JP2007071892A

JP2007071892A - 形状計測装置

Info

Publication number: JP2007071892A
Application number: JP2006337968A
Authority: JP
Inventors: Moritoshi Ando; 護俊安藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2007-03-22

Abstract

【課題】光切断法による形状計測を容易、かつ、高精度に行うことができるようにした形状計測装置を提供する。
【解決手段】光源８５から出射された光は、二次元シャッタ８６及びレンズ８７を介して形状計測対象物８４の表面に照射され、形状計測対象物８４の表面からの反射光は、レンズ８８を介して、ＣＣＤカメラ８９の受光面に入射し、ＣＣＤカメラ８９により形状計測対象物８４の表面が撮像される。そこで、二次元シャッタ８６中の開状態とするシャッタを適当に選択することにより、必要に応じて種々の形状の投射パターンを形状計測対象物８４に投射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を使用して形状を三次元計測する形状計測装置に関する。

図７は従来の形状計測装置の一例の概念図である。この形状計測装置は、光切断法を利用するものであり、図７中、２３は形状計測対象物、２４は形状計測対象物２３が載置された計測台、２５はスリット光２６を出射するスリット光源、２７は形状計測対象物２３及び計測台２４からの反射光を集光するレンズ、２８はＣＣＤカメラ、２９はＣＣＤカメラ２８の受光面である。

この形状計測装置は、スリット光源２５から出射されるスリット光２６を形状計測対象物２３及び計測台２４に投射し、形状計測対象物２３に形成された反射ライン３０の像３０Ａ及び計測台２４に形成された反射ライン３１、３２の像３１Ａ、３２ＡをＣＣＤカメラ２８の受光面２９に結像し、反射ライン像３０Ａの反射ライン像３１Ａ、３２Ａに対する位置関係から形状計測対象物２３の高さを計測するというものである。
特開平０６−３３７２０７号公報

光切断法による形状計測方法は、医療分野において、例えば、図８に示すように、皮膚の表面にできた腫れ物５４の形状変化を計測する場合や、人体計測分野において、人間（顔）識別や、個人識別や、図９に示すように、口の形状計測による言葉読み込み等に適用することが考えられている。

ところが、光切断法による形状計測を行う図７に示す従来の形状計測装置においては、決まった方向のスリット光２６しか出射することができず、形状計測対象物に対して最適な方向からのスリット光の投射や、形状計測対象物の形状に適した形状の投射パターンを投射することができず、このため、高精度の形状計測を行うことができないという問題点があった。

本発明は、かかる点に鑑み、光切断法による形状計測を容易、かつ、高精度に行うことができるようにした形状計測装置を提供することを目的とする。

本発明中、第１の発明の形状計測装置は、光源と、開閉状態を個別に制御可能とされた複数のシャッタを二次元的に配置して構成され、光源から出射される光の通過を制御して投射パターンを形成する二次元シャッタとを有し、投射パターンを形状計測対象物に投射する投射パターン投射手段と、形状計測対象物の表面を観測する観測手段とを備えているというものである。

本発明中、第２の発明の形状計測装置は、第１の発明において、形状計測対象物に投射パターンを投射した場合に観測できる形状計測対象物の第１の画像を記憶する第１の画像記憶手段と、形状計測対象物に投射パターンを投射しない場合に観測できる形状計測対象物の第２の画像を記憶する第２の画像記憶手段と、第１の画像記憶手段が記憶する第１の画像と、第２の画像記憶手段が記憶する第２の画像との差分画像を演算する差分画像演算手段とを備えているというものである。

本発明中、第１の発明によれば、二次元シャッタを構成するシャッタの開閉状態を個別に制御することにより、種々の形状の投射パターンを形成することができるので、光切断法により形状計測対象物の形状計測を行うに際して、形状計測対象物の表面形状に適した投射パターンを投射することができる。したがって、形状計測対象物の形状計測を容易、かつ、高精度に行うことができる。

本発明中、第２の発明によれば、第１の発明と同様に、光切断法により形状計測対象物の形状計測を行うに際して、形状計測対象物の表面形状に適した投射パターンを投射することができると共に、環境照明の影響を取り除き、投射パターンのみによる画像を得ることができる。したがって、第１の発明以上に、形状計測対象物の形状計測を容易、かつ、高精度に行うことができる。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態の概念図である。図１中、８４は形状計測対象物、８５は均一照明光を出射する光源、８６は光源８５の前方に配置された投射型の液晶表示パネルからなる二次元シャッタ、８７は二次元シャッタ８６の前方に配置されたレンズ、８８は形状計測対象物８４の表面からの反射光を集光するためのレンズ、８９は形状計測対象物８４の表面を撮像するためのＣＣＤカメラである。

このように構成された本発明の第１実施形態においては、光源８５から出射された光は、二次元シャッタ８６及びレンズ８７を介して形状計測対象物８４の表面に照射され、形状計測対象物８４の表面からの反射光は、レンズ８８を介して、ＣＣＤカメラ８９の受光面に入射し、ＣＣＤカメラ８９により形状計測対象物８４の表面が撮像され、形状計測対象物８４の表面形状が三次元計測される。

本発明の第１実施形態においては、光源８５の前方に二次元シャッタ８６を配置させているので、開状態とするシャッタを適当に選択することにより、例えば、図２に示すような平行なスリット光９１、９２、９３からなる投射パターン９４や、図３に示すような放射状のスリット光９５、９６、９７、９８からなる投射パターン９９等、必要に応じて種々の形状の投射パターンを形状計測対象物８４に投射することができる。

したがって、本発明の第１実施形態によれば、光切断法により形状計測対象物８４の形状計測を行うに際して、形状計測対象物８４の表面形状に適した投射パターンを投射することができるので、形状計測対象物８４の形状計測を容易、かつ、高精度に行うことができる。

（第２実施形態）
図４は本発明の第２実施形態の概念図である。図４中、１００は形状計測対象物とされた顔、１０１は均一な照明光を出射する光源、１０２は光源１０１の前方に配置された投射パターンを形成するための投射型の液晶表示パネルからなる二次元シャッタ、１０３は形状計測対象物１００に投射する投射パターンの倍率を制御可能とされたレンズ装置、１０４は形状計測対象物を撮像するためのＣＣＤカメラである。

また、１０５、１０６は１フレーム分の記憶容量を持つ画像記憶装置、１０７はＣＣＤカメラ１０４から出力される画像信号を画像記憶装置１０５又は画像記憶装置１０６に振り分けるためのスイッチである。

また、１０８は装置全体を制御するシステムコントローラ、１０９は画像記憶装置１０５に記憶されている画像と画像記憶装置１０６に記憶されている画像との差分を演算して差分画像を得るための差分画像演算回路、１１０は差分画像演算回路１０９から出力される差分画像信号から形状計測対象物の各部の高さを計測する高さ計測ユニットである。

図５は本発明の第２実施形態の動作を説明するための波形図である。図５（Ａ）はシステムコントローラ１０８からＣＣＤカメラ１０４に与えられる撮像タイミング信号を示しており、ＣＣＤカメラ１０４は、撮像タイミング信号＝Ｈレベルの場合には撮像状態とされ、撮像タイミング信号＝Ｌレベルの場合には非撮像状態とされる。

また、図５（Ｂ）は二次元シャッタ１０２による投射パターンの投射タイミングを制御する投射パターン投射タイミング信号を示しており、投射パターン投射タイミング信号＝Ｈレベルの場合には、二次元シャッタ１０２により形成される投射パターンが形状計測対象物に投射され、投射パターン投射タイミング信号＝Ｌレベルの場合には、二次元シャッタ１０２は、全シャッタを閉状態とされ、投射パターンは形成されない。

なお、システムコントローラ１０８は、ＣＣＤカメラ１０４が投射パターンを形状計測対象物に投射した場合に取得した画像信号を出力する場合には、これを画像記憶装置１０５に伝送し、ＣＣＤカメラ１０４が投射パターンを形状計測対象物に投射しない場合に取得した画像信号を出力する場合には、これを画像記憶装置１０６に伝送するようにスイッチ１０７を制御する。

このように構成された本発明の第２実施形態においては、顔１００を形状計測対象物とする場合には、例えば、まず、二次元シャッタ１０２により形成される投射パターンがレンズ装置１０３を介して顔１００の表面に投射され、ＣＣＤカメラ１０４により顔１００が撮像され、この場合に得られる画像信号が画像記憶装置１０５に記憶される。

この場合には、例えば、図６（Ａ）に示すように、環境照明による顔１００の画像に投射パターン１１３による顔１００の画像が重ね合わされた画像が画像記憶装置１０５に記憶されることになる。

次に、二次元シャッタ１０２の全シャッタが閉状態とされ、投射パターンが顔１００に投射されない状態の下で、ＣＣＤカメラ１０４により顔１００が撮像され、この場合に得られる画像信号が画像記憶装置１０６に記憶される。この場合には、図６（Ｂ）に示すように、環境照明による顔１００の画像が画像記憶装置１０６に記憶されることになる。

次に、差分画像演算回路１０９において、画像記憶装置１０５に記憶されている画像から画像記憶装置１０６に記憶されている画像との差分が演算され、差分画像信号が高さ計測ユニット１１０に伝送される。以下、同様の動作が繰り返される。

即ち、本発明の第２実施形態においては、ＣＣＤカメラ１０４が奇数フレーム又は偶数フレームのいずれかの画像を撮像する場合のみ、二次元シャッタ１０２による投射パターンを形状計測対象物に投射するように二次元シャッタ１０２が制御される。

したがって、顔１００の形状計測を行う場合には、図６（Ｃ）に示すように、図６（Ａ）に示す環境照明による顔１００の画像に投射パターン１１３による顔１００の画像が重ね合わされた画像から図６（Ｂ）に示す環境照明による顔１００の画像が差し引かれ、図６（Ｃ）に示す投射パターン１１３による顔１００の画像のみが得られることになる。

このように、本発明の第２実施形態によれば、二次元シャッタ１０２を備えているので、光切断法により形状計測対象物の形状計測を行うに際して、本発明の第１実施形態と同様に、形状計測対象物の表面形状に適した投射パターンを投射することができると共に、環境照明の影響を取り除く、投射パターンのみによる画像を得ることができるので、本発明の第１実施形態以上に、形状計測対象物の形状計測を容易、かつ、高精度に行うことができる。

また、ＣＣＤカメラ１０４が奇数フレーム又は偶数フレームのいずれかの画像を撮像する場合にのみ、二次元シャッタ１０２による投射パターンを形状計測対象物に投射するようにしているので、形状計測対象物が高速に移動又は変化する場合であっても、形状計測を行うことができる。

また、形状計測対象物に投射する投射パターンの倍率を制御可能とされたレンズ装置１０３を備えているので、形状計測対象物の一部分（たとえば、顔の中の鼻、口など）にのみ投射パターンを投射し、これを拡大観測する場合には、形状計測対象物の一部分について詳細な観測を行うことができる。

本発明の第１実施形態の概念図である。本発明の第１実施形態で形成することができる投射パターンの例を示す平面図である。本発明の第１実施形態で形成することができる投射パターンの例を示す平面図である。本発明の第２実施形態の概念図である。本発明の第２実施形態の動作を説明するための波形図である。本発明の第２実施形態の動作を説明するための平面図である。従来の形状計測装置の一例の概念図である。図７に示す従来の形状計測装置が有する問題点を説明するための図である。図７に示す従来の形状計測装置が有する問題点を説明するための図である。

符号の説明

８４…形状計測対象物
８５…光源
８６…二次元シャッタ
８７、８８…レンズ
８９…ＣＣＤカメラ
９１〜９３…スリット光
９４…投射パターン
９５〜９８…スリット光
９９…投射パターン
１００…顔
１０１…光源
１０２…二次元シャッタ
１０３…レンズ装置
１０４…ＣＣＤカメラ
１０５、１０６…画像記憶装置
１０７…スイッチ
１０８…システムコントローラ
１０９…差分画像演算回路
１１０…高さ計測ユニット
１１３…投射パターン

Claims

光源と、開閉状態を個別に制御可能とされた複数のシャッタを二次元的に配置して構成され、前記光源から出射される光の通過を制御して投射パターンを形成する二次元シャッタとを有し、前記投射パターンを形状計測対象物に投射する投射パターン投射手段と、
前記形状計測対象物の表面を観測する観測手段とを備えていることを特徴とする形状計測装置。
前記形状計測対象物に前記投射パターンを投射した場合に観測できる前記形状計測対象物の第１の画像を記憶する第１の画像記憶手段と、
前記形状計測対象物に前記投射パターンを投射しない場合に観測できる前記形状計測対象物の第２の画像を記憶する第２の画像記憶手段と、
前記第１の画像記憶手段が記憶する第１の画像と、前記第２の画像記憶手段が記憶する第２の画像との差分画像を演算する差分画像演算手段とを備えていることを特徴とする請求項１記載の形状計測装置。