(57)【要約】【課題】投光器の光源として白色光源を用いた場合において、光源の光束の大部分を無駄に消費するという効率の悪さと、投光器自体の製作コストが著しく上昇してしまうという不具合を解消する。【解決手段】複数の白色光源を第1の方向に複数個配設し、この複数の白色光源に対応して設けられる複数の開口部が第１の方向と直交する第２の方向に交互に配設され且つ互いに隣り合う開口部が第２の方向について微小領域重なり合うよう設けたマスク部を有し、白色光源を第２の方向について一方の側の白色光源と他方の側の白色光源と選択的に発光制御することにより、光源制御部により上記一方の側の白色光源を発光させて被測定対象物表面に形成される切断線を撮像手段により撮像し、続いて上記他方側の白色光源を発光させて被測定対象物表面に形成される切断線を撮像手段により撮像し、各々得られた画像データを演算処理して被測定対象物の三次元形状を測定する。【選択図】図１
2005049247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の白色光源が第１の方向に複数個配設される光源と、
上記複数の白色光源に対応して設けられる複数の開口部が、上記第１の方向と直交する第２の方向に交互に配設され、且つ互いに隣り合う開口部が第２の方向について微小領域重なり合うよう設けられるマスク部と、
上記マスク部を介して照射される光源からの光を、被測定対象物付近で集光させる第１のレンズと、当該第１のレンズを透過した光を上記第１の方向に拡散してシート光とする第２のレンズ部とからなるレンズ部と、
からなることを特徴とする白色光源を用いた投光器。
【請求項２】
複数の白色光源が第１の方向に複数個配設される光源と、上記複数の白色光源に対応して設けられる複数の開口部が、上記第１の方向と直交する第２の方向に交互に配設され、且つ互いに隣り合う開口部が第２の方向について微小領域重なり合うよう設けられるマスク部と、当該マスク部を介して照射される光源からの光を、被測定対象物付近で集光させる第１のレンズと、当該第１のレンズを透過した光を上記第１の方向に拡散してシート光とする第２のレンズ部とからなるレンズ部と、からなる投光器と、
この投光器から被測定物にスリット光を照射することにより被測定対象物表面に形成される照射領域を撮像手段により撮像し、得られた画像データに基づいて被測定物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置において、
上記第２の方向に交互に配設される開口部に対応する複数の白色光源を、第２の方向について一方の側の白色光源と、他方の側の白色光源とを選択的に発光制御する光源制御部を有し、
被測定対象物の三次元形状を測定する際は、上記光源制御部により上記一方の側の白色光源を発光させて被測定対象物表面に形成される照射領域を撮像手段により撮像し、続いて上記他方側の白色光源を発光させて被測定対象物表面に形成される照射領域を撮像手段により撮像し、各々得られた画像データを演算処理することにより被測定対象物の三次元形状を測定することを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項３】
上記光源制御部により上記一方の側の白色光源を発光させて被測定対象物表面に形成される照射領域を撮像手段により撮像して得られた第１の画像データと、上記他方側の白色光源を発光させて被測定対象物表面に形成される照射領域を撮像手段により撮像して得られた第２の画像データを用い、先ず、上記第１の画像データと第２の画像データの差を演算し、次に、上記第１の画像データと第２の画像データの和を演算し、当該演算した和データより上記演算した差データを減算することにより、被測定対象物の三次元形状データを得ることを特徴とする、請求項２記載の三次元形状測定装置。
【請求項４】
上記投光器における各々の側の白色光源を発光させて、上記撮像手段により撮像して得られた被測定対象物表面に形成される照射領域より、当該照射領域上の各座標点の輝度および色彩情報を抽出することにより、被測定対象物表面のテクスチャ検出を形状測定と同時に行うことを特徴とする請求項２および請求項３記載の三次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シート光を被測定物に照射して、その三次元形状を測定する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被測定対象物の三次元形状を測定する手段として、従来から光切断法を用いた非接触方式の三次元形状測定装置が用いられている。
【特許文献１】特開平０５−０２６６３８号公報
【特許文献２】特許第２５８２２１５号公報
【０００３】
図７はこの種の光切断法による三次元形状測定装置の基本構成を示す図であり、図において１はスリット光を発生しこれを被測定対象に照射する投光器、３は被測定対象物２の表面に形成される切断線を撮像する撮像手段としてのＣＣＤカメラ、４は被測定対象物２を載置しこれを回転させるターンテーブルである。投光器１は、その照射するスリット光がターンテーブル４の回転軸と一致するように位置づけられている。
この光切断法による三次元形状測定装置においては、ターンテーブル４の中心線、即ち回転軸を基準として、この基準線に対する投光器１及び撮像手段であるＣＣＤカメラ３の位置ならびに角度を、それぞれ予め定められた既定値として保持しており、被測定対象物２の表面上に照射された投光器１からのスリット光により形成される光切断面、即ち切断線をＣＣＤカメラ３により撮像し、この撮像された切断線データならびに上記予め保持しているＣＣＤカメラ３の設置角度等の既定値を用いて、基準線（即ちターンテーブル４の回転軸）に対する切断線上の各点の座標値、即ちスリット光が照射されている被測定対象物２の実際の断面形状を算出する。
これを単位角度ターンテーブル４を回転する毎にその断面形状を算出することにより、被測定対象物２に表面全体の形状を三次元的に数値化するよう構成されている。
【０００４】
この光切断法による三次元形状測定装置においては、切断線の反射光は細く且つ明るいことが望ましく、これにより測定精度を向上させることができるので、これを実現するために投光器としては図８に示すように、レーザ発光ダイオードを有するレーザ光源５と、このレーザ光源から照射されるレーザ光を基準線即ちターンテーブル４の回転軸上で集光するよう、焦点調整のために設けられるレンズ６１と、このレンズ６１を透過するレーザ光を上記基準線の方向に拡散させてスリット光とするシリンドリカルレンズ６２よりなる光学系とにより構成されている。
【０００５】
この投光器光源としてレーザ発光ダイオードを用いた三次元形状測定装置においては、レーザダイオードの発光がほぼ単一波長であるため、例えば600nm（赤色）近辺の発光であるときに、被測定対象物の表面色が緑から青の領域（赤色の補色領域）であるような場合には、スリット光が被測定対象物に吸収されてしまい、反射光強度が落ちて最悪の場合切断線の測定ができなくなるといった不具合を生じていた。
【０００６】
この問題を解決するために、図９に示すように、光源として白色光源を用い、スリットを通すことによりスリット光を生成し、これを被測定対象物に照射するといった方法が採られていたが、この場合、細い切断線を得るためにスリット1の間隔を狭く形成することにより、このスリットを通過する光量が著しく減少し、所望の反射光を得るためには光源の発光量を増やしてやらなければならなくなり、これにより装置自体の製作コストが上昇するとともに、投光器の発熱対策を施さなければならなくなる等の新たな不具合が生じることとなっていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、投光器の光源として白色光源を用いた場合において、光源の光束の大部分を無駄に消費するという効率の悪さと、投光器自体の製作コストが著しく上昇してしまうという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、複数の白色光源を第1の方向に複数個配設し、この複数の白色光源に対応して設けられる複数の開口部が第１の方向と直交する第２の方向に交互に配設され且つ互いに隣り合う開口部が第２の方向について微小領域重なり合うよう設けたマスク部、このマスク部を介して照射される光源からの光を被測定対象物付近で集光させる第１のレンズ、この第１のレンズを透過した光を第１の方向に拡散するための第２のレンズ部とで投光器を構成し、第２の方向に交互に配設される開口部に対応する複数の白色光源を、第２の方向について一方の側の白色光源と、他方の側の白色光源と選択的に発光制御することにより、光源制御部により上記一方の側の白色光源を発光させて被測定対象物表面に形成される照射領域を撮像手段により撮像し、続いて上記他方側の白色光源を発光させて被測定対象物表面に形成される照射領域を撮像手段により撮像し、各々得られた画像データを演算処理することにより被測定対象物上にスリット光を照射するのと同等な画像データを得ることができることを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、白色ＬＥＤ等比較的安価な発光素子を使用することができ、被測定対象物の表面色に影響されることが少なく、また画像処理を組み合わせることにより光束を絞ることなく、効率よく細い切断線を得ることが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】
【００１０】
以下図面に基づいて、本発明の白色光源を用いた投光器ならびにこれを用いた三次元形状測定装置を説明する。
図１は本発明の投光器ならびにこれを用いた三次元形状測定装置の構成を示す図であり、上述の従来の装置と同等な構成については同一符号をもって示されている。
本発明の三次元形状測定装置においても、上述の従来の装置と同様に、被測定対象物２を載置するターンテーブル４の中心線、即ち回転軸を基準として、この基準線に対する白色光投光器１及び撮像手段であるＣＣＤカメラ３の位置ならびに角度を、それぞれ予め定められた既定値として保持しており、被測定対象物２の表面上に照射された投光器１からのシート状の光束により形成される照射領域をＣＣＤカメラ３により撮像し、この撮像された照射領域ならびに上記予め保持しているＣＣＤカメラ３の設置角度等の既定値を用いて、基準線（即ちターンテーブル４の回転軸）に対する切断線上の各点の座標値、即ちスリット光が照射された場合に検出される被測定対象物２の実際の断面形状を算出するよう構成されており、また、これを単位角度ターンテーブル４を回転する毎にその断面形状を算出することにより、被測定対象物２に表面全体の形状を三次元的に数値化するよう構成されている。
【実施例１】
【００１１】
図２は本発明の白色光源を用いた投光器の構成を示す図であり、図において１１は第１の方向に複数個配設される白色光源としての白色ＬＥＤ、１２は後述する各白色ＬＥＤ１１に対応した開口部を有するマスク、１３は白色ＬＥＤ１１からの光を照射すべき被測定対象物２の表面付近に集光する平凸レンズよりなる第１のレンズ、１４は第１のレンズ１３を透過する光をターンテーブル４の中心軸と一致する第１の方向に拡散してこれをシート状の光束とするシリンドリカルレンズよりなる第２のレンズである。
図３は、光源である白色ＬＥＤ１１の光軸方向から見たマスク１２を示す図であり、第１の方向に複数個配設される白色ＬＥＤ１１に対応して設けられるマスク開口部１２１が、第１の方向に複数個配設されている。また、この複数の開口部１２１は、図に示されるとおり第１の方向と直交する第２の方向に交互に配設されており、更に互いに隣り合うマスク開口部は、第２の方向について微小間隔重なり合うように設けられている。
本実施例においては、第２の方向に交互に配設される開口部に対応する複数の白色ＬＥＤ１１のうち、第２の方向について一方の側、即ち図の奇数番目のＬＥＤ１，ＬＥＤ３の白色光源と、他方の側、即ち図の偶数番目のＬＥＤ２，ＬＥＤ４の白色光源とを図示しない制御部により選択的に発光制御するよう設けられている。
【００１２】
次に、本実施例の投光器によるスリット光照射動作を説明する。
第２の方向について一方の側、即ち図の奇数番目のＬＥＤ１，ＬＥＤ３を点灯し、次に第２の方向について他方の側、即ち図の偶数番目のＬＥＤ２，ＬＥＤ４を点灯したときの照射領域は、図４（ａ）に示されるとおりであり、マスクエッジ部付近を透過した光束は第１のレンズ１３および第２のレンズ１４を通過後、照射面においてマスクエッジに沿った線上でマスク開口部２１１の重なり幅とレンズ倍率とで決まる幅をもって重なり合う。ここで、仮想的な切断線に直角な方向のそれぞれの領域の照射分布は図４（ｂ），同（ｃ）に示す通りとなる。これらの照明を順次対象物２に照射し、その反射光をＣＣＤカメラ３により撮像する。
この二つの画像を被測定対象物２の全画面に亘って走査し、対応する画素に対して数値化された輝度差の絶対値を演算すると、図５（ａ）に示すとおり、重なり領域が相殺された低輝度領域を形成する画像データが得られる。次に同様にして、２画像の和をとると、図５(ｂ)に示されるとおり、重なり領域が加算されて高輝度領域を形成する画像データが得られる。更に後者（図５（ｂ））の画像データから前者（図５（ａ））を減ずることにより、図５(ｃ)に示すとおりの画像データが得られ、二つの照射領域のうち重なり領域のみが高輝度に残り、これが求める切断線の画像データとなる。
以上のシート状光束の照射，画像データの処理を、ターンテーブル４を単位角度回転させる毎に行うことにより、被測定対象物４の表面形状を三次元的に数値化するよう構成されている。
本発明によれば、各マスク開口部のマスクエッジ部付近、即ち重なり合う照射領域の画像データを撮像データの画像処理により得ることにより、あたかもスリット光を被測定対象物に照射して得られる切断線データと同等な画像データを得ることが可能となる。
【実施例２】
【００１３】
図６は本発明の白色光源を用いた投光器の第２実施例の構成を示す図であり、上述の第１実施例との相違点は、第２のレンズであるシリンドリカルレンズ１４が第１の方向に複数個配列されている点である。本実施例の場合、光源からの光を第１の方向に拡散する第２のレンズを第１の方向に複数個配列することにより、拡散されるシート状の光束が第１の方向について輝度が均一になるという効果を奏する。
【００１４】
また、本発明の投光器においては、光源として白色光源を用いるので、上述の被測定対象物４の表面形状測定のほかに、被測定対象物４の表面におけるテクスチャ検出を行うことが可能となる。即ち、撮像手段であるＣＣＤカメラ３により被測定対象物４の切断線上の座標データのみならず、各座標点における輝度あるいは色彩を検出するよう構成し、これにより被測定対象物４の表面全面で検出することにより、被測定対象物４の形状測定と同時にそ表面におけるテクスチャを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の三次元形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の白色光源を用いた投光器の構成を示す図である。
【図３】本発明の投光器のマスク部を示す図である。
【図４】本発明の投光器によるシート状光束照射動作を説明する図である。
【図５】本発明の投光器によるシート状光束照射動作を説明する図である。
【図６】本発明の投光器の第２実施例の構成を示す図である。
【図７】この種の光切断法による三次元形状測定装置の基本構成を示す図である。
【図８】従来の投光器の構成を示す図である。
【図９】従来の投光器の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００１６】
１    投光器
２    被測定対象物
３    ＣＣＤカメラ
４    ターンテーブル
５    レーザ光源
６    光学系
【図１】
2005049247.tif 000003
【図２】
2005049247.tif 000004
【図３】
2005049247.tif 000005
【図４】
2005049247.tif 000006
【図５】
2005049247.tif 000007
【図６】
2005049247.tif 000008
【図７】
2005049247.tif 000009
【図８】
2005049247.tif 000010
【図９】
2005049247.tif 000011