(57)【要約】【課題】被測定物体の反射率の影響を受けず、縞パターン光の各縞が分離しやすく、かつ計算誤差の小さい三次元形状測定装置及びその方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の三次元形状測定装置は、高輝縞３０１と、高輝縞３０１より輝度の低い低輝縞３０２とが交互に位置する縞パターン光を被測定物体２に投影する投影手段３と、被測定物体２にあたった縞パターン光の反射を受像し画像データを出力するカメラ４と、画像データから三次元座標データを生成する計算機５と、を有する三次元形状測定装置１において、投影手段３は、レーザー光３０を出力する光源３１と、レーザー光３０を所定の大きさに広げる拡大手段３２と、拡大手段３２で広げられたレーザー光３０を縞パターン光に成形する縞パターン成形手段３３と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高輝縞と、該高輝縞より輝度の低い低輝縞とが交互に位置する縞パターン光を被測定物体に投影する投影手段と、該被測定物体にあたった該縞パターン光の反射を受像し画像データを出力するカメラと、該画像データから三次元座標データを生成する計算機と、を有する三次元形状測定装置において、
前記投影手段は、レーザー光を出力する光源と、該レーザー光を所定の大きさに広げる拡大手段と、該拡大手段で広げられた該レーザー光を前記縞パターン光に成形する縞パターン成形手段と、を有することを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】
前記カメラは、可視光を遮断し前記レーザー光を透過するフィルタを有する請求項１に記載の三次元形状測定装置。
【請求項３】
前記縞パターン成形手段は、回折光学素子である請求項１又は２に記載の三次元形状測定装置。
【請求項４】
前記回折光学素子は、フレネルレンズ又はバイナリレンズである請求項３に記載の三次元形状測定装置。
【請求項５】
前記縞パターン成形手段は、前記レーザー光を直線状の縞パターン光に成形するものであるスリットの入ったマスクである請求項１ないし４のいずれかに記載の三次元形状測定装置。
【請求項６】
レーザー光を出力する光出力工程と、
該レーザー光を所定の大きさに広げる拡大工程と、
拡大された該レーザー光を高輝縞と、該高輝縞より輝度の低い低輝縞とが交互に位置する縞パターンに成形する縞パターン成形工程と、
該縞パターンに成形されたレーザー光を被測定物体に投影手段で投影する投影工程と、
該被測定物体にあたった該縞パターンに成形されたレーザー光の反射をカメラが受像し、受像した画像データの信号を出力する受像工程と、
該画像データの信号を受信し記憶手段に記憶する記憶工程と、
該画像データから三次元座標データを生成する三次元座標データ生成工程と、を有することを特徴とする三次元形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２値の縞パターン光を被測定物体に投影し、投影された被測定物体を撮影した画像データから被測定物体の三次元形状を測定する装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人体や物体（被測定物体）の立体形状を数量化して把握する技術の１つに、三次元計測法がある。三次元計測法には、接触式と非接触式とがある。接触式は、探査用の電極（探針）を直接、被測定物体に接触させて、三次元形状を測定する方法である。非接触式には、能動的計測と受動的計測とがある。
【０００３】
能動的計測の代表的な技術にパターン投影法がある。スリット等の特殊なパターン光源を用いて、被測定物体表面パターンの幾何学的変形等の画像情報により被測定物体の形状を推定する。受動的計測の代表的な技術として、２台のカメラを用いたステレオ視により被測定物体の特徴点を照合して三角測量の原理で三次元形状の情報を取得する方法がある。
【０００４】
パターン投影法は、被測定物体にパターン光を投影し、パターン光を投影した位置とは異なる位置からパターン光が投影されている被測定物体を撮影する方法である。撮影されたパターン光の像は、被測定物体の形状によって変形しており、この像と投影したパターン光とを対応付けすることにより、被測定物体の三次元形状を測定する。具体的は計測手法としては、光切断法や空間コード化法がある。光切断法は、一本のスリット光を被測定物体に投影し、そのスリット光を被測定物体に走査させながらカメラで撮影し、三角測量の原理で三次元形状の情報を取得する方法である。この方法は各時刻毎に逐次カメラで撮影し、スリット光が走査し終えるまでこれを繰り返さなければならないので、時間がかかる。空間コード化法は、空間解像度の違う２値の縞パターンを複数枚用意し、これを順番に被測定物体に投影することにより、光切断法のスリット光の走査を省き、短時間で被測定物体の三次元形状の情報を取得する方法である。更には、２値の縞パターンを複数枚用意し枚数回の投影と撮影とを行うのではなく、多値の縞パターン光を一枚用意する方法が考えられている。例えば、特許文献１の発明は５種類の階調（輝度）を有する縞パターン光を被測定物体に投影する。空間コード化法では、パターン光を被測定物体に投影し撮影された各縞がそれぞれはっきりと分離できなければ、被測定物体の空間を特定することができにくくなる。そのため、特許文献１の発明では各縞の境界部分のエッジを強調した縞パターン光を投影する。また、特許文献２では、縞パターン光の階調を増やした場合、隣り合う縞の階調差が小さくならないように縞を配置する方法が提案されている。
【０００５】
しかし、輝度を多値に変化させた場合、被測定物体の反射率等の影響を受けやすい。被測定物体の表面が黒っぽい又は金属面でてかっていると縞がはっきりとカメラで撮影できない場合がある。特許文献１の発明では、黒っぽい被測定物体では有効であるが、金属面では縞パターンのエッジ部分が明るすぎるため、縞パターンが分離できなくなる可能性がある。特許文献２の発明では、縞パターン間の強度差があるため分離しやすいが、被測定物体の表面状態によって、縞パターンが正確に認識されず、誤分離が発生する可能性がある。
【０００６】
能動的計測の別の技術として、光干渉法が知られている。レーザー光を干渉させ同心円状の縞パターン光を発生させ、被測定物体に投影し撮影された画像から三次元形状の情報を取得する方法について、特許文献３で提案されている。投影平面に形成される同心円が円中心から外周部にいたるまで、ピッチが全て同じで、ピッチは距離に比例する。従って、同心円の曲率から同心円の円中心を算出でき、ピッチからレーザー光の光源までの光軸上の距離を計算することで、被測定物体の三次元形状の測定が行われる。
【特許文献１】特開２００４−２２６１８６号公報
【特許文献２】特開２００５−４３２３３号公報
【特許文献３】特開２００５−３３１４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献３の発明では、レーザーとフィルタを用いているため、被測定物体の表面が上記状態でも良好な縞パターンを撮影することができる。しかし、撮影した縞パターンは同心円状になっているため、曲率の変化から三次元座標を計算しなければならず、これは計算誤差が大きくなる方法である。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、被測定物体の反射率の影響を受けず、縞パターン光の各縞が分離しやすく、かつ計算誤差の小さい三次元形状測定装置及びその方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の三次元形状測定装置は、高輝縞と、該高輝縞より輝度の低い低輝縞とが交互に位置する縞パターン光を被測定物体に投影する投影手段と、該被測定物体にあたった該縞パターン光の反射を受像し画像データを出力するカメラと、該画像データから三次元座標データを生成する計算機と、を有する三次元形状測定装置において、前記投影手段は、レーザー光を出力する光源と、該レーザー光を所定の大きさに広げる拡大手段と、該拡大手段で広げられた該レーザー光を前記縞パターン光に成形する縞パターン成形手段と、を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の三次元形状測定装置は、被測定物体にレーザー光で作られた２値の縞パターン光を投影し、その反射をカメラで受像し画像データを取得する。そして、取得された画像データから計算機が三次元座標データを生成する。レーザー光は、一直線に拡散する光のため被測定物体全体を照射することができる大きさに拡大手段によって拡大される。そして、拡大されたレーザー光を２値の縞パターン光にするために縞パターン成形手段で成形して、被測定物体に投影する。
【００１１】
本発明の三次元形状測定装置では、被測定物体に投影する縞パターンが、レーザー光を使用することにより、被測定物体の表面の色、模様や反射率等に影響を受けず、輝度の高い高輝縞と輝度の低い低輝縞とではっきり区別される。よって、計算機で解析しやすい画像データを取得でき、高精度の三次元座標データを生成することができる。また、レーザー光は、室内の照明や屋外の自然光等の影響も受けにくいため、プロジェクターを使用する場合のように、屋内を暗くする必要がなく、屋外にあるものを被測定物体として三次元形状を測定することもできる。
【００１２】
本発明の三次元形状測定装置で用いられるカメラは、可視光を遮断しレーザー光を透過するフィルタを有することが好ましい。被測定物体にあたって反射したレーザー光だけをカメラで受像することで、レーザー光の縞パターンがはっきりした画像データを得ることができる。
【００１３】
本発明の三次元形状測定装置で用いられる縞パターン成形手段は、回折光学素子であることが好ましい。回折光学素子は、回折現象により光をコントロールして光を集光することができるため、レーザー光を縞模様に集光することで縞パターン光を簡単に作成することができる。この回折光学素子の１つにフレネルレンズ又はバイナリレンズがあり、フレネルレンズ又はバイナリレンズを用いることで、レーザー光を交互に集光した縞パターン光を簡単に生成することができる高輝縞と低輝縞とは、レーザー光が集光しているか集光していないかであるため、境界がはっきり区分でき、解析しやすい被測定物体の画像データを得ることができる。
【００１４】
本発明の三次元形状測定装置で用いられる縞パターン成形手段は、レーザー光を直線状の縞パターン光に成形するものであることが好ましい。レーザー光は、一直線に拡散するため、例えば直線状に平行にスリットの入ったものを用いることでレーザー光が通過する部分とレーザー光が遮断される部分とで区切りのはっきりした縞パターンを作成することができる。スリットの入ったマスクは、簡単に作成することができるため、手間も費用もかからず好適な縞パターン光を投影することができる三次元測定装置を提供することができる。
【００１５】
本発明の三次元形状測定方法は、レーザー光を出力する光出力工程と、該レーザー光を所定の大きさに広げる拡大工程と、拡大された該レーザー光を高輝縞と、該高輝縞より輝度の低い低輝縞とが交互に位置する縞パターンに成形する縞パターン成形工程と、該縞パターンに成形されたレーザー光を被測定物体に投影手段で投影する投影工程と、該被測定物体にあたった該縞パターンに成形されたレーザー光の反射をカメラが受像し、受像した画像データの信号を出力する受像工程と、該画像データの信号を受信し記憶手段に記憶する記憶工程と、該画像データから三次元座標データを生成する三次元座標データ生成工程と、を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明の三次元形状測定方法は、被測定物体にレーザー光で作られた２値の縞パターン光を投影し、その反射をカメラで受像し画像データを取得する。そして、取得された画像データから三次元座標データを生成する。レーザー光は、一直線に拡散する光のため被測定物体全体を照射することができる大きさに拡大工程で拡大される。そして、拡大されたレーザー光を縞パターン成形工程で２値の縞パターン光に成形して、被測定物体に投影する。
【００１７】
本発明の三次元形状測定方法では、被測定物体に投影する縞パターンが、レーザー光を使用することにより、被測定物体の表面の色、模様や反射率等に影響を受けず、輝度の高い高輝縞と輝度の低い低輝縞とではっきり区別される。よって、計算機で解析しやすい画像データを取得でき、高精度の三次元座標データを生成することができる。また、レーザー光は、室内の照明や屋外の自然光等の影響も受けにくいため、プロジェクターを使用する場合のように、屋内を暗くする必要がなく、屋外にあるものを被測定物体として三次元形状を測定することもできる。
【００１８】
本発明の三次元形状測定方法で用いられるカメラは、可視光を遮断しレーザー光を透過するフィルタを有することが好ましい。被測定物体にあたって反射したレーザー光だけをカメラで受像することで、レーザー光の縞パターンがはっきりした画像データを得ることができる。
【００１９】
本発明の三次元形状測定方法で用いられる縞パターン成形工程は、回折光学素子で縞パターンを成形することが好ましい。回折光学素子は、回折現象により光をコントロールして光を集光することができるため、レーザー光を縞模様に集光することで縞パターン光を簡単に作成することができる。この回折光学素子の１つにフレネルレンズ又はバイナリレンズがあり、フレネルレンズ又はバイナリレンズを用いることで、レーザー光を交互に集光した縞パターン光を簡単に生成することができる高輝縞と低輝縞とは、レーザー光が集光しているか集光していないかであるため、境界がはっきり区分でき、解析しやすい被測定物体の画像データを得ることができる。
【００２０】
本発明の三次元形状測定方法で用いられる縞パターン成形工程は、レーザー光を直線状の縞パターン光に成形するものであることが好ましい。レーザー光は、一直線に拡散するため、例えば直線状に平行にスリットの入ったものを用いることでレーザー光が通過する部分とレーザー光が遮断される部分とで区切りのはっきりした縞パターンを作成することができる。スリットの入ったマスクは、簡単に作成することができるため、手間も費用もかからず好適な縞パターン光を投影することができる三次元測定方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法によれば、被測定物体に投影する縞パターンが、レーザー光を使用することにより、被測定物体の表面の色、模様や反射率等に影響を受けず、高輝縞と高輝縞より輝度の低い低輝縞とではっきり区別される。よって、計算機で解析しやすい画像データを取得でき、高精度の三次元座標データを生成することができる。また、レーザー光は、室内の照明や屋外の自然光等の影響も受けにくいため、プロジェクターを使用する場合のように、屋内を暗くする必要がなく、屋外にあるものを被測定物体として三次元形状を測定することもできる。カメラは、可視光を遮断しレーザー光を透過するフィルタを有することで、レーザー光の縞パターンがはっきりした画像データを取得することができる。
【００２２】
そして、縞パターンは、回折光学素子を用いることで、回折現象で光をコントロールし、レーザー光を集光する部分と集光しない部分とに回折して、縞模様を作成することができる。この回折光学素子の１つにフレネルレンズ又はバイナリレンズがあり、フレネルレンズ又はバイナリレンズを用いることで、レーザー光を交互に集光した縞パターン光を簡単に生成することができるレーザー光とフレネルレンズ又はバイナリレンズとによれば、レーザー光の集光している部分と集光してない部分とがはっきりと分離するため、縞のはっきりしたパターン光が投影された被測定物体の画像データを取得することができる。
【００２３】
または、レーザー光は一直線に拡散するため、スリットの入ったマスクを用いて縞模様を作ることができる。レーザー光は、スリットの部分だけ光が通過し拡散することがないため、レーザー光が投影される部分とレーザー光が遮断された部分とで区切りのはっきりした縞パターンを作成することができる。スリットの入ったマスクは、簡単に作成することができるため、手間も費用もかからず好適な縞パターン光を投影することができる三次元測定装置及びその方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。
【００２５】
（実施例）
本実施例の三次元形状測定装置の構成を図１に示す。
【００２６】
本実施例の三次元形状測定装置１は、輝度の高い高輝縞３０１と高輝縞３０１より輝度の低い低輝縞３０２とが交互に位置する縞パターン光を被測定物体２に投影する投影手段３と、被測定物体２にあたった縞パターン光の反射を受像し画像データを出力するカメラ４と、画像データから三次元座標データを生成する計算機５とからなる。
【００２７】
投影手段３は、図２に示すように、レーザー光３０を出力する光源３１と、レーザー光３０を所定の大きさに広げる拡大手段３２と、拡大手段３２で広げられたレーザー光３０を縞パターン光に成形する縞パターン成形手段３３とからなり、計算機５により制御が行われる。レーザー光３０は、光源３１の１点から一直線に拡散する赤外光又は紫外光の単色光を用いる。拡大手段３２は、光源３１から発振された一直線のレーザー光３０を四角く拡大成形するコリメートレンズを用いる。縞パターン成形手段３３は、図３に示すように、レーザー光３０を縞模様になるようにコントロールすることができるフレネルレンズを用いる。フレネルレンズは、レンズの表面形状が半円形状部３３１と円形状部３３２とが交互に配置されている。投影手段３は、半円形状部３３１と円形状部３３２との交互の組み合わせをＮパターン分の縞パターン成形手段３３をもっており、これらを切り換えることにより、図４に示すように、２のＮ乗の縞パターン光を投影することができる。
【００２８】
カメラ４は、投影手段３とは別の位置から物体の映像を撮影できる場所に配置され、カメラ本体４１と被測定物体２との間に可視光を遮断しレーザー光３０を透過するフィルタ４２を有している。カメラ本体４１は、デジタルカメラを用いて、フィルタ４２を通過した被測定物体２の反射を受像し、その画像データを計算機５に出力する。
【００２９】
計算機５は、カメラ４が出力した画像データを保存する記憶装置５１と、保存された画像データから被測定物体２の三次元座標データを生成する三次元座標データ生成手段５２とを有する。
【００３０】
本実施例の三次元形状測定装置１は、投影手段３で高輝縞３０１と低輝縞３０２とが交互に配置された光の縞模様となる縞パターン光を被測定物体２に投影し、その反射をカメラ５で受像し、受像された画像データを計算機５で計算して三次元座標データを生成する。本実施例の三次元形状測定装置１で用いられる三次元形状測定方法をフローチャートで示したものが図４である。三次元形状測定方法は、三次元形状測定装置１が起動後、所定期間中に所定時間毎に実行されるものである。
【００３１】
三次元形状測定方法の処理開始後、投影手段３は高輝縞３０１と低輝縞３０２とが１つずつの縞パターン光（ｎ＝１）が作成できる縞パターン成形手段３３をセットし、光源３１からレーザー光３０を発振する（光出力工程Ｓ１）。レーザー光３０は、拡大手段３２（拡大工程Ｓ２）、縞パターン成形手段３３（縞パターン成形工程Ｓ３）を通過し、被測定物体２に縞パターン光が投影される（投影工程Ｓ４）。カメラ５は、被測定物体２に反射したレーザー光３０の縞パターン光を受像し、計算機５に受像した画像データを出力し（受像工程Ｓ５）、計算機５は画像データを記憶手段（図示せず）に記憶する（記憶工程Ｓ６）。計算機５は、投影手段３に次の縞パターン光（ｎ＝２）を作成することができる縞パターン成形手段３３をセットすることを命令し、光出力工程Ｓ１へと戻る。Ｎ枚の縞パターン成形手段３３について、すべての画像データを取得できるまで、Ｓ１からＳ５を繰り返す（Ｓ７）。
【００３２】
次に、計算機５は三次元座標データ生成工程で、記憶手段に記憶されたｎパターン分の画像データから空間コード化法でコード化像を生成し（Ｓ８）、コード化像から光切断法で三次元座標データを計算する（Ｓ９）。
【００３３】
本実施例の三次元形状測定装置１及び三次元形状測定方法によれば、被測定物体２に投影する縞パターンが、レーザー光３０を使用することにより、被測定物体２の表面の色、模様や反射率等に影響を受けず、輝度の高い高輝縞３０１の縞と輝度の低い低輝縞３０２の縞とではっきり区別される。これにより、計算機で解析しやすい画像データを取得でき、高精度の三次元座標データを生成することができる。また、レーザー光３０は、室内の照明や屋外の自然光等の影響も受けにくいため、プロジェクターを使用する場合のように、屋内を暗くする必要がなく、屋外にあるものを被測定物体２として三次元形状を測定することもできる。そして、縞パターンは、フレネルレンズを用いることで、回折現象で光をコントロールし、レーザー光を集光する部分と集光しない部分とに回折して、縞模様を簡単に作成することができる。
【００３４】
以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されているものではない。例えば、縞パターン成形手段３３はフレネルレンズ以外にバイナリレンズなどの回折光学素子又はスリットの入ったマスクとすることができる。また、拡大手段３２は円形を四角形に拡大成形するコリメートレンズではなく、被測定物体２をカバーできる大きさにレーザー光３０が拡大することができる単なる拡大レンズとすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本実施例の三次元形状測定装置１の構成図である。
【図２】本実施例の三次元形状測定装置１で用いられる投影手段３の構成図である。
【図３】本実施例の三次元形状測定装置１で用いられる縞パターン成形手段３３の形状模式図である。
【図４】本実施例の三次元形状測定装置１で用いられる縞パターンの例である。
【図５】本実施例の三次元形状測定装置１で用いられる三次元形状測定方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
１：三次元形状測定装置
２：被測定物体
３：投影手段
４：カメラ
５：計算機
３０：レーザー光
３１：光源
３２：拡大手段
３３：縞パターン成形手段
４１：カメラ本体
４２：フィルタ
３０１：高輝縞
３０２：低輝縞
３３１：半円形状部
３３２：円形状部
【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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