JPH11213140A - ３次元イメージスキャナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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とともに、所定のランプ
を用いることにより、被測定体の模様情報の取込みも容
易に行えるようにする。 【解決手段】 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を不要として、測定可能な被測定
体の大きさおよび配置の制限を緩和する。また、模様情
報の取込みを、測定ヘッド１２の観測光学系２８を用い
て行う構成とする。その際、格子退避機構５８により観
測用基準格子４６を観測光学系２８の光路から外れた位
置に退避させるとともに、これと連動して照明用ランプ
６４を点灯させて被測定体２を照射し、この状態で、被
測定体２の２次元画像を撮影することにより、所要の模
様情報を容易に、かつ精度よく取込可能とする。

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、上記モ
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。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１
０２を介して観測点Ｐ２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の大きさが上記基準格子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の手前側に上記
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。

【０００５】さらに、上記格子照射型モアレ装置におい
ては、上記基準格子１０２が存在するため、該格子照射
型モアレ装置をそのまま用いて上記被測定体２の模様情
報の取込みを行うことはできず、これを行うためには、
上記基準格子１０２を取り外してモアレ縞が形成されな
い状態にして上記被測定体２の２次元画像を撮影する必
要がある。しかしながら、上記基準格子１０２はかなり
大きいものとなるので、これを取り外すことは容易では
ない。

【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、しかも被測定体の模様情報の取込みについても容易
にこれを行うことができる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とともに、該格子投影型モ
アレ装置の観測光学系を用いて模様情報の取込みを行う
ようにし、かつ模様情報の取込みの際、被測定体照射専
用の照明用ランプを点灯させることにより、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とともに、前記模様情
報の取込みが、前記格子投影型モアレ装置の観測光学系
を用いて行われるように構成されており、前記模様情報
の取込みの際、前記格子投影型モアレ装置の投影光学系
に設けられる投影用ランプとは別の照明用ランプが点灯
して前記被測定体を照射す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、前記照明用ランプが点灯したとき、
前記投影用ランプが消灯するように構成されていること
が好ましい。さらに、前記模様情報の取込みの際、前記
観測光学系に設けられる観測用基準格子が、該観測光学
系の光路から外れた位置へ退避するように構成されてい
ることが好ましい。

【００１０】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察するよ
うに構成されたモアレ装置を意味するものである。

【００１１】

【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とともに、模様
情報の取込みを、上記格子投影型モアレ装置の観測光学
系を用いて行い、かつ、模様情報の取込みの際、上記格
子投影型モアレ装置の投影光学系に設けられる投影用ラ
ンプとは別の照明用ランプが点灯して上記被測定体を照
射する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。

【００１２】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。

【００１３】さらに、模様情報の取込みに関しても、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
の場合のような大きな基準格子を取り外す必要がないの
で、該格子投影型モアレ装置の観測光学系を用いて模様
情報の取込みを容易に行うことができる。その際、上記
格子投影型モアレ装置の投影光学系に設けられる投影用
ランプとは別の照明用ランプが点灯して上記被測定体を
照射するようになっているので、上記投影用ランプによ
り上記被測定体上に形成される上記投影格子の影をほと
んど目立たなくすることができ、このため、上記投影格
子および上記観測用基準格子を上記投影光学系および上
記観測光学系の光路から外れた位置へ退避させなくて
も、モアレ縞が形成されていない被測定体の模様情報の
取込みを行うことが可能となる。

【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、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、しかも被測定体の模様情報の取込みについても容易
にこれを行うことができる。上記構成において、上記照
明用ランプが点灯したとき、上記投影用ランプは点灯し
たままの状態であってもよいが、該投影用ランプが消灯
するようにすれば、被測定体上に上記投影格子の影が形
成されることはなくなるので、模様情報の取込みをより
精度よく行うことが可能となる。

【００１５】さらに、上記構成において、模様情報の取
込みの際、上記観測用基準格子が上記観測光学系の光路
から外れた位置に退避する構成とすれば、該観測光学系
の撮像装置への入射光量を十分に確保することができ、
また、上記撮像装置がＣＣＤカメラ等である場合におい
て、上記観測用基準格子と上記ＣＣＤカメラとの間で疑
似モアレが発生するおそれを未然に防止することがで
き、これにより、模様情報の取込みをより一層精度よく
行うことが可能となる。

【００１６】

【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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。上記投影光学系２６は、投影用ランプ３２、熱
線カットフィルタ３４およびコンデンサレンズ３６から
なる格子照明系３８と、投影格子４０と、投影レンズ４
２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。

【００２０】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Ａｘ
２が互いに平行となるようにして取り付けられている。
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４２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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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、被測定体２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、上記仮想基準格子面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
れにより上記被測定体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。

【００３６】さらに、本実施形態に係る３次元イメージ
スキャナ１０は、上記被測定体２の模様情報の取込みの
際、観測用基準格子４６が観測光学系２８の光路から外
れた位置へ退避し、かつ、これと連動して照明用ランプ
６４が点灯して被測定体２を照射するとともに投影用ラ
ンプ３２が消灯するようになっているので、被測定体２
をモアレ縞が形成されない状態にして、その２次元画像
を撮影することができる。このため、格子照射型モアレ
装置の場合のように大きな基準格子を取り外す面倒な操
作を必要とせずに、所要の模様情報を容易にかつ極めて
精度よく取り込むことができる。

【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
   用いて行われるとともに、前記模様情報の取込みが、前
   記格子投影型モアレ装置の観測光学系を用いて行われる
   ように構成されており、 前記模様情報の取込みの際、前記格子投影型モアレ装置
   の投影光学系に設けられる投影用ランプとは別の照明用
   ランプが点灯して前記被測定体を照射するように構成さ
   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】 前記照明用ランプが点灯したとき、前記
   投影用ランプが消灯するように構成されていることを特
   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】 前記模様情報の取込みの際、前記観測光
   学系に設けられる観測用基準格子が、該観測光学系の光
   路から外れた位置へ退避するように構成されていること
   を特徴とする請求項１または２記載の３次元イメージス
   キャナ。