JPH11264722A

JPH11264722A - ３次元計測装置

Info

Publication number: JPH11264722A
Application number: JP10089281A
Authority: JP
Inventors: Yuusuke Nonomura; 友佑野々村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-03-17
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 1999-09-28

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】操作性や走査性のよい３次元計測装置を提供
する。【解決手段】多波長の指標光を投射する指標光投射手
段と、それを直接または、間接的に受光する撮像手段
と、撮像手段により得られた多波長映像を解析する多波
長解析手段と、その解析結果より被計測物体の座標を求
める座標変換手段とを備える３次元計測装置とからな
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、３次元物体の形状
や、空間位置、軌跡などの３次元計測をすることを特徴
とする装置。

【０００２】

【従来の技術】多軸型の３次元計測装置等がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の多軸型の３次元
計測装置における計測では、装置が複雑で走査性や操作
性に制限があり、手軽に３次元形状を計測できなく、か
つＶＲのような実空間と仮想空間の対応といった３次元
計測が不可能もしくは困難という不具合があった。さら
に同一または、ほぼ同一のハードウエアを使用して非接
触パターン計測を実現する事もできなかった。

【０００４】

【発明の目的】本発明は、上記の事情に鑑みてなされた
もので、その目的は、操作性や走査性の良い３次元計測
が可能な３次元計測装置の提供にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の３次元計測装置
は、次の技術的手段を採用した。〔請求項１の手段〕多波長の指標光を投射する指標光投
射手段と、それを直接または、間接的に受光する撮像手
段と、撮像手段により得られた多波長映像を解析する多
波長解析手段と、その解析結果より被計測物体の座標を
求める座標変換手段とを備える３次元計測装置。

【０００６】〔請求項２の手段〕請求項１の３次元形状
計測装置において、被計測物体を走査する走査プローブ
を有する事を特徴とする。

【０００７】〔請求項３の手段〕請求項１または２の３
次元形状計測装置において、被計測物体を切削する切削
子を有する事を特徴とする。

【０００８】〔請求項４の手段〕請求項１から３のいず
れかの３次元形状計測装置において、被計測物体の移動
を検出する、被計測物***置センサを有する事を特徴と
する。

【０００９】〔請求項５の手段〕請求項１から４のいず
れかの３次元形状計測装置において、プローブが被計測
物体と接触した時を検出する接触手段を備える事を特徴
とする。

【００１０】〔請求項６の手段〕請求項１から５のいず
れかの３次元形状計測装置において、プローブの軌跡を
検出する軌跡検出手段を備える事を特徴とする。

【００１１】〔請求項７の手段〕請求項１、２、４から
６のいずれかの３次元形状計測装置において、プローブ
が切削子と使用時における同等形状を有する事を特徴と
する。

【００１２】〔請求項８の手段〕請求項１〜７のいずれ
かの３次元計測装置において、信号改善手段を有する事
を特徴とする。

【００１３】

【発明の作用および発明の効果】〔請求項１の作用およ
び効果〕請求項１の３次元計測装置は、多波長の指標光
を投射する指標光投射手段と、それを直接または、間接
的に受光する撮像手段と、撮像手段により得られた多波
長映像を解析する多波長解析手段と、その解析結果より
被計測物体の座標を求める座標変換手段とを備えるの
で、操作性や操作性が良く、３次元の空間位置精度が良
い。

【００１４】〔請求項２の作用および効果〕請求項１の
３次元形状計測装置において、被計測物体を走査する走
査プローブを有する事を特徴とするので、３次元形状計
測ができる。

【００１５】〔請求項３の作用および効果〕請求項１ま
たは２の３次元形状計測装置において、被計測物体を切
削する切削子を有する事を特徴とするので、切削形状を
リアルタイムにて計測できる。

【００１６】〔請求項４の作用および効果〕請求項１か
ら３のいずれかの３次元形状計測装置において、被計測
物体の移動を検出する、被計測物***置センサを有する
事を特徴とするので、被計測物体が移動しても計測がで
きる。

【００１７】〔請求項５の作用および効果〕請求項１か
ら４のいずれかの３次元形状計測装置において、プロー
ブが被計測物体と接触した時を検出する接触手段を備え
る事を特徴とするので、接触時の座標値が検出できる。

【００１８】〔請求項６の作用および効果〕請求項１か
ら５のいずれかの３次元形状計測装置において、プロー
ブの軌跡を検出する軌跡検出手段を備える事を特徴とす
るので、プローブ軌跡が検出できる。また、軌跡を合成
すれば被計測物体の形状も検出できる。

【００１９】〔請求項７の作用および効果〕請求項１、
２、４から６のいずれかの３次元形状計測装置におい
て、プローブが切削子と使用時における同等形状を有す
る事を特徴とするので、切削形状を針型プローブより早
く、かつ精度よく計測できる。

【００２０】〔請求項８の作用および効果〕請求項１〜
７のいずれかの３次元計測装置において、信号改善手段
を有する事を特徴とするので、空間精度が増す。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の３次元計測装置
を、図１〜図１２に示す実施例または変形例に基づき説
明する。〔実施例の構成〕第１実施例は、３次元計測装置として
の使用を提示する。図１は第１実施例などにおける３次
元計測装置のブロック図を示す。指標を有するプローブ
と、それを撮像する撮像手段と、撮像手段の多波長映像
を解析する多波長解析手段と、それを基に座標計算する
座標変換手段と、座標変換の基準値を記憶しておく初期
値保持手段とからなる。ここで、初期値保持手段は、単
なる演算回路、機構などとして座標変換手段の一部であ
っても良い。さらに必要に応じて、プローブが被計測物
体に触れたかどうかを検出する接触検出手段または、プ
ローブの軌跡を観察する軌跡検出手段と軌跡検出のため
のプローブ形状保持手段などからなる。

【００２２】図３〜図６は、３次元計測装置の指標光投
射手段の一例である。ここで図３〜図６は、いずれか一
つまたは、その組み合わせにて適時使用する。これら
は、基本的に図１２のような多波長縞を生成する。図１
２がカラー印刷されているとして、左が青色で右に行く
ほど赤色になるグラデーションまたは虹色様の模様が一
例である。

【００２３】ここで図３〜図６の各指標光投射手段に
て、さらに具体的に説明をする。図３は、単一の縦また
は、横の多波長縞をえるための物であり、図３は、導波
路（ここではファイバー）４にて導かれた光を分光器
（ここではプリズム）５にて単一の多波長縞を投射する
物である。

【００２４】図４は、多波長縞（多波長縞）を直交方向
に生成し、その光をＨＭ（ハーフミラー）８などを使用
し直交関係にて合成して投射するもので、図４は、原則
的に各多波長縞が直交関係となるように、各光学素子が
設置されており、かつ線分Ｌｃｐの交点が、各多波長縞
の中心、光軸となるようにＨＭ、各プリズム５ａ，５ｂ
の位置、角度、またはビーム調整器６ａ，６ｂ、そして
導波路４ａ，４ｂを調整されて合成され出力される。出
力される光は、必要なら点線でしめした凹レンズまた
は、組み合わせレンズによる光角度調整手段を設けても
良い。他の指標光投射手段も同様である。ここで、ビー
ム調整器６ａ，６ｂは、平行光をえたり、スリット光を
得るために設けられているが、図３のようなファイバー
の端を凹や凸または、シリンドリカル（凹または凸）様
に研磨して使用する事により、不要としても良い。

【００２５】図５は、補助指標投射手段７を有する物で
ある。ラインマーカー、点マーカー、十字マーカー、そ
れらは、単数または複数の点光源分布をなし、いずれか
一つまたは、その組み合わせにて使用するもので、図５
は、補助ビーム投射手段７を有する指標光投射手段の一
例である。この補助ビーム投射手段は、２本の平行ライ
ンと、１点のスポットが投射される。１点をＺ軸上に設
定する。または、１点のスポット、複数点のスポット、
３本以上のラインまたは、それらの組み合わせでも良
い。

【００２６】補助ビーム投射手段７は、多波長縞とＨＭ
にて合成され投影される。このラインは、光の波長変化
の空間的直線性が良ければ不要としても良い。このライ
ンマーカーは、干渉やモアレ、あるいはホログラムによ
り製作しても良い。

【００２７】図６は、図４の直交多波長縞をＨＭ８にて
合成せず独立に投射するものである。ここで、ビーム調
整器６、６ａ、６ｂは、使用すると好適だが、使用しな
くても良い場合もあるので、適時目的にあわせ使用す
る。また図６は、図４の直交多波長縞がエネルギーまた
は、強度中心または、光軸中心を交点としない場合であ
る。これらの中心をずらし、後述のＺ軸上にプローブが
無い場合などの指標ベクトルを生成できる。これにより
第２〜第４実施例などのプローブがＺ軸などの指標軸と
無関係な場合に有効である。

【００２８】これらの指標光投射手段は、いずれか一つ
または、その組み合わせにて適時選択して使用する。ま
た、出力側に点線で記載した凹レンズは、輻射角度調
節用の一例である。これは、他のビームエキスパンダな
どの光学素子にて実現しても良いし、不要の場合もあ
る。

【００２９】図２は、３次元計測装置のプローブ周辺の
一例である。被測定物をなぞったり、接触し形状を検出
するプローブ１と、把持部または体部である２と、指標
口３からなる。そして、指標口３は、ただの穴でも良い
し、適当な光学基盤を挿入したウインドウの様な物でも
良い。ここで、指標口３における内部の拡大図例を図３
に示す。もちろん、図３〜図６のいずれか一つまたは、
その組み合わせを使用しても良い。ここで多波長光を導
く導波路４と、分光器、ここではプリズム５と指標口３
とからなる。ここで、導波路は、ファイバーを使用し
て、外部の白色光源より光を導いた。ここで、ファイバ
ー端の研磨は凸でも凹でも良いが、ここでは凸とし、な
るべく平行光が得られるようにした。この出力に適時シ
リンドリカルレンズ（凹、凸など）を挿入して光路の広
がりを得ても良いし、スリット光様の線状ビームとして
も良い。

【００３０】また、この部分は内蔵光源にスリットなど
の光源を使用しても良いし、プリズムの代わりにグレー
ティングなどの分光器を使用しても良いなど、多スペク
トル光が得られればどの様な手段でも良い。そして、こ
れらの指標光生成手段により、連続的な多スペクトル光
が得られる。この光の波長変化具合を多波長解析手段が
解析して、その値を座標変換手段が演算しプローブ先端
座標値を算出する。この光をレンズ無しのカラーＣＣＤ
カメラに投射する。もちろん光路変化用にレンズを使用
しても良い。カラーＣＣＤは、多板式の物でも単板式で
も良いが、色むらといった観点からは、多板式が良い。

【００３１】具体的には、指標光生成手段により色（波
長）が連続的に変化している縦または、横縞状の投射光
が生成される。そして、ここで縞方向とは、同波長方向
とし、その垂直方向に波長が連続的また断続的に変化し
ている。ここで仮に図２のＺ軸を中心に、その延長上に
ＣＣＤ素子が垂直に位置しており、その平面をＸ、Ｙと
し、さらにＹ方向に縞方向をとり、Ｘ方向に波長変化方
向をとる様な座標系を設定する。この座標系は、一例で
あり、球座標、円筒座標など他の座標系を採用しても良
いし、どの座標軸をどこにとろうと自由である。

【００３２】ここで、各計測方法の一例を列記する。こ
れらは、多波長解析手段と座標変換手段により実現され
る。これらは、ハードウエアで実現しても良いし、また
コンピュータ上の仮想空間にてソフトウエアとして実現
しても良い。

【００３３】ここで、一例としてまずプローブ中心を通
るＺ軸に対して、カラーＣＣＤの像面を光学的に垂直に
し、ちょうどＣＣＤ面がＸ−Ｙ平面に、そして垂線がＺ
軸になるように位置させる。もちろんどのような座標系
を採用するかは、自由でこれにとらわれる事はないし、
ミラーで光路が曲っていても構わない。

【００３４】そして、ＣＣＤ面の中央点をＣＰとし、一
例としてこの点をＺ軸上におく。この時一例として初期
設定として、縞方向をＹ方向にしＹ方向には波長が変化
しないようにプローブを位置させる。そしてＸ方向が、
波長変化方向とする。これらは、説明のための設定であ
るので、計測のたびに、このような事をする必要はない
が、校正などの時に使用しても良い。

【００３５】各画素の値、即ち波長値は、ここではＲＧ
Ｂの比率としてベクトルまたは、行列表示し、Ｉとす
る。ここで、一例として、Ｚ軸を図２のプローブ中心を
通り指標口３から投射される光の光軸とし、かつＣＣＤ
などの撮像素子上に波長値Ｉｃｐを有するものとして設
定する。

【００３６】そして、各自由度の動きを検証してみる。

【００３７】回転成分Ｚ方向回転（Ｚ軸またはＺ軸に平行な線分を回転軸とし
て）：Ｚ軸を中心として、縞が回転する。一例としての
上記初期値は、Ｙ方向が縞方向であったので、プローブ
がＺ軸回転すれば、縞方向に対してＹ軸との角度差が生
じる。；具体的な一例としては、上記、点ＣＰの有して
いた初期波長値Ｉｃｐを、ＣＣＤまたは、その映像を記
憶したメモリにて、多波長解析手段が走査をい、ここ
で、Ｉｃｐ値は、点ＣＰを含む線状となっているので、
そのＩｃｐを有する線分Ｌｃｐを抽出する。そして、座
標変換手段が、その線分とＹ軸の成す角度を、初期の波
長増減方向（Ｘ方向）で、かつ線分Ｌｃｐの各点の垂線
上両側にて、波長ピッチが線対象となるように、Ｚ軸回
転させる。この時Ｌｃｐ上で、Ｉｃｐ値の強度最高点
を、回転中心として使用しても良いし、図４〜図６を使
用すれば中心が、さらに容易に判明するので中心を使用
する事を優先として、この操作を実行しても良い。結果
的に、この角度を座標変換手段がＺ方向回転角度とす
る。

【００３８】Ｙ方向回転（Ｘ軸またはＸ軸に平行な線分
を回転軸として）：多波長縞の互いの角度が変化する。
具体的には、線分Ｌｃｐに対して、垂直でＣＰを通るＣ
ＣＤ面上の線にて、２等分されて生じる２つの面に対し
て、プローブ先端が近づいた面の方は、縞がせまくな
り、逆は、広くなるように角度変化をおこす。；さらに
具体的には、上記Ｚ軸回転が終わった多波長縞に対し、
座標変換手段が、線分Ｌｃｐの各点においてのＸ方向両
側にて、初期値として決定されている特定の波長値を有
する線どうしが、等間隔または、初期値に保持されてい
る決められた間隔になるようにＹ方向回転を行う。さら
に具体的には、Ｌｃｐの両側における特定の波長情報線
Ｉｙ１とＩｙ２を有するＬｙ１とＬｙ２の角度を波長解
析手段が検出して、指標光の投射角度などの空間情報を
加味して、座標変換手段がＹ方向回転角度をもとめても
良いし、または、この線分の初期値を初期情報として設
定しておき、その両線分の角度を予めＹ方向回転と対応
させておいき、これは関数式で求めても良いし、データ
ベースにて対応を定めても良い。そして、計測された時
点でのＬｙ１，Ｌｙ２の２線分における角度からＹ方向
回転を求める。この角度を座標変換手段がＹ方向回転角
度とする。この時、Ｌｙ１とＬｙ２の２線分を比較する
例をしめしたが、さらに多くの線分を比較しても良い。
他の例も同様である。結果的に、この角度を座標変換手
段がＹ方向回転角度とする。

【００３９】Ｘ方向回転（Ｙ軸またはＹ軸に平行な線分
を回転軸として）：縞のピッチが変化する。具体的に
は、Ｘ１とＣＰとＸ２など、同一線分上の３点以上の色
変化によりピッチが判明する。；ここでは、上記Ｚ、Ｙ
回転に続き、多波長解析手段が検出した線分Ｌｃｐに対
して垂直な線分をＸ回転方向の走査線とし、線分Ｌｘと
する。そして座標変換手段が、Ｌｘ線上に走査を行い初
期の波長ピッチと比較し、そのピッチの変化を基に座標
変換手段が、Ｘ方向回転角を求める。この場合、波長ピ
ッチを、どの波長間に設定するかは、自由であるし、逆
に波長の変化を独立変数として設定して、Ｘ方向の角度
変化分を求めても良い。一例として、上記の変化分をδ
ｘｒとすると、もとめるＸ方向回転成分は、原理的に
は、簡単な比例関係でもとまる。もっとも伝達系の誤差
要素やバイアス成分、非線型要素などにたいしての補正
は、他の計測と同様に付加しても良い。他の演算も同様
である。結果的に、この角度を座標変換手段がＸ方向回
転角度とする。

【００４０】直線成分Ｚ移動：すべての色ピッチが、（初期値保持手段にて
保持されているなどの）定められた値に比例して伸縮す
る。プローブがＣＣＤより離れるとピッチが広がり、ち
かづくと狭くなる。；具体的にはいずれかの波長情報点
の間隔にてＺ値が演算される。さらに具体的には、一例
として初期値として設定しておいた波長値Ｉｘｙ１とＩ
ｘｙ２の距離にＺ値は比例するので、波長手段が計測像
より検出して、座標変換手段が、これを基にＺ移動値を
求める。この計測点は、どこにとろうと、また何個とっ
ても良い。この値を座標変換手段がＺ方向移動距離とす
る。

【００４１】Ｘ移動：ある計測点における波長の変化
を、多波長解析手段が検出する。この変化を基に座標変
換手段がＸ移動値を求める。具体的には、多波長解析手
段が見つけた線分Ｌｃｐを、初期のＬｃｐまたは、ＣＰ
を含む位置にＸ軸移動を座標変換手段により行えば良
い。この値を座標変換手段がＸ方向移動距離とする。

【００４２】Ｙ移動：Ｙの計算指標としては、図３の強
度最高点または、線分Ｌｃｐにおける最高強度点を使用
したり、図４や図６のＬｃｐクロス点を採用したり、
図５に中心を点状とするビーム投射器７を備え、そのビ
ーム投射点を採用したり、図５のビーム投射器に少なく
ともＺ軸を通るラインを投射する手段を備え、そのライ
ンマーカーをＸ方向かつ、点ＣＰを通過するように引
き、これとＬｃｐの交点を使用したり、画像のエネルギ
ー中心点を採用したり、指標口３に光学基盤を設置し
て、その光点を使用したりする。これらのいずれかの指
標を基に、多波長解析手段が解析を行い、そしてそのデ
ータを基に座標変換手段が、Ｙ軸移動距離を演算する。
特定の指標がＣＣＤ面上または、メモリー上にてＹ方向
に何画素移動したかを、計算し、それを基に初期値保持
手段に保持されている指標光投射パラメータを基に計算
すれば良い。この値を座標変換手段がＹ方向移動距離と
する。

【００４３】以上の６自由度により、プローブの先端座
標が既知となり３次元計測が可能となる。

【００４４】ここでは、ＲＧＢの比率を波長の指標とし
たが、分光器などの他の手段によって波長を求めるなど
しても良いし、側色手段を使用して波長の指標としても
良いなど、波長変化を計測できればどのような手段でも
良い。

【００４５】ＣＣＤカメラには、レンズを装着せず使用
したが、必要に応じてレンズを使用して、光路や結像状
態を変化させても良い。

【００４６】一方通常の３次元計測装置に共通な、プロ
ーブ先端座標が被計測物に触れているか、または、プロ
ーブ軌跡をとり、その軌跡を計測するか、などの各手段
に共通な部分を説明する。

【００４７】ここで、プローブ１が、被計測物体に接し
たか、否かの検出を、接触検出手段にて、手動、導通式
などの既知の指令方法にて行い、上記プローブ先端３次
元座標値を、適時サンプリングしても良い。（図１のＢ
出力）

【００４８】また、ここにプローブ形状軌跡の空間論理
和手段を採用して、その最外周を表示しても良いなどの
軌跡検出手段と、軌跡の初期値、即ちプローブ形状保持
手段を使用しても良い。この軌跡検出手段は、実空間上
でのプローブと、プローブ形状保持手段に保持されてい
るプローブ形状が、プローブ形状保持手段上のメモリ空
間である仮想空間上で本３次元計測により一致連動して
いる。そして、むらなく被計測物体をなぞり、プローブ
の軌跡における論理和を、軌跡検出手段が演算すれば、
その最外周が被計測物の形状となる。（図１のＣ出力）
また、プローブのバーチャルリアリティも可能だし、軌
跡の動きより種々な教育が行える。

【００４９】これらは、単独で使用しても良いし、組み
合わせて使用しても良い。よって３次元形状データは、
図１のＡ，Ｂ，Ｃのいずれか一つの出力、または、その
組み合わせにて使用しても良い。

【００５０】〔実施例の効果〕本実施例の３次元計測装
置は、３次元形状計測やプローブの軌跡計測ができる。
この時、指標を３次元計測するのに対して、原理的に結
像系を使用しなくても３次元計測が可能なので、収差に
よる誤差が存在しない。また、少なくとも一台以上の撮
像手段にて計測が可能であり、かつプローブの位置の自
由度が高いので、走査性や操作性が良く操作範囲が広
い。よって３次元形状計測や、交点追跡、モーション検
出、またはＶＲなどの３次元計測全般に使用できる。

【００５１】〔第２実施例〕図７は第２実施例の３次元
計測装置を示す。ここでは、先端が曲っているプローブ
を示す。〔実施例の構成〕第１実施例の装置に加えて、プローブ
の屈曲方向などの位置関係を算出する手段が付加する。
一例として図６の指標光投射手段を使用すると、どちら
か一方の線分Ｌｃｐの最大強度またはエネルギー中心点
が交点とは別の所に現れる。これの位置と、この位置を
有する方の線分Ｌｃｐが示す方向がプローブ先端方向と
する。具体的には、まずＺ軸からプローブ先端位置の垂
直距離を計測し、その値を初期値保持手段に記憶させて
おく、そして各線分Ｌｃｐの交点より前述の決められた
方向に、その値を加算すれば良い。これらは、第１実施
例同様、多波長解析手段と座標解析手段とで行われる。
ここで、プローブが立体形状を必要とすれば、同様に立
体形状の各点をプローブ形状保持手段に記憶させてお
き、その値群を同様に加算すれば良い。これは、初期値
保持手段で行っても良い。

【００５２】また一例として、プローブの先端方向を示
すため、指標を追加しても良い。この指標は、既知の光
点追跡指標を使用しても良いし、また本発明の指標を使
用しても良い。後の操作は、第１実施例に準ずる。

【００５３】〔実施例の効果〕本実施例の３次元計測装
置、方法は、曲ったプローブも使用できるので、操作性
が非常に良い。また、ＶＲなどへの応用にも好適であ
る。

【００５４】〔第３実施例〕この３次元形状計測装置
は、被計測物体が移動しても形状が計測できるように、
被計測物***置センサを有する。被計測物位置センサ
は、被計測物体に仮着するための仮着手段（ここではク
ランプ９）と、この仮着手段に取り付けられた指標３３
とからなる。ここで、仮着手段は、クランプいがいの手
段を使用しても良い。図８に、被計測物位置センサと図
７の形状計測器を図示する。

【００５５】図８のクランプ９を、歯牙などの被計測物
に装着して、そのクランプ９に付随している指標３３
と、計測器の指標３を撮像手段にて撮像する。この時、
この２つの指標は、帯域の違う指標を使用する。この波
長域は、２つの指標を分離できれば、どのような物でも
良いし、指標の空間位置または方向の限定にて同一波長
を使用しても良い。ここで、最初に計測器が被計測物体
のある点または、点群を計測する。この時、座標変換手
段が、指標３３に対して第１実施例などの指標計測機構
と同様の機構にて派生した座標系を与え、計測器によっ
て計測された点、または点群を指標３３により派生した
座標系に対応させる。そして、その対応関係を基本に座
標変換手段が順次時、指標３に対応する計測座標と、指
標３３に対応する被計測物体座標の整合を、既知の座標
変換演算式にて、座標変換を行う。これは、被計測物体
の移動誤差補正に他ならない。

【００５６】ここでクランプにスタートホールを設けて
さらに精度をあげても良い。即ち、クランプ９上に、ス
タートホール１０を設け、ここに計測器のプローブ先端
を置き、そして、その時の両指標（３と３３）を計測し
て、初期値保持手段に保持しておき、校正をするなどで
ある。ここで、スタートホール１０は、被計測物体座標
系Ｘｏ，Ｙｏ、Ｚｏの（０、０、０）点に設定してある
が、この座標は、どのような値でも良い。スタートホー
ルは、かならずしも必要ではない。

【００５７】そして、計測器側は、上記実施例のごとく
作動する。この時、指標３３の移動が、撮像手段に撮像
され、多波長解析手段にて検出、座標変換手段にて座標
変換されて、計測座標値の誤差を吸収する。

【００５８】〔実施例の効果〕本実施例の３次元計測装
置、方法は、被計測物体が移動しても計測が可能であ
る。

【００５９】〔第４実施例〕第４実施例は、切削などを
行い、その結果欠損した形状を計測する３次元形状計測
装置を示す。

【００６０】図９のごとく、ハンドピースに切削子を取
り付けた物を計測プローブなどとする。この時、図１の
プローブ形状保持手段は、必須になる。この時計測プロ
ーブを固定して、被計測物体をなぞって軌跡合成して、
形状計測を行っても良い。

【００６１】後の操作は、上記実施例に順ずる。

【００６２】ここで、第３実施例のごとく、被計測物体
移動検出機構を備えても良い。

【００６３】〔実施例の効果〕本実施例の３次元計測装
置、方法は、切削などの加工を行いながら計測が可能で
ある。よって、切削の実習モニターに使用できるし、ま
た歯牙などの切削部位を切削しながら計測でき、すばや
く修復物を製作したりできる。

【００６４】〔第５実施例〕図１０は第５実施例の３次
元計測装置を示す。第１実施例で使用した指標投射手段
より投射される多波長縞を、物体に投射する。そして、
それを投射光軸からθだけ傾けた光軸上に設置されたＣ
ＣＤカメラにて撮影する。この時のＣＣＤカメラは、結
像レンズを有し縞とともに物体も像として認知できるよ
うな物である。θは、ここでは３０度としたが、この角
度は０＜θ＜９０度などの観察可能な角度ならいずれの
値でも良い。

【００６５】まず基準値として、平面を撮影する。ここ
で、一例として、第１実施例と同様な画素、縞位置に投
射光とカメラ方向を決めておく。即ちＣＣＤのＸ方向を
波長変化方向とし、Ｙ方向を縞方向とする。

【００６６】そして各画素における波長値Ｉｘｙと、一
例としての基準線ＬｃｐからＸ方向への画素数を記憶し
ておく。

【００６７】そして、被計測物体を平面の上に置くか、
平面をどけて被計測物体に本装置をもってゆく。する
と、ＣＣＤカメラには、変形した多波長縞が写る。これ
を、一例として、ＣＣＤ上の初期に計測したＩｃｐ値の
線（線分Ｌｃｐ）の部分より、各点においてＸ軸に平行
に画素を走査してゆく。そして初期値として計測された
各波長値Ｉｘｙと同等な画素を見つけ、初めにあった画
素とその画素との変位画素数を計測して、それを３角測
量法にあてはめて、物体の高さとする。もちろん、初期
値の存在した画素のＸ，Ｙ座標値が、Ｘ，Ｙ値である。
これにより被計測物体の各計測点における座標値がもと
まる。

【００６８】従来の縞投射法に比べて、縞の飛び越しが
無く、さらに縞の空間周波数が細かく設定できるので、
高い精度の形状計測が可能となる。Ｂで表示したバッフ
ァーと、＋で表示した加算器、／で表示した除算器で構
成される抽出手段と、自己増幅手段（ここでは、＾ｎ）
とからなる。ここでＢは、前段との接続や、後段との接
続をスムーズに行うための物で、必ずしも必要では無
い。そして加算器と除算器によって形成される手段が、
目的の波長抽出手段である。そして、その後段に接続さ
れているのが、自己増幅手段である。

【００６９】〔第６実施例〕第６実施例は、上記実施例
または変形例の撮像手段を、より増強する物である。図
１１において、左のラインは、それぞれｒ、ｇ、ｂのカ
メラ出力に接続されており、ここでは、上からｒ、ｇ、
ｂとする。その信号がＢであるバッファーに入力され
る。ここで、接続線に従い加算が行われ、その出力と各
ｒ，ｇ，ｂの信号が、除される。この信号においても、
かなり目標とする指標が浮き出てくる。具体的には、赤
の指標は、一番上の出力に鮮明となっている。

【００７０】そして、上述の各信号を自己増幅手段に入
力する。ここでは、ｎ乗を使用した。そして、自己増幅
が行われる。この出力信号は、さらに鮮明に目標物を抽
出できる。ここでも、図１１の接続は、その一例にすぎ
ず、同様な効果があれば、どのような接続でも良いし、
また、どの様な重み（演算）を付け接続しても良い。こ
の信号改善手段を各例に付与しても良い。

【００７１】この時、この接続のいずれに対して、どの
様な重み（演算）を付け接続しても良い。この信号改善
手段を各例に付与しても良い。また、波長入力は、２つ
でも良いし、４つ以上でも良い。

【００７２】〔実施例の効果〕本実施例の信号改善手段
は、多波長映像より目的の指標を実時間で、非常に鮮明
な映像としてとらえる事ができるので、より多波長解析
精度が増す。

【００７３】〔変形例〕上記の実施例では、波長を指標
として変位などを見たが、Ｃｏｓ縞を補助指標として用
いても良い。

【００７４】波長値Ｉの検出は、光の比率がわかればど
のようなセンサでも良い。またＣＣＤなどの撮像素子と
併用して使用しても良い。

【００７５】また、どの波長値ＩをＩｃｐ様（Ｌｃｐ）
に設定しても良いし、また複数のＩｃｐ様（Ｌｃｐ様）
の基準線、点、値を設定しても良い。さらにまた、Ｌｃ
ｐは、光軸または、Ｚ軸を通るようにしたが、他の場所
に設定しても良い。これらの場合、ＣＣＤが指標光の光
軸をはずしていても、３次元計測ができる。

【００７６】上記の実施例では、ペン型またはハンドピ
ース型の計測装置としたが、この形状にするか否は、操
作者の自由で特に限定されるものではない。

【００７７】プリズムなどの分光器の輻射面にできる光
点座標を既知の光点追跡を使用して求めても良い。そし
て、この座標値を使用しても良いし、併用しても良い。

【００７８】軌跡はプローブのみならず本体など他の軌
跡をみても良い。この場合プローブ形状を、みたい物体
の形状に変えておく。

【００７９】プローブが屈曲している場合の一例とし
て、操作者が初期のプローブ位置を、初期値保持手段に
保持しておく。そして、この時のプローブ方向をＹプラ
スか、Ｙマイナスか初期値に記録しておく。そして、こ
の位置よりＸＹ仮想面に対して、Ｚ軸を中心としてプラ
スマイナス９０°以上の操作を行わないようにする用に
して屈曲方向を認知しても良い。

【００８０】定点観測を行っても良い。一例として、Ｃ
Ｐと、そのＸ方向における両側等間隔にＸ１、Ｘ２をと
る。そして、その両点のＹ方向における両側等間隔にＹ
１、Ｙ１１，Ｙ２、Ｙ２２をとる。これらの点の取り方
は、一例であり本発明の主旨にそえば、どのような設定
のしかたでも良い。この各点のＩ値と空間位置を対応さ
せた関数または、データベースを用意しておいて、３次
元計測しても良い。

【００８１】等色点法を行っても良い。一例として、Ｌ
ｃｐと、その垂線のある場所の投射光波長を計測してお
く。一例として、カラーＣＣＤカメラを使用して、ＲＧ
Ｂの比率を求めておく。そして、Ｌｃｐの両側で、かつ
垂直方向において最低各１個所以上波長に対応する値を
求めておく。（縞方向とは、ここでは同波長方向とす
る。）さらに、それらの点より両側で、縞方向に各２点
以上、計４点以上の指標点を設定し、同様に波長を計測
しても良い。

【００８２】各手段は、コンピュータなどを使用しても
良い。

【００８３】プローブは、本発明に使用できるなら、先
端がラウンドのもの、円錐台、楕円型など、どのような
形状でも良い。また、レーザ光、静電センサ、トンネル
効果センサなどの被接触プローブまたは、距離計を採用
しても良い。その場合、接触検出手段は、不要である。

【００８４】切削加工後の形状を計測するために、計測
器のプローブを切削子と同じ形状として、計測をおこな
っても良い。この時のプローブ形状は、切削子が静止時
の形状でも良いし、動的な形状でも良い。動的な形状と
は、ハンドピース静止時における切削子軌跡（の和の）
形状である。

【００８５】指標の中には、３つ以上の多波長指標光源
が存在していても良いし、また単一帯域光源を混在して
も良い。また、観察側で１画素以内の指標面を複数使用
して、精度をあげても良い。また指標は、複数個使用し
て精度を上げても良い。また、従来法の３点法と２点法
を組み合わせて使用しても良い。また、ヘテロダイン干
渉距離計測、モアレ、通常の縞投影法などを併用しても
良い。

【００８６】指標は、能動的な発光体でも良いし、スク
リーンに投射した物でも良いし、また反射光源でも良
い。反射光源の場合、図１２の多波長縞（実際は、カラ
ー）の一例様なものを、印刷またはインキした指標を使
用しても良い。この場合、撮像手段は、結像レンズが必
要となる。後の処理は、上記実施例と同様に行う。ここ
で、指標を追跡する特願平９―１８３１７３、特願平９
―３２０２４３、特願平９―２８７８２３または特願平
９―３３１１６０などの各種指標検出、追跡手段を使用
しても良い。この時カメラは、少なくとも１台使用す
る。

【００８７】また、指標は、個々に違う帯域の波長の電
磁波を発しても良いし、また同じ帯域の波長でも良いな
ど、どのような波長域でも良い。同じ帯域の波長の場
合、波長解析手段や座標変換手段は、区間制限を設けて
各指標を分離しても良い。また、各光点の発光を交互に
行い、その発光毎に画像を採取して区別しても良い。

【００８８】通常の３次元計測は、６自由度の座標値が
必要だが、ある座標値を固定として、計測自由度をへら
しても良い。一例として、指標から棒などを伸ばして、
プローブ先端と指標を、観察側で１画素相当に設定して
も良い。この場合指標と最低３自由度（３要素直線移
動）のみで３次元計測ができる。もちろん、これらの指
標を物体に取り付けて、その物体の動きを計測しても良
い。

【００８９】指標光は、直線偏光のみならず、円偏光、
楕円偏光を使用しても良い。

【００９０】３ＣＣＤなどの、複数の撮像素子を設けた
多板カメラを使用して、個々に波長フィルターを設けた
り、設けなかったりしても良い。

【００９１】光点検出には、光ＣＴ準拠のヘテロダイン
検出を行い、検出しても良い。

【００９２】欠損形状を、第１から３実施例の接触プロ
ーブ型の計測装置にて計測しても良い。その場合は、加
工する前の形状と加工した後の形状を計測する。この場
合加工する前の形状は、設計データや他の３次元形状装
置データでも良い。

【００９３】接触手段を、本体２にボタンを設置する事
により行っても良いし、フットスイッチを使用しても良
いし、また、被計測物体または、その表面を導電性とし
て、同通により接触を検出しても良いし、さらにまた、
圧力センサをプローブ直下にもうけても良い。静電容量
によっても良い。また、接触手段の一部機能として指標
のＯＮ、Ｏｆｆなどの強弱変化手段を設置しても良い。
この場合接触すれば、Ｏｎ、離開すればＯｆｆなどとす
れば、便利である。

【００９４】上記の実施例の撮像手段または信号改善手
段では、波長情報をｒ、ｇ、ｂとしたが、すべての電磁
波のどの波長にするかは、操作者の自由で特に限定され
るものではない。また、この波長は、２つでも良いし、
また、それ以上でも良い。また、中間色を抽出指標とし
ても良い。

【００９４】自己増幅手段は、自己相関係数が、大きく
なる様式にて、実施例以外の接続をおこなっても良い。
また、自己増幅手段は、信号が改善されるなら、どこに
挿入しても良い。また、自己相関係数が小さくなるよう
にして使用しても良い。また、自己増幅手段は、周波数
空間で行っても良い。さらにまた、信号に適当な閾値を
設定しても良いし、適当なフィルターを設けても良い。

【００９５】上記の信号改善手段では、各相殺手段（足
し算と割り算の部分）で処理した値を各自己増幅手段で
増大化させた例を示したが、各フィルタを透過した色の
光成分値を各自己増幅手段で増大化させても良い。各
フィルタを透過した色の光成分値、各相殺手段で処理し
た値、あるいは各自己増幅手段で処理された値を所定の
しきい値と比較し、しきい値をクリアした値のみを次段
で処理するように設けても良い。各フィルタを通過し
た値、各相殺手段を通過した値、自己増幅手段を通過し
た値、あるいは各演算式において、各色に応じて定数を
設定しても良い。

【０１００】自己増幅手段の一例として、入力された値
をｎ乗する例を示したが、階乗（！）のように、他の自
己の値を基に演算処理を施して自己を極端化させても良
い。また、階乗の場合の各段の数値の設定を適宜行って
も良い。また、階乗以外、定数を乗じても良い。また、
入力された値を微分したり、積分しても良い。また、複
数の演算を行っても良い。この場合、演算は直列であっ
ても良いし、並列であっても良い。つまり、自己増幅手
段は、入力された値を極端化するものであればどのよう
な演算手段を用いても良い。

【０１０１】カメラ手段の一例としてＣＣＤカメラを示
したが、受像デバイスにＭＯＳを用いたＭＯＳカメラ
や、受像デバイスにカニコン、サチコン、ビジコン、ニ
ュービコンなどの映像管カメラを用いても良い。この場
合、映像全体を量子化しても良いが、認識したカラーコ
ードＣの範囲内のみを量子化させて処理速度を向上させ
ても良い。

【０１０２】上記実施例または変形例は単独で実施して
も良いし、また組み合わせて実施しても良い。本発明
は、バーコードや、エンコーダーのような他の使用をし
ても良い。

【０１０３】

【図面の簡単な説明】

【図１】３次元計測装置のブロック図である。

【図２】プローブ周辺の一例である。（ストレートプロ
ーブ）

【図３】指標光投射手段の一部、一例である。（多波長
縞が１種類の例。）

【図４】指標光投射手段の一部、一例である。（多波長
縞が２種類以上の例。）

【図５】指標光投射手段の一部、一例である。（多波長
縞とマーカーの混合指標例）

【図６】指標光投射手段の一部、一例である。（多波長
縞が２種類以上で、非合成の例。）

【図７】プローブが屈曲している物。

【図８】被測定物の移動を検出する被測定物位置検出手
段を有する物。

【図９】ハンドピースに取り付けた例。どこに取り付け
ても良い。

【図１０】指標光を物体に投射して、その物体の３次元
形状をパターン計測する一例。

【図１１】信号改善手段の一例。

【図１２】多波長縞の一例。（実際は、カラーであ
る。）

【符号の説明】

１プローブ２本体または、把持部３、３３指標口（指標）４動波路５（ａ，ｂ）分光器６（ａ，ｂ）ビーム調整器。７補助ビーム投射手段８ハーフミラーＨＭ９被測定物把持手段の一例１０スタートホール（設置しない場合もある）１１切削子１２ハンドピース

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多波長の指標光を投射する指標光投射手段
と、それを直接または、間接的に受光する撮像手段と、
撮像手段により得られた多波長映像を解析する多波長解
析手段と、その解析結果より被計測物体の座標を求める
座標変換手段とを備える３次元計測装置。
【請求項２】請求項１の３次元計測装置において、被計
測物体を走査する走査プローブを有する事を特徴とする
３次元計測装置。
【請求項３】請求項１または２の３次元計測装置におい
て、被計測物体を切削する切削子を有する事を特徴とす
る３次元計測装置。
【請求項４】請求項１から３のいずれかの３次元計測装
置において、被計測物体の移動を検出する、被計測物体
位置センサを有する事を特徴とする３次元計測装置。
【請求項５】請求項１から４のいずれかの３次元計測装
置において、プローブが被計測物体と接触した時を検出
する接触手段を備える事を特徴とする３次元計測装置。
【請求項６】請求項１から５のいずれかの３次元計測装
置において、プローブの軌跡を検出する軌跡検出手段を
備える事を特徴とする３次元計測装置。
【請求項７】請求項１、２、４から６のいずれかの３次
元計測装置において、プローブが切削子と使用時におけ
る同等形状を有する事を特徴とする３次元計測装置。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかの３次元計測装置
において、信号改善手段を有する事を特徴とする３次元
計測装置。