JPH11248434A

JPH11248434A - ３次元形状計測装置

Info

Publication number: JPH11248434A
Application number: JP6395398A
Authority: JP
Inventors: Yuusuke Nonomura; 友佑野々村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】形状を計測するために用いる装置。【解決手段】観察側から見て少なくとも１点の指標を
付けたプローブを、少なくとも１台のカメラなどの撮像
手段にて計測する事により、３次元形状計測を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３次元形状を計測
することを特徴とする装置、方法。

【０００２】

【従来の技術】多関節アームを初めとした多軸型の３次
元形状計測装置や、センサー側から見て２つ以上の光点
を指標とした３次元形状計測装置等がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の３次元形状計測
装置における機構では、まず多軸型は、機構が複雑精密
であり、その結果精度を確保するのに非常に困難で、保
守も困難で、非常に高価であるという不具合があった。
また、光点を取り付けた３次元形状装置は、２光点以上
の光点を指標としていたので、視野とセンサーの分解能
関係においてなど精度をあげるのが困難であった。

【０００４】

【発明の目的】本発明は、上記の事情に鑑みてなされた
もので、その目的は、センサーから見て１点の指標で、
かつ少なくとも１つのカメラにて３次元形状計測が可能
な３次元形状計測装置、方法の提供にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の３次元形状計測
装置は、次の技術的手段を採用した。〔請求項１の手段〕請求項１の３次元形状計測装置は、
観察側からみて、少なくとも１点の指標を有し、かつ少
なくとも１台の撮像手段にて撮像する手段を採用する。

【０００６】〔請求項２の手段〕請求項１の３次元形状
計測装置において、被計測物体を走査する走査プローブ
を有する事を特徴とする。

【０００７】〔請求項３の手段〕請求項１または２の３
次元形状計測装置において、被計測物体を切削する切削
子を有する事を特徴とする。

【０００８】〔請求項４の手段〕請求項１から３のいず
れかの３次元形状計測装置において、被計測物体の移動
を検出する、被計測物体位置センサを有する事を特徴と
する。

【０００９】〔請求項５の手段〕請求項１から４のいず
れかの３次元形状計測装置において、プローブが被計測
物体と接触した時を検出する接触手段を備える事を特徴
とする。

【００１０】〔請求項６の手段〕請求項１から５のいず
れかの３次元形状計測装置において、プローブの軌跡を
検出する軌跡検出手段を備える事を特徴とする。

【００１１】〔請求項７の手段〕請求項１、２、４から
７のいずれかの３次元形状計測装置において、プローブ
が切削子と使用時における同等形状を有する事を特徴と
する。

【００１２】

【発明の作用および発明の効果】〔請求項１の作用およ
び効果〕請求項１の３次元形状計測装置は、観察側から
みて、少なくとも１点の指標を有し、かつ少なくとも１
台の撮像手段にて撮像する手段を採用するので、精度が
高い。

【００１３】〔請求項２の作用および効果〕請求項１の
３次元形状計測装置において、被計測物体を走査する走
査プローブを有する事を特徴とするので、３次元形状計
測ができる。

【００１４】〔請求項３の作用および効果〕請求項１ま
たは２の３次元形状計測装置において、被計測物体を切
削する切削子を有する事を特徴とするので、切削形状を
リアルタイムにて計測できる。

【００１５】〔請求項４の作用および効果〕請求項１か
ら３のいずれかの３次元形状計測装置において、被計測
物体の移動を検出する、被計測物体位置センサを有する
事を特徴とするので、被計測物体が移動しても計測がで
きる。

【００１６】〔請求項５の作用および効果〕請求項１か
ら４のいずれかの３次元形状計測装置において、プロー
ブが被計測物体と接触した時を検出する接触手段を備え
る事を特徴とするので、接触時の座標値が検出できる。

【００１７】〔請求項６の作用および効果〕請求項１か
ら５のいずれかの３次元形状計測装置において、プロー
ブの軌跡を検出する軌跡検出手段を備える事を特徴とす
るので、プローブ軌跡が検出できる。また、軌跡を合成
すれば被計測物体の形状も検出できる。

【００１８】〔請求項７の作用および効果〕請求項１、
２、４から７のいずれかの３次元形状計測装置におい
て、プローブが切削子と使用時における同等形状を有す
る事を特徴とするので、切削形状を針型プローブより早
く、かつ精度よく計測できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の３次元形状計測装
置を、図１〜５に示す実施例または変形例に基づき説明
する。〔実施例の構成〕第１実施例は、３次元形状計測装置と
しての使用を提示する。図１は、この３次元計測装置の
ブロック図を示す。撮像手段と、光点検出手段と、座標
検出手段と、初期値保持手段からなる。点線の接触検出
手段と軌跡検出手段は、必ずしも必要では無い。

【００２０】図２は、第１実施例における３次元形状計
測装置のブロック図を示す。被計測物体をなぞるプロー
ブ１と、把持部または本体部２と、指標３とからなる。
この１、２、３で計測器本体を成す。第１実施例では、
プローブは針状の物で、その先端は、指標のなす面３
（観察側の単純な映像からは、点としか見えない物）の
中心に対して垂直かつ、定距離に位置している。図３
は、図２などの物体に付与されている指標の拡大図の一
例である。

【００２１】指標３は観察側、即ち、ＣＣＤカメラなど
による撮像機器手段により撮像して、１画素以内の多き
さの面３でできている。この条件により、この指標は、
観察側から１点として撮像される。また、そして、この
指標は、ランプ，ＬＥＤまたは、ＬＤなどの光源より光
を導いて光点となっている。もちろん電源は、電池でも
良いし、商用電源からなどの外部電源でも良い。ここで
光点は、反射型でも良い。撮影された光点は、既知の光
点検出手段にて検出される。そして、この観測系での座
標値が、座標変換手段に導かれる。

【００２２】一方、この指標３の中に、第１実施例にお
いては、２つのファイバー端が装備されており（図
３）、ここの偏光方向が、ここでは、直線偏光としてＸ
方向と、Ｙ方向に設定されている。そして、この指標３
を、図４のレンズ６のついたカメラにて計測する。ここ
で、図２のプローブ先端１より、指標中心点を通る１点
鎖線をＺ軸として、図３の鎖線をＸおよびＹ軸とする。
もちろん、この座標設定は、本発明の主旨を同じくすれ
ば、どのような座標系でも良いし、また、どの様な座標
設定でも良い。

【００２３】このレンズ６には、先端に偏光フィルター
７が装備されており、その偏光は、ここでは、直線偏光
で、その偏光方向８は、図のごとくなっている。そし
て、この偏光フィルター７は、図４の矢印のいずれかに
定速でまわっており、その時々の角度をエンコーダーに
よって検出されている。一方、このフィルター７が、一
周する間だに、指標の光点光強度において２つのピーク
値を、撮像手段と光点検出手段が座標変換手段へ、トリ
ガー信号として検出出力する。そして、そのトリガー時
における前述の角度を、Ｘ軸とＹ軸との成す各角度とし
て、座標変換手段が記録または処理を行う。この時、偏
光フィルターは、サーボにより収束的な動きをしても良
いし、画素毎または、ＣＣＤなどの撮像素子毎に偏光フ
ィルターを設けても良い。

【００２４】ここで、上述の偏光フィルター７の角度
は、仮想線分（図２のＸ，Ｙの点線）の方向と一致して
いる。そして、この線分のなす角度変化が、検出できた
事となる。具体的には、この仮想線分どおしが、成す角
度が４つ有り。一例として、この４つの角度を初期に
は、９０°づつとしておき、これを初期値保持手段に記
憶しておく。これにＸ軸、またはＹ軸を中心とする回転
が起こったとする。すると、各角度が、２つ組みにて組
み毎に角度変化がある。この時の２種類の角度と、初期
値の角度との差分が変化分である。勿論、動かなければ
角度変化は、ないし、１自由度のみ回転すれば１つの角
度変化しか無いのは言うまでも無い。これにより、２自
由度（２種類）の回転（座標値）が検出できる。

【００２５】またこの後、この仮想線分の中心点を回転
軸とした回転要素（座標値）も、同時に検出できる。具
体的には、座標変換手段が、初期値として設定した位置
よりのＺ軸変位角を求める。以上で回転３自由度の検出
が終了した。この実施例では、プローブ先端と、指標中
心が同一座標軸（Ｚ軸）上にある点なので、何回転して
も計測値は、不変である。

【００２６】さらに、仮想線分の中心点のＸおよびＹ方
向への直線移動分が検出できる。これは、初期の指標点
の画素座標を初期値保持手段にて、記憶しておき、座標
変換手段が、変化した中心座標との間だにて、ＣＣＤの
画素をカウントして、この数により容易に検出できる。
さらに具体的には、座標変換手段が、この数に実際の空
間に対応する倍率をかけたり、レンズ補正を行って実空
間座標値とする。

【００２７】カメラが１台の場合は、ｚ方向は、光強度
などにより求める。ここで、２つの偏光発光面が互いに
一例として１５０°などを成して傾け、前述の最大値の
光強度値比により補正しても良い。これをヘテロダイン
干渉計にて計測しても良い。具体的には、光のヘテロダ
イン干渉した後の位相をカウントして、受光素子と指標
との距離を求める。または、光強度の強度を位置関数を
製作して、これによりＺ方向の移動量を求める。この時
前述の様に、個々の光点に傾きを付与すれば、輝度分布
による誤差を少なく出来る。勿論ヘテロダイン干渉計測
方法によるＺ方向移動量検出の方が、光強度方法より精
度が高い。（非常に高価である。）

【００２８】この計測は、以上で１点の指標と、１台の
カメラにて３次元形状計測が可能だが、カメラを２台以
上使用して、安価に精度を上げても良い。ここで、回転
と直線的移動の解析順は、操作者の自由である。

【００２９】即ち、カメラが２台以上の場合は、既知の
ステレオカメラ的計測方法により、指標点３の空間位置
を求める事ができる。この場合、点３の３自由度が検出
できるので、計８自由度の検出となる。そして、精度の
高い要素を座標変換手段が適時に選択して、３次元デー
タとしても良いし、平均や、偏差などにより選択した
り、合成して３次元座標精度を上げても良い。

【００３０】以上の指標点座標検出が終了した所で、初
期値保持手段により、保持された初期データの一つを使
用し、プローブ１の先端座標を計算する。即ち、実際の
指標面３の中心点より、その面に対して垂直な方向の一
定距離を、座標変換手段が加算演算し容易に計算され
る。

【００３１】ここで、プローブ１が、被計測物体に接し
たか、否かの検出を、接触検出手段にて、手動、導通式
などの既知の指令方法にて行い、上記プローブ先端３次
元座標値を、適時サンプリングしても良い。（図１のＢ
出力）また、ここにプローブ形状軌跡の空間論理和手段
を採用して、その最外周を表示しても良いなどの軌跡検
出手段と、軌跡の初期値、即ちプローブ形状保持手段を
使用しても良い。この軌跡検出手段は、実空間上でのプ
ローブと、プローブ形状保持手段に保持されているプロ
ーブ形状が、プローブ形状保持手段上のメモリ空間であ
る仮想空間上で本３次元計測により一致連動している。
そして、むらなく被計測物体をなぞり、プローブの軌跡
における論理和を、軌跡検出手段が演算すれば、その最
外周が被計測物の形状となる。（図１のＣ出力）また、
プローブのバーチャルリアリティも可能だし、軌跡の動
きより種々な教育が行える。これらは、単独で使用して
も良いし、組み合わせて使用しても良い。よって３次元
形状データは、図１のＡ，Ｂ，Ｃのいずれか一つの出
力、または、その組み合わせにて使用しても良い。

【００３２】〔実施例の効果〕本実施例の３次元計測装
置、方法は、少なくとも１つの指標点において、３次元
計測が可能となる。ここで、従来の３点または２点認知
機器は、２画素以上（実用的には、数画素ないし、数十
画素）の認知で計測可能となっていた。また、そのため
撮像素子の視野を大きくとらなければ、はみでるなどの
不具合もあった。この事は逆に、分解能低下を引き起こ
す事がおおかった。しかし、本発明によれば、１点の指
標で行えるので、精度向上、操作性向上などが、でき
る。

【００３３】〔第２実施例〕図５は第２実施例の３次元
形状計測装置を示す。ここでは、先端が曲っているプロ
ーブを示す。〔実施例の構成〕第１実施例の装置に加えて、Ｘ，Ｙ軸
方向検出手段が付加する。これは一例として、操作者が
初期のプローブ位置を、初期値保持手段に保持してお
く。そして、この時のプローブ方向をＹプラスか、Ｙマ
イナスか初期値に記録しておく。そして、この位置より
ＸＹ仮想面に対して、Ｚ軸を中心としてプラスマイナス
９０°以上の操作を行わないようにする。

【００３４】また一例として、プローブの先端方向とし
て、指標を追加しても良い。この指標は、既知の光点追
跡指標を使用しても良いし、また本発明の光点検出手段
が、検出しても良い。後の操作は、第１実施例に準ず
る。

【００３５】〔実施例の効果〕本実施例の３次元計測装
置、方法は、曲ったプローブも使用できるので、操作性
が非常に良い。

【００３６】〔第３実施例〕この３次元形状計測装置
は、被計測物体が移動しても形状が計測できるように、
被計測物体位置センサを有する。被計測物位置センサ
は、被計測物体に仮着するための仮着手段（ここではク
ランプ９）と、この仮着手段に取り付けられた指標３３
とからなる。ここで、仮着手段は、クランプいがいの手
段を使用しても良い。図６に、被計測物位置センサと図
５の形状計測器を図示する。

【００３７】図６のクランプ９を、歯牙などの被計測物
に装着して、そのクランプ９に付随している指標３３
と、計測器の指標３を撮像手段にて撮像する。この時、
この２つの指標は、赤と青などの波長別の指標を使用す
る。この波長は、２つの指標を分離できれば、どのよう
な物でも良い。ここで、最初に計測器が被計測物体のあ
る点または、点群を計測する。この時、座標変換手段
が、指標３３に対して第１実施例などの指標計測機構と
同様の機構にて派生した座標系を与え、計測器によって
計測された点、または点群を指標３３により派生した座
標系に対応させる。そして、その対応関係を基本に座標
変換手段が順次時、指標３に対応する計測座標と、指標
３３に対応する被計測物体座標の整合を、既知の座標変
換演算式にて、座標変換を行う。これは、被計測物体の
移動誤差補正に他ならない。

【００３８】ここでクランプにスタートホールを設けて
さらに精度をあげても良い。即ち、クランプ９上に、ス
タートホール１０を設け、ここに計測器のプローブ先端
を置き、そして、その時の両指標（３と３３）を計測し
て、初期値保持手段に保持しておき、校正をするなどで
ある。ここで、スタートホール１０は、被計測物体座標
系Ｘｏ，Ｙｏ、Ｚｏの（０、０、０）点に設定してある
が、この座標は、どのような値でも良い。スタートホー
ルは、かならずしも必要ではない。

【００３９】そして、計測器側は、上記実施例のごとく
作動する。この時、指標３３の移動が、光点の動きとし
て、撮像手段に撮像され、光点検出手段にて検出、座標
変換手段にて座標変換されて、計測座標値の誤差を吸収
する。この被計測物体座標系は、第２実施例と同様な制
限下にて動いている範囲で補正が有効となっている。ど
のような動きにも対応したければ、指標３３を複数個使
用すれば良い。

【００４０】〔実施例の効果〕本実施例の３次元計測装
置、方法は、被計測物体が移動しても計測が可能であ
る。

【００４１】〔第４実施例〕第３実施例は、切削などを
行い、その結果欠損した形状を計測する３次元形状計測
装置を示す。

【００４２】図７のごとく、ハンドピースに切削子を取
り付けた物を計測プローブなどとする。この時、図１の
プローブ形状保持手段は、必須になる。この時計測プロ
ーブを固定して、被計測物体をなぞって軌跡合成して、
形状計測を行っても良い。

【００４３】後の操作は、上記実施例に順ずる。

【００４４】ここで、第３実施例のごとく、被計測物体
移動検出機構を備えても良い。

【００４５】〔実施例の効果〕本実施例の３次元計測装
置、方法は、切削などの加工を行いながら計測が可能で
ある。よって、切削の実習モニターに使用できるし、ま
た歯牙などの切削部位を切削しながら計測でき、すばや
く修復物を製作したりできる。

【００４６】〔変形例〕各手段は、コンピュータなどを
使用しても良い。

【００４７】プローブは、本発明に使用できるなら、先
端がラウンドのもの、円錐台、楕円型など、どのような
形状でも良い。また、レーザ光、静電センサ、トンネル
効果センサなどの被接触プローブまたは、距離計を採用
しても良い。その場合、接触検出手段は、不要である。

【００４８】切削加工後の形状を計測するために、計測
器のプローブを切削子と同じ形状として、計測をおこな
っても良い。この時のプローブ形状は、切削子が静止時
の形状でも良いし、動的な形状でも良い。動的な形状と
は、ハンドピース静止時における切削子軌跡（の和の）
形状である。

【００４９】指標の中には、３つ以上の偏光光源が存在
していても良いし、また非偏光光源を混在しても良い。
また、観察側で１画素以内の指標面を複数使用して、精
度をあげても良い。また指標は、複数個使用して精度を
上げても良い。また、従来法の３点法と２点法を組み合
わせて使用しても良い。

【００５０】指標は、能動的な発光体でも良いし、反射
光源でも良い。また、指標は、個々に違う波長の光を発
しても良いし、また同じ波長でも良い。同じ波長の場
合、光点検出手段や座標変換手段は、区間制限を設けて
各指標を分離しても良い。また、各光点の発光を交互に
行い、その発光毎に画像を採取して区別しても良い。

【００５１】通常の３次元計測は、６自由度の座標値が
必要だが、ある座標値を固定として、計測自由度をへら
しても良い。一例として、指標から棒などを伸ばして、
プローブ先端と指標を、観察側で１画素相当に設定して
も良い。この場合指標と最低３自由度（３要素直線移
動）のみで３次元計測ができる。

【００５２】直線偏光のみならず、円偏光、楕円偏光を
使用しても良い。また、指標の偏光方向は、本発明の主
旨を満たせば、どのような方向でも良いし、その数もど
のような数または、どのような数の組み合わせでも良
い。

【００５３】３ＣＣＤなどの、複数の撮像素子を設けた
多板カメラを使用して、個々に偏光フィルターを設けた
り、設けなかったりしても良い。この場合回転機構は、
不要となる。また、回転角度検出手段は、ロータリーエ
ンコーダーを使用しても良いし、各種ジャイロを使用し
て検出しても良い。

【００５４】光点検出には、光ＣＴ準拠のヘテロダイン
検出を行い、検出しても良い。

【００５５】欠損形状を、第１から３実施例の接触プロ
ーブ型の計測装置にて計測しても良い。その場合は、加
工する前の形状と加工した後の形状を計測する。この場
合加工する前の形状は、設計データや他の３次元形状装
置データでも良い。

【００５６】接触手段を、本体２にボタンを設置する事
により行っても良いし、フットスイッチを使用しても良
いし、また、被計測物体または、その表面を導電性とし
て、同通により接触を検出しても良いし、さらにまた、
圧力センサをプローブ直下にもうけても良い。静電容量
によっても良い。また、接触手段の一部機能として指標
のＯＮ、Ｏｆｆなどの強弱変化手段を設置しても良い。
この場合接触すれば、Ｏｎ、離開すればＯｆｆなどとす
れば、便利である。

【００５７】上記の実施例または、変形例は、単独にて
実施しても良いし、また組み合わせて実施しても良い。

【００５８】

【図面の簡単な説明】

【図１】３次元形状計測装置のブロック図である。

【図２】３次元形状計測器のプローブ周辺図の一例。
（プローブ直線型）

【図３】指標３の拡大図。

【図４】撮像手段の一部で、レンズ系の一例。

【図５】プローブが曲っている計測器の一例。

【図６】被計測物体位置センサを伴った一例。

【図７】切削子または、立体的なプローブを装備した計
測器の一例。

【符号の説明】

１プローブ２把持部または、本体３指標４指標中の光点と偏光方向５指標中の光点と偏光方向６レンズ系７偏光フィルター８偏光方向９クランプ１０スタートホール１１切削子または、立体的なプローブ１２ハンドピースまたは、把持部３３指標（被計測物用）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】観察側からみて、少なくとも１点の指標を
有し、かつ少なくとも１台の撮像手段にて撮像する事を
特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項２】請求項１の３次元形状計測装置において、
被計測物体を走査する走査プローブを有する事を特徴と
する３次元形状計測装置。
【請求項３】請求項１または２の３次元形状計測装置に
おいて、被計測物体を切削する切削子を有する事を特徴
とする３次元形状計測装置。
【請求項４】請求項１から３のいずれかの３次元形状計
測装置において、被計測物体の移動を検出する、被計測
物体位置センサを有する事を特徴とする３次元形状計測
装置。
【請求項５】請求項１から４のいずれかの３次元形状計
測装置において、プローブが被計測物体と接触した時を
検出する接触手段を備える事を特徴とする３次元形状計
測装置。
【請求項６】請求項１から５のいずれかの３次元形状計
測装置において、プローブの軌跡を検出する軌跡検出手
段を備える事を特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項７】請求項１、２、４から７のいずれかの３次
元形状計測装置において、プローブが切削子と使用時に
おける同等形状を有する事を特徴とする３次元形状計測
装置。