JP2765151B2 - ３次元形状測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、スリットを通った光を被測定物体に照射し
てその反射光に基づいて、その形状を測定する３次元形
状測定方法に関するものである。

［従来の技術及びその課題］ 従来、この種の３次元形状測定方法として、特公昭60
−4402号公報のものが知られている。すなわち、第７図
に示すように、プロジェクタ１の光源２から発した光を
集光レンズ３、透明部と不透明部とを交互に平行に設け
た縞状スリット５、絞り６、投影レンズ７を介して３次
元形状の被測定物体９に照射し、その反射光を入射光に
対して所定角度だけ隔てた位置に設置したカメラ11の集
光レンズ13で集光するとともに、絞り15で光量を調節し
て撮像面17に撮像し、この撮像した縞状の模様を電気信
号に変換し、この信号に基づいた信号処理装置19にて位
相分布、さらには被測定物体９の３次元形状を求め、表
面形状表示装置20にて表示するものである。

ところで、上記従来の技術において、プロジェクタ１
の合焦位置とカメラ11の合焦位置とをP₀にて重ねて設定
しているが、このように両装置の合焦位置P₀を一致させ
ると、合焦位置P₀からの距離が大きくなるにしたがって
カメラ11にて撮像された格子縞像の撮像信号の振幅に違
いが生じる。すなわち、撮像信号は、第８図（Ａ）
（Ｂ）に示すような波形となるが、第８図（Ａ）に示す
合焦位置での信号波形は、第８図（Ｂ）に示す不合焦位
置での信号波形と違い矩形波により近い。このため、位
相検出時の位相誤差は、大きい場合にはサンプリング周
期δφ程度となってしまうことがあり、よって、正確な
３次元形状の測定が難しいという問題があった。

このような矩形波に依拠する大きな位相誤差を低減す
るための技術として、スリット５の透明部と不透明部と
の間に半透明部を設けて、撮像信号を第９図（Ａ）〜
（Ｃ）のような正弦波とする技術も知られているが、こ
のスリットは高価であるだけでなく、正確な正弦波とな
るものを作製することが難しく、さらに、このスリット
を用いたものでは、やはり第９図（Ａ）の合焦位置に比
べて、第９図（Ｂ）及び（Ｃ）の不合焦位置では撮像信
号のレベルが低くなる。これを、単にダイナミックレン
ジを調節することにより対処しても第９図（Ａ）との位
相検出精度が異なってしまい、かえって正確な形状測定
を行なうことができない。

本発明は、上記従来の技術の問題を解決することを課
題とし、所定の測定領域内に置いた被測定物体に基づく
撮像信号のレベルを、測定領域全域にわたって等しくな
るように合焦位置を設定することにより、被測定物体の
正確な形状測定ができる３次元形状測定方法を提供する
ことを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するためになされた本発明の３次元形
状測定方法は、 測定領域内に設置した被測定物体に対してスリットを
通った光を投影レンズを介して照射する光照射手段と、 上記被測定物体からの反射光を入射光に対して所定角
度を隔てた位置にて集光レンズで集光して撮像面に撮像
する撮像手段と、 この撮像手段からの撮像信号に基づいて格子縞の位相
分布を検出し、被測定物体の３次元形状を計算処理して
求める信号処理手段と を備えた３次元形状測定装置を用いて被測定物体の３
次元形状を測定する方法において、 光照射手段の投影レンズによる第１の合焦位置及び撮
像手段の集光レンズによる第２の合焦位置を調節するに
当り、 測定領域のほぼ中央に位置する基準位置に対して、第
１の合焦位置をプロジェクタに近づけて設定したとき
は、第２の合焦位置を基準位置に対してカメラから遠ざ
けて設定し、または、該基準位置に対して第１の合焦位
置をプロジェクタから遠ざけて設定した場合には、第２
の合焦位置を基準位置に対してカメラに近づけて設定す
ることを特徴とする。

［作用］ 本発明では、光照射手段により、スリット及び投影レ
ンズを通過した光が被測定物体に照射され、この反射光
が撮像手段により撮像される。撮像手段からの電気信号
は変換されて、その位相分布が求められ、さらに３次元
形状が計算して求められる。このような装置を用いて３
次元形状が測定されるのであるが、その投影レンズ及び
集光レンズの第１及び第２の合焦位置は、以下のように
設定される。

すなわち、測定領域のほぼ中央に位置する基準位置に
対して、第１の合焦位置をプロジェクタに近づけて設定
したときは、第２の合焦位置を基準位置に対してカメラ
から遠ざけて設定する。このような合焦位置の設定によ
り、測定領域内のどの位置でも、被測定物体上の格子縞
像のぼけ量と撮像面上の被測定物体の像のぼけ量の和は
常に等しくなり、よって格子縞像は常に一定のぼけ量で
撮像され、その撮像面上における縞のコントラストがそ
の全領域にわたってほぼ均一になる。したがって、その
コントラストに対応する撮像信号の振幅は一定となり、
よって全領域にわたって同一のダイナミックレンジにて
測定することができ、正確な３次元形状の測定が可能と
なる。

また、合焦位置の設定の他の手法としては、該基準位
置に対して第１の合焦位置をプロジェクタから遠ざけて
設定した場合には、第２の合焦位置を基準位置に対して
カメラに近づけて設定することによっても実現できる。

［実施例］ 以下本発明の実施例を図面にしたがって説明する。第
１〜４図は第１実施例を示す。

本実施例による３次元形状測定装置は、第１図に示す
ように、プロジェクタ100、カメラ200、信号処理装置30
0、表面形状表示装置400から構成されている。

プロジェクタ100は、水銀アーク灯からなる光源101を
備え、その光が集光レンズ102、スリット103を通り、さ
らに投影レンズ104を介して、被測定物体700を設置した
測定領域600の全体にわたって投影されるように構成さ
れている。なお、上記スリット103は、透明部と不透明
部とを所定の格子間隔に配置し、さらにその間に半透明
部を設けたものであり、また、投影レンズ104の開口数
は、絞り105により調節される。

カメラ200は、集光レンズ202を通し、さらに絞り203
により開口数を調節されて、撮像面204上に第２図のよ
うな被測定物体700の映像702を映するものであり、通常
の低速走査形のテレビジョンカメラやCCD等により構成
され、測定領域600全体を一度に撮像することができる
ものである。

信号処理装置300は、カメラ200からのアナログ信号を
ディジタル信号に変換するA/D変換部311と、格子縞像の
信号レベルに基づいて位相を検出する位相分布検出部31
2と、位相分布検出部312からの位相分布信号等に基づい
て所定の演算式を用いて被測定物体700の表面形状を演
算する形状計算部313とを備えている。

表面形状表示装置400は、形状計算部313により求めら
れた表面形状を画面上に画像や数値データとして表示す
るものである。

次に、この信号処理装置300による被測定物体700の表
面形状を求める処理動作について説明する。

プロジェクタ100の光源101の光は、集光レンズ102、
スリット103を通り、絞り105により開口数を調節され
た、投影レンズ104を介して３次元形状の被測定物体700
に照射される。その反射光は、所定角度θだけ隔てた位
置に設置したカメラ200の絞り203に開口数を調節された
集光レンズ202により集光されて撮像面204に撮像され、
この撮像した縞状の模様が映像信号に変換される。

カメラ200からの映像信号は、第３図（Ａ）〜（Ｃ）
に示すような信号としてA/D変換部311に送られ、このA/
D変換部311でアナログ信号からデジタル信号に変換され
た後、位相分布検出部312に送られ、撮像面204上の位相
分布が求められる。つまり、上記処理では、第２図に示
す格子縞像の映像702をy_c方向に何分割して、第３図の
ようなx_c方向の１次元波形を得る。この１次波形は、次
式（１）より各々の縞のピークが2nπ（ｎは整数）で表
されていることから、各々のピークの位相Φとその位置
P_c（x_c,y_c）が求められる。すなわち、スリット103が等
間隔の正弦状の濃淡をもち、そのピッチがSoであると
き、格子縞のパターンｌは、ａ、ｂを定数とすると式
（１）で表される。

ｌ＝ａ＋bcos（２πx_o/S_o） …式（１） なお、位相項Φは、式（２）で表される。

Φ＝２πx_o/S_o …式（２） このようにして、撮像面204上の位相分布｛x_c,y_c,
Φ｝が求められると、形状計算部313で次式（３）〜式
（５）を用いて表面形状｛X,Y,Z｝が計算されるのであ
る。

Ａ＝−Hcosθ Ｂ＝l₂cosθ Ｃ＝−sinθ Ｄ＝−Hl₂sinθ Ｅ＝−HL₂cosθ Ｆ＝l₂L₁ Ｇ＝−L₂sinθ Ｈ＝２πl₁/So Ｘ＝x_c（L₂−Ｚ）/l₂ …式（４） Ｙ＝y_c（L₂−Ｚ）/l₂ …式（５） ここで、各文字は下記のパラメータを表す。

l₁…スリットと投影レンズとの距離 L₁…投影レンズと座標原点との距離 l₂…集光レンズと撮像面との距離 L₂…座標原点と集光レンズとの距離 上記一連の処理により被測定物体700の３次元形状が
測定されるのであるが、本実施例ではさらに、特徴的な
手法として、プロジェクタ100とカメラ200の合焦位置や
絞り105、203の特殊な設定が採られる。

すなわち、被測定物体700が置かれた測定範囲600内の
ほぼ中央の基準位置500に対して、プロジェクタ100の合
焦位置をP₁に、カメラ200の合焦位置をC₁に設定し、か
つ絞り105、203を調整し、投影レンズ104と集光レンズ2
02の開口数を等しく設定する。つまり、合焦位置P₁は、
測定領域600内の基準位置500に対してプロジェクタ100
に近い方に設定すると共に、合焦位置C₁は、基準位置50
0に対してカメラ200より遠い方に設定する。

このような合焦位置P₁、C₁等の設定により、被測定物
体700がどの位置にあっても撮像面204上の格子縞像の撮
像信号が一定の振幅となるが、これは次の理由による。
例えば、測定領域600内のＡ面または基準位置500を含む
Ｂ面で反射し、そのときの撮像面204の縞の明部におけ
る受光量を比較すると、Ａ面では、Ｂ面よりプロジェク
タ100の合焦位置P₁に近いためにぼけ量が少ないが、カ
メラ200に対しては、その合焦位置C₁から遠いためにぼ
け量が大きい。かつ、投影レンズ104と集光レンズ202の
開口数は等しい。したがって、撮像面204上のぼけ量
は、Ｂ面と同一になるのである。同様に、Ｂ面とＣ面と
を比較すると、Ｃ面では照射のぼけ量がＢ面より大きく
なるが、集光のぼけ量が小さくなるので、やはり撮像面
204上でのぼけ量はＢ面と同一になる。

すなわち、Ａ面、Ｂ面、Ｃ面を含めた測定領域600内
のどの位置でも、被測定物体700上の格子縞像のぼけ量
と撮像面204上の被測定物体の像のぼけ量の和は常に等
しくなり、よって格子縞像は常に一定のぼけ量で撮像さ
れ、その撮像面204上における縞のコントラストがその
全領域にわたってほぼ均一になる。したがって、そのコ
ントラストに対応する撮像信号の振幅は一定となり、よ
って全領域にわたって同一のダイナミックレンジにて測
定することができ、正確な３次元形状の測定が可能とな
る。

なお、上記実施例では、プロジェクタ100の合焦位置
を基準位置500より該プロジェクタ100側のP₁に設定する
とともに、カメラ200の合焦位置を基準位置500より該カ
メラ200より遠いC₁に設定したが、逆に、プロジェクタ1
00の合焦位置を基準位置500より遠いP₂に、カメラ200の
合焦位置を基準位置500より近いC₂に設定した場合に
も、撮像面204上のコントラストを同一にすることがで
き、よって、上記実施例と同様な効果を奏することがで
きる。

また、他の実施例（第２実施例）として、スリット10
3に半透明部を有しない透明部と不透明部だけからなる
ものを用いた場合には、撮像信号は、従来の技術で説明
したような矩形波状になるが、開口数をさらに大きくす
ることにより、ぼけ量が大きくなり、第４図に示すよう
な正弦波を得ることができ、しかもその振幅をすべての
測定領域においてほぼ等しくすることができる。よっ
て、半透明部を有する高価なスリットを用いることな
く、振幅が一定の正弦波を得ることができる。しかも、
映像信号が正弦波になることからサンプリング点ｄを補
間し、ピーク位置に基づいて位相を求めることができ、
よって、第６図に示す従来の技術よりさらに精度よい位
相検出が可能になる。

第５、６図は第１図のプロジェクタ100におけるスリ
ット103の代わりに電極間にギャップを有する液晶ユニ
ット113を使用した本願の第３実施例を示す。このよう
な液晶ユニットをプロジェクタに使用して３次元形状を
測定する方法として、特開昭64−54206号公報が開示さ
れている。この公報においては、液晶ユニットを通過し
た光パターンを被測定物体に投影し、カメラで撮像する
際プロジェクタの合焦位置とカメラの合焦位置とが一致
した位置では第10図（ａ），（ｂ）に示すように液晶ユ
ニット113の電極113a間のギャップ113bの像113cが光パ
ターンのコード化の際エラーを起こし正確な形状測定が
できないという欠点があった。

第３実施例は上記の欠点を除去することを目的とす
る。以下第３実施例の構成、作用について説明する。な
お、第１実施例と同一の構成要素に対しては同じ符号を
付し、その説明を省く。

第５図に示すように、本装置はプロジェクタ100aとカ
メラ200と信号処理装置300aと表面形状表示装置400とに
よって構成されている。プロジェクタ100aは光源101と
集光レンズ102と液晶ユニット113と投光レンズ104と絞
り105とによって構成されている。

カメラ200は第１実施例と同じく撮像面201と受光レン
ズ202と絞り203とにより構成されている。カメラ200の
映像信号は信号処理装置300aに出力される。

信号処理装置300aは２値化部311aと形状計算部312aと
パターン発生部313aと液晶駆動部314aとによって構成さ
れている。信号処理装置300aによる処理結果は表面形状
表示装置400に出力される。

被測定物体700に投影される光パターンは、パターン
発生部313aにおいて発生させた電圧パターンを液晶駆動
部314aを介して液晶ユニット113に印加し、この液晶ユ
ニット113を通過した光によって形成される。点線で囲
まれた部分600は測定範囲である。

プロジェクタ100aの合焦位置とカメラ200の合焦位置
は第１実施例の場合と同じくプロジェクタ100aの合焦位
置が測定範囲600のほぼ中心に位置する基準位置500に対
し、プロジェクタ100a側の位置P1にある時はカメラ200
の合焦位置は基準位置500に対しカメラ200と反対側の位
置C1にあるように、又はプロジェクタ100aの合焦位置が
基準位置500に対しプロジェクタ100aと反対側の位置P2
にある時はカメラ200の合焦位置は基準位置500に対し、
カメラ200と同じ側の位置C2にあるように設定されてい
る。又プロジェクタ100aおよびカメラ200の絞り105,203
を調整し、プロジェクタ100aの投影レンズ104の口径D1
と合焦位置P1までの距離f1との比D1/f1及びカメラ200の
集光レンズ202の口径D2と合焦位置C1までの距離f2との
比D2/f2を同一にする。さらに、第６図（ａ）のように
液晶ユニット113の電極間のギャップの像113eが撮像面2
01からの信号を２値化する際の閾値113dよりも左右のパ
ターンに近づくように絞りを調整し、D1/f1及びD2/f2を
大きくする。D1/f1及びD2/f2の設定値は光学系の大きさ
や液晶ユニット113の電極間のギャップの大きさによっ
て異なる。ギャップの影響をなくするだけなら必ずしも
プロジェクタ100aのD1/f1とカメラ200のD2/f2とを同じ
くする必要がなくD1/f1,D2/f2の何れか一方を大きくす
ればよい。然し、本実施例の場合は測定範囲600内で撮
像されるパターン像のぼけ量に違いが生じるためぼけ量
の最も小さい測定位置のパターン像を用いて絞りの調節
をすることが望ましい。又絞りの調整は光学系の設定時
のみ必要であり、画像モニタを見ながら手動で調整でき
る。

上記構成においてプロジェクタ100aによって、被測定
物体700に投影された複数の光パターンはカメラ200によ
って順次撮像され、その映像信号は信号処理装置300aの
２値化部311aに送られコード化される。コード化された
信号は形状計算部312aに出力されここで各コードの撮像
面201上の位置と光学系の幾何学的関係とにより被測定
物体700の形状が求まる。そして第６図（ｂ）のように
液晶ユニット113の電極間のギャップの像が目立たなく
なり、光パターンのコード化のエラーがなくなる。従っ
て正確な３次元形状の測定が可能となる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、光照射手段と
撮像手段の合焦位置を互いにずらすことにより、所定の
測定領域内に置いた被測定物体に基づく撮像信号のレベ
ルが測定領域全域にわたって等しくなり、よって被測定
物体の正確な形状測定ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例による３次元形状測定方法
を説明する説明図、第２図は同実施例の撮像面の状態を
示す説明図、第３図は同実施例の撮像信号を示す波形
図、第４図は第２実施例の撮像信号を示す波形図、第５
図は第３実施例による３次元形状測定方法の説明図、第
６図（ａ），（ｂ）はともに第３実施例においての撮像
面上の位置と照度との関係図、第７図は従来の３次元形
状測定方法を説明する説明図、第８図は従来の撮像信号
を示す波形図、第９図は他の従来の撮像信号を示す波形
図、第10図（ａ）は従来の液晶ユニットの説明図、第10
図（ｂ）は従来の液晶ユニットを使用した時の撮像面上
の位置と照度との関係図である。 100,100a……プロジェクタ（光照射手段） 103……スリット、104……投影レンズ 113……液晶ユニット（スリット） 200……カメラ（撮像手段） 202……集光レンズ、204……撮像面 300,300a……信号処理装置（信号処理手段） 600……測定領域、700……被測定物体 P₁、P₂、C₁、C₂……合焦位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−99064（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−140655（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−49804（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−66303（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−100303（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/24

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定領域内に設置した被測定物体に対して
   スリットを通った光を投影レンズを介して照射する光照
   射手段と、 上記被測定物体からの反射光を入射光に対して所定角度
   を隔てた位置にて集光レンズで集光して撮像面に撮像す
   る撮像手段と、 この撮像手段からの撮像信号に基づいて格子縞の位相分
   布を検出し、被測定物体の３次元形状を計算処理して求
   める信号処理手段と を備えた３次元形状測定装置を用いて被測定物体の３次
   元形状を測定する方法において、 光照射手段の投影レンズによる第１の合焦位置及び撮像
   手段の集光レンズによる第２の合焦位置を調節するに当
   り、 測定領域のほぼ中央に位置する基準位置に対して、第１
   の合焦位置をプロジェクタに近づけて設定したときは、
   第２の合焦位置を基準位置に対してカメラから遠ざけて
   設定し、または、該基準位置に対して第１の合焦位置を
   プロジェクタから遠ざけて設定した場合には、第２の合
   焦位置を基準位置に対してカメラに近づけて設定するこ
   とを特徴とする３次元形状測定方法。