JPH0755439A - 三次元形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スポット像の追尾距離が大きく離れていると
きにも自動追尾の動作を可能にした三次元形状計測装置
を提供する。 【構成】 レーザーポインタ１から投射されるスポット
光を被測定物４の所要位置にスポット像５として結像さ
せたときのレーザーポインタ１のフォーカシングレンズ
６の移動量から，レーザーポインタ１とスポット像５と
の間の概略距離が演算でき，レーザーポインタ１のスポ
ット光投光角度と演算された上記概略距離とから，スポ
ット像５の概略三次元座標位置が演算される。この演算
されたスポット像５の概略三次元座標位置のデータによ
り，レーザートラッカ２を制御すれば，レーザートラッ
カ２はスポット像５を追尾する方向に移動されるので，
スポット像の移動距離が大きくレーザートラッカ２の画
像上からスポット像５が外れた場合にも自動的にスポッ
ト像５の追尾がなされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，スポット光投影法を用
いた三次元形状計測装置に係り，詳しくは，被測定物上
に投射されたスポット光の追尾を容易に行い得るように
改良された三次元形状計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】被測定物の三次元形状を非接触で計測す
る装置として，スポット光投影法を用いた三次元形状計
測装置が知られている。この三次元形状計測装置は，ス
ポット光を被測定物の所望位置に投射して，該スポット
光が投射された三次元位置を三角測量の原理で測定する
ことにより，被測定物の三次元形状を計測することがで
きる。以下に該三次元形状計測装置の従来構成につい
て，図３に基づいて説明する。図３において，従来構成
になる三次元形状計測装置５１は，被測定物５２にレー
ザー光によるスポット光５３を投光するレーザーポイン
タ５４と，前記被測定物５２上に投射されたスポット像
５５を撮像するレーザートラッカ５６と，レーザーポイ
ンタ５４及びレーザートラッカ５６を制御して得たデー
タから物体の三次元位置を演算する制御装置５８とを具
備して構成されている。前記レーザーポインタ５４は電
子セオドライトにスポット光投光器が組み込まれ，レー
ザートラッカ５６は同じく電子セオドライトにＴＶカメ
ラが組み込まれたもので，スポット光の投光光軸あるい
はスポット像の撮像光軸が可変に構成されている。ま
た，制御装置５８はレーザーポインタ５４及びレーザー
トラッカ５６の電子セオドライトを制御して各光軸を操
作するモーターコントローラ６０，６１とレーザートラ
ッカ５６から得たスポット像を検出する画像処理装置５
７と，これらを統括し計測演算を行うコンピュータ５９
とを具備して構成されている。上記構成において，レー
ザーポインタ５４がスポット光５３を投光して被測定物
５２上に結んだスポット像５５は，レーザートラッカ５
６のＴＶカメラで撮像され，この画像から制御装置５８
の画像処理装置５７によりスポット像５５の画面上の位
置が検出される。コンピュータ５９は画像処理装置５７
の検出結果からレーザートラッカ５６から見たスポット
像５５の方向角を演算し，レーザーポインタ５４がスポ
ット光５３を投光している方向角と，予め計測されてい
るレーザーポインタ５４とレーザートラッカ５６との位
置関係から，三角測量の原理によって被測定物５２上の
スポット像５５の三次元位置が求められる。そこで，レ
ーザーポインタ５４がスポット光５３を投光する方向角
度のデータや，レーザートラッカ５６がスポット像５５
を自動的に追尾する手順をコンピュータに与えておくこ
とにより，被測定物５２の一定エリア内の三次元座標を
くまなく自動的に計測することができ，被測定物５２の
形状が計測される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来構成におい
て，レーザートラッカがスポット像を自動的に追尾する
手順は，図４のフローチャートに示すように実行され
る。このスポット像追尾の手順において，レーザートラ
ッカがスポット像を検出できなかったとき（図４に示す
手順のステップ３），レーザートラッカの移動方向をＴ
Ｖ画像から知ることができなくなる。このときには，レ
ーザートラッカの移動は（図４に示す手順のステップ
４），その移動方向をオペレータが指定することにな
る。ところが，スポット像の追尾方向の指定はオペレー
タにとって，その判断が困難であるため，指定方向を間
違えやすく，その結果，追尾に失敗したり，方向の修正
に時間がかかる問題点があった。本発明は上記問題点に
鑑みて創案されたもので，スポット像の追尾距離が大き
く離れているときにも自動追尾の動作を可能にした三次
元形状計測装置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明が採用する手段は，被測定物にスポット光を投
光するスポット光源と，該スポット光源の投光角度を変
化させる光源駆動機構と，上記スポット光源から所定距
離離れて配置され上記被測定物上にスポット光により形
成されたスポット像を撮像する撮像装置と，該撮像装置
の撮像角度を変化させる撮像装置駆動機構とを具備し，
上記スポット光源の投光角度と，上記撮像装置の撮像角
度と，スポット光源と撮像装置との距離とから三角測量
の原理により被測定物上に投光された上記スポット像の
位置座標を演算し，上記スポット光の投光位置を順次移
動させることにより被測定物の三次元形状を測定する三
次元形状計測装置において，上記スポット光源に設けら
れたフォーカシン機構の制御量を検出する検出手段と，
上記検出手段による検出値と上記光源駆動機構によるス
ポット光の投光角度とから上記被測定物上のスポット像
の概略三次元座標位置を演算する演算手段と，上記撮像
装置に設けられたフォーカシング機構を制御するフォー
カシング機構駆動手段と，上記演算手段からの出力に基
づいて上記撮像装置駆動機構と上記フォーカシング機構
駆動手段とを上記撮像装置が被測定物上のスポット像を
追尾するように制御する制御手段とを具備してなること
を特徴とする三次元位置形状計測装置として構成され
る。

【０００５】

【作用】本発明によれば，スポット光源から投射される
スポット光を被測定物の所要位置にスポット像として結
像させたときの該スポット光源のフォーカシング機構の
制御量から，スポット光源と被測定物上のスポット像と
の間の概略距離が演算できる。そこで，光源駆動機構に
よるスポット光源のスポット光投光角度と，上記演算さ
れたスポット光源と被測定物上のスポット像との間の概
略距離とから，スポット像の概略三次元座標位置が演算
される。この演算されたスポット像の概略三次元座標位
置のデータにより，フォーカシング機構駆動手段と撮像
装置駆動機構とを制御すれば，撮像装置は撮像装置駆動
機構によりスポット像を追尾する方向に移動されると共
に，フォーカシング機構駆動手段によりほぼフォーカシ
ングのなされたスポット像が画像上に捕らえられる。従
って，スポット光源によるスポット像の移動距離が大き
く，撮像装置の画像上からスポット像が外れた場合に
も，オペレータの追尾操作に委ねることなく自動的にス
ポット像の追尾がなされる。

【０００６】

【実施例】以下，添付図面を参照して本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は本発明を具体化した一例であって，本発明
の技術的範囲を限定するものではない。ここに，図１は
本発明の第１実施例に係る三次元形状計測装置の構成を
示す模式図，図２は本発明の第２実施例に係る三次元形
状計測装置の構成を示す模式図である。図１において，
第１実施例に係る三次元形状計測装置２０は，レーザー
ポインタ１と，レーザートラッカ２と，制御装置３とを
具備して構成されている。上記レーザーポインタ１は，
レーザービームによるスポット光を投射するスポット光
源７と該スポット光源７を駆動してスポット光の投射方
向を任意方向に移動させる光源駆動機構８とを備え，上
記スポット光源７には，投射するレーザービームの焦点
距離を調節する光源フォーカシングレンズ６の駆動機構
（図示せず）と，該駆動機構によるフォーカシングレン
ズ６の移動量を検出する光源レンズ移動量検出器（光源
レンズ移動量検出手段−図示せず）とが具備されてい
る。又，上記レーザートラッカ２は，ＴＶカメラ（撮像
装置）９と，該ＴＶカメラ９の撮像方向を任意方向に移
動させるカメラ駆動機構（撮像装置駆動機構）１５とを
備え，上記ＴＶカメラ９には，撮像画像の焦点距離を調
節するカメラフォーカシングレンズ１６の駆動機構（フ
ォーカシング機構駆動手段−図示せず）が具備されてい
る。更に，上記制御装置（制御手段）３には，上記光源
駆動機構８を駆動制御する投光角度制御部１０と，上記
光源フォーカシングレンズの駆動機構を駆動制御する光
源レンズ制御部１８と，上記カメラ駆動機構１５を駆動
制御する撮像角度制御部１７と，撮像フォーカシングレ
ンズの駆動機構を駆動制御するカメラレンズ制御部１９
と，上記ＴＶカメラ９で撮像された画像を画像処理する
画像処理ユニット１１と，各入力データを用いて三次元
位置形状の演算を行うと共に，その演算に伴う制御デー
タあるいはオペレータ１３が操作部から入力する入力デ
ータに基づいて各制御部１０，１７，１８，１９に駆動
データを出力するコンピュータ１２とが設けられてい
る。

【０００７】上記構成になる三次元形状計測装置２０を
用いた三次元形状の計測手順について以下に順を追って
説明する。 （１）オペレータ１３が操作部から計測点指定データを
入力することによって，コンピュータ１２から駆動デー
タが投光角度制御部１０に入力され，該投光角度制御部
１０は光源駆動機構８に駆動量を出力する。この駆動量
に基づいて光源駆動機構８はスポット光源７の投光角度
を変化させるので，スポット光源７からのレーザービー
ムが被測定物４の所望の測定点に投光される。このと
き，オペレータ１３は所望測定点に投光されたスポット
像５のフォーカシング操作を行う。この操作は，光源レ
ンズ制御部１８から出力される制御量により，光源フォ
ーカシングレンズ６を駆動させることによって行われ
る。 （２）上記スポット光が所望の測定点に投光されたとき
のスポット光源７の方向データ及びフォーカシングレン
ズ６の位置データを，それぞれ投光角度制御部１０及び
光源レンズ制御部１８を介してコンピュータ１２に取り
込む。 （３）コンピュータ１２は，取り込んだスポット光源７
の方向データ及びフォーカシングレンズ６の位置データ
から，スポット像５の概略三次元座標位置を計算する。
この計算は，既知の光源フォーカシングレンズ６の焦点
距離データを用いた関係式をコンピュータ１２内に用意
しておくことによってなされる。 （４）上記コンピュータ１２による計算値は，撮像角度
制御部１７とカメラレンズ制御部１９とに出力される。
撮像角度制御部１７はカメラ駆動機構１５の駆動量を出
力してＴＶカメラ９をスポット像５方向に移動させる。
又，カメラレンズ制御部１９はカメラレンズ駆動機構の
駆動量を出力して画像のフォーカシングを行う。 （５）上記の動作により，スポット像５はＴＶカメラ９
の視野内に十分収まっており，又，画像のフォーカスは
概略合った状態となっている。このスポット像５を捕ら
えた画像は，画像処理ユニット１１に取り込まれる。 （６）画像処理ユニット１１では，取り込んだ画像上の
スポット像５の画像座標を求める。 （７）コンピュータ１２は，上記画像座標値と撮像方向
の値とからスポット像５の方向を計算する。 （８）予め設定されているレーザーポインタ１とレーザ
ートラッカ２との間の距離と，上記（７）による計算値
とによりスポット像５の座標位置が計算される。

【０００８】以上の一連の手順において，オペレータ１
３の操作が必要となるのは（１）項の測定点の指定だけ
である。後は自動的にレーザートラッカ２がスポット像
５を追跡し，その都度スポット像５位置の三次元座標が
計算される。従って，スポット像５の位置がレーザート
ラッカ２の視野角から大きく離れていても，自動追尾が
なされるので，オペレータ１３はレーザートラッカ２の
姿勢を気にすることなくスポット光の投光位置を決める
ことができる。次いで，本発明の第２実施例について説
明する。本実施例は，上記第１実施例におけるレーザー
ポインタ１とレーザートラッカ２とが同軸上に一体的に
形成された三次元形状計測装置を用いた構成である。図
２において，三次元形状計測装置３７は，スポット光を
投光するスポット光源２１と，該スポット光源２１から
のスポット光の光軸上に設けられ，スポット光の光軸と
直交する軸心を中心として回転自在に取り付けられ，上
記スポット光源２１から投光されたスポット光を反射し
て被測定物３５上に投光する投光ミラー２５と，上記ス
ポット光源２１を挟んで上記投光ミラー２５とは反対方
向に設けられ，投光ミラー２５の軸心と平行且つ一体的
に構成された軸心を中心として回転自在に取り付けられ
た受光ミラー２８と，上記スポット光源２１と一体的に
設けられ，上記受光ミラー２９により反射された被測定
物３５上のスポット像３６を撮像し，該撮像されたスポ
ット像３６の位置を検出する撮像素子２６を備えた撮像
ユニット２２と，上記投光ミラー２５を回転させて被測
定物３５上にスポット光を投射し，被測定物３５上に投
影されたスポット像３６を受光ミラー２８を回転させて
上記撮像素子２６上に結像させ，該結像点が所定位置と
なったとき上記投光ミラー２５の回転角度，受光ミラー
２８の回転角度及び上記投光ミラー２５の軸心と受光ミ
ラー２８の軸心との間の距離から上記被測定物３５上の
スポット像の位置座標を演算する演算ＣＰＵ部３２とを
具備して構成されている。上記構成において，上記スポ
ット光源２１には光源フォーカシングレンズ２４及び上
記撮像ユニット２２には撮像フォーカシングレンズ２７
が具備されており，それぞれ図示しないレンズ駆動機構
が設けられている。又，上記投光ミラー２５及び上記受
光ミラー２８には図示しないミラー駆動機構が設けられ
ている。更に，上記投光ミラー２５及び受光ミラー２８
には，それぞれの回転角度を検出する図示しないエンコ
ーダ，上記光源フォーカシングレンズ２４及び上記撮像
フォーカシングレンズ２７には，それぞれのレンズ位置
を検出する図示しないエンコーダ，上記回転駆動機構２
９には，該回転駆動機構２９の回転角度を検出する図示
しないエンコーダが設けられている。

【０００９】上記構成になる投光・受光の装置は上部構
造３０内に配設され，該上部構造３０は支持構造３１上
に回転駆動機構２９により回転自在に支持されている。
又，上記各駆動機構は上記演算ＣＰＵ部３２からの制御
信号に基づく駆動信号を出力する駆動制御部３３により
制御されるよう構成されている。上記構成になる三次元
形状計測装置３７を用いた三次元形状の計測手順につい
て以下に順を追って説明する。 （１）オペレータが演算ＣＰＵ部３２に付設された操作
部２３から計測点指定データを入力することによって，
演算ＣＰＵ部３２から駆動データが駆動制御部３３に入
力され，該駆動制御部３３は回転駆動機構２９，投光ミ
ラー２５の駆動機構及びスポット光源２１のフォーカシ
ングレンズ駆動機構に駆動量を出力する。この駆動量に
基づいて投光ミラー２５はスポット光源２１からのスポ
ット光を被測定物３５方向に反射させるので，スポット
光が被測定物３５の所望の測定点に投光される。又，同
時にオペレータは所望測定点に投光されたスポット像３
６のフォーカシング操作を行う。この操作は，駆動制御
部３３から出力される制御量により，光源フォーカシン
グレンズ２４を駆動させることによって行われる。 （２）上記スポット光が所望の測定点に投光されたと
き，演算ＣＰＵ部３２により投光ミラー２５のエンコー
ダ出力からスポット光の投光角度が演算される。 （３）同じく，演算ＣＰＵ部３２により光源フォーカシ
ングレンズ２４のエンコーダ出力から投光ミラー２５か
らスポット像３６までの距離を演算する。この計算は，
既知の光源フォーカシングレンズ６の焦点距離データを
用いた関係式をコンピュータ１２内に用意しておくこと
によってなされる。 （４）演算されたスポット光の投光角度と，投光ミラー
２５からスポット像３６までの距離とから，スポット像
３６の概略三次元位置座標が演算される。 （５）上記スポット像３６の概略三次元位置座標が演算
値から，予め演算ＣＰＵ部３２内に用意された関係式に
より，受光ミラー２８の回転角度及び撮像フォーカシン
グレンズ２７の位置が演算される。 （６）上記演算値は駆動制御部３３に出力され，受光ミ
ラー２８の駆動機構及び撮像フォーカシングレンズ２７
の駆動機構により，受光ミラー２８及び撮像フォーカシ
ングレンズ２７が駆動される。 （７）撮像素子２６からの画像信号が演算ＣＰＵ部３２
に入力されるので，撮像されたスポット像３６が撮像素
子２６上の所定位置に結像するように受光ミラー２８の
角度が微調整される。 （８）受光ミラー２８のエンコーダ出力からスポット像
３６の撮像角度が演算される。 （９）回転駆動機構２９のエンコーダ出力から上部構造
３０の回転角度が演算される。 （１０）上記スポット像３６の撮像角度と，上記上部構
造３０の回転角度と，上記投光ミラー２５と受光ミラー
２８との回転中心距離とから，スポット像３６の三次元
位置座標が算出される。 以上の一連の手順において，オペレータの操作が必要と
なるのは（１）項の測定点の指定だけである。後は自動
的にスポット像３６の追尾がなされ，三次元位置座標の
算出までが自動的に実行される。上記第１実施例及び第
２実施例に示したように，スポット光を投射して被測定
物上の所望位置に形成させたスポット像の三次元位置座
標が自動的に演算されるので，順次被測定物上の複数位
置にスポット像を形成し，それぞれ位置座標を求めるこ
とによって被測定物の三次元位置を計測することができ
る。

【００１０】

【発明の効果】以上の説明の通り本発明によれば，被測
定物の所望位置に形成されたスポット像の追尾が自動的
に行われるので，従来装置において撮像側の画像上から
外れるような大きなスポット像の移動があった場合に
も，その追尾が簡単になされる。従って，従来の三次元
位置計測におけるスポット像の追尾の操作に熟練を要し
ていた作業が自動化された三次元形状計測装置を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例に係る三次元形状計測装
置の構成を示す模式図。

【図２】 本発明の第２実施例に係る三次元形状計測装
置の構成を示す模式図。

【図３】 従来例に係る三次元形状計測装置の構成を示
す模式図。

【図４】 従来例に係る三次元形状計測装置による計測
手順を示すフローチャート。

【符号の説明】

１…レーザーポインタ ２…レーザートラッカ ３…制御装置（制御手段） ４，３５…被測定物 ５，３６…スポット像 ６，２４…光源フォーカシングレンズ ７，２１…スポット光源 ８…光源駆動機構 ９…ＴＶカメラ １０…光源角度制御部（制御手段） １５…カメラ駆動機構 １６…カメラフォーカシングレンズ １７…撮像角度制御部（制御手段） １８…光源レンズ制御部（制御手段） １９…カメラレンズ制御部（制御手段） ２０，３７…三次元形状計測装置 ２２…撮像ユニット（カメラ） ２５…投光ミラー（光源駆動機構） ２７…撮像フォーカシングレンズ ２８…受光ミラー（カメラ駆動機構） ２９…回転駆動機構（光源及びカメラ駆動機構） ３２…演算ＣＰＵ部（制御手段） ３３…駆動制御部（制御手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０６Ｔ 7/00 (72)発明者 山崎 敏 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 吉田 泰三 兵庫県神戸市灘区岩屋北町４丁目５番22号 神鋼プラント建設株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物にスポット光を投光するスポッ
   ト光源と，該スポット光源の投光角度を変化させる光源
   駆動機構と，上記スポット光源から所定距離離れて配置
   され上記被測定物上にスポット光により形成されたスポ
   ット像を撮像する撮像装置と，該撮像装置の撮像角度を
   変化させる撮像装置駆動機構とを具備し，上記スポット
   光源の投光角度と，上記撮像装置の撮像角度と，スポッ
   ト光源と撮像装置との距離とから三角測量の原理により
   被測定物上に投光された上記スポット像の位置座標を演
   算し，上記スポット光の投光位置を順次移動させること
   により被測定物の三次元形状を測定する三次元形状計測
   装置において，上記スポット光源に設けられたフォーカ
   シン機構の制御量を検出する検出手段と，上記検出手段
   による検出値と上記光源駆動機構によるスポット光の投
   光角度とから上記被測定物上のスポット像の概略三次元
   座標位置を演算する演算手段と，上記撮像装置に設けら
   れたフォーカシング機構を制御するフォーカシング機構
   駆動手段と，上記演算手段からの出力に基づいて上記撮
   像装置駆動機構と上記フォーカシング機構駆動手段とを
   上記撮像装置が被測定物上のスポット像を追尾するよう
   に制御する制御手段とを具備してなることを特徴とする
   三次元形状計測装置。