元イメージスキャナにおいて、格子投影
型モアレトポグラフィを利用することにより、被測定体
の立体形状情報の取込みを短時間で容易に、かつ大きな
測定自由度で行えるようにする。 【構成】 被測定体の立体形状情報の取込みを、格子投
影型モアレ装置としての機能を有する測定ヘッド１２を
用いて行う構成とする。これにより、格子照射型モアレ
装置におけるような基準格子が不要となり、投影格子４
０および観測用基準格子４６の双方と共役になる位置に
仮想基準格子面を設定すれば足りるので、測定可能な被
測定体の大きさが制限されてしまうことはなく、また、
該仮想基準格子面に対して被測定体を前後にまたがるよ
うにして配置することも可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定体の立体形
状情報および模様情報を取り込み、該被測定体の３次元
イメージを生成する３次元イメージスキャナに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】３次元イメージスキャナは、コンピュー
タグラフィックスや形成外科治療等の分野において、３
次元イメージの入力装置として用いられる。この３次元
イメージスキャナは、一般に、被測定体の立体形状情報
および模様情報を取り込み、これら立体形状情報および
模様情報に基づいて上記被測定体の３次元イメージを生
成するように構成されている。

【０００３】上記被測定体の立体形状情報を取り込むた
めの装置としては、プローブを用いた３次元測定装置あ
るいは光センサを用いた光切断装置等も選択可能である
が、モアレ装置を用いるようにすれば、上記立体形状情
報の取込みを短時間で容易に行うことが可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、モアレ
装置として一般的な格子照射型モアレ装置を用いた場合
には、次のような問題がある。

【０００５】すなわち、図５に示すように、格子照射型
モアレ装置は、点光源Ｐ１からの光を基準格子１０２を
介して被測定体２に照射し、該被測定体２上に形成され
た変形格子像を、上記基準格子１０２を介して観測点Ｐ
２で観測することにより、モアレ縞が形成された像を得
るように構成されているが、この格子照射型モアレ装置
においては、測定可能な被測定体２の大きさが基準格子
１０２の大きさによって制限されるため、また、この基
準格子１０２の手前側に被測定体２を配置する必要があ
るため、測定自由度が小さくなってしまうという問題が
ある。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、被測定体の立体形状情報の取込みを、
短時間で容易に、かつ大きな測定自由度で行うことがで
きる３次元イメージスキャナ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】本発明の３次元イメージ
スキャナは、立体形状情報の取込みを格子投影型モアレ
装置を用いて行うようにすることにより、上記目的達成
を図るようにしたものである。

【０００８】すなわち、本発明の３次元イメージスキャ
ナは、被測定体の立体形状情報および模様情報を取り込
み、これら立体形状情報および模様情報に基づいて前記
被測定体の３次元イメージを生成する３次元イメージス
キャナにおいて、前記立体形状情報の取込みが、格子投
影型モアレ装置を用いて行われるように構成されている
ことを特徴とするものである。

【０００９】また、前記格子投影型モアレ装置が、該格
子投影型モアレ装置の投影光学系に設けられる投影格子
および観測光学系に設けられる観測用基準格子のうち少
なくとも一方を、前記両光学系の光軸と直交する平面内
において前記両格子の格子線と直交する方向に移動させ
る格子移動手段を備えてなることが好ましい。

【００１０】さらに、前記格子投影型モアレ装置が、前
記格子移動手段により移動された、前記投影格子および
前記観測用基準格子のうち少なくとも一方の各移動位置
において取り込まれた複数の立体形状情報に基づき、該
立体形状情報各部の凹凸形状判別を行うフリンジスキャ
ニング手段を備えてなることが好ましい。

【００１１】ここで、「格子投影型モアレ装置」とは、
互いに平行な光軸を有する投影光学系および観測光学系
を備え、上記投影光学系により投影格子の像を上記被測
定体上に投影させるとともに、上記観測光学系により上
記被測定体上に形成された変形格子像を観測用基準格子
上に結像させ、これにより生じるモアレ縞を観測するよ
うに構成されたモアレ装置を意味するものである。

【００１２】

【発明の作用効果】上記構成に示すように、本発明に係
る３次元イメージスキャナは、立体形状情報の取込み
を、格子投影型モアレ装置を用いて行うように構成され
ているので、次のような作用効果を得ることができる。

【００１３】すなわち、格子投影型モアレ装置において
は、格子照射型モアレ装置におけるような基準格子は不
要であり、投影格子および観測用基準格子の双方と共役
になる位置に仮想基準格子面を設定すれば足りるが、こ
の仮想基準格子面は被測定体に対して充分な大きさを有
しているので、該仮想基準格子面によって測定可能な被
測定体の大きさが制限されてしまうことはなく、また、
上記仮想基準格子面に対して被測定体を前後にまたがる
ようにして配置することも可能である。このため格子投
影型モアレ装置を採用することにより、被測定体の測定
自由度が大きなものとなる。しかも、モアレ装置である
ことから、短時間で容易に立体形状情報を取り込むこと
ができる。

【００１４】したがって、本発明の３次元イメージスキ
ャナによれば、３次元イメージスキャナにおいて、被測
定体の立体形状情報の取込みを、短時間で容易にかつ大
きな測定自由度で行うことができる。

【００１５】上記構成において、上記格子投影型モアレ
装置を、該格子投影型モアレ装置の投影光学系に設けら
れる投影格子および観測光学系に設けられる観測用基準
格子のうち少なくとも一方を、上記両光学系の光軸と直
交する平面内において上記両格子の格子線と直交する方
向に移動させる格子移動手段を備えてなる構成とすれ
ば、該格子の移動に対するモアレ縞の変化の方向性を観
測することにより、被測定体の凹凸判定を容易に行うこ
とが可能となる。

【００１６】この場合において、上記格子移動手段によ
る移動対象は、投影格子のみであってもよいし、観測用
基準格子のみであってもよいし、また、同位相の移動と
ならなければその両方であってもよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明の実
施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施形
態に係る３次元イメージスキャナの全体構成を示す斜視
図である。

【００１８】図示のように、この３次元イメージスキャ
ナ１０は、測定ヘッド１２と、電源機器駆動部１４と、
制御部１６と、表示部１８とを備えてなり、測定ヘッド
１２において被測定体２の立体形状情報および模様（テ
クスチャ）情報を取り込み、これら立体形状情報および
模様情報を、電源機器駆動部１４を介して制御部１６へ
出力し、該制御部１６において立体形状情報と模様情報
とを合成処理して被測定体２の３次元イメージを生成
し、これを表示部１８に表示するようになっている。上
記制御部１６には、キーボード２０およびマウス２２が
接続されており、これらを操作することにより、表示部
１８における３次元イメージの表示角度の変更等その表
示内容の切換え操作を行うことができるようになってい
る。

【００１９】上記測定ヘッド１２における立体形状情報
の取込みは、格子投影型モアレトポグラフィを利用して
行うようになっている。すなわち、測定ヘッド１２は格
子投影型モアレ装置としての機能を有している。図１に
おいて、測定ヘッド１２の前方に２点鎖線で示す格子面
Ｐｇが、格子投影型モアレトポグラフィにおける仮想基
準格子面である。

【００２０】図２は、測定ヘッド１２の外観を示す斜視
図であり、図３は、該測定ヘッド１２の内部構造を示す
斜視図である。これらの図に示すように、この測定ヘッ
ド１２は、ケーシング２４内に、投影光学系２６、観測
光学系２８および被測定体照明系３０が設けられてなっ
ている。

【００２１】上記投影光学系２６は、投影用ランプ３
２、熱線カットフィルタ３４およびコンデンサレンズ３
６からなる格子照明系３８と、投影格子４０と、投影レ
ンズ４２とを備えてなり、一方、上記観測光学系２８
は、撮影レンズ４４と、観測用基準格子４６と、フィー
ルドレンズ４８、折り返しミラー５０およびＣＣＤカメ
ラ５２からなるテレビ光学系５４とを備えてなってい
る。投影レンズ４２および撮影レンズ４４は、ケーシン
グ２４の前面に、その各光軸Ａｘ１およびＡｘ２が互い
に平行となるようにして取り付けられている。

【００２２】格子照明系３８は、上記光軸Ａｘ１に対し
て左斜め後方から投影格子４０を照射するように配置さ
れており、その投影用ランプ３２の像は、投影レンズ４
２の入射瞳位置に略結像されるようになっている。コン
デンサレンズ３６は、投影格子４０を十分カバーする大
きさを有している。

【００２３】一方、観測用基準格子４６ならびにテレビ
光学系５４のフィールドレンズ４８および折り返しミラ
ー５０は、上記光軸Ａｘ２上に配置されており、ＣＣＤ
カメラ５２は、上記光軸Ａｘ２に対して折り返しミラー
５０により直角に折り返された光軸上に配置されてい
る。フィールドレンズ４８は、観測用基準格子４６を透
過した光束をＣＣＤカメラ５２に入射させるように配置
されている。

【００２４】投影格子４０および観測用基準格子４６
は、いずれも互いに等しいピッチで上下方向に延びる格
子線を有しており、上記光軸Ａｘ１およびＡｘ２と直交
する同一平面内に設けられている。そして、投影格子４
０は、該投影格子４０の像が仮想基準格子面Ｐｇ（図１
参照）に結像されるよう、該仮想基準格子面Ｐｇと共役
の位置関係で配置されており、一方、観測用基準格子４
６も、仮想基準格子面Ｐｇの像が該観測用基準格子４６
に桔像されるよう、該仮想基準格子面Ｐｇと共役の位置
関係で配置されている。

【００２５】図４は、測定ヘッド１２の格子投影型モア
レ装置としての機能を説明する平面図である。図示され
るように、この測定ヘッド１２においては、投影光学系
２６により投影格子４０の像を被測定体２上に投影させ
るとともに、観測光学系２８により被測定体２上に形成
された変形格子像を観測用基準格子４６上に結像させ、
これにより生じるモアレ縞を観測するように構成されて
いる。

【００２６】図４において１点鎖線で示す仮想基準格子
面Ｐｇおよび該仮想基準格子面Ｐｇと平行な実線で示す
複数の面がモアレ面を形成しており、これら各モアレ面
と被測定体２が交差する曲線に沿ってモアレ縞が形成さ
れることとなる。図４には、仮想基準格子面Ｐｇの手前
側にのみ実線でモアレ面を示しているが、仮想基準格子
面Ｐｇの奥側にも複数のモアレ面が形成される。したが
って、被測定体２が仮想基準格子面Ｐｇを前後にまたが
るように配置された場合においてもモアレ縞は形成され
る。

【００２７】図３に示すように、投影格子４０は、格子
送り機構５６に支持されており、該格子送り機構５６に
より上記光軸Ａｘ１と直交する平面内において水平方向
（すなわち該投影格子４０の格子線と直交する方向）に
往復移動せしめられるようになっている。この格子送り
機構５６は、パルスステージで構成されており、投影格
子４０を１位相分の長さにわたって往復振動（フリンジ
スキャン）させるようになっている。なお、パルスステ
ージに代えて圧電素子等を用いて往復振動を行うように
してもよい。

【００２８】投影格子４０の移動により、該投影格子４
０と観測用基準格子４６との間の位相が変化するので、
これに伴ってモアレ縞が変化する。そこで、このモアレ
縞の像を制御部１６（図１参照）において１／４位相毎
にサンプリングを行うことにより、被測定体２の凹凸判
定を行うようになっている。

【００２９】一方、観測用基準格子４６は、格子退避機
構５８に支持されており、該格子退避機構５８により上
記光軸Ａｘ２と直交する平面内において水平方向に移動
せしめられ、これにより観測光学系２８の光路内に位置
するモアレ縞観測位置と該光路から外れた退避位置とを
選択的に採り得るようになっている。観測用基準格子４
６の移動は、格子退避機構５８においてケーシング２４
の右側面から突出する格子退避ノブ６０を、手動により
出し入れすることにより行われるようになっている。格
子退避機構５８には、観測用基準格子４６が上記退避位
置まで移動したとき、これを検出するリミットスイッチ
６２が取り付けられている。

【００３０】被測定体２の立体形状情報の取込みのため
のモアレ縞観測は、観測用基準格子４６をモアレ縞観測
位置にセットした状態で行われるが、該観測用基準格子
４６を上記退避位置へ退避させるようにすれば、モアレ
縞が形成されていない被測定体２の２次元画像の撮影を
行うことが可能となる。そこで、測定ヘッド１２におい
ては、この２次元画像の撮影により被測定体２の模様情
報の取込みを行うようになっている。

【００３１】なお、観測用基準格子４６を上記退避位置
へ退避させる代わりに、投影格子４０を投影光学系２６
の光路から外れた位置へ退避させることによっても、モ
アレ縞が形成されていない被測定体２の２次元画像の撮
影を行うことが可能ではあるが、このようにした場合に
は、観測用基準格子４６がモアレ縞観測位置に残ったま
まであるので、該観測用基準格子４６とＣＣＤカメラ５
２との間で疑似モアレが発生するおそれがあり、また、
ＣＣＤカメラ５２への入射光量も半減してしまうので、
あまり好ましくはない。

【００３２】図３に示すように、被測定体照明系３０
は、投影光学系２６と観測光学系２８との間に位置する
ようにして設けられている。この被測定体照明系３０
は、照明用ランプ６４と、熱線カットフィルタ６６と、
ケーシング２４の前面に取り付けられたディフューザ窓
６８とからなり、照明用ランプ６４からの光を、熱線カ
ットフィルタ６６およびディフューザ窓６８を介して前
方へ拡散照射するようになっている。

【００３３】照明用ランプ６４は、モアレ縞観測の際に
は非点灯状態にあるが、２次元画像撮影の際には点灯す
るようになっている。また、この点灯動作と連動して格
子照明系３８の投影用ランプ３２が消灯するようなって
いる。この点灯切換えは、リミットスイッチ６２の検出
信号に基づいて行われるようになっている。

【００３４】このように２次元画像撮影の際、投影用ラ
ンプ３２から照明用ランプ６４への点灯切換えが行われ
るのは、照明用ランプ６４を点灯させずに投影用ランプ
３２を点灯させたままの状態で２次元画像撮影を行う
と、投影格子４０の像が形成された状態で被測定体２の
２次元画像を撮影することとなってしまうので、これを
回避するためである。なお、照明用ランプ６４を点灯さ
せれば、投影用ランプ３２を点灯させたままであっても
投影格子４０の像の影響は非常に小さいものとなるの
で、照明用ランプ６４の点灯動作と連動して投影用ラン
プ３２を消灯させることは必ずしも必要ではない。

【００３５】ケーシング２４の左側面および背面には、
冷却ファン７０および７２が取り付けられており、これ
により投影用ランプ３２および照明用ランプ６４が発す
る熱をケーシング２４の外部へ排出するようになってい
る。その際、ケーシング２４内に形成された隔壁７４お
よび７６により、両ランプ３２および６４が発する熱を
冷却ファン７０へ効率よく導くようになっており、さら
に、ＣＣＤカメラ５２と隔壁７６との間にもう１つの隔
壁７８を形成して、これら両隔壁７６および７８間に断
熱路を形成し、該断熱路内の空気（熱）を冷却ファン７
２へ導くようになっている。そして、これにより、両ラ
ンプ３２および６４が発する熱がＣＣＤカメラ５２へ伝
わるのを確実に阻止して、該ＣＣＤカメラ５２を保護す
るようになっている。

【００３６】図２に示すように、ケーシング２４の上面
における両ランプ３２および６４の上方部位には、冷気
吸引孔８０および８２が形成されており、これにより冷
却ファン７０および７２による排熱効率を高めるように
なっている。また、ケーシング２４の右側面には、格子
退避ノブ６０の他に、電源スイッチ８４および通電表示
ランプ８６が設けられており、その内面側には電子基板
８８が設けられている。また、ケーシング２４の右側面
からは、電源および信号用コード９０が延びており、そ
の他端部において、電源用コネクタ９２、制御信号用コ
ネクタ９４およびテレビ信号用コネクタ９６により、電
源機器駆動部１４（図１参照）へ接続されるようになっ
ている。

【００３７】以上詳述したように、本実施形態に係る３
次元イメージスキャナ１０は、立体形状情報の取込み
を、格子投影型モアレ装置としての機能を有する測定ヘ
ッド１２を用いて行うように構成されているので、格子
照射型モアレ装置におけるような基準格子は不要であ
り、投影格子４０および観測用基準格子４６の双方と共
役になる位置に仮想基準格子面Ｐｇを設定すれば足り
る。この仮想基準格子面Ｐｇは無限の大きさを有してい
るので、該仮想基準格子面Ｐｇによって測定可能な被測
定体２の大きさが制限されてしまうことはなく、また、
仮想基準格子面Ｐｇに対して被測定体２を前後にまたが
るようにして配置することも可能であり、これにより被
測定体２の測定自由度が大きなものとなる。しかも、モ
アレ装置であることから、短時間で容易に立体形状情報
を取り込むことができる。

【００３８】したがって、本実施形態によれば、３次元
イメージスキャナにおいて、被測定体の立体形状情報の
取込みを、短時間で容易にかつ大きな測定自由度で行う
ことができる。しかも、本実施形態においては、投影格
子４０を、投影光学系２６の光軸Ａｘ１と直交する平面
内において該投影格子４０の格子線と直交する方向に移
動させる格子移動機構５６を備えているので、該投影格
子４０の移動に対するモアレ縞の変化の方向性を観測す
ることで、容易に被測定体２の凹凸判定が可能となる。

【００３９】実施形態においては、ＣＣＤカメラ５２
を、被測定体２の立体形状情報および模様情報の取込み
に共用するようにしたが、ＣＣＤカメラ５２を上記立体
形状情報の取込専用とし、上記模様情報の取込みに関し
てはこれを専用で行う別のカメラを測定ヘッド１２に内
蔵させるようにしてもよい。このようにすることによ
り、上記模様情報取込み用のカメラについては、その結
像位置を被測定体２に合わせておくことができるので、
観測用基準格子４６をモアレ縞観測位置にセットした状
態のままにしておいても、該観測用基準格子４６による
疑似モアレを発生させてしまうことなく、模様情報の取
込みを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る３次元イメージスキ
ャナの全体構成を示す斜視図

【図２】図１に示す３次元イメージスキャナの測定ヘッ
ドの外観を示す斜視図

【図３】図１に示す３次元イメージスキャナの測定ヘッ
ドの内部構造を示す斜視図

【図４】図１に示す３次元イメージスキャナの測定ヘッ
ドの格子投影型モアレ装置としての機能を説明するため
の平面図

【図５】従来例を示す概略図

【符号の説明】

２ 被測定体 １０ ３次元イメージスキャナ １２ 測定ヘッド（格子投影型モアレ装置） １４ 電源機器駆動部 １６ 制御部 １８ 表示部 ２４ ケーシング ２６ 投影光学系 ２８ 観測光学系 ３０ 被測定体照明系 ３２ 投影用ランプ ３４ 熱線カットフィルタ ３６ コンデンサレンズ ３８ 格子照明系 ４０ 投影格子 ４２ 投影レンズ ４４ 撮影レンズ ４６ 観測用基準格子 ４８ フィールドレンズ ５０ 折り返しミラー ５２ ＣＣＤカメラ ５４ テレビ光学系 ５６ 格子送り機構（格子移動手段） ５８ 格子退避機構 ６０ 格子退避ノブ ６２ リミットスイッチ ６４ 照明用ランプ ６６ 熱線カットフィルタ ６８ ディフューザ窓 ７０、７２ 冷却ファン ７４、７６、７８ 隔壁 ８０、８２ 冷気吸引孔 Ａｘ１、Ａｘ２ 光軸 Ｐｇ 仮想基準格子面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定体の立体形状情報および模様情報
   を取り込み、これら立体形状情報および模様情報に基づ
   いて前記被測定体の３次元イメージを生成する３次元イ
   メージスキャナにおいて、 前記立体形状情報の取込みが、格子投影型モアレ装置を
   用いて行われるように構成されていることを特徴とする
   ３次元イメージスキャナ。
2. 【請求項２】 前記格子投影型モアレ装置が、該格子投
   影型モアレ装置の投影光学系に設けられる投影格子およ
   び観測光学系に設けられる観測用基準格子のうち少なく
   とも一方を、前記両光学系の光軸と直交する平面内にお
   いて前記両格子の格子線と直交する方向に移動させる格
   子移動手段を備えてなることを特徴とする請求項１記載
   の３次元イメージスキャナ。
3. 【請求項３】 前記格子投影型モアレ装置が、前記格子
   移動手段により移動された、前記投影格子および前記観
   測用基準格子のうち少なくとも一方の各移動位置におい
   て取り込まれた複数の立体形状情報に基づき、該立体形
   状情報各部の凹凸形状判別を行うフリンジスキャニング
   手段を備えてなることを特徴とする請求項２記載の３次
   元イメージスキャナ。