(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分光されたスペクトルパターンを計測する物体面に投射する手段と、
音響光学チューナブルフィルタをカメラの前段に有したスペクトルパターンを撮像する手段と、
透過する光の波長の変化とカメラの撮像タイミングを同期して複数回撮像する手段と、
得られる画像から三角法により物体面の３次元形状を得る手段からなる３次元形状計測装置。
【請求項２】
異なる複数の透過波長を有する光学フィルタを用いたカラーパターンを計測する物体面に投射する手段と、
音響光学チューナブルフィルタをカメラの前段に有したスペクトルパターンを撮像する手段と、
透過する光の波長の変化とカメラの撮像タイミングを同期して複数回撮像する手段と、
得られる画像から三角法により物体面の３次元形状を得る手段からなる３次元形状計測装置。
【請求項３】
計測する物体面に白色光を投射する手段と、
画像演算回路により複数の波長の画像間演算を行い物体面の表面の情報を得る手段とをさらに具備した請求項１又は請求項２に記載の３次元形状計測装置。
【請求項４】
計測する物体面に分光されたスペクトルパターンを投射し、
音響光学チューナブルフィルタの透過波長を制御し、
物体面から反射されたスペクトルパターンを、音響光学チューナブルフィルタとカメラを同期して複数回撮像し、
得られた画像から、画像演算回路で三角法により演算し、
物体面の３次元形状を計測することを特徴とする３次元形状計測方法。
【請求項５】
計測する物体面に白色光を投射し
音響光学チューナブルフィルタの透過波長を制御し、
物体面から反射されたスペクトルパターンを、音響光学チューナブルフィルタとカメラを同期して複数回撮像し、
得られた画像から、画像演算回路で物体面の表面の情報を得るために複数の波長の画像間演算を行うことをさらに具備した請求項４に記載の３次元形状計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は３次元形状計測装置に関する。より詳しくは，音響光学チューナブルフィルタを用いて計測する３次元形状計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開昭６４−３９５１３号（以下、先行技術１という）に分光されたスペクトルパターンを物体に投射し，２つの異なる分光感度のセンサにより，カメラから物体面までの距離を求める距離画像取得装置の記載がある。
特開平７−１５９１２６号（以下、先行技術２という）には，距離画像と色彩画像を取得する装置の記載がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，先行技術１では，２つの異なる分光感度のセンサから得られる画像の濃度値を比較演算し，３次元形状を求めているため，画像に生じるノイズの影響が顕著に現れ，濃度値の小さい部位ほど算出された３次元形状は誤差が大きくなる欠点があった。
【０００４】
先行技術２では，３次元形状と色彩を得ることができる装置であるものの３次元形状の計測には，先行技術１の技術を用いており，先行技術１と同じ欠点がある。また，計測物の表面の色彩を同時に計測できるものの，１枚のカラーセンサで色彩を取得しており，任意の波長での表面情報を得ることは困難である。
【０００５】
本発明は、ノイズにより生じる計測誤差を改善するとともに，任意の波長での表面情報を取得できる３次元形状計測装置とその計測方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記課題を鋭意検討し、本発明を完成するに至った。すなわち，
本発明は，分光されたスペクトルパターンを投射し、得られた発生した分散光から音響光学チューナブルフィルタを用いて，任意の透過する波長を制御して取り出し、撮像した画像から３次元形状を求め，さらに，白色光から音響光学チューナブルフィルタを用い透過する波長を制御して撮像した画像を演算することで，表面情報を得る。
【０００７】
本発明にいう音響光学チューナブルフィルタとは、電気的なスペクトルバンドパスフィルタであり、音響光学結晶と音響波ドライバー（ラジオ周波数を与えること）から構成され，白色光もしくは多色光から単一波長の光を取り出すフィルタをいう。
【０００８】
本発明のカメラは，結像を電気信号に変換し出力できるカメラである。例えば，ＣＣＤカメラ，冷却ＣＣＤカメラ，ビジコンカメラなどであり、光を蓄積するものも含まれる。さらに，これらのカメラに光を電気信号に変え増倍するための装置を付加したものも含まれる。
【０００９】
本発明は，分光されたスペクトルパターンを計測する物体面に投射する手段と，音響光学チューナブルフィルタをカメラの前段に有したスペクトルパターンを撮像する手段と，透過する光の波長の変化とカメラの撮像タイミングを同期して複数回撮像する手段と，得られる画像から三角法により物体面の３次元形状を得る手段からなる３次元形状計測装置である。
【００１０】
本発明は，異なる複数の透過波長を有する光学フィルタを用いたカラーパターンを計測する物体面に投射する手段と，音響光学チューナブルフィルタをカメラの前段に有したスペクトルパターンを撮像する手段と，透過する光の波長の変化とカメラの撮像タイミングを同期して複数回撮像する手段と，得られる画像から三角法により物体面の３次元形状を得る手段からなる３次元形状計測装置である。
【００１１】
本発明は，計測する物体面に白色光を投射する手段と，画像演算回路により比較演算を行い物体面の表面の情報を得る手段とをさらに具備した請求項１又は請求項２のいずれかに記載の３次元形状計測装置である。
【００１２】
本発明は，計測する物体面に分光されたスペクトルパターンを投射し，音響光学チューナブルフィルタの透過波長を制御し，物体面から反射されたスペクトルパターンを，音響光学チューナブルフィルタとカメラを同期して複数回撮像し，得られた画像から，画像演算回路で三角法により演算し，物体面の３次元形状を計測することを特徴とする３次元形状計測方法である。
【００１３】
本発明は，計測する物体面に白色光を投射し音響光学チューナブルフィルタの透過波長を制御し，物体面から反射されたスペクトルパターンを，音響光学チューナブルフィルタとカメラを同期して一回あるいは複数回撮像し，得られた画像から，画像演算回路で物体面の表面の情報を演算することをさらに具備した請求項４に記載の３次元形状計測方法である。
【００１４】
本発明は，カメラが光を電気信号に変え増倍するための装置を付加したものである請求項１又は請求項２に記載の３次元形状計測装置である。
【００１５】
本発明は，カメラが冷却するための装置を付加したものである請求項１又は請求項２に記載の３次元形状計測装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図１を用いて説明する。
３次元形状を得る場合は，スペクトルパターンと白色光を切替えて物体面に投射する装置１００から，分光されたスペクトルパターンを投射する。分光されたスペクトルパターンの代わりに異なる複数の透過波長を有する光学フィルタを使用することもできる。計測する物体面１０６から反射されたスペクトルパターンを音響光学チューナブルフィルタ１０８を制御し，特定の単一の波長のみを透過し，カメラ１０９で撮像する。カメラ１０９の代わりに分光した電気信号に変え増倍するための装置を付加したカメラ，または，冷却するための装置を付加したカメラを使用することもできる。撮像した画像を三角法により演算を行い物体面の３次元形状を求める。音響光学チューナブルフィルタ１０８を制御し透過する波長を変化させることにより物体面１０６の全体を計測できる。
【００１７】
撮像の手段について図２を用いて説明する。
同期回路２０７の制御により図１のスペクトルパターンと白色光を切替えて物体面に投射する装置１００から，分光されたスペクトルパターンを図１の物体面１０６に投射する。物体面１０６から反射されたスペクトルパターンは，レンズ２０３を透過し，音響光学チューナブルフィルタ２０２を透過し，カメラ２０１に到達する。カメラ２０１で撮像される画像は，同期回路２０７からの信号により音響光学チューナブルフィルタ制御回路２０６を介して音響光学チューナブルフィルタ２０２が制御されスペクトルパターンの特定の単一の波長の画像となる。画像演算回路２０８で三角法により演算を行い３次元形状が求められる。
【００１８】
また，表面情報を得る場合は，図１のスペクトルパターンと白色光を切替えて物体面に投射する装置１００から計測する物体面１０６に白色光を投射する。物体面１０６から反射された白色光は，レンズ２０３を透過し，音響光学チューナブルフィルタ２０２を透過し，カメラ２０１に到達する。物体面１０６から反射されたスペクトルパターンは，レンズ２０３を透過し，音響光学チューナブルフィルタ２０２を透過し，カメラ２０１に到達する。カメラ２０１で撮像される画像は，同期回路２０７からの信号により音響光学チューナブルフィルタ制御回路２０６を介して音響光学チューナブルフィルタ２０２が制御されスペクトルパターンの特定の単一の波長の画像となる。音響光学チューナブルフィルタ２０２の透過波長を任意の波長に変化させ複数回撮像し，画像演算回路２０８で比較演算し物体面１０６の表面情報を抽出できる。
【００１９】
図３は，本発明に用いた音響光学チューナブルフィルタを制御し波長６００ｎｍの透過光を分光光度計等の計測器を用いて計測した結果である。また，本発明では，撮像に用いたカメラの良好な受光感度の得られる４００ｎｍから７００ｎｍの範囲で透過波長を任意に設定できる音響光学チューナブルフィルタを使用した。
【００２０】
まず，３次元形状を得る方法について図１を用いて説明する。スペクトルパターンと白色光を切替えて物体面に投射する装置１００から投射される分光されたスペクトルパターンは，音響光学チューナブルフィルタ１０８を透過するときに任意のラジオ周波数の制御信号を音響光学チューナブルフィルタ１０８に与えることにより，カメラ１０９に到達する光は，特定の単一の波長のみとなる。このとき，カメラ１０９で撮像される画像は，１本のラインとなる。
【００２１】
カメラ１０９と物体面１０６上の計測されるポイントＰ１までの距離をＬとし基準線１１０との角度をβとする。また，回折格子１０１と物体面１０６上の計測されるポイントＰ１までの距離をＭとし基準線１１０との角度をαとする。レンズ１０７と回折格子１０１の距離をＤとする。このとき，ポイントＰ１，レンズ１０７及び回折格子１０１は，三角形の位置関係になる。これらの三点に基づき演算する方法を三角法という。ポイントＰ１はレンズ１０７と回折格子１０１を底辺としたときの高さとなり、この高さを基準に式１の関係式が成り立つ。また，ポイントＰ１はレンズ１０７と回折格子１０１の距離Ｄを底辺としたとき，底辺を二分する位置にあるため式２の関係式が成り立つ。
【数１】
0003811806.tif 000002
【数２】
0003811806.tif 000003
【００２２】
式１，式２からＭを消去することにより，カメラ１０９と物体面１０６上の計測されるポイントＰ１までの距離Ｌを得ることができる。
【数３】
0003811806.tif 000004
【００２３】
物体面１０６の高さＺ０又は，レンズ１０７からの距離Ｘ０を，式４，式５から求める。
【数４】
0003811806.tif 000005
【数５】
0003811806.tif 000006
【００２４】
このとき，スペクトルパターンと白色光を切替えて物体面に投射する装置１００とレンズ１０７と音響光学チューナブルフィルタ１０８とカメラ１０９は固定されており，Ｄ及びＺは既知の定数として与えられる。回折格子１０１と光源１０３も固定されており分光されたスペクトルパターンの各波長での角度αも既知の定数として与えられる。角度βは，カメラ１０９に撮像された画像から与えられる。得られる画像は，物体面１０６の形状により変化するラインが得られる。図４の大きさと形状が既知の基準物体４０３及び基準物体４０４を用いる。角度αのときカメラ４０６で得られる画像のライン位置Ｎ１，Ｎ２と基準物体４０３，４０４の高さＺ１，Ｚ２の関係から，角度βを求め，未知の物体面の計測時は，画像上のライン位置から，既知の基準物体面を計測し求めた角度βを適用する。
【００２５】
図２において同期回路２０７からの信号により音響光学チューナブルフィルタ制御回路２０６を介して音響光学チューナブルフィルタ２０２を透過する波長が与えられ角度αが求まる。同期回路２０７からの信号により音響光学チューナブルフィルタ２０２とカメラ２０１の撮像タイミングの同期を取ることにより，角度α時の角度βを図１のカメラ１０９により撮像した画像から求めることができ，図１の物体面１０６上のＰ１の座標が求まる。
【００２６】
図２において音響光学チューナブルフィルタ２０２とカメラ２０１の撮像タイミングの同期をとる同期回路２０７を介して，音響光学チューナブルフィルタ２０２を透過する波長帯を断続的に変化させながらカメラ２０１で撮像し画像演算回路２０８により式１，式２，式３，式４，及び式５の演算を繰り返すことで，図１における物体面１０６全体の３次元形状の計測が可能となる。
【００２７】
先行技術１では，異なる２画像の比から波長を求めていたため，センサの感度の小さい部分では２つの出力とも小さい値となり求める波長に誤差が生じる。本発明では，先に述べた音響光学チューナブルフィルタ１０８で透過波長を決めるため，光の強度，センサの受光感度及びノイズによる波長の誤差は生じにくい。また，本発明は，３次元形状計測時に機械的な回転駆動部がなく，これに起因する誤差は生じない特徴がある。
【００２８】
次に表面情報の取得方法について説明する。図１のスペクトルパターンと白色光を切替えて物体面に投射する装置１００を回折格子１０１から鏡１０２に切り替え，計測する物体面１０６に分光されていない白色光を投射する。音響光学チューナブルフィルタ１０８を制御し，計測する物体面１０６から反射された光を分光し任意の波長のみを透過する。カメラ１０９では，分光された計測する物体面の画像が撮像される。このとき，物体面１０６の任意の波長のみを計測したい場合は，音響光学チューナブルフィルタ１０８を任意の透過波長を設定し同期回路２０７を介してカメラ１０９で撮像することで計測が可能となる。また，音響光学チューナブルフィルタ２０２とカメラ２０１の撮像タイミングの同期をとる同期回路２０７を介して，音響光学チューナブルフィルタ２０２を透過する波長帯を連続的又は断続的に変化させながらカメラ２０１で撮像し，画像演算回路２０８により複数の波長の画像間の演算を行うことで，計測する物体面の詳細な表面情報を得ることが可能になる。
【００２９】
同期回路２０７を介してスペクトルパターンと白色光を切替えて物体面に投射する装置２０４を制御することにより，３次元形状の取得と表面情報の取得を連続して行うことができる装置である。
【００３０】
【実施例】
以下本発明の実施例を示すが，本発明は，以下の実施例により被計測物を限定するものではない。
【００３１】
〔実施例１〕
図５は，本発明で計測しようとする機械加工部品である。頭部は太く，先端部は細い形状である。
【００３２】
図１のスペクトルパターンと白色光を切替えて物体面に投射する装置１００から，分光されたスペクトルパターンを機械加工部品に投射し，機械加工部品から反射されたスペクトルパターンを音響光学チューナブルフィルタ（たとえば、（株）ブリムローズ（Ｂｒｉｍｒｏｓｅ）製）１０８を制御し，波長４００ｎｍのみを透過し，音響光学チューナブルフィルタ１０８と同期してカメラ１０９で撮像し，画像演算回路２０８で式１，式２，式３，式４，式５により算出し，波長４００ｎｍでの高さ及びレンズ１０７からの距離が求まる。
【００３３】
次に，同期回路２０７により音響光学チューナブルフィルタ１０８の透過波長を４０２ｎｍに制御し，カメラ１０９で撮像し，画像演算回路２０８により波長４０２ｎｍでの高さ及びレンズ１０７からの距離を求める。
【００３４】
波長７００ｎｍまで繰り返すことで，機械加工部品の３次元形状が求められる。
図６は，上記の実施方法により求めた図５の頭部の計測結果である。
図７は，上記の実施方法により求めた図５の先端部の計測結果である。
図８は，上記の実施方法により求めた図５の中部の計測結果である。
本発明では，音響光学チューナブルフィルタで透過波長を決めるため，光の強度，センサの受光感度及びノイズによる誤差は生じにくく，画像の濃度値の小さい部位でも正確な計測が可能である。
〔実施例２〕
【００３５】
図１のスペクトルパターンと白色光を切替えて物体面に投射する装置１００の代わりに，異なる複数の透過波長を有する光学フィルタを用いたカラーパターンを計測する物体面１０６に投射する。カラーパターンの波長を音響光学チューナブルフィルタ１０８で計測し，カラーパターンの波長と図１の角度αの関係を求めておく。物体面１０６から反射されたカラーパターンを音響光学チューナブルフィルタ１０８を制御し，任意の単一の波長のみを透過し，音響光学チューナブルフィルタ１０８と同期してカメラ１０９で撮像し，画像演算回路２０８で式１，式２，式３，式４，式５により算出し，任意の波長での高さ及びレンズ１０７からの距離が求まる。
【００３６】
次に，同期回路２０７により音響光学チューナブルフィルタ１０８の透過波長を，カラーパターンの持つ波長の中で計測した波長と異なる透過波長に制御し，カメラ１０９で撮像し，画像演算回路２０８により高さ及びレンズ１０７からの距離を求める。これを繰り返すことで３次元形状が求められる。
本発明では，音響光学チューナブルフィルタで透過波長を決めるため，光の強度，センサの受光感度及びノイズによる誤差は生じにくく，画像の濃度値の小さい部位でも正確な計測が可能である。
〔実施例３〕
【００３７】
図１のスペクトルパターンと白色光を切替えて物体面に投射する装置１００から，分光されたスペクトルパターンを機械加工部品に投射し，機械加工部品から反射されたスペクトルパターンを音響光学チューナブルフィルタ１０８を制御し，波長４００ｎｍのみを透過し，音響光学チューナブルフィルタ１０８と同期して，光を電気信号に変え増倍するための装置を付加したカメラ１０９で撮像し，画像演算回路２０８で式１，式２，式３，式４，式５により算出し，波長４００ｎｍでの高さ及びレンズ１０７からの距離が求まる。
本発明では，音響光学チューナブルフィルタで透過波長を決めるため，光の強度，センサの受光感度及びノイズによる誤差は生じにくく，画像の濃度値の小さい部位でも正確な計測が可能である。
【００３８】
次に，同期回路２０７により音響光学チューナブルフィルタ１０８の透過波長を４０２ｎｍに制御し，カメラ１０９で撮像し，画像演算回路２０８により波長４０２ｎｍでの高さ及びレンズ１０７からの距離を求める。波長７００ｎｍまで繰り返すことで，機械加工部品の３次元形状が求められる。
本発明では，音響光学チューナブルフィルタで透過波長を決めるため，光の強度，センサの受光感度及びノイズによる誤差は生じにくく，画像の濃度値の小さい部位でも正確な計測が可能である。
〔実施例４〕
【００３９】
図１のスペクトルパターンと白色光を切替えて物体面に投射する装置１００から，分光されたスペクトルパターンを機械加工部品に投射し，機械加工部品から反射されたスペクトルパターンを音響光学チューナブルフィルタ１０８を制御し，波長４００ｎｍのみを透過し，音響光学チューナブルフィルタ１０８と同期して，冷却するための装置を付加したカメラ１０９で撮像し，画像演算回路２０８で式１，式２，式３，式４，式５により算出し，波長４００ｎｍでの高さ及びレンズ１０７からの距離が求まる。
【００４０】
次に，同期回路２０７により音響光学チューナブルフィルタ１０８の透過波長を４０２ｎｍに制御し，カメラ１０９で撮像し，画像演算回路２０８により波長４０２ｎｍでの高さ及びレンズ１０７からの距離を求める。波長７００ｎｍまで繰り返すことで，機械加工部品の３次元形状が求められる。
本発明では，音響光学チューナブルフィルタで透過波長を決めるため，光の強度，センサの受光感度及びノイズによる誤差は生じにくく，画像の濃度値の小さい部位でも正確な計測が可能である。
【００４１】
〔実施例５〕
図９は，図１のスペクトルパターンと白色光を切替えて物体面に投射する装置１００から，白色光を物体面に投射し，物体面から反射された白色光を音響光学チューナブルフィルタ１０８を制御し，波長５００ｎｍのみを透過し，カメラ１０９で撮像した画像のディスプレー上に表示した中間調画像写真である。
【００４２】
図１０は，図１のスペクトルパターンと白色光を切替えて物体面に投射する装置１００から，白色光を物体面に投射し，物体面から反射された白色光を音響光学チューナブルフィルタ１０８を制御し，波長７００ｎｍのみを透過し，カメラ１０９で撮像した画像のディスプレー上に表示した中間調画像写真である。
【００４３】
図９の波長５００ｎｍの画像では，物体面は赤色でデザインされた標識等があり，この中で表面についた傷等を見るには，デザインされた標識等を含め画像処理し，傷等を検査する必要があるが，図１０の波長７００ｎｍの画像では，赤色でデザインされた標識等が消え，表面の傷５０１が確認できる。
【００４４】
【発明の効果】
先行技術１では，異なる２画像の比を求めていたため，センサの感度の小さい部分では２つの出力とも小さい値となり求める波長に誤差が生じる。本発明では，先に述べた音響光学チューナブルフィルタ１０８で透過波長を決めるため，光の強度，センサの受光感度及びノイズによる波長の誤差は生じない。
また，本発明は，３次元形状計測時に機械的な回転駆動部がなく，これに起因する誤差は生じない特徴がある。また，３次元形状の計測と表面情報の計測が連続して行え従来複数の計測器でおこなっていた計測が本発明により一つの装置で行うことが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施方法を示した説明図である。
【図２】本発明の音響光学チューナブルフィルタの制御の実施方法を示した説明図である。
【図３】本発明で使用した音響光学チューナブルフィルタの透過特性を示した説明図である。
【図４】本発明での角度αの説明図である。
【図５】本発明で計測する機械加工部品である。
【図６】本発明で計測した機械加工部品の頭部の計測結果である。
【図７】本発明で計測した機械加工部品の先端部の計測結果である。
【図８】本発明で計測した機械加工部品の中部の計測結果である。
【図９】本発明の波長５００ｎｍでの計測結果を表すディスプレー上に表示した中間調画像写真である。
【図１０】本発明の波長７００ｎｍでの計測結果を表すディスプレー上に表示した中間調画像写真である。
【符号の説明】
１００  ，２０４  スペクトルパターンと白色光を切替えて物体面に投射する装置
１０１  ，４０１  回折格子
１０２  鏡
１０３            ，４０２  光源
１０４            ，４０７  レンズ
１０５            スリット
１０６            物体面
１０７            ，２０３  ，４０７  レンズ
１０８            ，２０２  ，４０８  音響光学チューナブルフィルタ
１０９            ，２０１  ，４０６  カメラ
１１０  ，４０５  基準線
２０５  量子化回路
２０６            音響光学チューナブルフィルタ制御回路
２０７            同期回路
２０８            画像演算回路
２０９            ３次元形状及び表面情報
４０３  基準物体
４０４  基準物体
５０１  傷
【図１】
0003811806.tif 000007
【図２】
0003811806.tif 000008
【図３】
0003811806.tif 000009
【図４】
0003811806.tif 000010
【図５】
0003811806.tif 000011
【図６】
0003811806.tif 000012
【図７】
0003811806.tif 000013
【図８】
0003811806.tif 000014
【図９】
0003811806.tif 000015
【図１０】
0003811806.tif 000016