JPH11211443A

JPH11211443A - ３次元形状計測装置

Info

Publication number: JPH11211443A
Application number: JP1462298A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Yasuda; 朋広安田; Kazunari Yoshimura; 一成吉村; Ryosuke Mitaka; 良介三高
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1998-01-27
Filing date: 1998-01-27
Publication date: 1999-08-06
Anticipated expiration: 2018-01-27
Also published as: JP3922784B2

Abstract

(57)【要約】【課題】物体を移動させて位相シフト法により物体の高
さを測定する３次元形状計測装置を提供すると共に、物
体の移動に伴う照明の入射角度の変化による死角を防止
し、精度を維持する。【解決手段】移動する測定物体１の３次元形状を計測す
る装置において、測定物体１の移動方向に所定の周期の
正弦波パターン状の光強度分布を有する略平行光な照明
を測定物体１に上方から照射する照明手段（光源３、レ
ンズ４、フィルタ５）と、測定物体１を撮像する撮像手
段（カメラ６、レンズ７）と、測定物体１が少なくとも
４通りの位相（好ましくは位相０、π／２、π、３π／
２）に相当する距離移動する毎に撮像された画像を格納
する画像メモリと、画像メモリ内の画像から位相シフト
法により高さを求める演算手段とを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術】本発明は、移動する測定物体の３
次元形状を位相シフト法を用いて測定する装置に関する
ものであり、特に外装材等の板状物体の３次元形状を高
精度に計測する用途に適するものである。

【０００２】

【従来の技術】工業製品の分野において、立体形状を定
量的に評価するに当たっては、物理的接触を伴う計測方
法では、接触により、傷等を発生し、外観を損ねる恐れ
がある。また、オフラインや抜き取りではなく、製造工
程中のインラインで計測が行えることが望ましいので、
移動しながらの非接触による計測が求められる。しかし
ながら、工業製品等の非接触３次元計測装置において、
一般的によく使用される光切断法では、高速で移動する
対象物体に対しては撮像される画像の中に有効とされる
データが少ないので、高精度な計測ができない。そこ
で、高速で移動する物体を非接触・高精度に計測するこ
とが可能な計測装置を実現するために、撮像された画像
の全点を有効なデータとできる位相シフト法を用いた画
像処理装置（特開平４−９８１１１号）が提案されてい
る。

【０００３】一般的なＣＣＤカメラを用いた位相シフト
法による３次元形状計測の手順を図４３を用いて説明す
る。光源３と正弦波パターンのフィルタ５を組み合わせ
ることにより、正弦波パターン状の光強度分布を有する
照明を測定物体１に照射し、測定物体１上の点をＣＣＤ
カメラ６で観測した場合、ＣＣＤ画面上の点ｐ（ｘ，
ｙ）の強度Ｉは下式で与えられる。

【０００４】Ｉ＝ｅ＋ｆ・ｃｏｓφ ｅ：直流光ノイズｆ：正弦波のコントラスト φ：物体の凹凸により与えられる位相正弦波パターンを移動させて位相をφ＋０、φ＋π／
２、φ＋π、φ＋３π／２と変化させ、これに対応する
強度分布Ｉ０、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３をもつ画像を取り込
み、位相を求める。

【０００５】 α＝ｔａｎ^-1｛（Ｉ３−Ｉ１）／（Ｉ０−Ｉ２）｝この位相を用いて測定物体上の点Ｐの３次元座標（Ｘ，
Ｙ，Ｚ）は下式で与えられる。Ｘ＝−ｓｘＹ＝ｂ＋ｓ（−ｃ−ｙｃｏｓφ）Ｚ＝ａ＋ｓ（−ｄ＋ｙｓｉｎφ）ｓ＝（−ｂｃｏｓθ）／ｕ θ＝ｔａｎ^-1（ｌα／ａ）ｕ＝（−ｃ−ｙｃｏｓφ）ｃｏｓθ＋（−ｄ＋ｙｓｉｎ
φ）ｓｉｎθ φ＝ｔａｎ^-1（ｂ／ａ）ｃ＝ａｍｄ＝ｂｍｌ：基準面に投影された正弦波パターンのピッチｍ：カメラ倍率これらの式より測定物体に対する３次元形状を計測する
ものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、位相シ
フト法を用いたこれまでの装置は、正弦波パターンを移
動させて高さを測定する装置のみで、物体を移動させて
測定する装置はない。また、物体が移動している場合に
は、物体が固定している場合と違い、物体が移動するこ
とで、これまでの照明では生じなかった入射角度の変化
による死角ができ、精度が落ちる場合がある。本発明の
目的は、このような問題を解決できる３次元形状計測装
置を提案することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記の
課題を解決するために、図１及び図２に示すように、移
動する測定物体１の３次元形状を計測する装置におい
て、測定物体１の移動方向に所定の周期の正弦波パター
ン状の光強度分布を有する略平行光な照明を測定物体１
に上方から照射する照明手段（光源３、レンズ４、フィ
ルタ５）と、測定物体１を撮像する撮像手段（カメラ
６、レンズ７、フレームグラバ８）と、測定物体１が少
なくとも４通りの位相（好ましくは位相０、π／２、
π、３π／２）に相当する距離移動する毎に撮像された
画像を格納する画像メモリ９と、画像メモリ９内の画像
から位相シフト法により高さを求める演算手段１０とを
具備することを特徴とするものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】（実施例１）以下、本発明を実施
例により説明する。図１は本発明を実施するための装置
の一例を示す図である。測定物体１は外装材であり、コ
ンベア２により矢印Ｇに示す方向に移動されている。光
源３とレンズ４より平行光を作成し、その前部に正弦波
パターン状の濃淡を有するフィルタ５を配置して成る照
明手段により、測定物体としての外装材１の真上から明
暗が正弦波状に変化するパターンが投影される。カメラ
６とレンズ７の光軸をずらすことで測定物体としての外
装材１の表面に焦点が合うように斜め方向に配置された
撮像手段により、外装材表面の凹凸により生じる投影パ
ターンの変形が観測できるように光学系が構成される。
コンベア２は正弦波状の光強度分布の位相π／２に相当
する距離Ｌずつ移動し、カメラ６はコンベア２が距離Ｌ
移動する毎に撮像する。図２は画像処理系のブロック図
である。カメラ６の画像はフレームグラバ８に入力さ
れ、量子化されて画像メモリ９に転送される。画像メモ
リ９に転送された画像は処理装置１０により位相シフト
法を用いて位相演算され、高さを計測される。

【０００９】このような構成を用いることにより、移動
による物体表面上の各点での照明の入射角の変化による
補正をする必要がなく、また、照明の当たらない部分を
無くすことができ、撮像した画像の全点をデータとして
活用した画像処理が可能となり、移動する対象物体の形
状を精度良く３次元測定できる。

【００１０】図３は本実施例の装置により投影される正
弦波パターンであり、正弦波パターンの明暗方向は、外
装材１の移動方向と同一方向にする。図４は本装置のカ
メラ６により撮像され、画像メモリ９に記憶された移動
距離０、Ｌ、２Ｌ、３Ｌで撮像された画像、すなわち正
弦波状の光強度分布の位相を０、π／２、π、３π／２
とずらして撮像された画像である。

【００１１】（実施例２）本発明の実施例２の動作を図
５に示す。装置の構成は図１及び図２と同様である。図
５はカメラによる撮像動作のタイミングを示しており、
図中、ＡはＣＣＤカメラの電子シャッタ（すなわち光電
変換部と電荷蓄積部の間の電子スイッチ）が開く露光の
タイミング、ＢはＣＣＤカメラの電荷蓄積部から電荷転
送部（すなわち電荷結合素子）への電荷読出のタイミン
グである。ここで、露光の間隔をＴとし、正弦波状の光
強度分布の位相π／２に相当する測定物体の移動距離を
Ｌとすると、本実施例では、コンベア速度Ｖ＝Ｌ／Ｔで
連続して測定物体を移動させ、４フレームの時間（＝４
Ｔ）で図４に示した４枚の画像データを撮像する。この
撮像は、コンベア速度に同期した撮像なので、位相を
０、π／２、π、３π／２ずらした画像が、カメラの撮
像間隔Ｔで連続的に画像メモリに取り込める。

【００１２】本実施例では、連続で移動している測定物
体に対して、位相を０、π／２、π、３π／２ずらした
画像をリアルタイムで取り込むことができるので、外装
材の製造工程において形状計測を行う場合、オフライン
でなく、インライン対応の装置を実現できる。

【００１３】（実施例３）図６は本発明の実施例３の装
置を示している。本実施例では、コンベア２の移動量を
エンコーダ１１によりモニターしており、測定物体１が
位相π／２に相当する距離Ｌを移動する毎にエンコーダ
１１によりカメラ６に露光のタイミングを決めるための
トリガを与える。図７は本実施例の動作を示しており、
図中、Ａはエンコーダ１１からのトリガに応答した露光
のタイミングを示している。図５に示した実施例２の動
作では露光の間隔Ｔは一定であったが、実施例３では、
露光の間隔はエンコーダ１１から与えられるトリガ信号
の間隔に応じて決まる。これにより、コンベア２の速度
が正確に設定されていなくても、画像メモリには位相を
０、π／２、π、３π／２ずらした画像を確実に取り込
むことができる。このように、本実施例では、コンベア
２の移動量をモニターするエンコーダ１１を用いること
で移動距離Ｌが正確に検出でき、高精度な測定が可能と
なる。

【００１４】（実施例４）本発明の実施例４の動作を図
８に示す。装置の構成は図１及び図２と同様である。本
実施例４では、コンベアの速度が遅く、測定物体がＶ＝
Ｌ／ｎＴ（ｎ＝２，３，４，…）で連続移動している場
合について、カメラの撮像間隔Ｔのｎ倍毎に撮像される
画像を抽出する、つまり、複数の画像の中から位相０、
π／２、π、３π／２ずらした画像のみを抽出し、他の
画像は間引くことにより、コンベアの速度と撮像の間隔
を合わせている。

【００１５】一般に、工場内の製造ライン速度は予め決
まっている場合が多い。また、カメラの撮像間隔も一般
的には１／３０秒であり、予め決まっている。そのた
め、正弦波パターンは、コンベアの速度に対して設定し
なくてはならない。実施例２のように、Ｖ＝Ｌ／Ｔとし
た場合、コンベアの速度Ｖが遅いと、正弦波パターンの
１周期（＝４Ｌ）は短くなるが、ＣＣＤカメラの画素分
解能の関係からＣＣＤ画面上で反射光を画素毎に分離で
きず、正弦波分布と見なせなくなり、計測精度が落ちる
ことがある。また、コンベアの速度Ｖが速いと、正弦波
パターンの１周期（＝４Ｌ）は長くなるが、ＣＣＤカメ
ラの１視野内に正弦波パターンを作成することができな
くなる場合がある。

【００１６】この問題を解決するために、本実施例で
は、コンベアの速度が低速度の場合には、複数の画像の
中から位相０、π／２、π、３π／２ずらした画像を抽
出し、コンベアの速度に関係なく、正弦波パターンの周
期を設定できるようにしたものである。

【００１７】（実施例５）本発明の実施例５の動作を図
９に示す。装置の構成は図１及び図２と同様である。た
だし、光源はストロボ光源とし、コンベアの移動量をモ
ニターするエンコーダ（図６参照）により発光のタイミ
ングを決めるためのトリガを与える。図９において、Ａ
はエンコーダからのトリガに応答したストロボ光源の発
光及びＣＣＤカメラの露光のタイミングを示している。
また、ＢはＣＣＤカメラの電荷読出のタイミングである
が、本実施例では、ストロボ発光直後に読み出された画
像データのみを使用している。すなわち、実施例４と同
様に、コンベアの速度が遅く、測定物体がＶ＝Ｌ／ｎＴ
（ｎ＝２，３，４，…）で連続移動している場合につい
て、測定物体が位相π／２に相当する距離Ｌを移動する
毎にエンコーダによりストロボ光源にトリガ信号を与え
て、光源を発光させたタイミングで位相を０、π／２、
π、３π／２ずらした画像を取り込むものである。

【００１８】次に、コンベアの速度が速い場合に、複数
のカメラあるいは複数の照明手段を用いて、リアルタイ
ムに位相を０、π／２、π、３π／２ずらした画像をメ
モリに取り込む実施例について説明する。

【００１９】（実施例６）図１０は本発明の実施例６の
装置を示している。本実施例では測定物体１の移動方向
に間隔Ｌで２台のカメラ６ａ，６ｂを配置し、これらの
カメラ６ａ，６ｂで同時にコンベア２上を移動している
測定物体１を撮像し、撮像された画像をカメラ６ａ，６
ｂの順で次々に画像メモリに転送するものである。

【００２０】図１１は本実施例の動作を示しており、位
相０、πに相当する画像はカメラ６ａで、位相π／２、
３π／２に相当する画像はカメラ６ｂで、連続的に撮像
される。１回目の撮像で得られる画像は、カメラ６ａに
ついては位相０の画像、カメラ６ｂについては位相π／
２分移動後の画像である。実際にはカメラ６ａと６ｂは
同時に測定物体１を撮像するが、カメラ６ｂはカメラ６
ａに対して位相π／２に相当する距離Ｌだけずれている
ので、位相π／２分移動後の画像を撮像したのと同じこ
とになる。２回目の撮像で得られる画像は、カメラ６ａ
については位相π分移動後の画像、カメラ６ｂについて
は位相３π／２分移動後の画像である。すなわち、１回
目の撮像と２回目の撮像の間に、測定物体１は位相πに
相当する距離（＝２Ｌ）移動することになる。したがっ
て、本実施例によれば、カメラ６ａ，６ｂの撮像間隔が
Ｔとすると、コンベア速度はＶ＝２Ｌ／Ｔと高速化する
ことができ、２Ｔの時間で画像の取り込みを完了するこ
とができる。

【００２１】（実施例７）図１２は本発明の実施例７の
装置を示している。本実施例では測定物体１の移動方向
とは垂直な方向に２台のカメラ６ａ，６ｂを配置し、カ
メラ６ａ，６ｂの同期信号を撮像間隔Ｔの半分の時間
（＝Ｔ／２）だけずらして、コンベア２上を移動してい
る測定物体１を位相π／２に相当する距離Ｌ移動するご
とに交互に撮像し、撮像された画像をカメラ６ａ，６ｂ
の順で次々に画像メモリに転送するものである。

【００２２】図１３は本実施例の動作を示しており、位
相０、πに相当する画像はカメラ６ａで、位相π／２、
３π／２に相当する画像はカメラ６ｂで、Ｔ／２の時間
毎に交互に連続的に撮像される。１回目の撮像で得られ
る画像は、カメラ６ａによる位相０の画像、２回目の撮
像で得られる画像は、カメラ６ｂによる位相π／２分移
動後の画像である。３回目の撮像で得られる画像は、カ
メラ６ａによる位相π分移動後の画像、４回目の撮像で
得られる画像は、カメラ６ｂによる位相３π／２分移動
後の画像である。各回の撮像の間に、測定物体１は位相
π／２に相当する距離Ｌを移動することになる。したが
って、本実施例においても、コンベア速度はＶ＝２Ｌ／
Ｔと高速化することができ、２Ｔの時間で画像の取り込
みを完了することができる。

【００２３】図１４は本実施例のカメラ６ａ，６ｂによ
る撮像動作のタイミングを示しており、図中、ＡはＣＣ
Ｄカメラの電子シャッタ（すなわち光電変換部と電荷蓄
積部の間の電子スイッチ）が開く露光のタイミング、Ｂ
はＣＣＤカメラの電荷蓄積部から電荷転送部（すなわち
ＣＣＤ部分）への電荷読出のタイミングである。このタ
イムチャートから明らかなように、本実施例では、カメ
ラ６ａと６ｂは全ての動作がＴ／２の時間ずれている。

【００２４】（実施例８）図１５は本発明の実施例８に
よる撮像動作のタイミングを示している。装置の構成は
図１２と同じであり、カメラ６ａと６ｂにより取り込ま
れる画像は図１３と同じである。本実施例では、カメラ
６ａと６ｂは露光のタイミングのみがＴ／２の時間ずれ
ており、その他の動作については同期している。すなわ
ち、ＣＣＤカメラは撮像間隔Ｔのうち、電子シャッタが
開いていた瞬間の画像を電荷蓄積部に捉えており、この
画像が同期信号にしたがって読み出されるものであるか
ら、カメラ６ａと６ｂの画像データの読み出しのタイミ
ングが同じであっても、電子シャッタが開く露光のタイ
ミングがＴ／２の時間ずれていれば、実施例７と同様の
動作が実現できる。

【００２５】なお、実施例７と８では、各カメラ６ａ，
６ｂの画像はカメラの光軸間隔だけずれているので、カ
メラ２つが対応する部分の画像だけを用いる。また、カ
メラ６ａ，６ｂを傾けて同一視野を撮像するときは、傾
きに対して画像を補正する必要がある。

【００２６】（実施例９）図１６は本発明の実施例９の
装置を示している。本実施例では、赤、緑、青の高輝度
ＬＥＤを組み合わせて作った３色光を照射する光源３
と、その前部に赤、緑、青の特定の光だけを通す３枚の
カラーフィルタ５Ｒ，５Ｇ，５Ｂを配置した照明手段を
有している。また、撮像手段としては、カラーカメラ６
ｃを用いている。図１７は３枚のカラーフィルタの配置
を真上から見た図である。赤、緑、青の濃淡で形成され
た正弦波パターンの位相はπ／２ずつずれており、赤色
の濃淡で形成された正弦波パターンの位相を０とする
と、緑色の濃淡で形成された正弦波パターンの位相はπ
／２遅れており、青色の濃淡で形成された正弦波パター
ンの位相はさらにπ／２遅れている。したがって、コン
ベア２上を移動している測定物体１をカラーカメラ６ｃ
で撮像すると、Ｒ、Ｇ、Ｂ成分の画像は、図１８に示す
ように、赤、緑、青の順で位相がπ／２ずつずれてお
り、位相０の画像（Ｒ成分の画像）、位相π／２分移動
後の画像（Ｇ成分の画像）、位相π分移動後の画像（Ｂ
成分の画像）を同時に取り込んだのと同じことになる。
そして、測定物体１が位相３π／２に相当する距離（＝
３Ｌ）を移動した後、再び、Ｒ成分の画像を取り込め
ば、リアルタイムに位相を０、π／２、π、３π／２ず
らした画像をメモリに取り込むことができる。また、カ
ラーカメラ６ｃによる撮像間隔をＴとすると、コンベア
２の速度はＶ＝３Ｌ／Ｔにまで高速化することができ
る。なお、本実施例において、光源３はＬＥＤでなくて
も良く、ほぼレンズの焦点位置で点光源として、３原色
成分を含む光を照射できるものであれば良い。例えば、
レーザー光源であっても良い。

【００２７】（実施例１０）図１９は本発明の実施例１
０の装置を示している。本実施例では、赤、緑、青の高
輝度ＬＥＤを組み合わせて３色光を順次に照射する光源
３を備え、正弦波パターンのフィルタ５にはグレイフィ
ルタを１枚用いている。また、撮像手段にはカラーカメ
ラ６ｃを用いている。コンベア２上を移動している測定
物体１に赤、緑、青の光源３を間隔Ｔ／３で順次に発光
させ、カラーカメラ６ｃで撮像し、撮像されたＲ、Ｇ、
Ｂ成分の画像を赤、緑、青の順で次々に画像メモリに転
送する。

【００２８】まず、最初に赤色の光源が発光すると、図
２０に示すように、位相０の画像（Ｒ成分の画像）が撮
像され、次に、Ｔ／３の時間経過後に緑色の光源が発光
すると、位相π／２分移動後の画像（Ｇ成分の画像）が
撮像され、さらに、Ｔ／３の時間経過後に青色の光源が
発光すると、位相π分移動後の画像（Ｂ成分の画像）が
撮像される。この赤、緑、青の光源が順次に発光する
間、カラーカメラ６ｃの電子シャッタは開いており、ス
トロボ光源３の発光時にのみＲ、Ｇ、Ｂ成分の電荷蓄積
が行われる。そして、図２１に示すように、赤、緑、青
の光源の順次発光が完了すると、画像データの読み出し
が行われる。その後、青色の光源の発光時からＴ／３の
時間の経過後に再び赤色の光源が発光し、位相３π／２
分移動後の画像（Ｒ成分の画像）が撮像される。

【００２９】本実施例においても、実施例９と同様に、
コンベアの速度はＶ＝３Ｌ／Ｔにまで高速化することが
できる。また、光源はＬＥＤでなくても良く、ほぼレン
ズの焦点位置で点光源として、３原色光を順次に照射で
きるものであれば良い。例えば、レーザー光源であって
も良い。

【００３０】（実施例１１）図２２は本発明の実施例１
１の装置を示している。本実施例では、赤、緑、青、赤
外のカラーフィルターの付いた４台のカメラ６ａ，６
ｂ，６ｃ，６ｄを測定物体１の移動方向に間隔Ｌで配置
し、赤、緑、青、赤外の高輝度ＬＥＤを組み合わせて作
った４色光を同時に照射する光源３の前部に正弦波パタ
ーンのグレイフィルタ５を配置している。本実施例で
は、図２３に示すように、位相０に相当する画像は赤成
分画像、π／２に相当する画像は緑成分画像、πに相当
する画像は青成分画像、３π／２に相当する画像は赤外
成分画像として撮像され、位相を算出するための４枚の
画像を１度に撮像できる。ただし、光源３はＬＥＤでな
くてもよく、ほぼレンズの焦点位置で点光源として、４
色光を同時に照射できるものであればよい。例えば、レ
ーザー光源であっても良い。

【００３１】（実施例１２）図２４は本発明の実施例１
２の装置を示している。本実施例では、照明手段を測定
物体１の移動方向の前後両方向に配置し、撮像手段を測
定物体１の真上方向に配置したものである。外装材のよ
うな比較的溝の深い形状をもった測定物体に対する３次
元形状計測では、撮像手段の死角や照明手段の死角が問
題となる。つまり、照明手段からの光が溝の深い部分に
まで届かない、あるいは、撮像手段による視野が溝の深
い部分にまで及ばないことがある。そこで、本実施例で
は、撮像手段としてのカメラ６を測定物体１の真上に配
置することにより、溝の深い部分まで観察できるように
すると共に、照明手段についても、測定物体１の移動方
向の前後両方向に配置して溝の深い部分まで照明できる
ようにした。一対の光源３ａ，３ｂは交互に発光し、各
光源３ａ，３ｂからの光はレンズ４ａ，４ｂにより入射
角度の異なる平行光に変換され、フィルタ５ａ，５ｂに
より明暗が正弦波状に変化するパターンとして測定物体
１の上に投影される。測定物体１の上に投影される正弦
波状のパターンは位相がπ／４ずれている。これは、一
方の光源３ａが発光して撮像された画像と、その後、他
方の光源３ｂが遅れて発光して撮像された画像の位相を
同じにするためである。

【００３２】図２５は本実施例のカメラ６により撮像さ
れる画像を示している。まず、光源３ａが発光して位相
０の画像が撮像される。次に、光源３ｂが発光するが、
このとき、図２６に示すように、測定物体１は位相π／
４に相当する距離だけ移動しているので、光源３ｂによ
り照射される正弦波パターンは、光源３ａにより照射さ
れる正弦波パターンに比べて位相π／４に相当する距離
だけずらせて照射される。これにより、光源３ｂの発光
時にも位相０の画像が撮像される。これら光源３ａと３
ｂの発光時に撮像された画像を合成することにより、死
角の無い位相０の画像が撮像される。次に、光源３ａが
発光して位相π／２の画像が撮像されるが、このとき、
測定物体１は、前回の光源３ａの発光時に対して位相π
／２に相当する距離だけ移動している。次に、光源３ｂ
が発光して位相π／２の画像が撮像されるが、このと
き、上述のように、測定物体１は光源３ａの発光時に比
べて位相π／４に相当する距離だけ移動している。これ
ら光源３ａと３ｂの発光時に撮像された画像を合成する
ことにより、死角の無い位相π／２の画像が撮像され
る。以下、同様にして、死角の無い位相πの画像、位相
３π／２の画像が撮像される。

【００３３】（実施例１３）図２７は本発明の実施例１
３の装置を示している。本実施例では、前記実施例１２
の光源３ａと３ｂに代えて、赤と青の光源３Ｒ，３Ｂを
用いると共に、撮像手段としてカラーカメラ６ｃを用い
たものである。また、測定物体１の上に投影される各光
源３Ｒ，３Ｂによる２つの正弦波パターンは同一位相で
あり、赤と青の光源３Ｒ，３Ｂは連続照射とする。カラ
ーカメラ６ｃでコンベア２上を移動している測定物体１
を撮像し、図２８に示すように、Ｒ成分の画像とＢ成分
の画像を合成することにより、死角の無い位相０、π／
２、π、３π／２の画像をメモリに取り込むものであ
る。

【００３４】（実施例１４）図２９は本発明の実施例１
４の装置を示している。本実施例では、撮像手段として
２台のカメラ６ａ，６ｂを測定物体１の移動方向の前後
両方向に配置し、照明手段を測定物体１の真上方向に配
置したものである。２台のカメラ６ａ，６ｂは同時に画
像を取り込み、図３０に示すように、カメラ６ａの画像
とカメラ６ｂの画像を合成して、１枚の画像を得るもの
である。その他の構成及び動作は実施例１と同様であ
る。

【００３５】（実施例１５）図３１は本発明の実施例１
５の装置を示している。本実施例では、照明手段や撮像
手段を死角が生じないように回転させることを可能とし
ている。上述のように、外装材のような比較的溝の深い
形状（縦目地・横目地など）を有する測定物体に対する
３次元形状計測では、カメラの死角や照明の死角が問題
となるので、例えば、図３２（ａ）のように目地の方向
と照明の方向が一致して死角を生じたときには、フィル
タ５やカメラ６を回転させて、図３２（ｂ）のように死
角が生じない測定を可能とするものである。

【００３６】（実施例１６）図３３は本発明の実施例１
６の動作を示している。本実施例では、入射角度の変化
に伴う光強度の変化を求めておき、補正することで測定
精度を向上させている。位相シフト法による計測では、
同一点の強度を比較する必要があるため、測定物体の移
動に伴い、カメラへの入射角度が変化することで生じる
光強度の変化が測定精度に影響を与える。この問題を解
決するために、本実施例では、図に示すような各種の入
射角度θ１〜θ４に対する光強度の変化を予め求めてお
き、同一点の光強度を比較する前に、入射角度に応じて
光強度を補正するものである。

【００３７】（実施例１７）図３４は本発明の実施例１
７の動作を示している。本実施例では、カメラ６とレン
ズ７を用いてテレセントリック光学系を構成し、カメラ
６への入射角度を常に一定に保てるようにする。これに
より、カメラ６への入射角度の変化を無くし、実際の位
置と撮像位置の違いを解消し、測定精度を向上させるも
のである。

【００３８】（実施例１８）図３５は本発明の実施例１
８の装置を示している。本実施例では、撮像されるコン
ベア２上の画像（図３７参照）から正弦波パターン状の
光強度分布よりπ／２に相当する距離Ｌを求め、コンベ
ア速度Ｖ＝Ｌ／Ｔを自動的に設定するものである。この
方法により、コンベア制御が簡単になり、移動する測定
物体の形状を精度良く３次元計測できる。

【００３９】（実施例１９）図３６は本発明の実施例１
９の装置を示している。図中、フィルタ５は液晶素子よ
りなり、光源３及びレンズ４と共に液晶プロジェクタを
構成している。図３７は液晶プロジェクタにより基準面
上に投影される正弦波パターンとその照射強度の分布を
示している。本実施例では、コンベア速度Ｖを実測し、
撮像されるコンベア上の画像から正弦波パターン状の光
強度分布の周期４ＶＴを求め、液晶プロジェクタに自動
的に正弦波パターンの濃淡画像を設定する。この方法に
より、コンベア速度に対応して、移動する測定物体の形
状を精度良く３次元計測できる。

【００４０】（実施例２０）図３８は本発明の実施例２
０で形状測定の対象となる外装材の断面形状を示してい
る。外装材のような板状物体は反ってコンベア上を搬送
されてくるものが多い。そこで、本実施例では、図３９
に示すように、位相シフト法による高さ演算の後、全体
にローパスフィルターを掛けて、反りの形状のみを演算
し、この高さ成分を除去することで、実際の外装材の形
状を検出する。また、外装材のような特定の意匠を有す
る対象物体では、その意匠の計測にも使用できる。

【００４１】（実施例２１）図４０は本発明の実施例２
１で形状測定の対象となる外装材の断面形状を示してお
り、図４１はその要部断面形状を示している。本実施例
では、図４２に示すように、位相シフト法による高さ演
算の後、まず、高さが１番低くなる目地底を求め、次に
目地底からの高さより目地位置を求め、目地幅を求める
ものである。

【００４２】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、照明による死
角部分が生じることなく、移動する測定物体の３次元形
状を位相シフト法により精度良く計測することができ
る。請求項２の発明によれば、移動する測定物体に対し
て、正弦波パターン状の光強度分布の位相を変化させた
画像を、撮像間隔毎に連続して得られるので、リアルタ
イムで位相シフト法による３次元形状計測が行える。

【００４３】請求項３の発明によれば、移動する測定物
体に対して、正弦波パターン状の光強度分布の位相を変
化させた画像を撮像するトリガをエンコーダにより与え
ているので、測定物体の速度に関係なく適確なタイミン
グで撮像できるという利点がある。請求項４又は５の発
明によれば、撮像された複数の画像の中から、正弦波パ
ターン状の光強度分布の位相を変化させた画像を抽出す
ることで、移動速度の遅い測定物体に対しても、位相シ
フト法による３次元形状計測が行える。

【００４４】請求項６〜８の発明によれば、複数の撮像
手段の配置、又は同期信号、又は撮像タイミングをずら
すことにより、また、請求項９〜１１の発明によれば、
波長の異なる光を利用して複数の画像を同時に取り込む
ことにより、移動速度の速い測定物体に対しても、正弦
波パターン状の光強度分布の位相を変化させた画像をリ
アルタイムに得ることができ、工場などでラインを止め
ることなく、位相シフト法による３次元形状計測が行え
る。

【００４５】請求項１２〜１４の発明によれば、条件を
変えて撮像した複数の画像を合成することにより、ま
た、請求項１５の発明によれば、撮像手段あるいは照明
手段を回転させることにより、死角を生じさせることな
く、正弦波パターン状の光強度分布の位相を変化させた
画像を得ることができ、位相シフト法による３次元形状
計測を高精度に行うことができる。

【００４６】請求項１６の発明によれば、反射光強度の
補正により、また、請求項１７の発明によれば、撮像位
置の補正により、位相シフト法による高精度な３次元形
状計測が行える。請求項１８の発明によれば、正弦波パ
ターンの周期から測定物体の速度が自動設定されること
により、また、請求項１９の発明によれば、移動速度か
ら正弦波パターンが自動設定されることにより、位相シ
フト法による３次元形状計測の操作が簡略化できる。

【００４７】請求項２０の発明によれば、測定物体の反
りを補正することにより、測定物体自身の形状を３次元
形状計測できる。また、請求項２１の発明によれば、凹
凸を有する測定物体に対して凹凸形状を３次元形状計測
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の装置の全体構成を示す斜視図であ
る。

【図２】請求項１の装置の画像処理部の概略構成図であ
る。

【図３】請求項１の装置により投影される正弦波パター
ンを示す説明図である。

【図４】請求項１の装置の画像メモリに取り込まれた画
像を示す説明図である。

【図５】請求項２の装置による撮像動作のタイミングを
示す説明図である。

【図６】請求項３の装置の全体構成を示す斜視図であ
る。

【図７】請求項３の装置による撮像動作のタイミングを
示す説明図である。

【図８】請求項４の装置による撮像動作のタイミングを
示す説明図である。

【図９】請求項５の装置による撮像動作のタイミングを
示す説明図である。

【図１０】請求項６の装置の全体構成を示す斜視図であ
る。

【図１１】請求項６の装置による撮像動作を示す説明図
である。

【図１２】請求項７の装置の全体構成を示す斜視図であ
る。

【図１３】請求項７の装置による撮像動作を示す説明図
である。

【図１４】請求項７の装置による撮像動作のタイミング
を示す説明図である。

【図１５】請求項８の装置による撮像動作のタイミング
を示す説明図である。

【図１６】請求項９の装置の全体構成を示す斜視図であ
る。

【図１７】請求項９の装置に用いるカラーフィルタの配
置を示す説明図である。

【図１８】請求項９の装置による撮像動作を示す説明図
である。

【図１９】請求項１０の装置の全体構成を示す斜視図で
ある。

【図２０】請求項１０の装置による撮像動作を示す説明
図である。

【図２１】請求項１０の装置による撮像動作のタイミン
グを示す説明図である。

【図２２】請求項１１の装置の全体構成を示す斜視図で
ある。

【図２３】請求項１１の装置による撮像動作を示す説明
図である。

【図２４】請求項１２の装置の全体構成を示す斜視図で
ある。

【図２５】請求項１２の装置による撮像動作を示す説明
図である。

【図２６】請求項１２の装置の動作説明のための斜視図
である。

【図２７】請求項１３の装置の全体構成を示す斜視図で
ある。

【図２８】請求項１３の装置による撮像動作を示す説明
図である。

【図２９】請求項１４の装置の全体構成を示す斜視図で
ある。

【図３０】請求項１４の装置による撮像動作を示す説明
図である。

【図３１】請求項１５の装置の全体構成を示す斜視図で
ある。

【図３２】請求項１５の装置による撮像動作を示す説明
図である。

【図３３】請求項１６の装置の動作説明図である。

【図３４】請求項１７の装置の動作説明図である。

【図３５】請求項１８の装置の全体構成を示す斜視図で
ある。

【図３６】請求項１９の装置の全体構成を示す斜視図で
ある。

【図３７】請求項１９の装置により基準面上に投影され
る正弦波パターンとその照射強度の分布を示す説明図で
ある。

【図３８】請求項２０で形状測定の対象となる外装材の
断面図である。

【図３９】請求項２０の動作を示す流れ図である。

【図４０】請求項２１で形状測定の対象となる外装材の
断面図である。

【図４１】図４０の要部拡大断面図である。

【図４２】請求項２１の動作を示す流れ図である。

【図４３】従来例の原理説明のための斜視図である。

【符合の説明】

１測定物体２コンベア３光源４レンズ５フィルタ６カメラ７レンズ８フレームグラバ９画像メモリ１０画像処理装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】移動する測定物体の３次元形状を計測
する装置において、測定物体の移動方向に所定の周期の正弦波パターン状の
光強度分布を有する略平行光の照明を測定物体に上方か
ら照射する照明手段と、測定物体を撮像する撮像手段と、測定物体が少なくとも４通りの位相に相当する距離移動
する毎に撮像された画像を格納する画像メモリと、画像メモリ内の画像から位相シフト法により高さを求め
る演算手段とを具備することを特徴とする３次元形状計
測装置。
【請求項２】請求項１において、撮像手段の撮像間
隔の間に正弦波パターンの位相π／２分に相当する距離
を移動する速度で測定物体を移動させることを特徴とす
る３次元形状計測装置。
【請求項３】請求項１において、測定物体が正弦波
パターンの位相π／２分に相当する距離移動する毎に撮
像手段に画像を撮像するトリガを与えるエンコーダを具
備することを特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項４】請求項１において、撮像手段の複数の
撮像間隔の間に正弦波パターンの位相π／２分に相当す
る距離を移動する速度で測定物体を移動させ、撮像され
た複数の画像の中から測定物体が正弦波パターンの位相
π／２分に相当する距離移動する毎に撮像された画像を
抽出する手段を備えることを特徴とする３次元形状計測
装置。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかにおいて、
測定物体が正弦波パターンの位相π／２分に相当する距
離移動する毎に照明手段に発光のためのトリガを与える
エンコーダを具備することを特徴とする３次元形状計測
装置。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれかにおいて、
複数の撮像手段を測定物体の移動方向に所定の距離で配
置し、複数の撮像手段により同時に撮像した画像を画像
メモリに取り込むことを特徴とする３次元形状計測装
置。
【請求項７】請求項１乃至５のいずれかにおいて、
同期信号を所定の時間ずらせた複数の撮像手段を測定物
体の移動方向と垂直な方向に配置し、該複数の撮像手段
により撮像した画像を画像メモリに取り込むことを特徴
とする３次元形状計測装置。
【請求項８】請求項１乃至５のいずれかにおいて、
露光タイミングを所定の時間ずらせた複数の撮像手段を
測定物体の移動方向と垂直な方向に配置し、該複数の撮
像手段により撮像した画像を画像メモリに取り込むこと
を特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項９】請求項１乃至５のいずれかにおいて、
波長の異なる複数の照明手段を測定物体の移動方向に所
定の距離で配置し、カラーカメラよりなる撮像手段で撮
像した３原色成分の画像を画像メモリに取り込むことを
特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項１０】請求項１乃至５のいずれかにおい
て、発光タイミングを所定の時間ずらせた波長の異なる
複数の照明手段を備え、カラーカメラよりなる撮像手段
で撮像した３原色成分の画像を画像メモリに取り込むこ
とを特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項１１】請求項１乃至５のいずれかにおい
て、波長の異なる複数の照明手段を測定物体の移動方向
に所定の距離で配置し、カラーフィルタを付けた複数の
撮像手段で撮像した異なる波長成分の画像を画像メモリ
に取り込むことを特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項１２】請求項１乃至１１のいずれかにおい
て、死角部分が生じないように測定物体の移動方向の前
後にそれぞれ配置した照明手段を交互に照射し、撮像手
段で撮像した画像の中から同じ位置の画像を合成して画
像メモリに取り込むことを特徴とする３次元形状計測装
置。
【請求項１３】請求項１乃至１１のいずれかにおい
て、死角部分が生じないように測定物体の移動方向の前
後にそれぞれ波長の異なる照明手段を配置し、カラーカ
メラよりなる撮像手段で撮像した３原色成分の画像を合
成して画像メモリに取り込むことを特徴とする３次元形
状計測装置。
【請求項１４】請求項１乃至１１のいずれかにおい
て、死角部分が生じないように配置した複数の撮像手段
で同時に撮像した同じ位置の画像を合成して画像メモリ
に取り込むことを特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項１５】請求項１乃至１１のいずれかにおい
て、特定方向の凹凸を有する測定物体に対して、死角部
分が生じないように撮像手段と照明手段を配置して撮像
することを特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項１６】請求項１乃至１５のいずれかにおい
て、移動に伴う測定物体上の各点の光の反射角度の変化
による反射光強度を補正する手段を備えることを特徴と
する３次元形状計測装置。
【請求項１７】請求項１乃至１５のいずれかにおい
て、移動に伴う測定物体上の各点の光の反射角度の変化
による撮像手段への入射角度の変化を打ち消すように撮
像位置を補正する手段を備えることを特徴とする３次元
形状計測装置。
【請求項１８】請求項１乃至１５のいずれかにおい
て、撮像した正弦波パターン状の光強度分布から正弦波
パターンの位相π／２分に相当する距離を測定すること
により、測定物体の移動速度を自動的に設定する手段を
備えることを特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項１９】請求項１乃至１５のいずれかにおい
て、測定物体の移動速度を実測する手段を備え、該移動
速度に適合するように正弦波パターンの周期を液晶プロ
ジェクタで設定することを特徴とする３次元形状計測装
置。
【請求項２０】請求項１乃至１９のいずれかにおい
て、演算手段の出力に基づいて測定物体の反りを求め、
演算手段の出力から反りの成分を差し引くことにより高
さを補正する手段を設けたことを特徴とする３次元形状
計測装置。
【請求項２１】請求項１乃至２０のいずれかにおい
て、凹凸形状を有する測定物体に対して、演算手段の出
力に基づいて凹凸部分の幅を計測する手段を設けたこと
を特徴とする３次元形状計測装置。