JPH11271034A - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で被測定体の被測定面の全面に対
して、一度の測定で高精度に三次元形状の測定を行なう
ことが可能な三次元形状測定装置を提供する。 【解決手段】 被検体２０に設けた複数の被測定面２０
ａ、２０ｂに対応して光源、格子板、レンズを備えたプ
ロジェクタ６ａ、６ｂが配置され、光源からの照射光が
格子板で変換された格子パターンが、集光レンズで測定
領域２０ａ、２０ｂに結像され、格子板が光軸に直角に
所定位相量ずつ移動され、ＣＣＤカメラ４ａ、４ｂによ
り各測定領域の結像格子パターンが、所定位相位置ごと
に検出されて画像信号が出力され、ＣＣＤカメラ４ａ、
４ｂからの画像信号の両測定領域の境界線上の境界接合
値が設定され、コンピュータ１６によりＣＣＤカメラ４
ａ、４ｂからの画像信号と境界接合値に基づいて被検体
２０の被測定面の三次元形状が演算され、被測定面の全
面の三次元形状が無接触状態で全面に亘り高精度に短時
間で容易に測定することが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検体の被測定面
の三次元形状を測定する三次元形状測定装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】被検体の被測定面の三次元形状の測定に
おいては、被測定体を生体とすることによって、例えば
顔面の表面形状などを定量的に測定して、顔面の特徴フ
ラクタ量を把握することができ、身体の表面形状を定量
的に測定して女性用の下着の製造上のデータを取得する
ことができ、また考古学上では、遺蹟の発掘物の表面の
文様の形状を測定して発掘物が何れの年代に使用され、
いずれの分類に属するものであるかを推定することが可
能になる。

【０００３】この三次元形状の測定には、触針を使用す
る接触法と光を使用する非接触法とがあり、生体を対象
とする場合には接触法では接触点を正しく設定すること
が難しく、光を使用する非接触法が広く利用されてい
る。本発明者らは、昭和６３年度精密光学会春季大会学
術講演会において、「縞走査を導入した格子パターン投
影法」なる表題の論文の講演を行い、この論文で正弦波
状の強度分布を有する光の縞を、縞位相を３通り以上に
変化させて、測定対象に投影し、投影方向とは異なる方
向で検出した縞画像を解析して生体の表面形状を測定す
る三次元形状測定装置を発表している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
発表に係る三次元形状測定装置では、例えば生体を被検
体として顔面の表面形状を測定する場合に、耳側の側面
部では投影スリット像が粗くなって、測定精度が低下す
るという問題がある。この場合、顔の表面画像と、顔を
左右に回転した横向き画像とを撮影することによって、
顔の側面部での測定精度の低下を防止して測定を行なう
ことができるが、この場合には回転時の位置ずれが発生
するという問題がある。

【０００５】本発明は、前述したようなこの種の三次元
形状の測定の現状に鑑みてなされたものであり、その目
的は、簡単な構成で被測定体の被測定面の全面に対し
て、一度の測定で、高精度に三次元形状の測定を行なう
ことが可能な三次元形状測定装置を提供することであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の第１の実施態様に係る三次元形状測定装置
は、被測定面が複数の測定領域に分割された被検体に対
して前記複数の測定領域にそれぞれ対応して配設され、
光源からの照射光を格子板により格子パターンに変換
し、集光レンズにより前記格子パターンを対応する測定
領域にそれぞれ結像させる複数のプロジェクタと、前記
格子板を光軸に直角方向に所定位相量ずつ移動させる格
子板移動手段と、前記複数のプロジェクタにそれぞれ対
応して配設され、対応する測定領域に結像された格子パ
ターンを前記格子板移動手段により移動される所定位相
位置ごとに切換検出し、画像信号を出力する光電検出手
段と、該光電検出手段から出力される画像信号に対して
前記複数の測定領域の境界線上の画像信号の境界接合値
を設定する境界値設定手段と、前記光電検出手段からの
画像信号と前記境界値設定手段からの境界接合値とに基
づいて前記被検体の被測定面の三次元形状を演算する演
算手段とを有することを特徴とするものである。

【０００７】また前記目的を達成するために、本発明の
第２の実施態様に係る三次元形状測定装置は、被測定面
が複数の測定領域に分割された被検体に対して配設さ
れ、光源からの照射光を格子板により格子パターンに変
換し、集光レンズにより前記格子パターンを集光して出
射するプロジェクタと、該プロジェクタからの出射光を
前記複数の測定領域に切換照射する照射切換手段と、前
記格子板を光軸に直角方向に所定位相量ずつ移動させる
格子板移動手段と、前記複数の測定領域の画像情報を切
換検出させる手段を有して配設され、該測定領域に結像
された格子パターンを前記格子板移動手段により移動さ
れる所定位相位置ごとに切換検出し、画像信号を出力す
る光電検出手段と、該光電検出手段から出力される画像
信号に対して前記複数の測定領域の境界線上の画像信号
の境界接合値を設定する境界値設定手段と、前記光電検
出手段からの画像信号と前記境界値設定手段からの境界
接合値とに基づいて前記被検体の被測定面の三次元形状
を演算する演算手段とを有することを特徴とするもので
ある。

【０００８】

【発明の実施の形態】つぎに本発明を添付図面について
説明する。まず本発明の第１の実施例を図１ないし図４
を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例に係
る三次元形状測定装置の全体構成を示すブロック図、図
２はこの実施例の一測定光学系部分の詳細構成を示すブ
ロック図、図３はこの実施例による測定表示画像を示す
説明図、図４はこの実施例による他の測定表示画像を示
す説明図である。

【０００９】本発明の第１の実施例では、被検体に対し
てプロジェクタとＣＣＤカメラからなる測定光学系を２
系統設けた場合であり、図１に示すように被検体２０の
被測定面２０ａに対して格子パターンの光像を照射する
プロジェクタ６ａが配設され、被検体２０の被測定面２
０ｂに対して格子パターンの光像を照射するプロジェク
タ６ｂが配設されている。プロジェクタ６ａ、６ｂは同
一の構成を有していて、図２に示すように光源Ｌ、光源
Ｌからの光が入射され、格子パターン光を作成出射する
格子板５、および格子板５からの格子パターン光の光像
をそれぞれ被測定面２０ａ、２０ｂに結像するレンズ２
を備えている。

【００１０】プロジェクタ６ａに対応して該プロジェク
タ６ａから被測定面２０ａに照射された格子パターン光
を受光し、格子パターン光に対応する画像信号を出力す
るＣＣＤカメラ４ａが配設され、プロジェクタ６ｂに対
応して該プロジェクタ６ｂから被測定面２０ｂに照射さ
れた格子パターン光を受光し、格子パターン光に対応す
る画像信号を出力するＣＣＤカメラ４ｂが配設され、Ｃ
ＣＤカメラ４ａ、４ｂには該ＣＣＤカメラ４ａ、４ｂか
ら出力される画像信号を画像処理する画像処理回路１４
が接続され、画像処理回路１４には画像処理時に該画像
処理回路１４に指令を与え、画像処理時の演算処理を行
なうコンピュータ１６が接続され、コンピュータ１６に
は表示器３５が接続されている。

【００１１】また、コンピュータ１６にはモータ駆動回
路１５が接続され、このモータ駆動回路１５にはプロジ
ェクタ６ａを駆動する駆動モータ３７ａと、プロジェク
タ６ｂを駆動する駆動モータ３７ｂとが接続され、駆動
モータ３７ａにはプロジェクタ６ａが、駆動モータ３７
ａにはプロジェクタ６ｂが接続されている。

【００１２】図２に示すように、スイッチ１２の操作に
よって上下方向に移動する上下移動ステージ９上に、プ
ロジェクタ６ａ、６ｂが配置されている。プロジェクタ
６ａ、６ｂは、光源Ｌを収納したケースが上下移動ステ
ージ９に固定されており、このケースに一体に取り付け
た支柱に格子移動モータ１が取り付けられ、さらに格子
移動モータ１に対して格子板５が光軸に直角方向に移動
自在に取り付けられ、また上下移動ステージ９上に固定
されたシャッター移動モータ３に対してシャッター３が
光軸方向と直角方向に移動自在に取り付けられ、そして
前記支柱の端部にはＣＣＤカメラ４ａ、４ｂが取り付け
られている。このようにして、図１に示す駆動モータ３
７ａ、３７ｂは、図２に示すようにプロジェクタ６ａ、
６ｂ内において、格子板５を光軸に直角に、格子ピッチ
の１／４〜１／２の長さを単位にして移動させる格子移
動用モータ１と、シャッター３を光軸と直角方向に移動
させて光軸を遮断するシャッター移動用モータ３とから
構成されている。

【００１３】このような構成の本発明の第１の実施例の
動作を説明する。まず、スイッチ１２を調整して、被検
体２０に対して被測定面２０ａ、２０ｂの測定が可能な
位置に、上下移動ステージ９を位置決めし、コンピュー
タ１６を操作して起動信号を入力すると、各測定光学系
において光源Ｌからの光が格子板５によって格子パター
ン光となり、この格子パターン光が測定基準点に結像さ
れる。このときプロジェクタ６ａはシャッターが開放し
プロジェクタ６ｂはシャッターが閉じられている。そこ
で、各測定光学系に対してそれぞれ以下に述べる測定光
学系の調整が行なわれる。すなわち十字パターンが描か
れた基準面３２を、十字の交点を光軸に一致させ、十字
の横線が水平位置を取るように配置し、レンズ２を光軸
上で移動させて、基準面３２上に格子パターン光を完全
に結像させ、格子パターンが十字の横線に一致するよう
に格子板５ａの傾きを微調整する。次にプロジェクタ６
ａ、６ｂのシャッター３ｃ、３ｂの開閉を逆転し前記と
同様に調整する。

【００１４】この状態で、コンピュータ１６を操作し
て、基準面３２上の格子パターンをＣＣＤカメラ４ａ、
４ｂでそれぞれ撮影し、撮像画像を表示器３５に順次表
示させ、ＣＣＤカメラ４ａ、４ｂのレンズのフォーカス
調整を行い撮像画像３０′を完全に結像させると共に、
ＣＣＤカメラ４ａ、４ｂの向きと位置を微調整して撮像
画像３０′とカーソル３４とを一致させ、各測定光学系
の調整を完了する。

【００１５】光学系の調整が完了した時点で、コンピュ
ータ１６を操作して基準点ｏとレンズ２の主点間距離
ａ、レンズ２の主点とＣＣＤカメラ４ａ、４ｂのレンズ
の主点間距離ｂ、表示器３５上の十字パターン３０′の
長さと十字パターン３０の実長との比ｍ、基準面３２上
に投影された格子のピッチｐをコンピュータ１６に格納
する。次いで、基準面３２を取り除き、被検体２０であ
る生体の顔面の被測定面の基準位置を基準点ｏに一致さ
せて、被検体２０を位置させて、顔面の三次元形状の測
定が開始される。

【００１６】コンピュータ１６を操作して測定開始指令
を入力すると、各測定光学系においてモータ駆動回路１
５によって格子移動用モータ１が駆動され、格子板５が
光軸に直角に移動し、格子ピッチの１／４の距離の移動
ごとに被測定面２０ａ、２０ｂである顔面の格子パター
ン光像が、ＣＣＤカメラ４ａ、４ｂによって撮影され、
格子パターン画像信号が画像処理回路１４に取込まれ
る。

【００１７】一般に、縞操作法によれば、正弦波状の強
度分布を有する縞を測定対象に投影し、投影方向とは異
なる方向から観察するときには、測定対象の形状に応じ
て縞の位相が変調されて観察される。観察する三次元平
面上の各点（ｘ、ｙ）における変調分、すなわち位相量
αは、Ｌ０〜Ｌ３を投影する縞の位相を９０゜ずつずら
した時の各点（ｘ、ｙ）における強度として次の数式１
で表される。

【００１８】

【式１】ｔａｎα＝（Ｌ３−Ｌ１）／（Ｌ０−Ｌ２）

【００１９】パターンの形状および濃淡が適切に与えら
れた格子板５を使用すると、完全な正弦波の強度分布を
持つ縞が得られ、上記の数式１のαを使用して各点
（ｘ、ｙ）に対応する測定対象表面上の点の三次元座標
値Ｘ、Ｙ、Ｚは次の数式２で与えられる。

【００２０】

【式２】Ｘ＝−ｓｘ Ｙ＝ｂ−ｓ（−ｃ−ｙｃｏｓφ） Ｚ＝ａ＋ｓ（−ｄ＋ｙｓｉｎφ） ｓ＝（−ｂｃｏｓθ）／ｕ ｔａｎθ＝（ｐα／ａ） ｕ＝（−ｃ−ｙｃｏｓφ）ｃｏｓθ＋（−ｄ＋ｙｓｉｎ
φ）ｓｉｎθ ｔａｎφ＝ｂ／ａ ｃ＝ａｍ ｄ＝ｂｍ

【００２１】本発明の第１の実施例では、各測定光学系
において、前述の数式１および２に基づく演算がコンピ
ュータ１６において行なわれ、被測定面（顔面の皮膚）
上の２次元座標（ｘ、ｙ）に対応して、被測定面の三次
元座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）が測定される。この場合、各測定
光学系の測定領域では、対応する測定光学系での検出画
像信号に基づく画像処理が行なわれ、両測定光学系の境
界線上では予め設定した測定光学系の検出画像信号に基
づいて、境界位置の境界接合値が設定される。

【００２２】このように本発明の第１の実施例により、
生体を被検体として顔面被検者の顔面形状をワイアーフ
レームで表示した測定表示画像３５ａは、図３に示すよ
うになり、また顔面形状にＣＣＤカメラ４が捕えたカラ
ー画像情報を貼りつけたテクスチャーマッピング像で表
示した測定表示画像３５ｂは、図４に示すようになる。
したがって、本発明によって被検体の顔面の全面の三次
元形状を無接触状態で、顔を動かさずに全面に亘って高
精度にかつ短時間に一度の測定で簡単に測定することが
可能になる。

【００２３】つぎに本発明の第２の実施例を図５を参照
して説明するが、図５は本発明の第２の実施例の全体構
成を示すブロック図である。

【００２４】本発明の第２の実施例では、図５に示すよ
うにすでに図１を参照して説明した第１の実施例が各測
定光学系ごとに、プロジェクタ６ａ、６ｂおよびＣＣＤ
カメラ４ａ、４ｂをそれぞれ使用していたのに代えて、
各測定光学系に共通のプロジェクタ６および共通のＣＣ
Ｄカメラ４を使用し、プロジェクタ６と被検体２０間
に、プロジェクタ６からの出射光を被測定面２０ａと被
測定面２０ｂとに切換えて反射させる切換ミラー４０が
配設されており、コンピュータ１６には、切換ミラー４
０および該被測定面を切換えて撮影する切換ミラー４２
の切換えを行なう切換スイッチ４１が接続されている。
なお第２の実施例におけるその他の部分の構成は、すで
に図１および図２に示した第１の実施例と同様であるの
で、説明を省略する。

【００２５】本発明の第２の実施例では、コンピュータ
１６の指令によって切換ミラー４０および４２が切換え
られることにより、プロジェクタ６からの格子パターン
光が、被測定面２０ａと被測定面２０ｂとに順次切換照
射され、ＣＣＤカメラ４によって、被測定面２０ａ、２
０ｂの格子パターンが、それぞれ撮影されて、各被測定
面２０ａ、２０ｂの格子パターンの画像信号が画像処理
回路１４に入力される。

【００２６】そして第２の実施例によると、すでに説明
した第１の実施例で得られる効果に加えて、プロジェク
タ６およびＣＣＤカメラ４を１個にして構成を簡単に
し、装置の小型化と製造コストの低減とが可能になる。

【００２７】

【発明の効果】以上述べた通り本発明によると、被測定
面が複数の測定領域に分割された被検体に対して複数の
測定領域にそれぞれ対応してプロジェクタが配設され、
プロジェクタによって光源からの照射光が、格子板によ
り格子パターンに変換され、集光レンズにより格子パタ
ーンが、対応する測定領域にそれぞれ結像され、格子板
移動手段によって格子板が光軸に直角方向に所定位相量
ずつ移動され、光電検出手段が複数のプロジェクタにそ
れぞれ対応して配設され、対応する測定領域に結像され
た格子パターンが、格子板移動手段により移動される所
定位相位置ごとに光電検出手段によつて検出されて、画
像信号が出力され、境界値設定手段によって光電検出手
段から出力される画像信号に対して複数の測定領域の境
界線上の画像信号の境界接合値が設定され、演算手段に
よって光電検出手段からの画像信号と境界値設定手段か
らの境界接合値とに基づいて被検体の被測定面の三次元
形状が演算されるので、被検体の被測定面の全面の三次
元形状を、無接触状態で、一度の測定で全面に亘って高
精度にかつ短時間で容易に測定することが可能になる。

【００２８】さらに本発明によると、被測定面が複数の
測定領域に分割された被検体に対して配設されたプロジ
ェクタによって光源からの照射光が、格子板により格子
パターンに変換され、集光レンズにより格子パターンが
結像状態で出射され、照射切換手段によってプロジェク
タからの出射光が複数の測定領域に切換照射され、格子
板移動手段によって格子板が光軸に直角方向に所定位相
量ずつ移動され、プロジェクタに対応して配設された光
電検出手段によって測定領域に切換え結像される格子パ
ターンが、格子板移動手段により移動される所定位相位
置ごとに光電検出されて、画像信号が出力され、境界値
設定手段によって光電検出手段から出力される画像信号
に対して複数の測定領域の境界線上の画像信号の境界接
合値が設定され、演算手段によって光電検出手段からの
画像信号と境界値設定手段からの境界接合値とに基づい
て被検体の被測定面の三次元形状が演算されるので、１
個のプロジェクタおよびＣＣＤカメラからなる簡単な構
成で、被検体の被測定面の全面の三次元形状を、無接触
状態で、一度の測定で全面に亘って高精度にかつ短時間
で容易に測定することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の全体構成を示すブロッ
ク図である。

【図２】同実施例の一測定光学系部分の詳細構成を示す
ブロック図である。

【図３】同実施例による測定表示画像を示す説明図であ
る。

【図４】同実施例による他の測定表示画像を示す説明図
である。

【図５】本発明の第２の実施例の全体構成を示すブロッ
ク図である。

【符号の説明】

１ 格子移動用モータ ２ レンズ ３ レンズ移動用モータ ４ａ、４ｂ ＣＣＤカメラ ５ 格子板 ６、６ａ、６ｂ プロジェクタ １４ 画像処理回路 １５ モータ駆動回路 １６ コンピュータ ２０ 被検体 ２０ａ、２０ｂ 被測定面 ３５ 表示器 ４０、４２ 切換ミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 信男 大阪市淀川区西中島４−７−10−506号 (72)発明者 吉澤 徹 東京都府中市新町１−19−５ 府中第二住 宅１−102 (72)発明者 山本 将之 東京都小金井市中町３−24−28 大光荘 205号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定面が複数の測定領域に分割された
   被検体に対して前記複数の測定領域にそれぞれ対応して
   配設され、光源からの照射光を格子板により格子パター
   ンに変換し、集光レンズにより前記格子パターンを対応
   する測定領域にそれぞれ結像させる複数のプロジェクタ
   と、前記格子板を光軸に直角方向に所定位相量ずつ移動
   させる格子板移動手段と、前記複数のプロジェクタにそ
   れぞれ対応して配設され、対応する測定領域に結像され
   た格子パターンを前記格子板移動手段により移動される
   所定位相位置ごとに切換検出し、画像信号を出力する光
   電検出手段と、該光電検出手段から出力される画像信号
   に対して前記複数の測定領域の境界線上の画像信号の境
   界接合値を設定する境界値設定手段と、前記光電検出手
   段からの画像信号と前記境界値設定手段からの境界接合
   値とに基づいて前記被検体の被測定面の三次元形状を演
   算する演算手段とを有することを特徴とする三次元形状
   測定装置。
2. 【請求項２】 被測定面が複数の測定領域に分割された
   被検体に対して配設され、光源からの照射光を格子板に
   より格子パターンに変換し、集光レンズにより前記格子
   パターンを集光して出射するプロジェクタと、該プロジ
   ェクタからの出射光を前記複数の測定領域に切換照射す
   る照射切換手段と、前記格子板を光軸に直角方向に所定
   位相量ずつ移動させる格子板移動手段と、前記複数の測
   定領域の画像情報を切換検出させる切換検出手段を有し
   て配設され、該測定領域に結像された格子パターンを前
   記格子板移動手段により移動される所定位相位置ごとに
   切換検出し、画像信号を出力する光電検出手段と、該光
   電検出手段から出力される画像信号に対して前記複数の
   測定領域の境界線上の画像信号の境界接合値を設定する
   境界値設定手段と、前記光電検出手段からの画像信号と
   前記境界値設定手段からの境界接合値とに基づいて前記
   被検体の被測定面の三次元形状を演算する演算手段とを
   有することを特徴とする三次元形状測定装置。