(57)【要約】【課題】本発明の目的は、回転テーブルに載置された被検体の３次元形状計測を簡単な構成で高精度に行うことができる３次元形状測定装置を提供することにある。【解決手段】被検体５を載置した状態で回転駆動される回転テーブル６上の同心円の複数箇所に突起物７を設ける。レーザスキャナ１から被検体５と突起物７に周波数スイープされた高周波レーザを走査しながら照射する。制御解析装置２は被検体５と突起物７からの反射信号に基づき、被検体５の３次元形状を計測すると共に突起物７の移動距離によって回転テーブル６の回転角度を計測する。【選択図】　図１
2004045261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体を載置した状態で回転駆動される回転テーブルと、前記回転テーブル上の同心円の複数箇所に設けられている突起物と、前記被検体と前記突起物に周波数スイープされた高周波レーザを走査しながら照射し前記被検体と前記突起物からの反射信号を受信し、前記被検体の３次元形状データを計測すると共に前記突起物の移動距離によって前記回転テーブルの回転角度を計測するＦＭレーザレーダとを具備することを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項２】
被検体を載置した状態で回転駆動される回転テーブルと、前記回転テーブル上の同心円の複数箇所に設けられている突起物と、前記被検体と選択した１個の前記突起物に周波数スイープされた高周波レーザを走査しながら照射し前記被検体と前記選択した突起物からの反射信号を受信し、前記被検体の３次元形状データを計測すると共に前記選択した突起物の移動距離によって前記回転テーブルの回転角度を計測するＦＭレーザレーダとを具備することを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項３】
被検体を載置した状態で回転駆動される回転テーブルと、前記回転テーブル上の同心円の複数箇所に設けられている突起物と、前記被検体と選択した１個の前記突起物に周波数スイープされた高周波レーザを走査しながら照射し前記被検体と前記選択した突起物からの反射信号を受信するレーザスキャナと、前記レーザスキャナに受信された反射信号を入力し前記被検体の３次元形状データを計測すると共に前記選択した突起物の移動距離によって前記回転テーブルの前回計測時からの回転角度を計測する制御解析装置とを具備することを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項４】
被検体を載置した状態で回転駆動される回転テーブルと、前記回転テーブル上の前記被検体載置面外周の同心円の複数箇所に設けられている突起物と、前記被検体と選択した１個の前記突起物に周波数スイープされた高周波レーザを走査しながら照射し前記被検体と前記選択した突起物からの反射信号を受信するレーザスキャナと、前記レーザスキャナに受信された反射信号を入力し前記被検体の３次元形状データを計測すると共に前記選択した突起物の移動距離によって前記回転テーブルの前回計測時からの回転角度を計測し、前記被検体の３６０度方向からの３次元形状データを計測する制御解析装置とを具備することを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項５】
被検体を載置した状態で回転駆動される回転テーブルと、前記回転テーブル上の前記被検体載置面外周の同心円の複数箇所に設けられている突起物と、前記被検体と選択した１個の前記突起物に周波数スイープされた高周波レーザを走査しながら照射し前記被検体と前記選択した突起物からの反射信号を受信するレーザスキャナと、前記レーザスキャナに受信された反射信号を入力し前記被検体の３次元形状データを計測すると共に前記選択した突起物の移動距離によって前記回転テーブルの前記被検体の３次元形状データを最初に計測した起点位置からの回転角度を計測し、前記被検体の３６０度方向からの３次元形状データを計測する制御解析装置と、前記制御解析装置で計測した３次元形状データを入力し前記被検体の３次元画像データを求める３次元データ作成装置とを具備することを特徴とする３次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転テーブルに載置された被検体（物体）に高周波レーザを照射しその反射信号を受信して被検体の３次元形状を計測する３次元形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、文化遺産としての古美術品、例えば壷や置物などの古美術品は通常博物館に保管されている。しかし、古美術品も古くなると展示できなくなるものがあり、レプリカ（複製）を製作することが求められている。また、３次元形状の芸術作品の記録を保存することも求められている。
【０００３】
レプリカを製作したり３次元形状の芸術作品の記録を保存するには古美術品や芸術作品などの被検体の３次元形状を計測する必要がある。被検体の３次元形状を計測するには、被検体を回転テーブル（ターンテーブル）に載置して回転させ、被検体に周波数スイープされた高周波レーザを走査しながら照射し被検体からの反射信号によって被検体の寸法を計測することが考えられている。
【０００４】
被検体は回転方向の任意点を起点（０角度）として設定速度に基づく設定時間で３６０度回転し、設定時間を多分割した単位時間毎に上下方向に高周波レーザで走査されて３次元形状を計測される。設定時間を多分割した単位時間、つまり回転角度（所定角度）は被検体の位置情報として３次元形状計測に用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術は、被検体を回転テーブルに載置して回転させ、被検体に高周波レーザを走査しながら照射している。回転テーブルは電動機などの駆動装置によって回転駆動される。しかし、回転テーブルは被検体の重量などによって回転速度が変化し１回転する時間が異なり、また、被検体の載置位置によって回転ムラが発生する。
【０００６】
回転速度が変化したり回転ムラが発生すると被検体の正確な位置情報を得られず、また、回転速度が設定速度より高くなると被検体に２重計測する部分が発生し、回転速度が設定速度より低くなると被検体に計測しない部分が発生する。
【０００７】
このことを解決するには回転テーブルを高精度に駆動する駆動装置を用いることが考えられるが、高価なものとなるのを免れない。
【０００８】
このため、被検体の３次元形状計測を簡単な構成で高精度に行うことができる技術の開発が強く要望されている。
【０００９】
本発明の目的は、回転テーブルに載置された被検体の３次元形状計測を簡単な構成で高精度に行うことができる３次元形状測定装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴とするところは、被検体を載置した状態で回転駆動される回転テーブル上の同心円の複数箇所に突起物を設け、被検体と突起物に周波数スイープされた高周波レーザを走査しながら照射し被検体と突起物からの反射信号に基づき、被検体の３次元形状を計測すると共に突起物の移動距離によって回転テーブルの回転角度を計測するようにしたことにある。
【００１１】
換言すると、本発明は被検体の回転方向の起点位置から被検体の形状計測時毎に前回計測時からの回転テーブルの回転角度を計算して３６０度形状計測を行い、計算した回転角度を被検体の位置情報として用いるようにしたことにある。回転テーブルの回転角度は突起物が設けられる同心円の半径と突起物の移動距離により計算できる。
【００１２】
本発明は被検体を載置した回転テーブル上の同心円の複数箇所に設けられた突起物の移動距離によって回転テーブルの回転角度を計測して被検体の３次元形状を計測しているので、回転テーブルに回転速度の変化や回転ムラが発生しても被検体の３次元形状計測を簡単な構成で高精度に行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の一実施例を示す。
図１において、古美術品などの被検体５は円形の回転テーブル６に載置されている。回転テーブル６は被検体５を左位置した状態で回転駆動装置８によって回転駆動される。回転テーブル６には図２（ａ）に示すようにその上面の被検体５の載置面外周の同心円９の３個所に等間隔で球状突起物７が設けられている。図２は３個の突起物７ａ，７ｂ，７ｃを１２０度間隔で配設している例を示している。
【００１４】
レーザスキャナ１は周波数スイープされた高周波レーザ（不可視光）を発生するレーザ発振器を内蔵しており、被検体５に対し高さ方向（垂直方向）に走査しながら高周波レーザを照射すると共に球状突起物７に対し水平方向に走査して高周波レーザを照射する。レーザスキャナ１はスイープ周波数と走査方向を制御解析装置（スキャナ制御装置）２によって制御される。
【００１５】
制御解析装置２は、レーザスキャナ１に対して最初に球状突起物７に対して水平方向に走査させて高周波レーダを照射し、次に被検体５の垂直方向に走査させて高周波レーダを照射させる。制御解析装置２は被検体５の後方に位置して死角位置に無い球状突起物７を選択して高周波レーダを照射する。また、制御解析装置２は回転駆動装置８に制御指令を与える。
【００１６】
レーザスキャナ１は被検体５からの高周波レーザの反射信号を受信して制御解析装置２に加える。制御解析装置２は高周波レーザの反射信号を用いて被検体５の形状データ（３次元形状データ）を測定する。形状データは送信周波数と受信周波数の差を用いて測定した被検体５までの距離データである。
【００１７】
また、制御解析装置２は突起物７からの反射信号を用いて突起物７の前回計測時からの移動距離を計算し、この移動距離と同心円の半径を用いて回転テーブル６の回転角度θを計算する。制御解析装置２は形状データと回転テーブル６の回転角度である被検体５の位置データを３次元データ作成装置（ＣＡＤデータ作成装置）３に加える。
【００１８】
３次元データ作成装置３は形状データと位置データに基づき被検体５の３次元座標データ（立体画像データ）を作成する。３次元データ作成装置３で作成した被検体５の３次元画像はモニタ４に表示される。
【００１９】
次に動作を説明する。
まず、制御解析装置２とレーザスキャナ１はＦＭレーザレーダを構成し、次のようにして被検体５の距離を計測する。このことを図３を参照して説明する。
【００２０】
ＦＭレーザレーダは、周波数をスイープしてレーザビームを被検体５に照射した反射信号を受信し、送信周波数と受信周波数の差を用いて、被検体５までの距離を高精度で測定する。
【００２１】
図３において、縦軸はＦＭレーザレーダの周波数（スイープ周波数）で、横軸は時間である。実線Ａは送信レーザビームの周波数と時間との関係を示し、点線Ｂは受信レーザビームの周波数と時間との関係を示す。
【００２２】
図３に示すように、高周波レーザの周波数のスイープは１ｍｓ毎に０〜１００ＧＨｚまたは１００〜０ＧＨｚにスイープされる。送信レーザビームＡと受信レーザビームＢの時間差Δｔはレーザスキャナ（スキャナヘッド）１と被検体５との間の距離Δｄに相当し、距離Δｄ（ｍｍ）は送信レーザビームＡと受信レーザビームＢの周波数の差Δｆ（Ｈｚ）を６６７で除した値で示される。
【００２３】
ＦＭレーザレーダの主な仕様の一例を以下に示す。
レーザの周波数…２００ＴＨｚ
スイープ周波数…１００ＧＨｚ／ｍｓ
測定精度　　　　　　…１０ｍで±２５μｍ、６０ｍで±１２５μｍ
測定距離　　　　　　…２ｍ〜６０ｍ
首振り角度　　　　…水平方向：３６０°、垂直方向：±６０°
測定速度　　　　　　…１０，０００点／分
【００２４】
制御解析装置２はレーザスキャナ１の走査（垂直方向）を制御してレーザビームの周波数をスイープし、上述したように送信信号と受信信号の周波数の差から距離を求めて被検体５の形状データを測定する。被検体５の形状データは、例えば、回転角度で表現すると１度毎に行われるが、被検体５の形状が複雑で精度を要求される場合には０．１度毎に行うようにする。
【００２５】
制御解析装置２は形状データである面データ（距離データ）を用いて被検体５の形状計測を行い二次元像を得る処理と、面データの面貼処理を行い三次元像を得る処理を実行する。制御解析装置２で得た二次元像や三次元像は実時間で制御解析装置２に付属するモニタ（図示せず）の画面に表示されるが図示を省略している。
【００２６】
制御解析装置２は回転駆動装置８に制御指令を与え回転テーブル６を回転駆動させて被検体５の回転方向の任意位置を起点位置（０度）として上述したような形状データ計測の処理を実行するが、その処理を図４を参照して説明する。
【００２７】
制御解析装置２はステップＳ１において突起物７を選択して周波数スイープされた高周波レーザを照射する。突起物７の選択は被検体５の死角にならない突起物７を選択するが、例えば、図２（ａ）の状態では突起物７ａを選択して高周波レーザを照射して突起物７ａからの反射信号によって起点位置ａ０を計測する。ステップＳ２では起点位置ａ０（０度）での被検体５の形状データを計測する。
【００２８】
ステップＳ３で形状計測終了を確認するとステップＳ４に移行して３６０度の範囲を計測したかを判断する。ステップＳ４において計測終了していないと判断するとステップＳ５に移り次の計測位置かを判定する。ステップＳ５において次の計測位置は被検体５の計測分解能（計測角度）と回転テーブル６の回転速度に基づいた設定時間で判定される。
【００２９】
ステップＳ５で計測位置（設定時間）と判断するとステップＳ６において回転テーブル６の回転角度から突起物７の位置を予測して高周波レーザを照射する突起物７を選択する。起点位置ａ０から次位置の計測であり、突起物７ａを選択して高周波レーザを照射して突起物７ａからの反射信号によって図２（ｂ）に示す計測位置ａ１を測定する。
【００３０】
ステップＳ７では今回の計測位置ａ１と前回の計測位置（起点位置）ａ０によって前回計測位置ａ０からの回転角度θ１を算出する。回転テーブル６の回転角度θ１は突起物７からの反射信号を用いて突起物７の前回計測時からの移動距離を計算し、この移動距離と同心円の半径を用いて回転角度θ１を計算する。
【００３１】
ステップＳ７で今回計測位置ａ１の回転角度θ１を算出するとステップＳ２に移行して今回計測位置ａ１での被検体５の３次元形状を計測する。以後、ステップＳ２からステップＳ７の処理を突起物７を選択しながら繰返し実行し、被検体５を３６０度の全方向から形状計測したとステップＳ４で判断すると形状計測処理を終了する。
【００３２】
３次元データ作成装置３は制御解析装置２で得られた３次元像の形状データに３次元位置座標を付し被検体５の３次元（立体）画像データを作成する。３次元データ作成装置３で作成した被検体５の立体画像はモニタ４に表示される。
【００３３】
このようにして被検体の３次元形状を測定するのであるが、被検体を載置した回転テーブル上の同心円の複数箇所に設けられた突起物の移動距離によって回転テーブルの回転角度を算出して被検体の３次元形状を計測しているので、回転テーブルに回転速度変化や回転ムラが発生しても被検体の３次元形状計測を簡単な構成で高精度に行うことができる。
【００３４】
なお、上述の実施例は回転テーブルを連続的に駆動しているが断続的に駆動して被検体の３次元形状計測を行え、また、回転テーブルは円形でなく角形であっても良いことは明らかなことである。
【００３５】
また、回転テーブル上に配設される突起物は球状でなく他の形状でもよく、数も３個でなくても同様にして被検体の形状計測を行えることは勿論のことである。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は被検体を載置した回転テーブル上の同心円の複数箇所に設けられた突起物の移動距離によって回転テーブルの回転角度を計測して被検体の３次元形状を計測しているので、回転テーブルに回転速度の変化や回転ムラが発生しても被検体の３次元形状計測を簡単な構成で高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明を説明するための構成図である。
【図３】本発明に用いるＦＭレーザレーダの距離計測原理の説明図である。
【図４】本発明の動作を説明するためのフロー図である。
【符号の説明】
１…レーザスキャナ、２…制御解析装置、３…３次元データ作成装置、４…モニタ、５…被検体、６…回転テーブル、７…突起物、８…回転駆動装置、９…同心円。
【図１】
2004045261.tif 000003
【図２】
2004045261.tif 000004
【図３】
2004045261.tif 000005
【図４】
2004045261.tif 000006