(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を用いて、物体の三次元形状を測定する三次元形状測定装置において、
光軸に対して角度を持った二次元光源と、
前記二次元光源を前記物体上で結像するように投影する光学系と、
前記光学系に挿入した走査手段と、
前記測定物体からの、前記二次元光源像の反射光又は透過光の強度を検出するセンサと、
前記走査手段により、前記二次元光源像を複数形成する手段と
を備え、検出した複数の二次元光源像の、反射光又は透過光の検出データにより、光軸方向をｚ軸とし、光軸に対して垂直な方向の座標をｘ、ｙとしたとき、前記検出した複数の二次元光源像から、全てのｘ、ｙ座標について、光の強度が最大となるｚ軸座標を求めて、三次元形状を形成することを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元形状測定装置において、
光の強度が最大となるｚ軸座標を求めるとき、凸型の関数に得られたデータを当てはめることにより、最大となるｚ軸座標を求めることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の三次元形状測定装置において、前記走査手段は、回転運動する反射鏡を用いたミラー・スキャンであることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の三次元形状測定装置において、前記二次元光源は、二次元の点光源アレイであることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の三次元形状測定装置において、
前記二次元の点光源アレイを、平行光線とピンホール又は回析光学素子のアレイ，発光ダイオード・アレイ、およびレーザ・ビームの二次元走査の中から選択して構成することを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の三次元形状測定装置において、
物体からの反射光又は透過光を、前記二次元の点光源アレイと同じ構成のピンホール・アレイを介して光の強度を検出することを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれかに記載の三次元形状測定装置において、
前記二次元光源は、正弦波状の光強度分布を有する平面光源であり、検出した複数の二次元光源像の、反射光又は透過光の検出データを周波数フィルタリングしてから、三次元形状を形成することを特徴とする三次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を利用した三次元形状測定に関する。
【０００２】
【技術的背景】
三次元形状計測は、大別すると図１に示すように、多様な方法がある。金型、機械工学、電気・電子、光学分野のみならず、生体や軟質の三次元計測に対しても応用が行われている。この三次元形状計測では、自由曲面や複雑な形状計測を行えるようになっている。このため、より高精度・高分解能が求められると共に、高速な測定が望まれている。このため、図１に示すような多様な三次元形状計測の中でも、光を利用した非接触法の研究開発が盛んである。
光を利用した非接触三次元測定には、例えば、図１に示した光切断法、光走査法や、モアレ・トポグラフィー法等がある。これらの計測の多くは、デフォーカス時の光強度の低下を利用した光共焦点法を用いている。この方法による測定では、影が生じるための死角を無くし、測定速度を上げるためには、対象物体か測定系の移動が必要となり、高速化に限界がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、影が生じにくい構成で、三次元形状の測定を行うことができる三次元形状測定装置を得ることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、光を用いて、物体の三次元形状を計測する三次元形状測定装置において、光軸に対して角度を持った二次元光源と、前記二次元光源を前記物体上で結像するように投影する光学系と、前記光学系に挿入した走査手段と、前記測定物体からの、前記二次元光源像の反射光又は透過光の強度を検出するセンサと、前記走査手段により、前記二次元光源像を複数形成する手段とを備え、検出した複数の二次元光源像の、反射光又は透過光の検出データにより、光軸方向をｚ軸とし、光軸に対して垂直な方向の座標をｘ、ｙとしたとき、前記検出した複数の二次元光源像から、全てのｘ、ｙ座標について、光の強度が最大となるｚ軸座標を求めて、三次元形状を形成することを特徴とする。
この構成により、影を生じず、計測対象を動かさずに測定できるので、三次元形状の測定を高速に行うことができる。
【０００５】
光の強度が最大となるｚ軸座標を求めるとき、凸型の関数に得られたデータを当てはめることにより、最大となるｚ軸座標を求めることもできる。
前記走査手段は、回転運動する反射鏡を用いたミラー・スキャンとすることができる。
前記二次元光源は、二次元の点光源アレイとして、例えば、平行光線とピンホール又は回析光学素子のアレイ，発光ダイオード・アレイ、又は、レーザ・ビームの二次元走査等を用いることができる。
このとき、物体からの反射光又は透過光を、前記二次元の点光源アレイと同じ構成のピンホール・アレイを介して光の強度を検出することもできる。
また、前記二次元光源は、正弦波状の光強度分布を有する平面光源であり、検出した複数の二次元光源像の、反射光又は透過光の検出データを周波数フィルタリングしてから、三次元形状を形成することもできる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
本発明では、奥行き方向の計測を行うために、二次元の面光源を光軸方向に対して傾斜して配置しておき、共焦点方式でその像の物体からの反射光を光検出器で測定し、光学的に走査することで三次元形状を測定する。
図２を用いて、実施形態の構成例を説明する。この構成では、面光源を点光源アレイで構成するために、光源１０からの光をレンズ７１で平行光線とした後に、二次元のピンホール・アレイ４０を通している。スキャナ５０を備えた結像系（レンズ７３、レンズ７４）の物体面に、ピンホール・アレイ４０を光軸に対して０度から９０度の間の角度に傾けて設置する。像面には光軸に対して傾いた二次元光点アレイが形成され、これを対象物６０に投影する。対象物上に形成されたピンホールの像４５からの反射光をピンホール・アレイ４０に通し、検出器アレイ２０で透過光量を測定する。光点が測定物体で焦点を結んでいる場合、反射光がピンホール・アレイ４０上で像を結ぶので、透過光量が大きくなる。ピンホール・アレイ４０も傾けることにより、傾いた断面像を測定することができる。スキャナ５０を駆動して、光軸に対して垂直で傾斜面の法線ベクトルの成分を含む方向に傾斜光点の像４５を移動させることにより、三次元空間を走査することができる。ピンホール・アレイ４０を透過する反射光の強度が大きくなる位置を測定することにより、対象物６０の表面形状の情報を得ることができる。
【０００７】
この表面形状の求め方を詳しく説明する。スキャナ５０のそれぞれの位置に対して、光センサ・アレイ２０により光強度を検出して、複数の二次元データを得る。光点が物体上で焦点を結んでいるときが光量最大であることを用いて、得られた複数の二次元データを積み重ねて受光三次元データとする。
さて、ある対象物の置かれた平面上のｘ，ｙ座標に対して垂直のｚ軸が光軸である。これを利用して、求めた複数の二次元データのあるｘ，ｙ座標の点における全ての光強度を比較して、最大光量となるｚ軸座標を求める。同様にして全てのｘ、ｙ座標について、光強度が最大となるｚ軸座標を求めて、表面形状データとする。
光強度が最大となるｚ軸座標を求めるときに、ガウス関数などの凸型の関数を、得られたｚ軸方向の強度分布のデータに当てはめることにより、光強度の最大値を得る位置をより正確に求めることができる。
【０００８】
＜実施例＞
実施例とした形状計測システム（図３参照）では、光源１０はハロゲン・ランプ、ピンホール・アレイ４０は金属薄膜のエッチングにより作成したものを使用した。ピンホールの直径を５０μｍとし、ｘ方向に１５０μｍ、ｙ方向に３００μｍのピッチで配置した。有効ピンホール部は１０ｍｍ角である。このピンホール・アレイ４０が光軸に対して約４５度傾くように設置してある。このピンホール・アレイ４０により、対象物体６０に対して傾斜光点アレイを投影し、ミラー５０を回転しながら走査して、反射光をＣＣＤカメラ２０で測定した。上述の実施形態と異なり、ＣＣＤカメラはピンホール・アレイを介さずに反射光を検出している。
【０００９】
図４に、直径３．２ｍｍの白色球を対象物体としたときの観測像を示す。図４（ａ）〜（ｄ）に示した各観測画像の例で、スキャナの異なる位置での面像が得られていることが分かる。この様に走査しながら、ミラー・スキャナ位置と同期して１３回測定を行った。
この様な測定画像からピンホール位置でサンプリングを行い、ある閾値以下の光強度の場所は、背景とみなして、マスキングを行う。それぞれのスキャナ位置に対応する結像の位置関係から、得られたデータの平面上の各点に対して物体における座標を決定する。測定データ間で物体の奥行き方向ごとに光強度の最大値を求め、その最大値をとる奥行き方向の位置を物体の表面の存在位置として決定する。得られた物体表面形状の測定結果を図５に示す。図５に示した形状は、スムージング処理を行い、ノイズを除去している。
【００１０】
＜他の実施形態＞
図２に示した実施形態の構成とは異なり、光源としたピンホール・アレイ４０を介さずに、検出器アレイ２０の前に、光源側のピンホール・アレイ４０と同様の構成のピンホール・アレイを光軸に対して同じ傾斜角度で設置してもよい。
また、上述に実施形態で用いられているピンホール・アレイ４０のピンホールそれぞれに対してマイクロレンズを用いることにより、光の利用効率を高めることができる。
上述の実施形態では、二次元の点光源を得るのに、光源からの平行光に対してピンホール・アレイを設置しているが、他にも、例えば、発光ダイオード・アレイを用いたり、レーザ・ビームを二次元走査したり、光点アレイを形成する回析光学素子を用いたりすることができる。
複数の断面像を得るための走査として、光源にコヒーレント光を用い、音響光学素子により回析させ、回折角を変化させることで、上述のミラー・スキャナと同様の走査を行うことができる。
また、上述の実施形態では、点光源によるパターンを用いて形状を検出しているが、これ以外にも、光軸に対してある角度で設置された、正弦波状の濃度分布を有する平面光源を用いてもよい。この場合、得られた像を周波数フィルタリングすることにより、相対的に最大となる光強度を検出して、焦点の合致を求め、三次元形状を形成する。
図２における対象物体６０がコンベアに乗っている等、光軸に対して測定物体が移動している場合は、図２のミラー・スキャナ５０は不要となる。
図２に示した測定系で、光の検出を対象物６０の下方で行い、透過光を検出する構成とすると、透過物体の計測にも使用できる。
また、焦点の異なるような斜めの光源を用いているために、このシステムは、例えば透明媒体の体積中に屈折率が変化した微小な部分を多層に分布させることで情報を記録している多層光メモリの読み出しにも応用できる。
【００１１】
＜本発明の利点＞
このような構成を用いることにより、本発明には以下のような利点がある。
本発明では、光の投影とその反射の検出が同一方向なので、光切断法などの三角計測に基づく手法で問題となる影が生じない。
また、スキャナによる光学的走査を利用しているため、物体の移動が不要で、高速化ができる。
干渉を測定に用いていないため、振動に対する耐性が高い。
相対的に一番反射光が強いものを検出しているために、測定物の各部分の光吸収による反射光の強度差の影響を抑えることができる。
反射光の検出後の三次元形状生成処理が簡単であり、高速信号処理により、実時間化しやすい。
この構成による三次元像の形成は、体積走査型の立体表示と原理的に適合性がよいので、立体テレビジョン・システムの可能性がある。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の構成により、影による死角が生じず対象物の三次元形状を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の三次元形状計測について示した図である。
【図２】実施形態の構成を示す図である。
【図３】実施例の構成を示す図である。
【図４】実施例から得られた対象物（球）の計測画像例である。
【図５】計測画像から生成された対象物の形状を示す図である。
【符号の説明】
１０            光源
２０            検出器アレイ（ＣＣＤカメラ）
３０            ビーム・スプリッタ
４０            ピンホール・アレイ
４５            ピンホール・アレイの像
５０            ミラー・スキャナ
６０            対象物
７１，７２，７３，７４    レンズ
【図１】
0003798212.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003798212.tif 000005
【図５】
0003798212.tif 000006