JP2002092632A - ３次元画像生成装置及び同方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ３次元座標データにより生成した３次元画像
に陰影を正確かつ簡単に付することができるようにす
る。 【解決手段】 レーザ発振器１１１は、対象物の表面に
レーザ光により照射スポットを形成する。レーザ光の方
向は、電動モータ１０５，１１９によってＸ、Ｙ軸方向
に変更される。ラインセンサ１１８は、複数の受光素子
からなり、照射スポットによる対象物からの反射光を受
光する。電気制御回路装置１５０は、ラインセンサ１１
８による受光位置に応じてミラー１１５から対象物の表
面までの距離（Ｚ軸方向の距離）Ｌｚを検出するととも
に、ラインセンサ１１８による反射光の受光幅Ｌzsを検
出する。コンピュータ本体２００は、レーザ光の照射方
向θｘ，θｙ及びＺ軸方向距離Ｌｚに応じて対象物の３
次元画像を生成するとともに、受光幅Ｌzsに応じて前記
３次元画像に陰影を付加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、対象物の３次元画
像を生成する３次元画像生成装置及び同方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、対象物に向けて方向を変更し
ながら光ビームを放射して同対象物の表面に順次位置を
変えながら照射スポットを形成し、対象物の表面からの
反射光を集光して一列に配置された複数の受光素子から
なるラインセンサ上に結像させ、対象物の表面に対する
光ビームの各照射スポットの位置毎に、前記光ビームの
放射方向に基づいて同光ビームにほぼ直交する仮想的な
平面上における照射スポットの２次元位置を表すＸ，Ｙ
軸方向の座標データを計算するとともに、前記ラインセ
ンサによって検出された反射光の受光位置に基づいて３
角測量法を用いて前記仮想的な平面に直交する方向に沿
った前記光ビーム放射手段から前記対象物の表面におけ
る照射スポットまでの距離を表すＺ軸方向の座標データ
を計算し、これらのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の座標データから
なる対象物の表面に関する３次元座標データに基づいて
対象物の３次元画像を生成する３次元画像生成装置及び
同方法はよく知られている。

【０００３】また、近年、例えば特開平９−２１０６４
６号公報に示されているように、前記３次元座標データ
により生成した３次元画像に、ビデオカメラによって撮
影した２次元画像を合成して、前記３次元画像に陰影を
付することも行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記３次元画
像に陰影を付すための合成においては、対象物の２次元
画像を表す２次元画像データを得るためのビデオカメラ
などの特別の機器を必要とする。また、３次元座標デー
タにより生成した３次元画像と、ビデオカメラによって
撮影した２次元画像とを合成するための位置合わせを必
要とするが、この位置合わせによる誤差が発生するとい
う問題もあった。

【０００５】

【発明の概要】本発明は、上記問題に対処するためにな
されたもので、その目的は、３次元座標データにより生
成した３次元画像に陰影を正確かつ簡単に付することが
できる３次元画像生成装置及び同方法を提供することに
ある。

【０００６】上記目的を達成するために、本発明の構成
上の特徴は、対象物に向けて光ビームを放射して同対象
物の表面に照射スポットを形成する光ビーム放射手段
と、前記光ビームの放射方向を変更して前記対象物の表
面に形成される照射スポットの位置を変更する放射方向
変更手段と、前記対象物の表面からの反射光を集光して
結像する結像手段と、前記結像手段による反射光の結像
位置に一列に配置された複数の受光素子からなるライン
センサと、前記対象物の表面に対する光ビームの各照射
スポットの位置毎に、前記光ビームの放射方向及び前記
ラインセンサによって検出される反射光の受光位置に基
づいて前記対象物の表面に関する３次元座標データを計
算する座標変換手段と、前記各照射スポットの位置毎に
計算した各３次元座標データに基づいて前記対象物の３
次元画像を生成する画像処理手段とを備えた３次元画像
生成装置において、前記対象物の表面に対する光ビーム
の各照射スポットの位置毎に、前記ラインセンサによっ
て検出された反射光の受光幅を計測する受光幅計測手段
を設け、前記画像処理手段は、前記各照射スポットの位
置毎に計測した反射光の受光幅を、前記対象物の表面の
陰影を表す陰影情報として利用して前記対象物の３次元
画像を生成するようにしたことにある。

【０００７】この場合、例えば、３次元座標データは、
前記光ビーム放射手段によって放射された光ビームにほ
ぼ直交する仮想的なＸ，Ｙ平面上における照射スポット
の２次元位置を表すＸ，Ｙ軸方向の座標データと、前記
仮想的な平面に直交する方向に沿った前記光ビーム放射
手段から前記対象物の表面における照射スポットまでの
距離を表すＺ軸方向の座標データとからなり、前記座標
変換手段は、前記光ビームの放射方向に基づいて前記
Ｘ，Ｙ軸方向の座標データを計算するとともに、前記ラ
インセンサによって検出される反射光の受光位置に基づ
いて３角測量法を用いて前記Ｚ軸方向の座標データを計
算するものである。

【０００８】また、前記ラインセンサによる反射光の受
光位置は、例えば、同ラインセンサを構成する全ての受
光素子のうちで閾値を越える量の反射光を受光した複数
の受光素子の平均的な位置により検出され得る。また、
前記ラインセンサによる反射光の受光幅は、同ラインセ
ンサを構成する全ての受光素子のうちで閾値を越える量
の反射光を受光した受光素子の数をカウントすることに
より計測され得る。

【０００９】本発明は、対象物の表面が明るくなるほど
同表面の照射スポットからの反射光の散乱の度合いが大
きくなるという現象に着目したものであり、前記受光幅
計測手段は、ラインセンサによる反射光の受光幅を計測
することにより、前記反射光の散乱の程度、すなわち対
象物表面の明るさを照射スポット位置毎に検出すること
になる。そして、画像処理手段にて、前記各照射スポッ
トの位置毎に計測した反射光の受光幅が、前記対象物の
表面の陰影を表す陰影情報として利用されて対象物の３
次元画像が生成される。この場合、前記計測された受光
幅は、各照射スポットの位置毎に検出されたものであっ
て、各３次元座標データと対応しているので、３次元座
標データに基づく対象物の３次元画像の生成に同受光幅
を対象物の表面の陰影を表す陰影情報として利用する
際、３次元座標データに基づく対象物の３次元画像と陰
影情報により表される陰影との位置合わせの必要性がな
くなると同時に、同位置合わせによる誤差もなくなる。
また、陰影情報を入手するビデオカメラなどの特別な機
器も必要ない。その結果、本発明によれば、３次元座標
データにより生成した３次元画像に陰影を正確かつ簡単
に付することができる。

【００１０】ただし、３次元画像に、より正確な陰影を
付加したり、正確な色彩を付加する場合などには、対象
物の２次元画像を取得可能なビデオカメラ、ＣＣＤカメ
ラなどの２次元画像取得手段を前記３次元画像生成装置
に併用することもできる。この場合、前記陰影情報とし
ての計測受光幅を表す情報を前記２次元画像取得手段に
て取得した２次元画像との位置合わせにも利用できる。

【００１１】また、本発明の他の構成上の特徴は、前記
３次元画像生成装置の座標変換手段に、前記受光幅計測
手段によって計測された反射光の受光幅に基づいて、前
記計算される３次元座標データのうちで前記光ビーム放
射手段から前記対象物の表面までの距離に関する座標デ
ータを補正する補正手段を設けたことにある。なお、こ
の場合、座標データは、前述したＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の座
標データのうちのＺ軸方向の座標データに相当する。

【００１２】これは、前記反射光の受光幅が大きくなる
にしたがって、すなわち反射光の散乱の程度が大きくな
るにしたがって、前記光ビーム放射手段から前記対象物
の表面までの距離に対応するラインセンサによる受光位
置が、前記反射光を受光している複数の受光素子の中心
位置からずれることに基づくものである。本発明者等
は、実験により、前記距離に対応するラインセンサによ
る受光位置は、反射光の散乱の程度が大きくなるにした
がって、前記反射光を受光している複数の受光素子の中
心位置が本来の受光位置に対して大きくずれることを確
認している。前記他の構成上の特徴によれば、補正手段
が前記ずれを補正するので、前記光ビーム放射手段から
前記対象物の表面までの距離に関する座標データは、同
距離に正確に一致することになる。したがって、前記陰
影情報を検出するために、前記反射光の受光幅が大きく
なる光ビームを用いても、高精度の座標データを得るこ
とができ、正確な３次元画像を得ることができる。

【００１３】また、本発明の他の構成上の特徴は、対象
物に向けて方向を変更しながら光ビームを放射して同対
象物の表面に順次位置を変えながら照射スポットを形成
し、前記対象物の表面からの反射光を集光して一列に配
置された複数の受光素子からなるラインセンサ上に結像
させ、前記対象物の表面に対する光ビームの各照射スポ
ットの位置毎に、前記光ビームの放射方向及び前記ライ
ンセンサによる反射光の受光位置に基づいて前記対象物
の表面に関する３次元座標データを計算して、前記各照
射スポットの位置毎に計算した各３次元座標データに基
づいて前記対象物の３次元画像を生成するようにした３
次元画像生成方法において、前記ラインセンサによる反
射光の受光幅を計測し、前記計測した受光幅を前記対象
物の表面の陰影を表す陰影情報として利用して前記対象
物の３次元画像を生成するようにしたことにもある。

【００１４】さらに、本発明の他の構成上の特徴は、前
記３次元画像生成方法において、前記計測した受光幅に
基づいて、前記計算される３次元座標データのうちで前
記光ビーム放射手段から前記対象物の表面までの距離に
関する座標データを補正するようにしたことにもある。

【００１５】これらの３次元画像生成方法に関する発明
は、上記３次元画像生成装置の各構成上の特徴に対応す
るものであり、これによっても、同３次元画像生成装置
と同様な作用効果が期待される。

【００１６】

【実施の形態】以下、本発明の一実施形態について図面
を用いて説明すると、図１は同実施形態に係る３次元画
像生成装置の概略斜視図である。この３次元画像生成装
置は、対象物１０の表面の形状を測定して同測定データ
を出力する形状測定装置１００と、同装置１００から出
力された測定データを処理するコンピュータ本体２００
と、同コンピュータ本体２００により制御されて対象物
の３次元画像を表示する表示装置３００とを備えてい
る。これらの形状測定装置１００、コンピュータ本体２
００及び表示装置３００は、ケーブル２０によって直列
に接続されている。

【００１７】形状測定装置１００は、正面に長窓１０１
を形成した方形状のハウジング１０２を備えている。ハ
ウジング１０２内には、水平ピン１０３により同ピン１
０３の軸線回りに回動可能にハウジング１０２に支持さ
れた枠体１０４が収容されている。枠体１０４は、その
後方に設けた電動モータ１０５、スクリューシャフト１
０６及びボールナット１０７等からなる駆動機構によ
り、水平ピン１０３の軸線回りに回動するようになって
いる。

【００１８】電動モータ１０５は、ハウジング１０２に
固定されていて、その回転をベルト１０８を介してスク
リューシャフト１０６に伝達して、同シャフト１０６を
軸線回りに回転させる。スクリューシャフト１０６は、
ハウジング１０２に固定された支持部材１０９により、
軸線回りに回転可能かつ軸線方向に変位不能に支持され
ている。ボールナット１０７は、スクリューシャフト１
０６の上部外周面上に螺合しているとともに、枠体１０
４により軸線回りの回転が禁止された状態で同枠体１０
４に前後方向へ変位可能かつ上下方向に一体的に変位す
るように組み付けられている。これにより、電動モータ
１０５が回転すると、スクリューシャフト１０６が軸線
回りに回転し、ボールナット１０７がスクリューシャフ
ト１０６の外周面上を上下動して枠体１０４の後端上部
を上下動させるので、枠体１０４は水平ピン１０３の軸
線回り（Ｘ軸回り）に回動する。

【００１９】また、電動モータ１０５には回転角センサ
１１０が組み付けられており、同センサ１１０は同モー
タ１０５の回転角を検出する。なお、電動モータ１０５
の回転角は前記枠体１０４の水平ピン１０３回りの回動
角にも対応しており、回転角センサ１１０は前記枠体１
０４の水平ピン１０３の軸線回り（Ｘ軸回り）の回動角
を検出していることにもなる。

【００２０】ハウジング１０２は、図1及び図２に示す
ように、レーザ発振器１１１、集光器１１２、第１乃至
第４ミラー１１３〜１１６、結像器１１７及びラインセ
ンサ１１８も収容している。レーザ発振器１１１は、レ
ーザ光源として機能するもので、レーザ光（例えば、波
長６８０nmのレーザ光）を図示上方に向けて放射する。
集光器１１２は、対象物１０の表面に小さな照射スポッ
トを形成するために、レーザ発振器１１１から放射され
たレーザ光を集光して上方に向けて放射する。

【００２１】第1ミラー１１３は、ハウジング１０２の
上部に斜め下方に向けて固定されており、集光器１１２
からのレーザ光を第２ミラー１１４の上部に向けて反射
する。第２ミラー１１４は、上下方向に縦長に構成され
ていてハウジング１０２に斜め後方に向けて固定されて
おり、第１ミラー１１３からのレーザ光を上部にて第３
ミラー１１５の上部に向けて反射するとともに、第３ミ
ラー１１５の下部からのレーザ光（対象物１０からの反
射光）を下部にて第４ミラー１１６に向けて反射する。
第３ミラー１１５は、上下方向に縦長に構成されていて
ハウジング１０２に斜め前方に向けて上下方向の軸線回
り（Ｙ軸回り）に回動可能に組み付けられており、第２
ミラー１１４の上部からのレーザ光を上部にて前方に向
けて反射して長窓１０１を介し外部の対象物１０に照射
するとともに、対象物１０にて反射されたレーザ光（対
象物１０からの反射光）を下部にて第２ミラー１１４の
下部に向けて反射する。第４ミラー１１６は、ハウジン
グ１０２の下部に斜め上方に向けて固定され、第２ミラ
ー１１４の下部からのレーザ光（対象物１０からの反射
光）を斜め上方の後方に向けて反射して結像器１１７に
入射させる。

【００２２】結像器１１７は、ハウジング１０２に固定
されており、第４ミラー１１６からのレーザ光（対象物
１０からの反射光）をラインセンサ１１８上に結像す
る。なお、レーザ光の光路に関しては、図示矢印によっ
て示されている。

【００２３】ラインセンサ１１８は、ＣＣＤなどの複数
の受光素子を一列に配置して構成されており、ハウジン
グ１０２に斜め下方の結像器１１７に向けて固定されて
いる。このラインセンサ１１８は、第３ミラー１１５
（レーザ発振器１１１、集光器１１２、第１乃至第４ミ
ラー１１３〜１１６、結像器１１７及びラインセンサ１
１８などでも同じ）から対象物１０の照射スポットまで
の図示Ｚ軸方向の距離を、複数の受光素子のうちで対象
物１０からの反射光を受光した受光素子の位置により検
出するものである。この点について、図３を用いて簡単
に説明しておくと、第３ミラー１１５から対象物１０に
放射されるレーザ光の方向が同じでも、同第３ミラー１
１５から対象物１０までの距離（Ｚ軸方向距離）が変わ
ると、対象物１０の表面で反射されて第４ミラー１１６
を介して（結像器１１７は図示略）ラインセンサ１１８
に入射する反射光の位置が変化するという３角測量法の
原理に基づくものである。

【００２４】また、ハウジング１０２は、第３ミラー１
１５を上下方向の軸線回りに回動させるための電動モー
タ１１９も収容している。電動モータ１１９は、ベルト
１２０を介して第３ミラー１１５の上下方向の回転軸を
軸線回りに回動させて、同ミラー１１５を上下方向の軸
線回り（Ｙ軸回り）に回動する。電動モータ１１９には
回転角センサ１２１も組み付けられており、同センサ１
２１は同モータ１１９の回転角を検出する。なお、電動
モータ１１９の回転角は第３ミラー１１５の前記回転角
にも対応しており、回転角センサ１２１は前記第３ミラ
ー１１５の上下方向の軸線回り（Ｙ軸回り）の回転角を
検出していることにもなる。

【００２５】さらに、ハウジング１０２には、複数のプ
リント基板１３０も収容されている。これらのプリント
基板１３０上には、形状測定装置１００の動作を電気的
に制御するための電気制御回路装置１５０を構成する多
数の電子部品が配設されている。この電気制御回路装置
１５０の機能を、図４を用いて説明する。

【００２６】この電気制御回路装置１５０は、レーザ発
振器１１１に接続されて、同発振器１１１の作動を制御
する。また、電気制御回路装置１５０は、電動モータ１
０５及び回転角センサ１１０にも接続されていて、回転
角センサ１１０からの回転角検出信号をフィードバック
して電動モータ１０５の回転を制御し、枠体１０４を水
平ピン１０３の軸線回り（Ｘ軸回り）に任意な角度だけ
回動させる。この枠体１０４の回動は、レーザ発振器１
１１、集光器１１２及び第１乃至第４ミラー１１３〜１
１５などからなって対象物１０に光ビームを放射するた
めの光ビーム放射手段をＸ軸回りに回動することを意味
し、これにより、Ｙ−Ｚ平面におけるレーザ光の照射方
向すなわちレーザ光による対象物１０の表面の照射スポ
ットの位置がＹ軸方向に変更されて、対象物１０の表面
がレーザ光によってＹ軸方向に走査されることになる。
これと同時に、電気制御回路装置１５０は、回転角セン
サ１１０からの回転角検出信号に基づいて、前記Ｙ−Ｚ
平面におけるＺ軸方向を基準としたレーザ光の照射方向
θｙを表す信号を出力する。

【００２７】電気制御回路装置１５０は、電動モータ１
１９及び回転角センサ１２１にも接続されていて、回転
角センサ１２１からの回転角検出信号をフィードバック
して電動モータ１１９の回転を制御して、第３ミラー１
１５をその上下軸線回り（Ｙ軸回り）に任意な角度だけ
回動する。この第３ミラー１１５の回動は、前記光ビー
ム放射手段をＹ軸回りに回動することを意味し、これに
より、Ｘ−Ｚ平面におけるレーザ光の照射方向すなわち
レーザ光による対象物１０の表面の照射スポットの位置
がＸ軸方向に変更されて、対象物１０の表面がレーザ光
によってＸ軸方向に走査されることになる。これと同時
に、電気制御回路装置１５０は、回転角センサ１２１か
らの回転角検出信号に基づいて、前記Ｘ−Ｚ平面におけ
るＺ軸方向を基準としたレーザ光の照射方向θｘを表す
信号を出力する。

【００２８】このような電動モータ１０５，１１９によ
るレーザ光の放射方向の変更について、同レーザ光の放
射方向の変更と対象物１０の走査との関係を概略的に示
す図５を用いて説明しておく。電気制御回路装置１５０
は、電動モータ１０５，１１９を所定のシーケンスに従
って駆動制御して、放射されたレーザ光（光ビーム）に
ほぼ直交する仮想的なＸ−Ｙ平面上における照射スポッ
トをＸ軸方向に沿って移動させるとともにＹ軸方向に沿
って移動させることにより、同Ｘ−Ｙ平面をレーザ光で
走査することができる。そして、この走査位置すなわち
照射スポットの位置が、前記レーザ光の照射方向θｘ，
θｙに対応する。

【００２９】さらに、電気制御回路装置１５０は、ライ
ンセンサ１１８にも接続されており、同センサ１１８を
構成する複数の受光素子からの信号を入力する。そし
て、この電気制御回路装置１５０は、前記レーザ光によ
る対象物１０の表面の照射スポット毎に、同照射スポッ
トからの反射光のラインセンサ１１８による検出受光位
置に基づいて３角測量法を用いて第３ミラー１１５（レ
ーザ発振器１１１、集光器１１２、第１乃至第４ミラー
１１３〜１１６、結像器１１７及びラインセンサ１１８
などでも同じ）から対象物１０の照射スポットまでのＺ
軸方向の距離Ｌｚを計測して出力する。また、ラインセ
ンサ１１８による前記反射光の受光幅Ｌｚも計測して出
力する。

【００３０】これらのＺ軸方向の距離Ｌｚ及び受光幅Ｌ
ｚの具体的な計測回路及び計測方法について説明する。
電気制御回路装置１５０は、図６の機能ブロック図に示
すように、取込み部１５１、比較部１５２、第１計数部
１５３、第２計数部１５４、除算部１５５、加算部１５
６及び演算制御部１５７を備えている。

【００３１】取込み部１５１は、ラインセンサ１１８の
各受光素子にそれぞれ接続されていて、演算制御部１５
７によって制御され、前記レーザ光による対象物１０の
表面の照射スポットの各位置毎に、各受光素子による受
光量を表す各信号を同時に並列に入力して、同各信号を
比較部１５２に順次直列に出力する。図７は、ラインセ
ンサ１１８の各受光素子から取込み部１５１に取込まれ
る信号と、同各受光素子の受光量との関係を示してお
り、前記取込み部１５１から比較部１５２には図６の左
端の受光素子から順に右側の受光素子に向かってライン
センサ１１８による検出信号が順次出力される。なお、
演算制御部１５７は、前述した電気制御回路装置１５０
の電動モータ１０５，１１９の作動制御に連動してい
て、前記照射スポットの位置の変更毎に、ラインセンサ
１１８による検出信号の取込みを取込み部１５１に指示
する。

【００３２】比較部１５２も、演算制御部１５７により
制御されて、取り込み部１５１から供給されてラインセ
ンサ１１８の各受光素子による受光量を表す各検出信号
が所定の受光量を表す閾値Ｖref以上であるかを比較判
定する。そして、比較部１５２は、各検出信号が閾値Ｖ
ref以上であればハイレベル信号"１"を出力し、各検出
信号が閾値Ｖref未満であればローレベル信号"０"を出
力する。

【００３３】第1計数部１５３も、演算制御部１５７に
より制御されて、前記各照射スポット毎に、ラインセン
サ１１８から新たな照射スポットに関する検出信号の到
来に応答して計数を開始して、比較部１５２からハイレ
ベル信号"１"が供給されるまでのローレベル信号"０"の
数を計数して、同計数値Ａを出力する。第２計数部１５
４も、演算制御部１５７により制御されて、前記各照射
スポット毎に、比較部１５２からのハイレベル信号"１"
の数を計数して、同計数値Ｂをラインセンサ１１８によ
る反射光の受光幅Ｌzsを表す検出信号として出力する。

【００３４】除算部１５５は、前記各照射スポット毎
に、第２計数部１５４による計数値Ｂを「２」で除して
出力する。加算部１５６は、前記各照射スポット毎に、
第１計数部１５３による計数値Ａと除算部１５５による
除算結果Ｂ／２を加算して、同加算結果(Ａ＋Ｂ／２)を
ラインセンサ１１８による反射光の受光位置すなわち対
象物１０の照射スポットまでのＺ軸方向の距離Ｌｚを表
す検出信号として出力する。

【００３５】なお、上記電気制御回路装置１５０の動作
及び図６の機能ブロック図の動作の全てをハード回路に
よって実現するようにしてもよいし、それらの一部をコ
ンピュータによるプログラム処理によって実現するよう
にしてもよい。

【００３６】ふたたび、図４の説明にもどると、電気制
御回路装置１５０から出力されるレーザ光の照射方向θ
ｘ，θｙ、対象物１０の照射スポットまでのＺ軸方向の
距離Ｌｚ及び受光幅Ｌzsを表す各検出信号は、コンピュ
ータ本体２００に供給される。コンピュータ本体２００
は、プログラム処理により各種機能を実現するもので、
特に座標変換機能及び画像処理機能を実現するようにな
っており、これらの機能を実現する手段を座標変換部２
１０及び画像処理部２２０として示している。

【００３７】座標変換部２１０は、前記レーザ光の照射
方向θｘ，θｙ、前記Ｚ軸方向の距離Ｌｚ及び受光幅Ｌ
zsを表す各検出信号を入力して、前記各照射スポット毎
に、照射方向θｘ，θｙに基づいて公知の座標変換演算
を実行して、前記仮想のＸ−Ｙ平面上における照射スポ
ットのＸ軸及びＹ軸座標データＤｘ，Ｄｙを形成する。
また、前記Ｚ軸方向の距離ＬｚをＸ軸及びＹ軸座標デー
タＤｘ，Ｄｙに合わせて所定の変換を施して、同距離Ｌ
ｚに対応したＺ軸座標データＤｚを形成する。そして、
座標変換部２１０は、前記各照射スポット毎に、これら
のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸座標データＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚを３
次元座標データとしてまとめて、受光幅Ｌzsを表す受光
幅データＤzsと共に画像処理部２２０に出力する。

【００３８】画像処理部２２０は、前記各照射スポット
毎の３次元座標データＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚに基づいて公知
の方法により対象物１０の３次元画像を生成するととも
に、前記受光幅データＤzsを対象物１０の表面の陰影を
表す陰影情報として利用して前記３次元画像に陰影を施
す。この陰影の施された３次元画像を表す表示データは
コンピュータ本体２００内に設けたメモリに記憶される
とともに、同本体２００から表示装置３００に送られ
る。表示装置３００は、ＣＲＴ、液晶表示器などにより
構成した画面を有し、前記表示データに基づいて、画面
上に前記陰影の施された３次元画像を表示する。

【００３９】以下、上記のように構成した実施形態の動
作を説明する。形状測定装置１００において、電気制御
回路装置１５０の制御のもとに、レーザ発振器１１１が
作動開始する。そして、レーザ発振器１１１から放射さ
れたレーザ光は、集光器１１２、第１乃至第３ミラー１
１３〜１１５を介して対象物１０の表面に照射され、同
対象物１０の表面に照射スポットを形成する。そして、
対象物１０の表面にて反射された反射光は、第３ミラー
１１５、第２ミラー１１４及び第４ミラー１１６を介し
て結像器１１７に入射し、同結像器１１７は同反射光を
ラインセンサ１１８の複数の受光素子のいずれかの位置
に結像する。

【００４０】また、電動モータ１０５，１１９も、電気
制御回路装置１５０の制御のもとに、所定のシーケンス
に従って回転角センサ１１０，１２１と協働して枠体１
０４をＸ軸回りに回動するとともに、第３ミラー１１５
をＹ軸回りに回動する。これにより、対象物１０に向け
たレーザ光の方向はＹ軸方向及びＸ軸方向に移動され
て、上述した仮想的なＸ−Ｙ平面に対応した対象物１０
の表面が照射スポットにより走査される。

【００４１】一方、これと同時に、電気制御回路装置１
５０は、前記電動モータ１０５，１１９の作動によるレ
ーザ光の照射方向θｘ，θｙ、及び第３ミラー１１５か
ら対象物１０の表面までのＺ軸方向の距離Ｌｚを表す検
出信号を、前記各照射スポット毎にコンピュータ本体２
００の座標変換部２１０に順次出力する。また、これと
同時にラインセンサ１１８によって受光された反射光の
受光幅Ｌzsを表す検出信号も、前記各照射スポット毎に
電気制御回路装置１５０から座標変換部２１０に順次供
給される。

【００４２】座標変換部２１０は、前記レーザ光の照射
方向θｘ，θｙ、及び前記Ｚ軸方向の距離Ｌｚを表す検
出信号に基づいて、前記各照射スポット毎に、対象物１
０の表面に関する３次元座標データＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚを
形成して画像処理部２２０に出力するとともに、陰影情
報としての受光幅Ｌzsに対応した受光幅データＤzsも形
成して画像処理部２２０に出力する。画像処理部２２０
は、これらのデータＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚ，Ｄzsに基づいて
陰影の施された３次元画像を生成して、同３次元画像を
表す表示データを表示装置３００に供給する。これによ
り、表示装置３００は、画面上に前記陰影の施された３
次元画像を表示する。また、このとき、前記表示データ
は、コンピュータ本体２００内のメモリに記憶される。

【００４３】このように動作する３次元画像生成装置及
び同方法は、対象物１０の表面が明るくなるほど同表面
の照射スポットからの反射光の散乱の度合いが大きくな
るという現象に着目したものである。電気制御回路装置
１５０の第２計数部１５４は、ラインセンサ１１８によ
る反射光の受光幅Ｌｚを計測することにより、前記反射
光の散乱の程度、すなわち対象物１０の表面の明るさを
照射スポット位置毎に検出することになる。そして、コ
ンピュータ本体２００の画像処理部２２０が、前記各照
射スポットの位置毎に計測した反射光の受光幅Ｌｚに対
応した受光幅データＤzsを、対象物１０の表面の陰影を
表す陰影情報として利用して対象物１０の３次元画像を
生成する。この場合、前記計測された受光幅Ｌｚに対応
した受光幅データＤzsは、各照射スポットの位置毎に検
出されたものであって、各３次元座標データＤｘ，Ｄ
ｙ，Ｄｚと対応しているので、３次元座標データＤｘ，
Ｄｙ，Ｄｚに基づく対象物１０の３次元画像の生成に同
受光幅データＤzsを対象物１０の表面の陰影を表す陰影
情報として利用する際、３次元座標データＤｘ，Ｄｙ，
Ｄｚに基づく対象物１０の３次元画像と陰影情報により
表される陰影との位置合わせの必要性がなくなると同時
に、同位置合わせによる誤差もなくなる。

【００４４】その結果、上記実施形態によれば、陰影情
報を入手するビデオカメラなどの特別な機器を必要とす
ることなく、３次元座標データにより生成した３次元画
像に陰影を正確かつ簡単に付することができる。

【００４５】なお、上記実施形態においては、第３ミラ
ー１１５から対象物１０の表面までのＺ軸方向の距離Ｌ
ｚを、対象物１０の表面からの反射光を受光しているラ
インセンサ１１８の複数の受光素子の中央位置に応じて
決定するようにした。しかし、本発明者等による実験に
よれば、前記中央位置は、反射光の散乱の程度が大きく
なって受光幅Ｌｚが増加するにしたがって、距離Ｌｚに
対応したラインセンサ１１８による本来の受光位置から
徐々にずれていくことを確認した。上記実施形態による
装置では、図８に示すように、ラインセンサ１１８の複
数の受光素子の中央位置Ｌz1が距離Ｌｚに対応したライ
ンセンサ１１８による本来の受光位置Ｌz0に対して遠く
なる側にずれるとともに、このずれ量Ｌz1−Ｌz0が受光
幅Ｌzs（＝Ｂ）が大きくなるに従って増加した。言い換
えれば、図８に破線で示すように、受光幅Ｌzs（＝Ｂ）
が大きくなるに従って、反射光の散乱すなわち受光幅が
本来の受光位置Ｌz0に対して遠くなる側にて大きくなっ
た。

【００４６】このラインセンサ１１８による受光位置の
変化を修正するために、上記実施形態の図６に示した機
能ブロック図の一部を図９のように変形するように、電
気制御回路装置１５０を変形した。この変形例は、受光
幅Ｂの大きさに応じて変化する補正係数ｋを出力する補
正係数テーブル１５８を設けるとともに、除算部１５５
と加算部１５６との間に同除算部１５５による除算結果
Ｂ／２に補正係数ｋを乗算する乗算部１５９を挿入した
ものである。この場合、補正係数テーブル１５８は、図
１０に示すように、受光幅Ｂに対して、同受光幅Ｂが増
加するに従って「１．０」から徐々に減少する補正係数
ｋを記憶したものである。なお、この補正係数ｋの特性
は、レーザ発振器１１１から発射されるレーザ光の波
長、ラインセンサ１１８の特性などに依存するもので、
実験により決定するとよい。

【００４７】このように構成した変形例によれば、加算
部１５６から出力される距離Ｌｚは、第１計数部１５３
による計数値Ａに、除算部１５５による除算結果Ｂ／２
を補正係数ｋで補正した補正値ｋ・Ｂ／２を加算した値
(Ａ＋ｋ・Ｂ／２)になる。そして、補正係数ｋは、前述
のように、同受光幅Ｂが増加するに従って「１．０」か
ら徐々に減少するように設定されているので、補正係数
テーブル１５８及び乗算部１５９による補正により、距
離Ｌｚは、受光幅Ｂが増加するに従って、反射光を受光
しているラインセンサ１１８の複数の受光素子の中央位
置に対応した距離よりも近くなる側に補正される。これ
により、反射光の散乱の程度が大きくなって受光幅Ｌｚ
が増加しても、計測距離Ｌｚが前記反射光の散乱による
影響を受け難くなる。したがって、陰影情報を精度よく
検出するための反射光の受光幅Ｌｚが大きくなるレーザ
光（光ビーム）を用いても、高精度の座標データＤｘ，
Ｄｙ，Ｄｚを得ることができ、正確な３次元画像を得る
ことができる。

【００４８】また、上記実施形態においては、枠体１０
４及び第３ミラー１１５の回転を制御するために回転角
センサ１１０，１２１によって検出した回転角をフィー
ドバックして電動モータ１０５，１１９の回転を制御す
るようにした。しかし、電動モータ１０５，１１９とし
てステップモータのような回転角センサ１１０，１２１
を用いなくても回転位置を制御可能な電動モータを用い
るようにすれば、前記回転角センサ１１０，１２１は不
要となる。この場合、電気制御回路装置１５０は、対象
物１０の表面をレーザ光でＸ軸及びＹ軸方向に走査する
ために電動モータ１０５，１１９の回転位置を制御する
ようにするとともに、同制御に連動して上記レーザ光の
照射方向θｘ，θｙを表す信号をコンピュータ本体２０
０の座標変換部２１０に出力するようにするとよい。

【００４９】また、上記実施形態においては、３次元画
像を表示する手段として表示装置３００を設けるように
したが、これに代え又はこれに加えて３次元画像を印刷
するプリンタ装置を設けるようにしてもよい。この場
合、プリンタ装置は、コンピュータ本体２００の画像処
理部２２０から供給される表示データに基づいて３次元
画像を印刷するようにすればよい。

【００５０】さらに、上記実施形態においては、ビデオ
カメラ、ＣＣＤカメラなどの２次元画像取得手段を用い
なかったが、上記３次元画像に、より正確な陰影を付加
したり、正確な色彩を付加する場合などには、対象物１
０の２次元画像を取得可能なビデオカメラ、ＣＣＤカメ
ラなどの２次元画像取得手段を上記形状測定装置１００
に併用するようにしてもよい。この場合、前記陰影情報
としての計測受光幅Ｌｚを表す情報を前記２次元画像取
得手段にて取得した２次元画像との位置合わせに利用で
きる。また、受光幅Ｌｚは対象物の表面の色彩に応じて
も変化するので、受光幅Ｌｚと色彩の関係を予め調べて
おき、生成した３次元画像に計測受光幅Ｌｚに応じた色
彩を付することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係る３次元画像生成装
置の全体を示す概略図である。

【図２】 図１の光学系装置のみを抜き出した概略斜視
図である。

【図３】 対象物の表面までの距離を測定する３角測量
法を説明するための同測量法の原理図である。

【図４】 前記３次元画像生成装置の電気的ブロック図
である。

【図５】 対象物のレーザ光による走査を説明するため
の説明図である。

【図６】 図４の電気制御回路装置にて実行されて対象
物までの距離及びラインセンサによる受光幅の計測機能
を実現する機能ブロック図である。

【図７】 ラインセンサの各受光素子から電気制御回路
装置の取込み部に取込まれる信号と、同各受光素子の受
光量との関係を示す図である。

【図８】 反射光の散乱が対象物までの距離の計測に与
える影響を説明するための説明図である。

【図９】 図６の機能ブロック図の変形例を示すブロッ
ク図である。

【図１０】 図９の補正係数テーブルに記憶されている
補正係数の変化特性を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１０…対象物、１００…形状測定装置、１０４…枠体、
１０５，１１９…電動モータ、１１０，１２１…回転角
センサ、１１１…レーザ発振器、１１２…集光器、１１
３〜１１６…ミラー、１１７…結像器、１１８…ライン
センサ、１５０…電気制御回路装置、１５２…比較部、
１５３，１５４…計数部、１５８…補正係数テーブル、
２００…コンピュータ本体、２１０…座標変換部、２２
０…画像処理部、３００…表示装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村越 素和 静岡県浜松市東三方町90番地の３ パルス テック工業株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA53 DD12 EE00 FF01 FF09 GG04 HH04 JJ02 JJ25 LL12 LL13 LL62 MM16 MM26 QQ24 SS13 5B057 BA13 BA15 CE20 DA07 DB03 DC02 DC09 5B080 GA11

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対象物に向けて光ビームを放射して同対象
   物の表面に照射スポットを形成する光ビーム放射手段
   と、 前記光ビームの放射方向を変更して前記対象物の表面に
   形成される照射スポットの位置を変更する放射方向変更
   手段と、 前記対象物の表面からの反射光を集光して結像する結像
   手段と、 前記結像手段による反射光の結像位置に一列に配置され
   た複数の受光素子からなるラインセンサと、 前記対象物の表面に対する光ビームの各照射スポットの
   位置毎に、前記光ビームの放射方向及び前記ラインセン
   サによって検出される反射光の受光位置に基づいて前記
   対象物の表面に関する３次元座標データを計算する座標
   変換手段と、 前記各照射スポットの位置毎に計算した各３次元座標デ
   ータに基づいて前記対象物の３次元画像を生成する画像
   処理手段とを備えた３次元画像生成装置において、 前記対象物の表面に対する光ビームの各照射スポットの
   位置毎に、前記ラインセンサによって検出された反射光
   の受光幅を計測する受光幅計測手段を設け、 前記画像処理手段は、前記各照射スポットの位置毎に計
   測した反射光の受光幅を、前記対象物の表面の陰影を表
   す陰影情報として利用して前記対象物の３次元画像を生
   成する３次元画像生成装置。
2. 【請求項２】前記請求項１に記載した３次元画像生成装
   置において、 前記座標変換手段に、前記受光幅計測手段によって計測
   された反射光の受光幅に基づいて、前記計算される３次
   元座標データのうちで前記光ビーム放射手段から前記対
   象物の表面までの距離に関する座標データを補正する補
   正手段を設けたことを特徴とする３次元画像生成装置。
3. 【請求項３】対象物に向けて方向を変更しながら光ビー
   ムを放射して同対象物の表面に順次位置を変えながら照
   射スポットを形成し、 前記対象物の表面からの反射光を集光して一列に配置さ
   れた複数の受光素子からなるラインセンサ上に結像さ
   せ、 前記対象物の表面に対する光ビームの各照射スポットの
   位置毎に、前記光ビームの放射方向及び前記ラインセン
   サによる反射光の受光位置に基づいて前記対象物の表面
   に関する３次元座標データを計算して、 前記各照射スポットの位置毎に計算した各３次元座標デ
   ータに基づいて前記対象物の３次元画像を生成するよう
   にした３次元画像生成方法において、 前記ラインセンサによる反射光の受光幅を計測し、 前記計測した受光幅を前記対象物の表面の陰影を表す陰
   影情報として利用して前記対象物の３次元画像を生成す
   る３次元画像生成方法。
4. 【請求項４】前記請求項３に記載した３次元画像生成方
   法において、 前記計測した受光幅に基づいて、前記計算される３次元
   座標データのうちで前記光ビーム放射手段から前記対象
   物の表面までの距離に関する座標データを補正するよう
   にしたことを特徴とする３次元画像生成方法。