JP2007093412A - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定面の形状変化が大きいような場合でも、三角測量の原理に基づき、被測定面の３次元形状を高精度に求めることが可能な３次元形状測定装置を得る。
【解決手段】被測定面７に輝線を投影、走査する投影走査系２と、被測定面７に投影されて変形した輝線を互いに異なる方向から撮像する第１および第２の撮像系３，４と、輝線の投影方向を検出する投影方向検出手段５とを備えることにより、第１の３次元座標取得部６１によって得られたステレオ法による３次元座標データに基づく形状解析と、第２の３次元座標取得手段によって得られた光切断法による３次元座標データに基づく形状解析とを、適宜組み合わせて実施できるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、三角測量の原理を用いて被測定面の３次元形状を求める３次元形状測定装置に関し、特に、形状の変化が大きい被測定面への適用が好適な３次元形状測定装置に関する。

従来、三角測量の原理を利用する３次元形状測定装置としては、被測定面を互いに異なる方向から２つの撮像系で撮像して視差の情報から形状を求めるステレオ法という手法を用いるものが知られている。ステレオ法では、２つの撮像系により撮像された画像間の対応点を求める対応点探索が必要となるが、これを精度良く行なうことができれば、高精度な測定結果を得ることが可能となる。下記特許文献１には、２つの画像間の対応点の判別を容易とするため、被測定面に点状や線状の測定用パターンを投影することが記載されている。

また、ステレオ法における２つの撮像系の一方を、光スポット（点状の測定用パターン）や、輝線（直線状の測定用パターン）の投影走査系に置き換えた光切断法という手法を用いるものも知られている（下記特許文献２参照）。光切断法は、被測定面に光スポットや輝線を投影、走査し、それを投影方向とは異なる方向から撮像するものであり、撮像時点における光スポットや輝線の投影方向を検出すること、および投影走査系と撮像系との距離（基線長）を求めておくことが必要であるが、一般的なステレオ法における対応点探索が不要なため解析が容易となる。

特開平５−２６６４０号公報 特開平１０−１２２８３７号公報

しかしながら、従来のステレオ法および光切断法においては、形状変化が大きい被測定面を測定する場合、被測定面に対する撮像系の向きによっては、被測定面の一部領域を観察することができないため、高精度な測定結果を得ることができないという問題がある。

ステレオ法の場合、異なる２方向から同時に撮像された画像が、被測定面の全領域に亘って必要となるが、被測定面に対する２つの撮像系の向きを固定すると、被測定面の一部領域については一方の撮像系でしか撮像できないことがある。上記特許文献１には、被測定面と２つの撮像系との位置関係を変化させることが開示されているが、位置関係の変動に伴う測定誤差が生じる虞がある。

光切断法の場合でも、光スポットや輝線（の一部）を観察することができない領域が被測定面上に生じることがあり、そのような領域については、被測定面の３次元データを求めることが困難となる。例えば、輝線の一部が欠けて観察された場合において、輝線が直線であることを利用して、欠けた領域の３次元データを補完する手法も存在するが、精度が低下することは否めない。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、被測定面の形状変化が大きいような場合でも、三角測量の原理に基づき、被測定面の３次元形状を高精度に求めることが可能な３次元形状測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の３次元形状測定装置では、ステレオ法による形状解析と光切断法による形状解析とを、適宜組み合わせて行なえるようにしている。

すなわち、本発明に係る３次元形状測定装置は、被測定面に測定用パターンを投影、走査する投影走査系と、
前記被測定面に投影、走査された前記測定用パターンを互いに異なる方向から撮像する第１および第２の撮像系と、
前記測定用パターンの投影方向を検出する投影方向検出手段と、
前記第１の撮像系により撮像された画像上における前記測定用パターンの座標と、該第１の撮像系と同じタイミングで前記第２の撮像系により撮像された画像上における前記測定用パターンの座標との対応関係、および前記第１および第２の撮像系の間に設定された第１基線長に基づき、前記測定用パターンが投影された位置における前記被測定面の３次元座標を求める第１の３次元座標取得手段と、
前記第１の撮像系により撮像された画像上における前記測定用パターンの座標と、該第１の撮像系と前記投影走査系との間に設定された第２基線長と、前記投影方向とに基づき、および／または、前記第２の撮像系により撮像された画像上における前記測定用パターンの座標と、該第２の撮像系と前記投影走査系との間に設定された第３基線長と、前記投影方向とに基づき、前記測定用パターンが投影された位置における前記被測定面の３次元座標を求める第２の３次元座標取得手段と、
前記測定用パターンが前記被測定面を走査する過程において、前記第１および第２の３次元座標取得手段によりそれぞれ求められた３次元座標データを、適宜組み合わせて前記被測定面の３次元形状を求める３次元形状解析手段と、を備えてなることを特徴とする。

本発明の３次元形状測定装置において、第２の３次元座標取得手段は、第１および第２の撮像系のうちいずれか一方の撮像系のみが測定用パターンを撮像可能であった場合に、該一方の撮像系により撮像された測定用パターンの画像上における座標と、前記第２および第３基線長のうち該一方の撮像系に対応する方の基線長と、前記投影方向とに基づき、該一方の撮像系により撮像された測定用パターンが投影された位置における被測定面の３次元座標を求めるように構成されている、とすることができる。

また、投影走査系は、回動する反射ミラーを介して測定用パターンを被測定面に投影、走査するように構成することができ、この場合、第１および第２の撮像系は、反射ミラーの回動中心を挟んで互いに対称に配置されていることが好ましい。

本発明の３次元形状測定装置によれば、上記構成を備えていることにより、第１の３次元座標取得手段によって得られた３次元座標データに基づく形状解析（ステレオ法による形状解析）と、第２の３次元座標取得手段によって得られた３次元座標データに基づく形状解析（光切断法による形状解析）とを、適宜組み合わせて実施することが可能となる。

これにより、例えば、２つの撮像系により同時に測定用パターンを撮像可能であった場合には、ステレオ法による形状解析を行ない、２つの撮像系のうちいずれか一方の撮像系のみが測定用パターンを撮像可能であった場合には、光切断法による形状解析を行なうことができる。

被測定面の形状変化が大きい場合でも、投影走査系により被測定面に投影、走査された測定用パターンを、２つの撮像系により互いに異なる方向から撮像することによって、被測定面の各領域について、少なくとも一方の撮像系においては測定用パターンを撮像し得る確率は高くなる。したがって、本発明の３次元形状測定装置によれば、被測定面と撮像系との相対的位置を変化させなくとも、形状変化が大きい被測定面の３次元座標データを略全域に亘って得ることができるので、その３次元形状を高精度に測定することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る３次元形状測定装置の全体構成を示す図であり、図２はその測定原理を示す概略図である。

図１に示す３次元形状測定装置は、三角測量の原理を用いて被測定面７の３次元形状を測定解析するものであり、図示せぬ三脚に支持された装置本体１と、コンピュータ等からなる解析装置６とを備えてなる。

装置本体１は、被測定面７に輝線（直線状の測定用パターン）Ｋ（図２参照）を投影、走査する投影走査系２と、被測定面７に投影されて変形した輝線Ｋ_０（図２参照）を互いに異なる方向から撮像する第１および第２の撮像系３，４と、輝線Ｋの投影方向を検出する投影方向検出手段５と、を備えてなる。

上記投影走査系２は、半導体レーザ装置等からなる光源部２１と、投影レンズ２２と、回動可能な反射ミラーからなる走査ミラー２３を有してなる。光源部２１からは直進性の高い光が出力されるように構成されており、投影レンズ２２は、光源部２１からの出力光を輝線生成用の光束に変換して走査ミラー２３の回動中心（走査ミラー２３の回動軸Ｃ（図２参照）と、投影走査系２の光軸Ｌ_１との交点に位置する。以下「基点Ｐ_１」と称す）に向けて出射するように構成されている。また、上記走査ミラー２３は、図示せぬ回動装置を介して装置筺体に支持されており、回動装置により回動せしめられながら投影レンズ２２からの光束を反射することにより、上記輝線Ｋを所定の角度範囲で走査するようになっている。

上記第１の撮像系３は、被測定面７に投影、走査された輝線Ｋ_０を、輝線Ｋ_０の投影方向とは異なる方向から撮像するものであり、図１に示すように、撮像レンズ３１と撮像カメラ３２とを有してなる。撮像カメラ３２は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像面で形成される撮像面３３を備えており、撮像レンズ３１は、被測定面７に投影、走査された輝線Ｋ_０の像を、撮像面３３上に結像させるように構成されている。また、撮像カメラ３２は、撮像面３３上に結像された画像情報を画像信号に変換し、解析装置６に出力するようになっている。

上記第２の撮像系４は、被測定面７に投影、走査された輝線Ｋ_０を、輝線Ｋ_０の投影方向および第１の撮像系３とは異なる方向から撮像するものであり、図１に示すように、撮像レンズ４１と撮像カメラ４２とを有してなる。撮像カメラ４２は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像面で形成される撮像面４３を備えており、撮像レンズ４１は、被測定面７に投影、走査された輝線Ｋ_０の像を、撮像面４３上に結像させるように構成されている。また、撮像カメラ４２は、撮像面４３上に結像された画像情報を画像信号に変換し、解析装置６に出力するようになっている。

本実施形態において、第１および第２の撮像系３，４は、上記基点Ｐ_１（走査ミラー２３の回動中心）を挟んで互いに対称に配置されている。すなわち、図１において、第１の撮像系３における撮像レンズ３１の入射瞳の中心（以下「基点Ｐ_２」と称す）と、第２の撮像系４における撮像レンズ４１の入射瞳の中心（以下「基点Ｐ_３」と称す）とは、上記基点Ｐ_１を挟んで左右対称に配置されている。また、第１および第２の撮像系３，４の各光軸Ｌ_２，Ｌ_３の向きが、互いに左右対称となるように配置されている。これにより、第１および第２の撮像系３，４の収差等に起因する測定誤差を左右対称とすることができるので、誤差補正が容易となるという利点がある。

また、第１および第２の撮像系３，４の相互間と、これらと上記投影走査系２との間には、被測定面７の形状解析の際に行なわれる演算において、その長さが重要なパラメータとなる基線長がそれぞれ設定されている。本実施形態においては、上述の基点Ｐ_２，Ｐ_３間に第１基線長ｄ_１が設定されており、基点Ｐ_１，Ｐ_２間に第２基線長ｄ_２が、基点Ｐ_１，Ｐ_３間に第３基線長ｄ_３が、それぞれ設定されている。なお、上述した対称性により、本実施形態においては、ｄ_２＝ｄ_３であり、またｄ_１＝ｄ_２＋ｄ_３となっている。

上記投影方向検出手段５は、ロータリーエンコーダ等を有してなり、上記走査ミラー２３の回動角度に基づき輝線Ｋの投影方向を検出し、その検出信号を解析装置６に出力するようになっている。

一方、上記解析装置６は、メモリに格納された処理プログラムや、ＣＰＵ、演算回路等によりそれぞれ構成される第１の３次元座標取得部６１、第２の３次元座標取得部６２、および３次元形状解析部６３を備えてなる。

第１の３次元座標取得部６１は、第１の３次元座標取得手段を構成するものであり、第１の撮像系３により撮像された画像上における輝線Ｋ_Ｌ（図２参照）の座標と、第１の撮像系３と同じタイミングで第２の撮像系４により撮像された画像上における輝線Ｋ_Ｒ（図２参照）の座標との対応関係、および第１および第２の撮像系３，４の間に設定された第１基線長ｄ_１に基づき、輝線Ｋ_０が投影された位置における被測定面７の３次元座標を求めるように構成されている。

第２の３次元座標取得部６２は、第２の３次元座標取得手段を構成するものであり、第１の撮像系３により撮像された画像上における輝線Ｋ_Ｌの座標と、第１の撮像系３と投影走査系２との間に設定された第２基線長ｄ_２と、輝線Ｋ_０の投影方向とに基づき、および／または、第２の撮像系４により撮像された画像上における輝線Ｋ_Ｒの座標と、第２の撮像系４と投影走査系２との間に設定された第３基線長ｄ_３と、輝線Ｋ_０の投影方向とに基づき、輝線Ｋ_０が投影された位置における被測定面７の３次元座標を求めるように構成されている。

３次元形状解析部６３は、３次元形状解析手段を構成するものであり、輝線Ｋ_０が被測定面７を走査する過程において、第１および第２の３次元座標取得部６１，６２によりそれぞれ求められた３次元座標データを、適宜組み合わせて被測定面７の３次元形状を求めるように構成されている。

次に、本実施形態に係る３次元形状測定装置の作用、および測定解析手順について説明する。

（１）３次元形状測定装置の略正面に設置された被測定面７に対し、投影走査系２が輝線Ｋを投影、走査する。図２に示すように、輝線Ｋは鉛直方向に延びる直線状のパターンであり、走査方向は水平方向とされている。

（２）被測定面７に投影され、被測定面７の形状に応じて変形した輝線Ｋ_０を、その走査期間中の所定のタイミング毎に、第１および第２の撮像系３，４によって、互いに異なる方向から同時に撮像する。撮像された各画像情報は、共に第１および第２の３次元座標取得部６１，６２へと順次送られる。なお、第１および第２の撮像系３，４においては、各撮像面３３，４３上の複数の画素に跨って輝線Ｋ_０が結像されるように、予め撮像倍率等の調整が行なわれている。

（３）第１および第２の撮像系３，４による撮像タイミングに同期して、投影方向検出手段５により輝線Ｋの投影方向を検出し、その情報が第２の３次元座標取得部６２へと送られる。

（４）第１の撮像系３から送られてきた画像情報に基づき、第１の３次元座標取得部６１において、第１の撮像系３により撮像された画像上における輝線Ｋ_Ｌ上の各点の座標（図２において（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）と例示）を求める。この座標の特定に際しては、画像上における輝線Ｋ_Ｌの線幅中心を求める必要があるが、線幅中心の特定方法としては、２値化処理による方法や、強度分布がガウス分布に従うとして、線幅内で強度がピークとなる位置を求める方法などを用いることができる。

（５）第２の撮像系４から送られてきた画像情報に基づき、第１の３次元座標取得部６１において、第２の撮像系４により撮像された画像上における輝線Ｋ_Ｒ上の各点の座標（図２において（ｘ´_ｐ，ｙ´_ｑ）と例示）を求める。この座標の特定方法は、上述したのと同様である。

（６）第１の３次元座標取得部６１において、輝線Ｋ_Ｌ上の各点が輝線Ｋ_Ｒ上のどこに位置するのかを求める対応点探索を行ない、これにより、第１の撮像系３により撮像された画像上における輝線Ｋ_Ｌの座標と、第１の撮像系３と同じタイミングで第２の撮像系４により撮像された画像上における輝線Ｋ_Ｒの座標との対応関係を求める。なお、対応点探索の手法としては、一方の画像上における視線を他方の画像上に投影した線（「エピポーラ線」と称される）の上において、パターンマッチング等の手法を用いて対応点を探索する手法を用いることができる。

（７）第１の３次元座標取得部６１において、互いに対応付けられた輝線Ｋ_Ｌ，Ｋ_Ｒの各座標情報と、上記第１基線長ｄ_１とに基づき、輝線Ｋ_０が投影された位置における被測定面７の３次元座標（図２において（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と例示）を、三角測量の原理を用いて求める。なお、この３次元座標（以下「第１手法による３次元座標」と称す）を求める手法としては、ステレオ法において用いられる一般的な算定手法を用いることができる。

（８）第２の３次元座標取得部６２において、第１の撮像系３から送られてきた画像情報に基づき、第１の撮像系３により撮像された画像上における輝線Ｋ_Ｌ上の各点の座標を求めるとともに、第２の撮像系４から送られてきた画像情報に基づき、第２の撮像系４により撮像された画像上における輝線Ｋ_Ｒ上の各点の座標を求める。

（９）第２の３次元座標取得部６２において、求められた輝線Ｋ_Ｌの座標と、上記第２基線長ｄ_２と、輝線Ｋ_０の投影方向とに基づき、輝線Ｋ_０が投影された位置における被測定面７の３次元座標（以下「第２手法による３次元座標」と称す）を求めるとともに、同じく求められた輝線Ｋ_Ｒの座標と、上記第３基線長ｄ_３と、輝線Ｋ_０の投影方向とに基づき、輝線Ｋ_０が投影された位置における被測定面７の３次元座標（以下「第３手法による３次元座標」と称す）を、三角測量の原理を用いて求める。なお、これら第２手法および第３手法による３次元座標を求める手法としては、光切断法において用いられる一般的な算定手法を用いることができる。

（１０）上記（４）〜（９）の手順を、輝線Ｋ_０の走査期間中の所定のタイミング毎に、第１および第２の撮像系３，４により撮像された各画像情報に対して行なう。これにより、被測定面７の全域に亘って、上述した第１手法による３次元座標〜第３手法による３次元座標までの被測定面７に係る計３組の３次元座標が得られることになる。

（１１）３次元形状解析部６３において、第１および第２の３次元座標取得部６１，６２によりそれぞれ求められた被測定面７に係る３組の３次元座標データを、適宜組み合わせて被測定面７の３次元形状を求める。このデータの組合せは、例えば、次のように行なう。すなわち、第１手法による３次元座標は、第１および第２の撮像系３，４の双方が輝線Ｋ_０を撮像し得た場合のみ求めることができる。一方、第２手法による３次元座標は、第１の撮像系３だけが輝線Ｋ_０を撮像し得た場合のみでも求めることができ、第３手法による３次元座標は、第２の撮像系３だけが輝線Ｋ_０を撮像し得た場合のみでも求めることができる。そこで、基本的には、第１手法による３次元座標に基づき、被測定面７の３次元形状を求め、第１手法による３次元座標が得られない被測定面７の領域については、第２手法による３次元座標（第１の撮像系３だけが輝線Ｋ_０を撮像し得た場合）、または第３手法による３次元座標（第２の撮像系３だけが輝線Ｋ_０を撮像し得た場合）を、補完的に用いて３次元形状を求めるようにする。

なお、上述した手順では、第２の３次元座標取得部６２において、第２手法による３次元座標と第３手法による３次元座標との双方を常時求めるようにしているが、第１および第２の撮像系３，４の双方が輝線Ｋ_０を撮像し得た場合には、その輝線Ｋ_０が投影された被測定面７の領域については、第２手法および第３手法による３次元座標の算定は行なわず、第１および第２の撮像系３，４のうちいずれか一方の撮像系のみが輝線Ｋ_０を撮像し得た場合のみ、その輝線Ｋ_０が投影された被測定面７の領域については、撮像し得た方の撮像系の画像情報に基づく３次元座標（第１の撮像系３のみが撮像し得た場合は第２手法による３次元座標、第２の撮像系３のみが撮像し得た場合は第３手法による３次元座標）を求めるようにしてもよい。

また、本実施形態では、第１および第２の撮像系３，４の２つの撮像系を備えているが、３つ以上の撮像系を備えるようにしてもよい。さらに、本実施形態では、１つの直線状の測定用パターン（輝線Ｋ）を被測定面７に投影し、これを走査するようにしているが、複数の直線状の測定用パターンを被測定面７に投影、走査するようにしたり、点状の投影用パターンを被測定面７に投影、走査するようにしたり、他の図形からなる投影用パターンを被測定面７に投影、走査するようにしたりすることも可能である。

本発明の一実施形態に係る３次元形状測定装置の全体構成図 ３次元形状測定装置の測定原理を示す概略図

符号の説明

１ 装置本体
２ 投影走査系
３ 第１の撮像系
４ 第２の撮像系
５ 投影方向検出手段
６ 解析装置
７ 被測定面
２１ 光源部
２２ 投影レンズ
２３ 走査ミラー
３１，４１ 撮像レンズ
３２，４２ 撮像カメラ
３３，４３ 撮像面
６１ 第１の３次元座標取得部
６２ 第２の３次元座標取得部
６３ ３次元形状解析部
Ｌ_１〜Ｌ_３ 光軸
Ｐ_１〜Ｐ_３ 基点
ｄ_１ 第１基線長
ｄ_２ 第２基線長
ｄ_３ 第３基線長
Ｋ 輝線
Ｋ_０ （投影されて変形した）輝線
Ｋ_Ｌ （第１の撮像系により撮像された画像上における）輝線
Ｋ_Ｒ （第２の撮像系により撮像された画像上における）輝線
Ｃ 回動軸

Claims (4)

1. 被測定面に測定用パターンを投影、走査する投影走査系と、
   前記被測定面に投影、走査された前記測定用パターンを互いに異なる方向から撮像する第１および第２の撮像系と、
   前記測定用パターンの投影方向を検出する投影方向検出手段と、
   前記第１の撮像系により撮像された画像上における前記測定用パターンの座標と、該第１の撮像系と同じタイミングで前記第２の撮像系により撮像された画像上における前記測定用パターンの座標との対応関係、および前記第１および第２の撮像系の間に設定された第１基線長に基づき、前記測定用パターンが投影された位置における前記被測定面の３次元座標を求める第１の３次元座標取得手段と、
   前記第１の撮像系により撮像された画像上における前記測定用パターンの座標と、該第１の撮像系と前記投影走査系との間に設定された第２基線長と、前記投影方向とに基づき、および／または、前記第２の撮像系により撮像された画像上における前記測定用パターンの座標と、該第２の撮像系と前記投影走査系との間に設定された第３基線長と、前記投影方向とに基づき、前記測定用パターンが投影された位置における前記被測定面の３次元座標を求める第２の３次元座標取得手段と、
   前記測定用パターンが前記被測定面を走査する過程において、前記第１および第２の３次元座標取得手段によりそれぞれ求められた３次元座標データを、適宜組み合わせて前記被測定面の３次元形状を求める３次元形状解析手段と、
   を備えてなることを特徴とする３次元形状測定装置。
2. 前記第２の３次元座標取得手段は、前記第１および第２の撮像系のうちいずれか一方の撮像系のみが前記測定用パターンを撮像可能であった場合に、該一方の撮像系により撮像された前記測定用パターンの画像上における座標と、前記第２および第３基線長のうち該一方の撮像系に対応する方の基線長と、前記投影方向とに基づき、該一方の撮像系により撮像された前記測定用パターンが投影された位置における前記被測定面の３次元座標を求めるように構成されている、ことを特徴とする３次元形状測定装置。
3. 前記投影走査系は、回動する反射ミラーを介して前記測定用パターンを前記被測定面に投影、走査するように構成されている、ことを特徴とする請求項１または２記載の３次元形状測定装置。
4. 前記第１および第２の撮像系は、前記反射ミラーの回動中心を挟んで互いに対称に配置されている、ことを特徴とする請求項３記載の３次元形状測定装置。
   

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