WO2024122494A1 - ３次元形状計測装置 - Google Patents

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WO2024122494A1
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dimensional shape
light
unit
stripe pattern
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Inventor
真也 畑辺
弘之 永谷
真基 上杉
昭平 橋本
淳 光藤
Original Assignee
株式会社 レイマック
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object

Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional shape measurement device that uses a phase shift method.
  • a three-dimensional shape measuring device using a phase shift method is known as a device for measuring the three-dimensional shape of an object without contact.
  • a sinusoidally varying stripe pattern is projected onto the surface of the object by a projection unit and then photographed by an imaging unit, and the phase of the stripe pattern is sequentially shifted by a predetermined angle (e.g., ⁇ /2 or 2 ⁇ /3) to obtain a set of photographed images (e.g., four or three).
  • the set of photographed images is then processed to measure the three-dimensional shape of the object.
  • the projection unit may be, for example, one that uses a projector as described in Patent Document 1, or one that uses a number of light sources arranged in a row and a stripe pattern forming optical element that passes the light from those light sources in a stripe pattern as described in Patent Document 2.
  • the latter is capable of high-speed projection of a phase-shifted stripe pattern, and also allows for lower power consumption and miniaturization.
  • the present invention was made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to provide a three-dimensional shape measurement device that uses multiple light sources arranged in a row on a projection device and a stripe pattern forming optical element that passes the light from the light sources in a stripe pattern, which prevents large errors in the measurement of three-dimensional shapes even if differences occur between the light sources in changes in the characteristics of the light sources due to changes in the usage environment.
  • a three-dimensional shape measuring device includes a projection control unit, a projection unit having a plurality of light sources arranged in a row, each of which has its lighting and light radiation intensity controlled by the projection control unit, and a stripe pattern forming optical element that passes the light from the light sources in a stripe pattern, and which projects a stripe pattern onto an object in which the phase is shifted by a predetermined angle by sequentially lighting each of the plurality of light sources, a photographing unit that photographs the object onto which each of the stripe patterns is projected to obtain a set of photographed images, and a three-dimensional shape measurement processing unit that performs image processing on the set of photographed images and detects changes in the light radiation intensity of each of the plurality of light sources to adjust the light radiation intensity of each of the plurality of light sources, or adjusts the exposure time, aperture value, or gain in the photographing unit, or adjusts the brightness of the set of photographed images, thereby measuring the three-dimensional shape of the object.
  • the three-dimensional shape measurement processing unit can detect changes in the radiation intensity of the light from each of the plurality of light sources from the brightness of a predetermined position of each of the set of captured images.
  • the three-dimensional shape measurement processing unit has an illuminance sensor and can detect changes in the radiation intensity of the light from each of the multiple light sources from the illuminance detected by the illuminance sensor.
  • the three-dimensional shape measuring device of the present invention makes it possible to prevent errors in the measurement of three-dimensional shapes from becoming large even if differences in the changes in the characteristics of the light sources occur between the light sources due to changes in the usage environment.
  • FIG. 1 is a plan view showing an outline of a three-dimensional shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a waveform diagram showing a simplified timing of projection and photography of the three-dimensional shape measuring device of the above.
  • FIG. 1A shows the components that make up the projection unit in the above-mentioned three-dimensional shape measuring device, where (a) is a front view of multiple light sources, and (b) is a front view of a projection unit case that houses multiple light sources and a stripe pattern forming optical element.
  • 4 is a circuit diagram of a plurality of light sources of a projection unit in the three-dimensional shape measuring device of the same embodiment.
  • 11A and 11B are planar cross-sectional views taken horizontally near the vertical center of a stripe pattern forming optical element in the above-mentioned three-dimensional shape measuring device, in which (a) is an example in which a plurality of transparent parts are formed in a regular stripe pattern, and (b) is an example in which a plurality of cylindrical lenses are formed in a regular pattern.
  • 4 is a photograph showing an example of a set of images captured by the three-dimensional shape measuring device of the same embodiment
  • FIG. 13 is a plan view showing an outline of a modified example of the three-dimensional shape measuring device of the above.
  • FIG. 13 is a front view of a projection unit case that houses a plurality of light sources and a stripe pattern forming optical element in a modified example of the three-dimensional shape measuring device of the above embodiment.
  • 2 is a block diagram showing a three-dimensional shape measurement processing unit of the three-dimensional shape measurement device implemented by a computer.
  • a three-dimensional shape measuring device 1 comprises a projection control unit 2, a projection unit 3, an image capturing unit 4, and a three-dimensional shape measurement processing unit 5.
  • the three-dimensional shape measuring device 1 measures the three-dimensional shape of an object M using a phase shift method. Note that the solid lines (and dashed lines) with arrows between each unit in FIG. 1 (and FIG. 7) are schematic representations of each control signal, etc.
  • the projection control unit 2 controls the illumination and light emission intensity of each of the multiple light sources 31A, 31B, 31C, and 31D of the projection unit 3, which will be described later.
  • the number of light sources is not particularly limited, but can be four or three, for example. In this embodiment, the number of light sources is four unless otherwise specified.
  • a projection period Ta synchronized with a synchronization signal SY
  • currents I A , I B , I C , and I D are sequentially supplied to each of the light sources 31A, 31B, 31C, and 31D to emit light.
  • the projection period Ta has a preset length.
  • a PWM pulse current can be used to supply the current.
  • the PWM period Tb has a preset length.
  • the PWM pulse widths Tc A , Tc B , Tc C , and Tc D can be controlled for each of the light sources 31A, 31B, 31C, and 31D, and the wider the width, the higher the light emission intensity, and the narrower the width, the lower the light emission intensity.
  • the projection period Ta is synchronized with an exposure period Td (signal EX in FIG. 2 indicates the timing of exposure) in the image capture unit 4.
  • the period Tb and the pulse widths TcA , TcB , TcC , and TcD are shown enlarged for ease of understanding.
  • the projection unit 3 has multiple (four in this embodiment) light sources 31A, 31B, 31C, and 31D and a stripe pattern forming optical element 32.
  • the multiple light sources 31A, 31B, 31C, and 31D and the stripe pattern forming optical element 32 can be housed in a projection unit case 33.
  • the multiple light sources 31A, 31B, 31C, and 31D are arranged in a row (horizontally).
  • Each of the multiple light sources 31A, 31B, 31C, and 31D can be composed of multiple (six in this embodiment) light-emitting elements 310 arranged in a row vertically, as shown in FIG. 3(a).
  • the multiple light-emitting elements 310 are connected in parallel or series, or a combination of these, in terms of the circuit. For example, as shown in FIG. 4, all of the light sources 31A, 31B, 31C, and 31D can be connected in series.
  • reference numeral 311 denotes a resistor for limiting current.
  • Reference numerals 31Aa, 31Ba, 31Ca, and 31Da denote current inflow terminals
  • reference numerals 31Ab, 31Bb, 31Cb, and 31Db denote current outflow terminals. It is possible to combine multiple current inflow terminals 31Aa, 31Ba, 31Ca, and 31Da and current outflow terminals 31Ab, 31Bb, 31Cb, and 31Db into one common terminal.
  • the stripe pattern forming optical element 32 passes light from the multiple light sources 31A, 31B, 31C, and 31D in a stripe pattern.
  • the stripe pattern forming optical element 32 has multiple transparent portions 32a formed in a regular striped (grid) pattern.
  • the multiple transparent portions 32a pass light from the multiple light sources 31A, 31B, 31C, and 31D.
  • the areas other than the multiple transparent portions 32a are shielding portions 32b that do not transmit light.
  • the stripe pattern forming optical element 32 is disposed close to the rear of the front surface of the projection unit case 33, and an opening 33a is formed in the front surface of the projection unit case 33.
  • the light that passes through the multiple transparent portions 32a of the stripe pattern forming optical element 32 is radiated to the outside of the projection unit 3 through the opening 33a.
  • the shielded portion 32b of the stripe pattern forming optical element 32 is painted black to make it easier to understand.
  • each of the plurality of cylindrical lenses 32c is a convex lens that refracts and focuses light, and radiates it to the outside. As a result, the light that passes through this stripe pattern forming optical element 32 becomes a stripe pattern. In a stripe pattern forming optical element 32 having such cylindrical lenses 32c formed therein, all light is transmitted, so the amount of light radiated can be increased.
  • multiple light sources 31A, 31B, 31C, 31D are sequentially lit to project stripe patterns P1, P2, P3, P4 onto the object M, the phase of which is sequentially shifted by a predetermined angle.
  • the stripe patterns P1, P2, P3, P4 emitted from the projection unit 3 have light radiation intensity that changes in a sinusoidal manner.
  • the predetermined angle of the phase shift is ⁇ /2. If there are three light sources, the angle becomes 2 ⁇ /3.
  • the projection unit 3 operates by simply sequentially lighting up multiple light sources 31A, 31B, 31C, and 31D, allowing for high-speed projection of a phase-shifted stripe pattern and enabling low power consumption and compact size.
  • This compact size allows the projection unit 3, together with the photographing unit 4 (described below), to be easily housed within a single housing 1a, as shown in Figure 1.
  • the projection control unit 2 and 3D shape measurement processing unit 5, which are not housed within the housing 1a are shown in block diagram form.
  • the photographing unit 4 photographs the object M onto which each of the stripe patterns P1, P2, P3, and P4 is projected, to obtain a set of photographed images as shown in Figures 6(a) to (d). If the background of the object M (for example, the platform M' on which the object M is placed) is flat, each of the stripe patterns P1, P2, P3, and P4 projected onto that background will have a certain regularity. Each of the stripe patterns P1, P2, P3, and P4 projected onto the object M (a gable-shaped object in Figures 6(a) to (d)) will be distorted. In this embodiment, there are four photographed images in one set. If there are three light sources, there will be three photographed images.
  • the three-dimensional shape measurement processing unit 5 performs image processing on the set of captured images.
  • the three-dimensional shape measurement processing unit 5 performs phase analysis on the distortion of each of the stripe patterns P1, P2, P3, and P4 projected onto the item M, thereby measuring the three-dimensional shape of the item M.
  • the three-dimensional shape measurement processing unit 5 also detects changes in the radiation intensity of the light from each of the multiple light sources 31A, 31B, 31C, and 31D.
  • the three-dimensional shape measurement processing unit 5 can detect changes in the light emission intensity of each of the multiple light sources 31A, 31B, 31C, and 31D from the brightness of a predetermined position in each of the set of captured images.
  • the predetermined position can be a part of the background of the item M (e.g., the platform M' on which the item M is placed) that is not affected by the item M (i.e., regardless of the presence or absence of the item M) (e.g., the parts surrounded by squares indicated by symbols p1, p2, p3, and p4 in FIG. 6).
  • the three-dimensional shape measurement processing unit 5 has an illuminance sensor 51, and can detect changes in the light radiation intensity of each of the multiple light sources 31A, 31B, 31C, and 31D from the illuminance detected by the illuminance sensor 51.
  • the illuminance sensor 51 can be attached to the light source side in a peripheral portion (part of the shielding portion 32b) such as the upper or lower portion of the stripe pattern forming optical element 32, although this is not particularly limited (see Figures 7 and 8).
  • the three-dimensional shape measurement processing unit 5 detects a change in the radiation intensity of each of the multiple light sources 31A, 31B, 31C, and 31D, it prevents large errors in the measurement of the three-dimensional shape of the item M in the following manner.
  • the three-dimensional shape measurement processing unit 5 adjusts the light radiation intensity of each of the multiple light sources 31A, 31B, 31C, and 31D via the projection control unit 2 (see the dashed line with an arrow from the three-dimensional shape measurement processing unit 5 to the projection control unit 2 in Figures 1 and 7).
  • the light radiation intensity of the light sources 31A, 31B, 31C, and 31D decreases during sequential measurement of a large number of objects M and the degree of decrease differs between the light sources
  • the light radiation intensity of each of the multiple light sources 31A, 31B, 31C, and 31D can be adjusted to fall within a reference range.
  • the reference range is a range that is determined in advance at the time of calibration or the like, and may be the same for the multiple light sources 31A, 31B, 31C, and 31D, or may be a different range if brightness correction is performed during image processing in the three-dimensional shape measurement processing unit 5.
  • the reference range may be determined by absolute values or by relative values between the light sources.
  • the three-dimensional shape measurement processing unit 5 can adjust the exposure time (length of exposure period Td in FIG. 2), aperture value, or gain in the imaging unit 4 (see the dashed line with an arrow pointing from the three-dimensional shape measurement processing unit 5 to the imaging unit 4 in FIG. 1 and FIG. 7).
  • the three-dimensional shape measurement processing unit 5 can also adjust (correct) the brightness of a set of captured images.
  • the three-dimensional shape measurement processing unit 5 can be realized by a computer that is composed of a CPU 5a, a program memory 5b, a work memory 5c, an input/output interface 5d (input/output terminals are omitted in FIG. 9), etc., as shown in FIG. 9.
  • the program memory 5b can store an image processing program 5ba that performs image processing, and a detection adjustment program 5bb that detects changes in the radiation intensity of each of the multiple light sources 31A, 31B, 31C, and 31D and adjusts them as described above.
  • the three-dimensional shape measuring device 1 can prevent large errors in the measurement of the three-dimensional shape of the object M even if differences occur in the changes in the characteristics of the light sources 31A, 31B, 31C, and 31D due to changes in the usage environment (for example, temperature changes during sequential measurement of multiple objects M).
  • Three-dimensional shape measuring device 1a Housing 2 Projection control unit 3 Projection unit 31A, 31B, 31C, 31D Light source 31Aa, 31Ba, 31Ca, 31Da Current inflow terminal 31Ab, 31Bb, 31Cb, 31Db Current outflow terminal 310 Light emitting element 311 Resistor 32 Stripe pattern forming optical element 32a Transmitting portion 32b Shielding portion 32c Cylindrical lens 33 Projection unit case 4 Imaging unit 5 Three-dimensional shape measurement processing unit 5a CPU 5b Program memory 5ba Image processing program 5bb Detection adjustment program 5c Work memory 5d Input/output interface 51 Illuminance sensor EX Signal indicating exposure timing I A , I B , I C , I D Current flowing through light source M Article M' Stand P1, P2, P3, P4 Stripe pattern p1, p2, p3, p4 Part of captured image showing stripe pattern SY Synchronization signal Ta Projection period Tb PWM cycle Tc A , Tc

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Abstract

投影装置に一列に並んだ複数個の光源及びそれらからの光を縞パターンにして通過させる縞パターン形成光学素子を用いる３次元形状計測装置において、使用環境の変化によって光源の特性変化に光源間で差異が生じても、３次元形状の計測の誤差が大きくならないようにできるものを提供する。この３次元形状計測装置１は、投影制御部２と投影部３と撮影部４と３次元形状計測処理部５を備え、３次元形状計測処理部５は、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の光の放射強度の変化を検知して複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の光の放射強度を調整する、又は、撮影部４における露光時間、絞り値又はゲインを調整する、又は、１組の撮影画像の明るさを調整する。

Description

３次元形状計測装置
  本発明は、位相シフト法を用いた３次元形状計測装置に関する。
　物品の３次元形状を非接触で計測するものとして、位相シフト法を用いた３次元形状計測装置が知られている。この３次元形状計測装置では、正弦波状に変化する縞パターンを物品の表面に投影部で投影しそれを撮影部で撮影するプロセスを、順次縞パターンの位相を所定角度（例えば、π／２或いは２π／３など）ずつシフトさせて１組（例えば、４枚或いは３枚など）の撮影画像を得る。そして、１組の撮影画像の画像処理を行うことにより、物品の３次元形状の計測が行われる。
　ここで、上記投影部には、例えば特許文献１に記載されているようなプロジェクタを用いるものや、例えば特許文献２に記載されているような一列に並んだ複数個の光源及びそれらからの光を縞パターンにして通過させる縞パターン形成光学素子を用いるものが知られている。後者は、前者に比べて、位相をシフトさせた縞パターンの高速な投影が可能であり低消費電力化や小型化も可能である。
特開２００８－２８１４９１号公報 特開２０１１－２４２１７８号公報
　しかしながら、特許文献２に記載されているような複数個の光源を用いるものは、使用環境の変化（例えば、多数の物品の順次計測中の温度変化など）によって、光源の特性変化に光源間で差異が生じる場合が少なくない。そのために光源の光の放射強度の変化に光源間で差異が生じると、３次元形状の計測の誤差が大きくなる。
　本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、投影装置に一列に並んだ複数個の光源及びそれらからの光を縞パターンにして通過させる縞パターン形成光学素子を用いる３次元形状計測装置において、使用環境の変化によって光源の特性変化に光源間で差異が生じても、３次元形状の計測の誤差が大きくならないようにできるものを提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る３次元形状計測装置は、投影制御部と、該投影制御部により各々の点灯及び光の放射強度が制御され一列に並んだ複数個の光源及びそれらからの光を縞パターンにして通過させる縞パターン形成光学素子を有し、前記複数個の光源の各々が順次点灯することにより順次所定角度ずつ位相がシフトした縞パターンを物品に投影する投影部と、前記縞パターンの各々が投影された前記物品を撮影して１組の撮影画像を得る撮影部と、前記１組の撮影画像の画像処理を行い、かつ、前記複数個の光源の各々の光の放射強度の変化を検知して該複数個の光源の各々の光の放射強度を調整する、又は、前記撮影部における露光時間、絞り値又はゲインを調整する、又は、前記１組の撮影画像の明るさを調整する３次元形状計測処理部と、を備えて前記物品の３次元形状を計測する。
　前記３次元形状計測処理部は、前記１組の撮影画像のうちの各々の撮影画像の予め決められた位置部分の輝度から前記複数個の光源の各々の光の放射強度の変化を検知するようにすることができる。
　前記３次元形状計測処理部は、照度センサを有し、該照度センサが検出した照度から前記複数個の光源の各々の光の放射強度の変化を検知するようにすることができる。
　本発明の３次元形状計測装置によれば、使用環境の変化によって光源の特性変化に光源間で差異が生じても、３次元形状の計測の誤差が大きくならないようにすることが可能になる。
本発明の実施形態に係る３次元形状計測装置の概略を示す平面図である。 同上の３次元形状計測装置の投影及び撮影のタイミングを簡略化して示す波形図である。 同上の３次元形状計測装置における投影部を構成する各部を示すものであって、（ａ）が複数個の光源の正面図、（ｂ）が複数個の光源及び縞パターン形成光学素子を収容した投影部ケースの正面図である。 同上の３次元形状計測装置における投影部の複数個の光源の回路図である。 同上の３次元形状計測装置における縞パターン形成光学素子の縦方向中央近傍を横方向に切断した平面視断面図であって、（ａ）が縞状に規則正しく複数個の透過部分が形成された例のもの、（ｂ）が規則正しく複数個のシリンドリカルレンズが形成された例のものである。 同上の３次元形状計測装置における１組の撮影画像の例の写真である。 同上の３次元形状計測装置の変形例の概略を示す平面図である。 同上の３次元形状計測装置の変形例における複数個の光源及び縞パターン形成光学素子を収容した投影部ケースの正面図である。 同上の３次元形状計測装置の３次元形状計測処理部をコンピュータによって実現したときのブロック図である。
　以下、本発明を実施するための形態を説明する。本発明の実施形態に係る３次元形状計測装置１は、図１に示すように、投影制御部２と投影部３と撮影部４と３次元形状計測処理部５を備えている。３次元形状計測装置１は、位相シフト法を用いて物品Ｍの３次元形状を計測する。なお、図１（及び図７）における各部間などの矢印付き実線（及び破線）は、各制御信号等を模式的に示したものである。
　投影制御部２は、投影部３の後述する複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の点灯及び光の放射強度を制御するものである。なお、光源の個数は、特に限定されるものではないが、４個或いは３個などが可能である。本実施形態では、光源の個数は、特に言及しなければ４個としている。
　詳細には、図２に示すように、同期信号ＳＹに同期した投影期間Ｔａに、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの１個ずつに順次電流ＩＡ、ＩＢ、ＩＣ、ＩＤ（図４参照）を供給して光を放射させる。投影期間Ｔａは、予め設定された長さである。電流の供給は、ＰＷＭのパルス電流を用いることができる。ＰＷＭの周期Ｔｂは、予め設定された長さである。ＰＷＭのパルス幅ＴｃＡ、ＴｃＢ、ＴｃＣ、ＴｃＤは、光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々について制御され得、その幅を広くすると光の放射強度が高くなり、狭くすると光の放射強度が低くなる。なお、投影期間Ｔａは、撮影部４における露光期間Ｔｄ（図２において信号ＥＸは露光のタイミングを示すものである）と同期している。また、図２においては、上記の周期Ｔｂ及びパルス幅ＴｃＡ、ＴｃＢ、ＴｃＣ、ＴｃＤは、理解し易いように、拡大して示している。
　投影部３は、複数個（本実施形態では４個）の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄと縞パターン形成光学素子３２を有している。複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄと縞パターン形成光学素子３２は、投影部ケース３３に収容することができる。
　複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄは、一列（横方向に一列）に並んでいる。複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々は、図３（ａ）に示すように、縦方向に一列に並んだ複数個（本実施形態では６個）の発光素子３１０で構成することができる。複数個の発光素子３１０は、回路的には、並列又は直列或いはそれらが組み合わせられて接続されており、例えば、図４に示すように、光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々について全てが直列に接続されるようにすることができる。
　なお、図４において、符号３１１で示すものは電流制限用の抵抗である。また、符号３１Ａａ、３１Ｂａ、３１Ｃａ、３１Ｄａで示すものは電流流入端子であり、符号３１Ａｂ、３１Ｂｂ、３１Ｃｂ、３１Ｄｂで示すものは電流流出端子である。電流流入端子３１Ａａ、３１Ｂａ、３１Ｃａ、３１Ｄａと電流流出端子３１Ａｂ、３１Ｂｂ、３１Ｃｂ、３１Ｄｂのどちらか一方は、複数個をまとめて共通に（１個に）することも可能である。
　縞パターン形成光学素子３２は、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄからの光を縞パターンにして通過させる。縞パターン形成光学素子３２は、図３（ｂ）及び図５（ａ）に示すように、縞状（格子状）に規則正しく複数個の透過部分３２ａが形成されている。複数個の透過部分３２ａにおいて、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄからの光を通過させる。複数個の透過部分３２ａ以外は、光を透過させない遮蔽部分３２ｂである。本実施形態では、縞パターン形成光学素子３２は、投影部ケース３３の前面の後方に接近して配置されており、また、投影部ケース３３の前面には、開口部３３ａが形成されている。縞パターン形成光学素子３２の複数個の透過部分３２ａを透過した光は、開口部３３ａを通って投影部３の外部に放射される。なお、図３（ｂ）及び図５（ａ）（及び図８）においては、縞パターン形成光学素子３２の遮蔽部分３２ｂは、理解を容易にするために黒で塗りつぶしている。
　縞パターン形成光学素子３２は、縞状に規則正しく複数個の透過部分３２ａが形成されているものの他に、図５（ｂ）に示すように、規則正しく複数個のシリンドリカルレンズ３２ｃが形成されているものを用いることも可能である。複数個のシリンドリカルレンズ３２ｃの各々は、凸レンズになっており、光を屈折させ集光して外部に放射する。それにより、この縞パターン形成光学素子３２を通過した光は、縞パターンになる。このようなシリンドリカルレンズ３２ｃが形成されている縞パターン形成光学素子３２では、光が全て透過するので放射される光の量を多くすることができる。
　このような投影部３では、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄが順次点灯することにより、順次所定角度ずつ位相がシフトした縞パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４を物品Ｍに投影する。投影部３から放射される縞パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は、光の放射強度が正弦波状に変化するものとなる。シフトする位相の所定角度は、本実施形態ではπ／２である。なお、光源の個数を３個とした場合は、２π／３となる。　
　投影部３は、動作としては複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄが順次点灯するだけなので、位相をシフトさせた縞パターンの高速な投影が可能であり低消費電力化や小型化も可能である。この小型化により、投影部３は、次に述べる撮影部４とともに、図１に示すように、１個の筐体１ａ内に容易に収容することができる。なお、図１では、筐体１ａ内に収容しない投影制御部２と３次元形状計測処理部５は、ブロック図で示している。
　撮影部４は、縞パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の各々が投影された物品Ｍを撮影して、図６（ａ）～（ｄ）に示すような１組の撮影画像を得る。物品Ｍの背景（例えば、物品Ｍが置かれている台Ｍ’）が平坦であると、その背景に投影された縞パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の各々は一定の規則正しいものとなる。物品Ｍ（図６（ａ）～（ｄ）では切妻形状の物品）に投影された縞パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の各々は、歪みが生じる。１組の撮影画像は、本実施形態では４枚である。なお、光源の個数を３個とした場合は、３枚となる。
　３次元形状計測処理部５は、前記１組の撮影画像の画像処理を行う。３次元形状計測処理部５では、物品Ｍに投影された縞パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の各々の歪みが位相解析され、それにより、物品Ｍの３次元形状の計測が行われることになる。
　また、３次元形状計測処理部５は、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の光の放射強度の変化を検知する。
　詳細には、３次元形状計測処理部５は、１組の撮影画像のうちの各々の撮影画像の予め決められた位置部分の輝度から複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の光の放射強度の変化を検知することができる。例えば、予め決められた位置部分は、物品Ｍの背景（例えば、物品Ｍが置かれている台Ｍ’）において物品Ｍの影響を受けない（つまり、物品Ｍの有無によらない）一部（例えば、図６中、符号ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４で示す□で囲った部分）とすることができる。
　或いは、３次元形状計測処理部５は、図７及び図８に示すように、照度センサ５１を有し、照度センサ５１が検出した照度から複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の光の放射強度の変化を検知することができる。例えば、照度センサ５１は、特に限定されるものではないが、縞パターン形成光学素子３２の上部又は下部などの周辺部分（遮蔽部分３２ｂの一部）における光源側に取り付けられるようにすることができる（図７及び図８参照）。
　３次元形状計測処理部５は、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の放射強度の変化を検知すると、以下のようにして、物品Ｍの３次元形状の計測の誤差が大きくならないようにする。
　すなわち、３次元形状計測処理部５は、投影制御部２を介して、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の光の放射強度を調整する（図１及び図７においては、３次元形状計測処理部５から投影制御部２に向かう矢印付き破線を参照）。例えば、多数の物品Ｍの順次計測中に光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの光の放射強度が低下し、その低下の度合が光源間で差異が生じたとき、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の光の放射強度を基準範囲に入るように調整することができる。基準範囲は、キャリブレーション時などで予め決められた範囲であり、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄについて同じであってもよいし、３次元形状計測処理部５での画像処理時に明るさの補正を行えば、違う範囲であってもよい。また、基準範囲は、絶対値で決めてもよいし光源間の相対値で決めてもよい。
　又は、３次元形状計測処理部５は、撮影部４における露光時間（図２の露光期間Ｔｄの長さ）、絞り値又はゲインを調整するようにすることも可能である（図１及び図７においては、３次元形状計測処理部５から撮影部４に向かう矢印付き破線を参照）。
　又は、３次元形状計測処理部５は、１組の撮影画像の明るさを調整（補正）するようにすることも可能である。
　３次元形状計測処理部５は、具体的には、例えば、図９に示すように、ＣＰＵ５ａ、プログラムメモリ５ｂ、ワークメモリ５ｃ、入出力インターフェイス５ｄ（図９では入出力端子を省略）などから構成されるコンピュータによって実現することができる。プログラムメモリ５ｂの中に、画像処理を行う画像処理プログラム５ｂａと複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の放射強度の変化を検知し上記のように調整する検知調整プログラム５ｂｂが記憶されているようにすることができる。
　このように、３次元形状計測装置１は、使用環境の変化（例えば、多数の物品Ｍの順次計測中の温度変化など）によって、光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの特性変化に光源間で差異が生じても、物品Ｍの３次元形状の計測の誤差が大きくならないようにできる。
　以上、本発明の実施形態に係る３次元形状計測装置について説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。
　１　　３次元形状計測装置
　１ａ　筐体
　２　　投影制御部
　３　　投影部
　３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ　光源
　３１Ａａ、３１Ｂａ、３１Ｃａ、３１Ｄａ　電流流入端子
　３１Ａｂ、３１Ｂｂ、３１Ｃｂ、３１Ｄｂ　電流流出端子
　３１０　発光素子
　３１１　抵抗
　３２　縞パターン形成光学素子
　３２ａ　透過部分
　３２ｂ　遮蔽部分
　３２ｃ　シリンドリカルレンズ
　３３　投影部ケース
　４　　撮影部
　５　　３次元形状計測処理部
　５ａ　ＣＰＵ
　５ｂ　プログラムメモリ
　５ｂａ　画像処理プログラム
　５ｂｂ　検知調整プログラム
　５ｃ　ワークメモリ
　５ｄ　入出力インターフェイス
　５１　照度センサ
　ＥＸ　露光のタイミングを示す信号
　ＩＡ、ＩＢ、ＩＣ、ＩＤ　光源に流れる電流
　Ｍ　　物品
　Ｍ’　台
　Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４　縞パターン
　ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４　縞パターンが写った撮影画像の一部
　ＳＹ　同期信号
　Ｔａ　投影期間
　Ｔｂ　ＰＷＭの周期
　ＴｃＡ、ＴｃＢ、ＴｃＣ、ＴｃＤ　ＰＷＭのパルス幅
　Ｔｄ　露光期間

Claims (3)

  1. 　投影制御部と、
    　該投影制御部により各々の点灯及び光の放射強度が制御され一列に並んだ複数個の光源及びそれらからの光を縞パターンにして通過させる縞パターン形成光学素子を有し、前記複数個の光源の各々が順次点灯することにより順次所定角度ずつ位相がシフトした縞パターンを物品に投影する投影部と、
    　前記縞パターンの各々が投影された前記物品を撮影して１組の撮影画像を得る撮影部と、
    　前記１組の撮影画像の画像処理を行い、かつ、前記複数個の光源の各々の光の放射強度の変化を検知して該複数個の光源の各々の光の放射強度を調整する、又は、前記撮影部における露光時間、絞り値又はゲインを調整する、又は、前記１組の撮影画像の明るさを調整する３次元形状計測処理部と、
    を備えて前記物品の３次元形状を計測する３次元計測装置。
  2. 　請求項１に記載の３次元形状計測装置において、
    　前記３次元形状計測処理部は、前記１組の撮影画像のうちの各々の撮影画像の予め決められた位置部分の輝度から前記複数個の光源の各々の光の放射強度の変化を検知する３次元計測装置。
  3. 　請求項１に記載の３次元形状計測装置において、
    　前記３次元形状計測処理部は、照度センサを有し、該照度センサが検出した照度から前記複数個の光源の各々の光の放射強度の変化を検知する３次元計測装置。
PCT/JP2023/043283 2022-12-06 2023-12-04 ３次元形状計測装置 WO2024122494A1 (ja)

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