JP2011220752A - 三次元形状計測装置および三次元形状計測装置のキャリブレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元形状計測におけるキャリブレーションを効率的に且つ高精度に行う。
【解決手段】ガラス材で構成され、上面、内層面、底面に、光源部１１からスリット光が
照射されたときに輝線を映すパターンが形成されたキャリブレーション用ブロックと、複
数の特徴点を有する二次元パターンの撮像画像に基づいて、カメラパラメーターを計算す
るカメラパラメーター計算部２２と、上面、内層面、底面に形成されたパターン上の輝線
の画像から特徴点を検出して二次元座標値を計算し、この二次元座標値とキャリブレーシ
ョン用ブロックの寸法データとに基づいて特徴点の三次元座標値を計算し、スリット光の
広がりを示す平面を表す式の係数を計算するスリット光平面計算部２４と、カメラパラメ
ーターと平面を表す式の係数とに基づいて、二次元座標値から三次元座標値に変換するた
めの座標系変換係数を計算する三次元座標計算部２５とを備えた。
【選択図】図５

Description

本発明は、三次元形状計測装置および三次元形状計測装置のキャリブレーション方法に
関する。

レーザー光源から射出された可視光レーザーのスリット光を計測対象物体に照射して、
その計測対象物体の表面に映る光切断線をカメラで撮像し、計測対象物体の三次元形状を
計測する三次元形状計測装置では、カメラが撮像した画像における光切断線の位置と、実
空間における計測対象物体の表面上の光切断線の位置とを対応させるキャリブレーション
（較正）が必要である。

従来、カメラの歪補正と高さ方向のキャリブレーションとを同時に行って較正作業全体
にかかる時間を短縮することのできるキャリブレーション装置が知られている（例えば、
特許文献１参照）。この特許文献１に開示されたキャリブレーション装置は、各列に階段
状ブロックを配置するとともに一列おきの階段状ブロックを前列よりも一段低く配置した
キャリブレーションブロックを用いてキャリブレーションを行うものである。

特開２００７−３３０３９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたキャリブレーション装置は、キャリブレーショ
ンブロック上の輝線を合成して得られる格子図形から画像上の座標を求めてキャリブレー
ションに用いるものであるため、輝線をキャリブレーションブロック全体に確実に走査さ
せて計測する必要があり、キャリブレーション作業に長時間がかかるものである。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、三次元形状計測におけるキャ
リブレーションを効率的に且つ高精度に行う、三次元形状計測装置および三次元形状計測
装置のキャリブレーション方法を提供することを目的とする。

［１］上記の課題を解決するために、本発明の一態様は、光源部からスリット光を照射
し、照射面に映る光切断線を撮像部で撮像して三次元形状計測を行う三次元形状計測装置
において、光透過性を有する媒体を含んで構成され、底部からの高さ寸法の異なる複数の
面それぞれに、前記光源部からスリット光が照射されたときに光切断線を映すパターンが
形成されたキャリブレーション用ブロックと、前記撮像部が撮像する複数の格子点を有す
る二次元パターンの画像に基づいて、前記撮像部のカメラパラメーターを計算するカメラ
パラメーター計算部と、前記撮像部が撮像した、前記キャリブレーション用ブロックの前
記複数の面に形成されたパターン上の光切断線の画像から特徴点を検出して二次元座標値
を計算し、この二次元座標値と前記キャリブレーション用ブロックの所定の寸法データと
に基づいて前記特徴点の世界座標系の三次元座標値を計算し、前記光源部から照射された
スリット光の広がりを示す平面を表す式の係数を計算するスリット光平面計算部と、前記
カメラパラメーターと前記平面を表す式の係数とに基づいて、画像平面における二次元座
標値から世界座標系の三次元座標値に変換するための座標系変換係数を計算する三次元座
標計算部と、を備えることを特徴とする。
［２］また、上記［１］記載の三次元形状計測装置において、前記カメラパラメーター
計算部は、前記撮像部が撮像する前記キャリブレーション用ブロックのパターンの画像に
基づいて、前記撮像部のカメラパラメーターを計算することを特徴とする。
［３］上記の課題を解決するために、本発明の一態様である三次元形状計測装置のキャ
リブレーション方法は、それぞれ角度を変えて置かれる複数の格子点を有する二次元パタ
ーンを、撮像部が撮像するステップと、前記撮像された画像に基づいて前記撮像部のカメ
ラパラメーターを計算するステップと、光透過性を有する媒体を含んで構成され、底部か
らの高さ寸法の異なる複数の面それぞれに、光源部からスリット光が照射されたときに光
切断線を映すパターンが形成されたキャリブレーション用ブロックに、前記光源部がスリ
ット光を照射するステップと、前記撮像部が前記キャリブレーション用ブロックの前記複
数の面に形成されたパターン上の光切断線を撮像するステップと、前記撮像された画像か
ら特徴点を検出して二次元座標値を計算し、この二次元座標値と前記キャリブレーション
用ブロックの所定の寸法データとに基づいて前記特徴点の世界座標系の三次元座標値を計
算し、前記光源部から照射されたスリット光の広がりを示す平面を表す式の係数を計算す
るステップと、前記カメラパラメーターと前記平面を表す式の係数とに基づいて、画像平
面における二次元座標値から世界座標系の三次元座標値に変換するための座標系変換係数
を計算するステップと、を有することを特徴とする

本発明の一態様によれば、三次元形状計測におけるキャリブレーションを効率的に且つ
高精度に行うことができる。

本発明の一実施形態である三次元形状計測装置がキャリブレーションを行っている様子を模式的に示した、三次元形状計測装置およびキャリブレーション用ブロックの斜視図である。 同実施形態における、キャリブレーション用ブロックの概略の外観を示す斜視図である。 同実施形態における、キャリブレーション用ブロックの上面と内層面と底面とのそれぞれの面に形成されるパターンの一部分を示す図である。 同実施形態において、光源部から射出されたスリット光がキャリブレーション用ブロックに照射されたときのスリット光の光路を示す図である。 同実施形態において、三次元形状計測装置の主要な機能構成を示すブロック図である。 同実施形態において、撮像部がキャリブレーション用ブロックからの反射光を撮像した画像を模式的に示した図である。 同実施形態において、三次元形状計測装置が実行するキャリブレーション処理の手順を示すフローチャートである。 同実施形態において、光源部から射出されたスリット光がキャリブレーション用ブロックに照射されたときの、キャリブレーション用ブロックの媒体内部におけるスリット光の光路を示した図である。 同実施形態において、三次元形状計測装置が実行する三次元形状計測処理の手順を示すフローチャートである。 キャリブレーション用ブロックに設けられるパターンの他の例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は
、本発明の一実施形態である三次元形状計測装置がキャリブレーションを行っている様子
を模式的に示した、三次元形状計測装置およびキャリブレーション用ブロックの斜視図で
ある。同図において、三次元形状計測装置１は、光切断法によって計測対象物体の外部形
状を計測する装置である。三次元形状計測装置１は、実空間（三次元）上の位置と計測デ
ータ（二次元）から得られる位置との対応付けを行うキャリブレーションモードと、計測
対象物体の外形形状を計測する通常計測モードとのいずれかのモードに切り替えて動作す
る。

図１に示すように、三次元形状計測装置１は、光源部１１と、撮像部１２と、載置台４
０とを備える。そして、載置台４０には、撮像部１２が撮像した画像における二次元座標
値と実空間における三次元座標値とを対応させるために用いられるキャリブレーション用
ブロック１００が載置されている。すなわち、キャリブレーション用ブロック１００は、
三次元形状計測装置１がキャリブレーションモードで動作する場合に用いられる測定対象
物体である。

ここで、キャリブレーション用ブロック１００について説明する。図２は、キャリブレ
ーション用ブロック１００の概略の外観を示す斜視図である。同図に示すように、キャリ
ブレーション用ブロック１００は、例えば直方体のブロックである。そして、キャリブレ
ーション用ブロック１００は光透過性を有する媒体を含んで構成されており、その上面１
００ＵにはパターンＰ１が形成され、内層面１００ＭにはパターンＰ２が形成され、底面
１００ＢにはパターンＰ３が形成されている。パターンが設けられた各面は平行であり、
面同士の距離は任意である。パターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３は、それぞれ幾何学模様のパター
ンであり、その詳細については後述する。

キャリブレーション用ブロック１００は、例えばレーザーのスリット光が照射されて透
過するので、その照射部分の温度は高くなる傾向にある。よって、キャリブレーション用
ブロック１００は、熱膨張率が小さく且つ光透過性を有するガラス材を用いるのが好まし
い。

図３は、キャリブレーション用ブロック１００の上面１００Ｕと内層面１００Ｍと底面
１００Ｂとのそれぞれの面に形成されるパターンの一部分を示す図である。同図（ａ）は
、上面１００Ｕに形成されるパターンＰ１を示した図である。同図（ａ）に示すように、
パターンＰ１には、幾何学模様であるパターンＣＰ１が設けられる。パターンＰ１は、ｘ
方向の行ごとにパターンＣＰ１の個数が異なるようにパターンニングされる。
同図（ｂ）は、内層面１００Ｍに形成されるパターンＰ２を示した図である。同図（ｂ
）に示すように、パターンＰ２には、パターンＣＰ１よりも大きな寸法の幾何学模様であ
るパターンＣＰ２が設けられる。パターンＰ２は、ｘ方向の行ごとにパターンＣＰ２の個
数が異なるようにパターンニングされる。
同図（ｃ）は、底面１００Ｂに形成されるパターンＰ３を示した図である。同図（ｃ）
に示すように、パターンＰ３には、パターンＣＰ２よりもさらに大きな寸法の幾何学模様
であるパターンＣＰ３が設けられる。パターンＰ３は、ｘ方向の行ごとにパターンＣＰ３
の個数が異なるようにパターンニングされる。

上面１００Ｕに形成されるパターンＣＰ１の矩形寸法が一番小さく、底面１００Ｂに形
成されるパターンＣＰ３の矩形寸法が一番大きいのは、キャリブレーション用ブロック１
００の上方から照射されるスリット光が、上面１００Ｕ、内層面１００Ｍ、底面１００Ｂ
の順に進行するので、底面１００ＢのパターンＰ３にまでスリット光を到達させ易くする
ためである。
キャリブレーション用ブロック１００の各面にパターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３を形成する方
法としては、例えば、公知のレーザー加工技術による細密パターンニング技術を適用する
。

図４は、光源部１１から射出されたスリット光がキャリブレーション用ブロック１００
に照射されたときのスリット光の光路を示す図である。スリット光ＳＬがキャリブレーシ
ョン用ブロック１００の上面１００Ｕに照射されると、その照射部分にパターンＣＰ１（
不図示）が形成された部分は、スリット光ＳＬを反射光ＲＬ１として反射させる。一方、
上面１００Ｕの照射部分にパターンＣＰ１が形成されていない部分は、スリット光ＳＬを
透過させる。そして、透過したスリット光ＳＬは媒体内を屈折して進行し内層面１００Ｍ
に到達する。
内層面１００Ｍの照射部分にパターンＣＰ２（不図示）が形成された部分は、スリット
光ＳＬを反射させる。そして、上面１００Ｕに到達したその反射光は、媒体内から外部に
出る際に屈折し反射光ＲＬ２として射出される。一方、内層面１００Ｍの照射部分にパタ
ーンＣＰ２が形成されていない部分は、スリット光ＳＬを透過させる。そして、透過した
スリット光ＳＬは媒体内を進行して底面１００Ｂに到達する。
底面１００Ｂの照射部分にパターンＣＰ３（不図示）が形成された部分は、スリット光
ＳＬを反射させる。そして、内層面１００Ｍを通過して上面１００Ｕに到達したその反射
光は、媒体内から外部に出る際に屈折し反射光ＲＬ３として射出される。

次に、三次元形状計測装置１の機能構成について説明する。図５は、三次元形状計測装
置１の主要な機能構成を示すブロック図である。なお、同図において、図１に示した構成
と同一の構成については同一の符号を付す。図５に示すように、三次元形状計測装置１は
、光学測定部１０と、制御部２０と、載置台駆動部３０と、載置台４０とを備える。

光学測定部１０は、光切断法によって三次元形状計測を行う測定ユニットであり、光源
部１１と、撮像部１２とを備える。
光源部１１は、コヒーレント光によるスリット光を射出するスリット光源である。コヒ
ーレント光としては、例えば、可視光レーザーを用いるのが好ましい。光源部１１は、ス
リット光の光軸が鉛直軸と非平行である所定の角度を有して設置される。
撮像部１２は、図２に示すキャリブレーション用ブロック１００に設けられたパターン
Ｐ１を撮像したり、計測対象物体（キャリブレーション用ブロック１００を含む。）に照
射されたスリット光の反射光を撮像したりする撮像装置である。撮像部１２は、例えばデ
ジタルカメラまたはデジタルビデオカメラである。計測対象物体に照射されたスリット光
の反射箇所は光切断線である輝線として可視化されるため、撮像部１２は、計測対象物体
からの反射光をその輝線によりとらえて撮像する。撮像部１２は、キャリブレーション用
ブロック１００に設けられたパターンＰ１や、計測対象物体に映った輝線を撮像すると、
撮像画像データを制御部２０に供給する。

制御部２０は、三次元形状計測装置１全体を制御するものであり、例えば、キャリブレ
ーションモードと通常計測モードとを、外部から供給される選択信号によって切替える制
御を行う。制御部２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）
と記憶部と（いずれも不図示）を含んで構成され、その機能上、計測制御部２１と、カメ
ラパラメーター計算部２２と、光切断線検出部２３と、スリット光平面計算部２４と、三
次元座標計算部２５とを備える。

計測制御部２１は、光学測定部１０および載置台駆動部３０を制御する。具体的には、
計測制御部２１は、光源部１１に対して、スリット光の射出の開始および停止を制御する
。また、計測制御部２１は、撮像部１２に対して、キャリブレーション用ブロック１００
に設けられたパターンＰ１を撮像させて、撮像画像データをカメラパラメーター計算部２
２に供給させる制御を行う。また、計測制御部２１は、撮像部１２に対して、計測対象物
体に映った輝線を撮像させて、撮像画像データを光切断線検出部２３に供給させる制御を
行う。また、計測制御部２１は、載置台駆動部３０に対して、載置台４０の載置面上Ｘ方
向およびＹ方向の少なくとも一方の方向に載置台４０を移動させたり、載置面の略中心位
置を中心点として載置台４０を回転させたりする制御を行う。

カメラパラメーター計算部２２は、キャリブレーションモードにおいて、撮像部１２か
ら供給される撮像画像データを取り込み、その画像におけるパターンＰ１の二次元座標値
に基づいてカメラキャリブレーションを行うものである。カメラキャリブレーションとは
、撮像部１２の固有情報である内部パラメーターと、世界座標系における位置姿勢を示す
外部パラメーターとを含むカメラパラメーターを計算する処理である。
なお、カメラキャリブレーションに用いる画像は、パターンＰ１に限らず、例えば複数
の格子点を有する二次元パターンの画像であればよい。

光切断線検出部２３は、キャリブレーションモードおよび通常計測モードにおいて、撮
像部１２から供給される撮像画像データを取り込み、その画像から光切断線の位置を検出
する。すなわち、キャリブレーションモードにおいては、光切断線検出部２３は、撮像画
像データの画像から、パターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３上の光切断線の特徴点の二次元座標値を
検出する。特徴点とは、光切断線の輝度の変化点である。また、通常計測モードにおいて
は、光切断線検出部２３は、撮像画像データの画像から、計測対象物体表面の光切断線の
位置の二次元座標値を検出する。

撮像画像データの画像には、撮像部１２の撮像性能によって、輝線の画像（輝線画像）
にノイズが含まれたり、画素構造によって輝線が太く撮像されていたりする場合がある。
光切断線検出部２３は、画像から輝度の重心位置を求めることにより光切断線の位置を検
出する。
具体的には、光切断線検出部２３は、画像平面をｘｙ座標系平面としたときの座標値（
ｉ_ｍｉｎ，ｊ_ｍｉｎ）から座標値（ｉ_ｍａｘ，ｊ_ｍａｘ）までのウィンドウにおけるｘ軸
方向の輝度の重心位置ｘ_ｃを、式（１）によって計算する。なお、式（１）において、（
ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）は、画像平面における座標値であり、Ｉ（ｘ_ｉ，ｙ_ｊ）は、座標値（ｘ_ｉ，
ｙ_ｊ）における輝度値である。

そして、光切断線検出部２３は、重心位置ｘ_ｃとこの位置に対応するｙ軸方向の位置で
あるｙ_ｃとを、当該ウィンドウにおける重心座標値（ｘ_ｃ，ｙ_ｃ）として記憶する。さら
に、光切断線検出部２３は、ウィンドウをシフトさせて式（１）の計算を行う処理を繰り
返すことによって光切断線の位置を検出する。

なお、光切断線検出部２３は、キャリブレーションモードおよび通常計測モードにおい
て、記憶部からレンズ歪補正係数を読み込んで画像平面の二次元座標値を補正した後に、
光切断線の位置の検出を行う。

スリット光平面計算部２４は、キャリブレーションモードにおいて、光切断線検出部２
３で検出されたパターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３における光切断線の特徴点の二次元座標値と、
記憶部に予め記憶したキャリブレーション用ブロック１００の所定の寸法データとに基づ
いて、スリット光の広がりを示す平面（スリット光平面）を表す式の係数を計算する。
寸法データとは、図２に示すキャリブレーション用ブロック１００の直方体の一つの角
を原点Ｏとしたときの、この直方体の外形寸法と、パターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３が形成され
た上面１００Ｕ、内層面１００Ｍ、および底面１００Ｂそれぞれの高さ寸法と、パターン
ＣＰ１，ＣＰ２，ＣＰ３それぞれの特徴点に相当する位置の三次元座標値とを含む情報で
ある。

三次元座標計算部２５は、キャリブレーションモードにおいては、カメラパラメーター
計算部２２で計算されたカメラパラメーターと、スリット光平面計算部２４で計算された
スリット光平面を表す式の係数とに基づいて、画像平面の二次元座標値から世界座標系の
三次元座標値に変換する変換式の係数（座標系変換係数）を計算して記憶部に記憶させる
。
また、三次元座標計算部２５は、通常計測モードにおいては、光切断線検出部２３で検
出された計測対象物体の光切断線の二次元座標値を、記憶部に記憶された座標系変換係数
を用いて世界座標系の三次元座標値に変換し、計測対象物体の三次元形状のデータとして
出力する。

載置台駆動部３０は、計測制御部２１から供給される移動方向または回転方向、ピッチ
、移動距離または回転角度等の制御情報に基づいて載置台４０を移動または回転させるア
クチュエータであり、例えばステッピングモーターを含んで構成される。

図６は、撮像部１２がキャリブレーション用ブロック１００からの反射光を撮像した画
像を模式的に示した図である。光源部１１から射出されたスリット光ＳＬのキャリブレー
ション用ブロック１００における反射光は、図４に示すように反射光ＲＬ１，ＲＬ２，Ｒ
Ｌ３の３種類である。撮像部１２は、これら反射光ＲＬ１，ＲＬ２，ＲＬ３を撮像すると
図６に示すような画像を得る。同図に示すように、画像にはｘ方向に直線的な輝線がｙ方
向に３段に分かれて映る。つまり、同図における上段の輝線はパターンＰ１上の輝線に対
応し、中段の輝線はパターンＰ２上の輝線に対応し、下段の輝線はパターンＰ３上の輝線
に対応する。

次に、三次元形状計測装置１がキャリブレーション用ブロック１００を用いてキャリブ
レーションを行うキャリブレーションモードの動作について説明する。図７は、三次元形
状計測装置１が実行するキャリブレーション処理の手順を示すフローチャートである。キ
ャリブレーション用ブロック１００が載置台４０に載置された後、三次元形状計測装置１
が計測制御部２１に対してキャリブレーションモードの動作開始指示を与えると、同図に
示すフローチャートの処理が開始される。

まず、ステップＳ１において、計測制御部２１は、撮像部１２と載置台駆動部３０とを
制御し、複数枚のパターンＰ１の画像を、ＸＹ平面内でキャリブレーション用ブロック１
００の角度を変えて撮像部１２に撮像させる。撮像部１２は、撮像画像データをカメラパ
ラメーター計算部２２に供給する。次に、ステップＳ２において、カメラパラメーター計
算部２２は、複数の撮像画像データを取得すると、各画像におけるパターンＰ１の特徴点
に対応する点（例えば、格子点）の二次元座標値を抽出し、抽出した点同士の対応付けを
行ってカメラパラメーターを計算する。

ここで、カメラパラメーター計算部２２のカメラパラメーターの計算処理について説明
する。カメラパラメーターの計算方法は、例えば公知文献である“Lerning OpenCV, Comp
uter Vision with the OpenCV Library, Gary Bradski, Adrian Kaebler, O’REILLY”に
開示されており、カメラパラメーター計算部２２は、このような公知技術によりカメラパ
ラメーターを計算する。

カメラパラメーターについて概略を説明する。撮像画像データの画像平面の二次元座標
値を（ｘ ｙ）とし、キャリブレーション用ブロック１００の位置を規定する世界座標系
の三次元座標値を（Ｘ Ｙ Ｚ）とすると、それぞれの同次座標値ｑ（ボールド体），Ｑ
（ボールド体）は式（２）で表され、また、座標の変換式は式（３）のように表される。
なお、「（ボールド体）」との記載は、その直前の文字がボールド体で表記されることを
示し、当該文字で示されるデータが行列またはベクトルであることを意味する。

なお、式（３）において、ｓは、スケールパラメーターである。また、Ｍ（ボールド体
）は、撮像部１２の内部パラメーター行列である。
内部パラメーター行列Ｍ（ボールド体）は、以下の要素を含む。
ｆ_ｘ：ｘ軸方向の焦点距離（画素単位での表現）
ｆ_ｙ：ｙ軸方向の焦点距離（画素単位での表現）
ｃ_ｘ：画像中心である主点（ｘ座標）
ｃ_ｙ：画像中心である主点（ｙ座標）

Ｗ（ボールド体）は、撮像部１２の外部パラメーター行列であり、以下の要素を含む。
Ｒ（ボールド体）：世界座標からカメラ座標への変換を表す回転行列
ｔ（ボールド体）：世界座標からカメラ座標への変換を表す並進行列
なお、世界座標は、キャリブレーション用ブロック１００の最初に配置した位置の座標
である。

カメラパラメーター計算部２２は、撮像部１２が備える撮像レンズのレンズ歪を補正す
るためのレンズ歪補正係数と撮像レンズの半径の値を記憶部に記憶させる。撮像画像にお
ける二次元座標値からレンズ歪を補正した二次元座標値を計算する式は、例えば式（４）
である。式（４）の（ｘ_ｄ ｙ_ｄ）に画像平面の二次元座標値（ｘ ｙ）を代入して計算
することにより、レンズ歪が補正された座標値（ｘ ｙ）を得ることができる。式（４）
において、ｋ_１，ｋ_２，ｋ_３は、撮像レンズの径方向のレンズ歪を示すレンズ歪補正係数
であり、ｐ_１，ｐ_２は、撮像レンズの円周方向のレンズ歪を示すレンズ歪補正係数である
。また、ｒは撮像レンズの半径である。

次に、ステップＳ３において、計測制御部２１は、光源部１１に対してスリット光の照
射開始を指示する。そして、この指示を受けた光源部１１は、スリット光の照射を開始す
る。次に、ステップＳ４において、撮像部１２は、被写体であるキャリブレーション用ブ
ロック１００を撮像して、撮像画像データを光切断線検出部２３に供給する。

次に、ステップＳ５において、光切断線検出部２３は、撮像画像データを取り込んで、
画像にキャリブレーション用ブロック１００のパターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３のうち、少なく
とも２種類のパターンの輝線があるか否かを判定する。具体的には、光切断線検出部２３
は、画像のｙ方向に２段または３段の輝線があるか否かを検出することによって判定する
。検出の方法としては、例えば、ウィンドウを走査させて周辺に対して輝度の高いオブジ
ェクトを探索する方法である。光切断線検出部２３は、少なくとも２種類のパターンの輝
線があると判定した場合は、載置台４０の位置の調整は不要であると判定する（Ｓ５：Ｎ
Ｏ）。一方、光切断線検出部２３は、１種類のパターンの輝線しかないか輝線が全くない
と判定した場合は、載置台４０の位置の調整が必要であると判定する（Ｓ５：ＹＥＳ）。

光切断線検出部２３が載置台４０の位置の調整が必要であると判定した場合（Ｓ５：Ｙ
ＥＳ）、ステップＳ６において、光切断線検出部２３は、計測制御部２１に対し、載置台
駆動部３０を制御して載置台４０を所定ステップだけ移動させるよう制御する。そして、
載置台駆動部３０は、その制御に基づいて載置台４０を移動させる。ステップＳ４からス
テップＳ６までの処理は、光切断線検出部２３が載置台４０の位置の調整は不要であると
判定するまで繰り返される。

一方、光切断線検出部２３が載置台４０の位置の調整が不要であると判定した場合（Ｓ
５：ＮＯ）、ステップＳ７において、光切断線検出部２３は、前述したように画像から輝
度の重心位置を求めることによってその画像から光切断線の位置を検出する。そして、光
切断線検出部２３は、検出した光切断線の特徴点の二次元座標値を検出する。次に、光切
断線検出部２３は、記憶部からレンズ歪補正係数を読み込み、式（４）にしたがってレン
ズ歪を補正する。

次に、ステップＳ８において、スリット光平面計算部２４は、補正後の特徴点の二次元
座標値と、記憶部に記憶されたキャリブレーション用ブロック１００の寸法データとに基
づいて、特徴点の三次元座標値を計算する。つまり、図３に示すように、例えば、パター
ンＰ１については、ｘ方向の行ごとにパターンＣＰ１の個数が異なるため、図６のような
画像においてｘ方向に輝線の個数を計数することにより、パターンＰ１におけるスリット
光の照射位置を特定することができる。パターンＰ２，Ｐ３についても同様にしてスリッ
ト光の照射位置を特定する。スリット光平面計算部２４は、このようにして画像から特定
したパターンＣＰ１，ＣＰ２，ＣＰ３の特徴点の二次元座標値に対応する三次元座標値を
寸法データから求める。

次に、スリット光平面計算部２４は、特徴点の三次元座標値に基づいてスリット光の広
がりを示すスリット光平面を表す式の係数を計算する。図８は、光源部１１から射出され
たスリット光ＳＬがキャリブレーション用ブロック１００に照射されたときの、キャリブ
レーション用ブロック１００の媒体内部におけるスリット光の光路を示した図である。キ
ャリブレーション用ブロック１００に照射されたスリット光ＳＬは、その一部分が媒体内
に入射すると屈折しスリット光ＳＬｂとして進行する。スリット光平面計算部２４が求め
るべきスリット光平面を表す式は、スリット光ＳＬをその平面の延長面上に伸ばしたスリ
ット光ＳＬａの広がりを示す平面の式である。よって、スリット光平面計算部２４は、パ
ターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３における輝線の特徴点の三次元座標値に基づいてスリット光ＳＬ
ｂの広がりを示すスリット光平面を求め、そのスリット光平面を媒体の屈折率に基づいて
補正することによってスリット光ＳＬａの広がりを示すスリット光平面を求める。

具体的には、スリット光平面計算部２４は、パターンＰ１，Ｐ２，Ｐ３における輝線の
特徴点の三次元座標値に基づいてスリット光ＳＬｂの広がりを示すスリット光平面を式（
５）により計算する。この式（５）におけるＡ_ｂ，Ｂ_ｂ，Ｃ_ｂはスリット光平面を表す式
の係数である。

次に、スリット光平面計算部２４は、図８におけるスリット光の屈折角θ_２を計算する
。次に、スリット光平面計算部２４は、媒体の屈折率ｎ_１２と屈折角θ_２とに基づいて式
（６）により入射角θ_１を計算する。

次に、スリット光平面計算部２４は、スリット光ＳＬｂのスリット光平面を表す式を、
入射角θ_１に基づいてスリット光ＳＬａすなわちスリット光ＳＬのスリット光平面を表す
式（７）に補正し、この式（７）の係数であるＡ，Ｂ，Ｃを取得する。

図７の説明に戻り、ステップＳ９において、三次元座標計算部２５は、カメラパラメー
ター計算部２２で計算されたカメラパラメーターと、スリット光平面計算部２４で計算さ
れたスリット光平面を表す式の係数Ａ，Ｂ，Ｃとに基づいて、画像平面の二次元座標値か
ら世界座標系の三次元座標値に変換する変換式を計算してその座標系変換係数を記憶部に
記憶する。
具体的には、三次元座標計算部２５は以下のようにして変換式を計算する。まず、以下
の説明を簡単にするために、式（３）のｑ（ボールド体）＝ｓ・Ｍ（ボールド体）・Ｗ（
ボールド体）・Ｑ（ボールド体）を式（８）のように置き換える。

つまり、式（８）において、ｐ_ｉｊ（１≦ｉ≦３，１≦ｊ≦４）の要素で構成される３
行４列の行列は、ｓ・Ｍ（ボールド体）・Ｗ（ボールド体）・Ｑ（ボールド体）に対応す
る。式（９）は、式（８）を一部展開した式である。

式（７）および式（９）から計測対象物体の座標Ｚを求める式（１０）を計算する。

式（１０）において、ｐ_ｉｊはカメラパラメーターであり、Ａ，Ｂ，Ｃはスリット光平
面を表す式の係数であることから、式（１０）によって計測物体の座標Ｚを求めることが
できる。
また、同様にして式（７）および式（９）から計測対象物体の座標Ｘおよび座標Ｙを求
める式（１１）を計算する。

三次元座標計算部２５は、式（１０）および式（１１）の各係数を座標系変換係数とし
て記憶部に記憶する。

次に、三次元形状計測装置１が計測対象物体を用いて実際の三次元形状計測を行う通常
計測モードの動作について説明する。図９は、三次元形状計測装置１が実行する三次元形
状計測処理の手順を示すフローチャートである。計測対象物体が載置台４０に載置された
のち、三次元形状計測装置１が計測制御部２１に対して通常計測モードの動作開始指示を
与えると、図９に示すフローチャートの処理が開始される。

ステップＳ１１において、計測制御部２１は、光源部１１に対してスリット光の照射開
始を指示する。そして、この指示を受けた光源部１１は、スリット光の照射を開始する。
次に、ステップＳ１２において、計測制御部２１は、撮像部１２に対して撮像開始を指示
する。そして、この指示を受けた撮像部１２は撮像を開始する。次に、ステップＳ１３に
おいて、計測制御部２１は、載置台駆動部３０に対して駆動開始を指示する。そして、こ
の指示を受けた載置台駆動部３０は、載置台４０の移動を開始する。

次に、ステップＳ１４において、撮像部１２は、計測対象物体の表面に映った輝線を撮
像し、撮像画像データを光切断線検出部２３に供給する。次に、ステップＳ１５において
、光切断線検出部２３は、撮像画像データを取り込み、前述したように画像から輝度の重
心位置を求めることによってその画像から光切断線の位置を検出する。そして、光切断線
検出部２３は、検出した光切断線の特徴点の二次元座標値を検出する。次に、光切断線検
出部２３は、記憶部からレンズ歪補正係数を読み込み、式（４）にしたがってレンズ歪を
補正する。ステップＳ１６において、三次元座標計算部２５は、記憶部から座標系変換係
数を読み込んで、前述した式（１０）および式（１１）の計算を実行して計測対象物体の
三次元座標値（Ｘ Ｙ Ｚ）を出力する。

次に、ステップＳ１７において、計測制御部２１は、計測対象物体が輝線によって走査
終了したか否かを判定し、走査終了したと判定した場合（Ｓ１７：ＹＥＳ）はこのフロー
チャートの処理を終了し、走査終了していないと判定した場合（Ｓ１７：ＮＯ）はステッ
プＳ１３の処理に戻る。

以上説明したとおり、本実施形態による三次元形状計測装置１は、三次元形状計測にお
けるキャリブレーションを効率的に且つ高精度に行うことができる。

なお、本実施形態では、固定した光学測定部１０に対して載置台４０を移動させる例に
ついて説明したが、これ以外にも、固定した載置台４０に対して光学測定部１０を移動さ
せてもよいし、光学測定部１０と載置台４０との双方を移動させてもよい。
また、光源部１１から射出するスリット光は、可視光レーザー以外に、例えばハロゲン
光を用いてもよい。

また、キャリブレーション用ブロック１００に形成されるパターン面の層数は、本実施
形態に示した３枚に限定されず、２枚以上であればよい。すなわち、例えばキャリブレー
ション用ブロックの上面部と底面部との２面にパターンを設けるようにしてもよい。ただ
し、スリット光の媒体内での屈折を補正する計算を行うためには、光源部１１に最も近い
表面層にパターンを含むことが望ましい。

また、キャリブレーション用ブロックに設けられるパターンは、図３に示すものに限ら
ず、パターン上の輝線から特徴点が抽出できるパターンであればよい。例えば、図１０に
示すようなパターンを用いてもよい。同図（ａ）は、チェッカーパターンの例である。ま
た、同図（ｂ）は、円形パターンの例である。同図（ｂ）に示すように、中央の１つの円
の径を他の円の径よりも大きくすることにより、パターン上の相対的な位置を求め易くす
ることができる。

また、本実施形態である三次元形状計測装置の一部、例えば制御部の機能をコンピュー
ターで実現するようにしてもよい。この場合、その機能を実現するためのプログラムをコ
ンピューター読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラム
をコンピューターシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、
ここでいう「コンピューターシステム」とは、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ
）や周辺機器のハードウェアを含むものとする。また、「コンピューター読み取り可能な
記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、光ディスク、メモリカード等
の可搬型記録媒体、コンピューターシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置の
ことをいう。さらに「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等
のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のよ
うに、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアント
となるコンピューターシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持
するものを含んでもよい。また上記のプログラムは、前述した機能の一部を実現するため
のものであってもよく、さらに前述した機能をコンピューターシステムにすでに記録され
ているプログラムとの組み合わせにより実現するものであってもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施
形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１ 三次元形状計測装置
１０ 光学測定部
１１ 光源部
１２ 撮像部
２０ 制御部
２１ 計測制御部
２２ カメラパラメーター計算部
２３ 光切断線検出部
２４ スリット光平面計算部
２５ 三次元座標計算部
３０ 載置台駆動部
４０ 載置台
１００ キャリブレーション用ブロック

Claims (3)

1. 光源部からスリット光を照射し、照射面に映る光切断線を撮像部で撮像して三次元形状
   計測を行う三次元形状計測装置において、
   光透過性を有する媒体を含んで構成され、底部からの高さ寸法の異なる複数の面それぞ
   れに、前記光源部からスリット光が照射されたときに光切断線を映すパターンが形成され
   たキャリブレーション用ブロックと、
   前記撮像部が撮像する複数の格子点を有する二次元パターンの画像に基づいて、前記撮
   像部のカメラパラメーターを計算するカメラパラメーター計算部と、
   前記撮像部が撮像した、前記キャリブレーション用ブロックの前記複数の面に形成され
   たパターン上の光切断線の画像から特徴点を検出して二次元座標値を計算し、この二次元
   座標値と前記キャリブレーション用ブロックの所定の寸法データとに基づいて前記特徴点
   の世界座標系の三次元座標値を計算し、前記光源部から照射されたスリット光の広がりを
   示す平面を表す式の係数を計算するスリット光平面計算部と、
   前記カメラパラメーターと前記平面を表す式の係数とに基づいて、画像平面における二
   次元座標値から世界座標系の三次元座標値に変換するための座標系変換係数を計算する三
   次元座標計算部と、
   を備えることを特徴とする三次元形状計測装置。
2. 請求項１記載の三次元形状計測装置において、
   前記カメラパラメーター計算部は、前記撮像部が撮像する前記キャリブレーション用ブ
   ロックのパターンの画像に基づいて、前記撮像部のカメラパラメーターを計算することを
   特徴とする三次元形状計測装置。
3. それぞれ角度を変えて置かれる複数の格子点を有する二次元パターンを、撮像部が撮像
   するステップと、
   前記撮像された画像に基づいて前記撮像部のカメラパラメーターを計算するステップと
   、
   光透過性を有する媒体を含んで構成され、底部からの高さ寸法の異なる複数の面それぞ
   れに、光源部からスリット光が照射されたときに光切断線を映すパターンが形成されたキ
   ャリブレーション用ブロックに、前記光源部がスリット光を照射するステップと、
   前記撮像部が前記キャリブレーション用ブロックの前記複数の面に形成されたパターン
   上の光切断線を撮像するステップと、
   前記撮像された画像から特徴点を検出して二次元座標値を計算し、この二次元座標値と
   前記キャリブレーション用ブロックの所定の寸法データとに基づいて前記特徴点の世界座
   標系の三次元座標値を計算し、前記光源部から照射されたスリット光の広がりを示す平面
   を表す式の係数を計算するステップと、
   前記カメラパラメーターと前記平面を表す式の係数とに基づいて、画像平面における二
   次元座標値から世界座標系の三次元座標値に変換するための座標系変換係数を計算するス
   テップと、
   を有することを特徴とする三次元形状計測装置のキャリブレーション方法。

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