(57)【要約】【課題】大きな被測定物であっても誤差の累積がなく、精度よく光学的に３次元測定できる３次元形状測定方法を得る。【解決手段】カメラ４により被測定物１を撮像して、カメラ４の撮像領域Ｓ内の被測定物１の３次元形状を測定する。その際、被測定物１に沿って配置され複数のマークＭが設けられた長尺状のリファレンスバー１４，１６と、カメラ４を移動可能に支持する移動機構１８とを設ける。そして、移動機構１８に支持されたカメラ４を移動して、異なる箇所で少なくとも２つのマークＭを含む被測定物１を撮像した撮像領域Ｓのそれぞれの測定値をマークＭに基づいて同一座標系に変換して、被測定物１の３次元形状を測定する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カメラにより被測定物を撮像して、前記カメラの撮像領域内の前記被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定方法において、
間隔が既知の複数のマークが設けられた長尺状のリファレンスバーを前記被測定物に沿って配置し、前記カメラにより前記リファレンスバーの前記マークを少なくとも２個含む撮像領域で前記被測定物を撮像し、更に、前記カメラを移動して異なる箇所で少なくとも前記マークを２個含む撮像領域で前記被測定物を撮像し、前記被測定物を撮像した前記撮像領域のそれぞれの測定値を前記マークに基づいて同一座標系に変換して、前記被測定物の３次元形状を測定することを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項２】
前記リファレンスバーには、同じ形状の複数の前記マークが等間隔で設けられ、また、前記カメラの移動量を検出して、該移動量に基づいて、異なる箇所で少なくとも２個の前記マークを含む前記被測定物を撮像した前記撮像領域に含まれる前記マークを識別し、前記撮像領域のそれぞれの測定値を識別した前記マークに基づいて同一座標系に変換して、前記被測定物の３次元形状を測定することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定方法。
【請求項３】
前記リファレンスバーには、異なる形状の複数の前記マークが設けられ、異なる箇所で少なくとも２個の前記マークを含む前記被測定物を撮像した前記撮像領域に含まれる前記マークを前記形状により識別し、前記撮像領域のそれぞれの測定値を識別した前記マークに基づいて同一座標系に変換して、前記被測定物の３次元形状を測定することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定方法。
【請求項４】
カメラにより被測定物を撮像して、前記カメラの撮像領域内の前記被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置において、
前記被測定物に沿って配置され間隔が既知の複数のマークが設けられた長尺状のリファレンスバーと、
前記カメラを移動可能に支持する移動機構と、
該移動機構に支持された前記カメラの移動で、異なる箇所で少なくとも２個の前記マークを含む前記被測定物を撮像した前記撮像領域のそれぞれの測定値を前記マークに基づいて同一座標系に変換して、前記被測定物の３次元形状を測定する広域測定手段とを備えたことを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項５】
前記リファレンスバーには、同じ形状の複数の前記マークが等間隔で設けられると共に、前記移動機構は、前記カメラの移動量を検出する移動量検出センサを備え、前記広域測定手段は、前記移動量検出センサにより検出された前記移動量に基づいて、異なる箇所で少なくとも２個の前記マークを含む前記被測定物を撮像した前記撮像領域に含まれる前記マークを識別し、前記撮像領域のそれぞれの測定値を識別した前記マークに基づいて同一座標系に変換して、前記被測定物の３次元形状を測定することを特徴とする請求項４に記載の３次元形状測定装置。
【請求項６】
前記リファレンスバーには、異なる形状の複数の前記マークが設けられ、前記広域判定手段は、異なる箇所で少なくとも２個の前記マークを含む前記被測定物を撮像した前記撮像領域に含まれる前記マークを前記形状により識別し、前記撮像領域のそれぞれの測定値を識別した前記マークに基づいて同一座標系に変換して、前記被測定物の３次元形状を測定することを特徴とする請求項４に記載の３次元形状測定装置。
【請求項７】
前記リファレンスバーを前記被測定物の両側に設け、前記広域測定手段は、更に、異なる前記リファレンスバーで少なくとも２個の前記マークを含む前記被測定物を撮像した前記撮像領域のそれぞれの測定値を前記マークに基づいて同一座標系に変換して、前記被測定物の３次元形状を測定することを特徴とする請求項４ないし請求項６に記載の３次元形状測定装置。
【請求項８】
前記リファレンスバーは、平坦面に複数の前記マークを設けたことを特徴とする請求項４ないし請求項７に記載の３次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の外形形状を光学的に３次元で測定する３次元形状測定方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、モアレトポグラフィに代表されるような縞を利用し、被測定物上に縞状パターンを投影し、被測定物の形状により変形した縞模様と基準の縞模様を重ね合わせ、その差周波数として生じる等高線を示すモアレ縞を解析することにより、被測定物の３次元形状を測定する装置として、例えば、特許文献１や特許文献２にあるような装置が知られている。このような装置では、被測定物上にできた縞模様をＣＣＤカメラにより撮像して、解析している。
【特許文献１】特開昭５３−６８２６７号公報
【特許文献２】特開昭６１−２６０１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、こうした従来のものでは、被測定物が小さい場合は、被測定物全体をＣＣＤカメラで撮像して解析しても、十分な測定精度が得られるが、被測定物が大きい場合、一度で被測定物全体を撮像したのでは、十分な解像度が得られない場合がある。
【０００４】
そのような場合には、被測定物の一部を撮像して３次元形状を測定し、次に、場所を変えて、被測定物の他の一部を撮像して３次元形状を測定し、これを繰り返して全体の３次元形状を測定しているが、分けて測定した測定値を一つの基準座標系の測定値に合成すると、その都度誤差が発生し、多くのパッチを合成すると誤差が累積して、大きな誤差が発生するという問題があった。
【０００５】
本発明の課題は、大きな被測定物であっても誤差の累積がなく、精度よく光学的に３次元測定できる３次元形状測定方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を達成すべく、本発明は課題を解決するため次の手段を取った。即ち、
カメラにより被測定物を撮像して、前記カメラの撮像領域内の前記被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定方法において、
間隔が既知の複数のマークが設けられた長尺状のリファレンスバーを前記被測定物に沿って配置し、前記カメラにより前記リファレンスバーの前記マークを少なくとも２個含む撮像領域で前記被測定物を撮像し、更に、前記カメラを移動して異なる箇所で少なくとも前記マークを２個含む撮像領域で前記被測定物を撮像し、前記被測定物を撮像した前記撮像領域のそれぞれの測定値を前記マークに基づいて同一座標系に変換して、前記被測定物の３次元形状を測定することを特徴とする３次元形状測定方法がそれである。
【０００７】
前記リファレンスバーには、同じ形状の複数の前記マークが等間隔で設けられ、また、前記カメラの移動量を検出して、該移動量に基づいて、異なる箇所で少なくとも２個の前記マークを含む前記被測定物を撮像した前記撮像領域に含まれる前記マークを識別し、前記撮像領域のそれぞれの測定値を識別した前記マークに基づいて同一座標系に変換して、前記被測定物の３次元形状を測定するようにしてもよい。あるいは、前記リファレンスバーには、異なる形状の複数の前記マークが設けられ、異なる箇所で少なくとも２個の前記マークを含む前記被測定物を撮像した前記撮像領域に含まれる前記マークを前記形状により識別し、前記撮像領域のそれぞれの測定値を識別した前記マークに基づいて同一座標系に変換して、前記被測定物の３次元形状を測定するようにしてもよい。
【０００８】
また、カメラにより被測定物を撮像して、前記カメラの撮像領域内の前記被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置において、
前記被測定物に沿って配置され間隔が既知の複数のマークが設けられた長尺状のリファレンスバーと、
前記カメラを移動可能に支持する移動機構と、
該移動機構に支持された前記カメラの移動で、異なる箇所で少なくとも２個の前記マークを含む前記被測定物を撮像した前記撮像領域のそれぞれの測定値を前記マークに基づいて同一座標系に変換して、前記被測定物の３次元形状を測定する広域測定手段とを備えたことを特徴とする３次元形状測定装置がそれである。
【０００９】
前記リファレンスバーには、同じ形状の複数の前記マークが等間隔で設けられると共に、前記移動機構は、前記カメラの移動量を検出する移動量検出センサを備え、前記広域測定手段は、前記移動量検出センサにより検出された前記移動量に基づいて、異なる箇所で少なくとも２個の前記マークを含む前記被測定物を撮像した前記撮像領域に含まれる前記マークを識別し、前記撮像領域のそれぞれの測定値を識別した前記マークに基づいて同一座標系に変換して、前記被測定物の３次元形状を測定する構成としてもよい。あるいは、前記リファレンスバーには、異なる形状の複数の前記マークが設けられ、前記広域判定手段は、異なる箇所で少なくとも２個の前記マークを含む前記被測定物を撮像した前記撮像領域に含まれる前記マークを前記形状により識別し、前記撮像領域のそれぞれの測定値を識別した前記マークに基づいて同一座標系に変換して、前記被測定物の３次元形状を測定する構成としてもよい。また、前記リファレンスバーを前記被測定物の両側に設け、前記広域測定手段は、更に、異なる前記リファレンスバーで少なくとも２個の前記マークを含む前記被測定物を撮像した前記撮像領域のそれぞれの測定値を前記マークに基づいて同一座標系に変換して、前記被測定物の３次元形状を測定する構成としてもよい。更に、前記リファレンスバーは、平坦面に複数の前記マークを設けるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
前述したように本発明の３次元形状測定方法及びその装置によると、複数のマークが設けられたリファレンスバーを用いて、大きな被測定物であっても累積誤差なく、精度よく光学的に３次元測定できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１〜３に示すように、１は被測定物であり、例えば、乗用車の車体等の大型の３次元形状の外形を有するものである。この被測定物１の３次元形状を光学的に測定する形状測定器２を備え、この形状測定器２は、ＣＣＤを用いたカメラ４とフリンジプロジェクター６と制御装置８とを備えている。カメラ４とフリンジプロジェクター６とは、制御装置８に接続されている。また、カメラ４とフリンジプロジェクター６とはカメラボックス１０に収納されている。
【００１２】
形状測定器２は、フリンジプロジェクター６が複数の格子を被測定物１の表面に投影し、カメラ４がこの被測定物１の外形形状に応じて変形した格子を撮像する。そして、この変形格子と基準格子とに基づいて、制御装置８が被測定物１の３次元形状を測定し、３次元形状の測定値を得るものである。
【００１３】
形状測定器２は、カメラ４による撮像領域Ｓが広ければ解像度が低下して測定精度が粗くなり、撮像領域Ｓが狭ければ十分な解像度が得られて測定精度が精密になる。従って、必要な測定精度を得ようとすると、カメラ４により撮像する領域Ｓの面積が限定され、被測定物１の部分領域を測定することになる。
【００１４】
形状測定器２は、３次元の部分座標系に基づいた測定値を出力する。部分座標系は、形状測定器２が有する座標系であり、形状測定器２を移動して別の箇所を測定した際には、それらの測定値の部分座標系が異なり、そのままでは、それらの測定値をつなぎ合わせて、１つの測定値とすることはできない。
【００１５】
被測定物１は、測定台１２上に載置されており、この被測定物１に沿って、長尺状のリファレンスバー１４，１６が被測定物１の両側に設けられている。リファレンスバー１４，１６には複数のマークＭが設けられている。本実施形態では、リファレンスバー１４，１６は、断面形状が矩形の長尺状のものであり、上側の平坦面にマークＭが設けられており、マークＭは平面的な図形である。両リファレンスバー１４，１６は、それぞれの上側の平坦面が同じ高さになるように配置されている。
【００１６】
この複数のマークＭは、丸や四角等のそれぞれが同じ形状のものでもよく、あるいは、異なる形状のものでもよい。また、複数のマークＭは等間隔で設けられていてもよく、あるいは、各マークＭのそれぞれの間隔が異なっていてもよいが、各マークＭの間隔は予め既知であればよい。
【００１７】
測定台１２に移動機構１８が併設されており、移動機構１８はリファレンスバー１４，１６と平行に敷設された一対のレール２０，２２を備えている。レール２０，２２には移動台２４がレール２２，２４に沿って移動可能に係合されており、移動台２４には支柱２６が立設されている。一対のレール２２，２４の間には、移動台２４の平行移動量を検出する平行移動量検出器２７が設けられている。
【００１８】
支柱２６からは、アーム部材２８がリファレンスバー１４，１６と直交方向に突き出されている。アーム部材２８には直交移動機構３０が組み込まれており、直交移動機構３０はアーム部材２８に移動可能に支持された直交移動台３２を備えている。直交移動台３２の移動方向は、リファレンスバー１４，１６と直交し、測定台１２上の被測定物１を跨いで移動できるように構成されている。この直交移動台３２には、カメラボックス１０が被測定物１を撮像できるように取り付けられている。また、アーム部材２８には、直交移動台３２の直交移動量を検出する直交移動量検出器３４が設けられている。
【００１９】
次に、本実施形態の３次元形状測定方法による測定手順について、前述した本実施形態の３次元形状測定装置の制御装置８において行われる広域測定処理と共に、図６に示すフローチャートによって説明する。
【００２０】
まず、図３、図５に示すように、測定台１２上に被測定物１を載置する。そして、移動台２４をレール２０，２２に沿って移動して、カメラ４の撮像領域Ｓ１が被測定物１の最初の測定位置となるようにカメラボックス１０を移動する。そして、第１の撮像領域Ｓ１で被測定物１の一部を撮像すると、制御装置８がこの撮像データから被測定物１の３次元形状の測定値を算出する（ステップ１００）。撮像する際には、その第１の撮像領域Ｓ１にリファレンスバー１４の少なくとも２つのマークＭ１が含まれるように撮像する。
【００２１】
次に、広域変換か否かを判断して（ステップ１１０）、最初の撮像である場合には、次の撮像が行われるまで待機し、次の撮像が行われると、その第２の撮像領域Ｓ２の撮像データから被測定物１の測定値を算出する。この第２の撮像領域Ｓ２には、第１の撮像領域Ｓ１と同様に少なくとも２つのマークＭ１が含まれるように撮像する。その際、第１の撮像領域Ｓ１と第２の撮像領域Ｓ２とにそれぞれ含まれている少なくとも２つのマークＭが同じものである必要はなく、２つも別のマークＭでもよく、あるいは、１つのみが同じマークであってもよい。
【００２２】
そして、これらの二つの撮像領域Ｓ１，Ｓ２と同一座標系に変換する場合には、まず、両撮像領域Ｓ１，Ｓ２の撮像データからマークＭ１を認識する（ステップ１２０）。この両撮像領域Ｓ１，Ｓ２のマークＭ１に基づいて、座標を変換するための計数を算出する（ステップ１３０）。この計数により同じ座標系に変換する（ステップ１４０）。
【００２３】
図７に示すように、リファレンスバー１４の少なくとも２つのマークＭから、２つのマークＭを結んだＸ方向を認識できる。また、リファレンスバー１４の平坦面に直交するＺ方向も認識でき、このＸ方向、Ｚ方向にそれぞれ直交するＹ方向を認識できる。これにより、２つのマークＭの一方を中心とする３次元の座標系を認識できる。
【００２４】
そして、図８に示すように、第１の撮像領域Ｓ１と第２の撮像領域Ｓ２とにそれぞれ含まれる少なくとも２つのマークＭから、それぞれのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の３次元座標系を認識できると共に、それぞれの１つのマークＭからそれらの距離を認識でき、座標を変換するための計数を算出できる。
【００２５】
各マークＭの距離は予め測定されて既知であり、各マークＭが同じ形状である場合には、平行移動量検出器２７により検出される移動量に基づいて、撮像領域Ｓに含まれているマークＭを判別する。その際、検出される移動量は、おおよその値がわかればどのマークＭかを判別できる。
【００２６】
また、各マークＭの形状が異なれば、移動量を検出することなく、撮像したマークＭの形状から、マークＭを識別でき、各マークＭの距離が既知であるので、その距離に基づいて座標を変換するための計数を算出できる。その際、マークＭは、形状が異なってもよいが、例えば、同じ形状のマークＭをリファレンスバー１４，１６に表示すると共に数字等による番号を表示して、各マークＭを識別できるようにしても同様に実施可能である。
【００２７】
撮像領域Ｓに含まれる少なくとも２つのマークＭに基づいて、座標変換の計数を算出するので、移動機構１８による移動は、リファレンスバー１４，１６と平行である必要はなく、図９に示すように、第１の撮像領域Ｓ１と第２の撮像領域Ｓ２とがリファレンスバー１４，１６に対して、Ｘ方向、Ｙ方向に傾いていても、それぞれに少なくとも２つのマークＭが含まれていれば、座標変換の計数を算出できる。しかも、Ｚ方向に対して傾いていても、リファレンスバー１４，１６の平坦面を基準に３次元座標を認識するので、移動によりＺ方向に傾いても、座標変換の計数を算出できる。
【００２８】
第１の撮像領域Ｓ１と第２の撮像領域Ｓ２とのように、共通のマークＭ１がない場合でも、第１の撮像領域Ｓ１のマークＭ１と第２の撮像領域Ｓ２のマークＭとの距離が既知であるので、これに基づいて、第１の撮像領域Ｓ１と第２の撮像領域Ｓ２との座標系を変換する計数を算出し（ステップ１３０）、この計数により同じ座標系に変換することができる（ステップ１４０）。従って、各撮像領域Ｓの同一座標系への変換をマークＭに基づいて行なうので、複数の撮像領域を合成しても、誤差が累積することがなく、精度よく３次元形状を測定できる。
【００２９】
また、図５に示すように、被測定物１が大きい場合には、水平方向の移動だけでは、被測定物１の全体を測定できない場合がある。その場合には、直交移動機構３０によりカメラボックス１０を垂直方向に移動して、それぞれの撮像領域Ｓ１，Ｓ１２で撮像して、それぞれの測定値を得る。また、その直交移動量を直交移動量検出器３４により検出する。直交移動量検出器３４により検出した直交移動量に基づいて、座標変換を行えば、複数の撮像領域Ｓ１，Ｓ１２を同一の座標系に変換できる。
【００３０】
更に、本実施形態では、被測定物１の両側にリファレンスバー１４，１６を設けたが、少なくとも片側に一つのリファレンスバー１４，１６を設ければよい。両側に設けることにより、図１０に示すように、一方のリファレンスバー１４のマークＭを含む撮像領域Ｓ１で撮像した後、直交方向にカメラボックス１０を移動して、それぞれの撮像領域Ｓ１，Ｓ１２，Ｓ１３で撮像して、それぞれの測定値を得る。また、他方のリファレンスバー１６のマークＭを含む撮像領域Ｓ１３で撮像することにより、このマークＭに基づいて、直交方向の座標変換の補正を行うことができる。
【００３１】
その際、直交移動機構３０によりカメラボックス１０の移動方向が、リファレンスバー１４，１６に対して傾斜していても、両リファレンスバー１４，１６の各マークＭに基づいて、移動方向を認識できるので、直交方向の座標変換の補正を行うことができる。また、図１１に示すように、移動の際に、Ｚ方向にカメラボックス１０がずれても、両リファレンスバー１４，１６の両平坦面からの距離が測定できるので、これに基づいて、座標変換の補正を行うことができる。
【００３２】
尚、本実施形態では、被測定物１を水平な測定台１２上に載置して撮像する場合を例としたが、これに限らず、図１２に示すように、測定台３６を垂直に配置し、この測定台３６に被測定物１を垂直な状態で支持するようにしても同様に実施可能である。この場合、アーム部材２８は、支柱２６に沿って上下方向に移動できるように支持すればよい。
【００３３】
以上本発明はこの様な実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得る。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態としての３次元形状測定装置のカメラによる測定の説明図である。
【図２】本実施形態の３次元形状測定装置の正面図である。
【図３】本実施形態の３次元形状測定装置の平面図である。
【図４】本実施形態の３次元形状測定装置の側面図である。
【図５】本実施形態の３次元形状測定装置による撮像領域の説明図である。
【図６】本実施形態の制御装置において行われる広域測定処理の一例を示すフローチャートである。
【図７】本実施形態のリファレンスバーのマークに基づく座標の認識を説明する斜視図である。
【図８】本実施形態の各撮像領域とリファレンスバーのマークとの関係を説明する説明図である。
【図９】本実施形態の各撮像領域が傾斜している場合のリファレンスバーのマークとの関係を説明する説明図である。
【図１０】本実施形態のリファレンスバーと直交方向の撮像領域を示す説明図である。
【図１１】本実施形態のリファレンスバーと直交方向に撮像したときの傾斜を示す説明図である。
【図１２】他の実施形態としての３次元形状測定装置の正面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…被測定物        ２…形状測定器
４…カメラ          ６…フリンジプロジェクター
８…制御装置        １０…カメラボックス
１２…測定台        １４，１６…リファレンスバー
１８…移動機構      ２０，２２…レール
２４…移動台        ２６…支柱
２７…平行移動量検出器
２８…アーム部材    ３０…直交移動機構
３２…直交移動台    ３４…直交移動量検出器
３６…測定台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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