JP3157001B2 - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、測定対象物の表面の３次元形状を測定する
３次元形状測定装置、特に、測定対象物が生体であって
も、支障なくその表面の微細な３次元形状を測定するこ
との可能な３次元形状測定装置に関する。

生体表面のしわ等の微細な３次元形状が測定できれ
ば、例えば、しわ取りクリームの効果の客観的な評価が
可能となる。しかしながら、測定対象が生体であれば、
測定環境に後述するような種々の制約があり、また、深
さが数10〜100μｍである小じわまで検出しその形状を
測定するためには10μｍまでの分解能が要求される。

本発明は、このような制約のある測定環境下において
も、要求される仕様を満足する測定が可能な３次元形状
測定装置に言及する。

〔従来の技術〕

３次元形状の測定方法は、測定対象物に測定装置の一
部が接触した状態で形状の測定を行なう接触式と光等を
用いて非接触で測定を行なう非接触式とに大別される。

接触式は、例えば、測定対象の表面の各測定点につい
て触針の先端が測定対象に接触するまで触針を移動せし
め、その移動量を測定値とするものであり、測定対象物
が軟らかい物体の場合接触点を正しく決定することがむ
ずかしいことや膨大な測定時間を要する等の欠点があっ
て、生体表面の測定に採用することはできないが、測定
原理が極めて簡単で高精度であるため、他の測定方法の
精度を評価する基準となりうる方法である。

光を用いた非接触式は種々提案され実用化されている
が、代表的なものとして、光切断法、格子パターン投影
法、および縞走査法を挙げることができる。

光切断法は、測定対象にスリット状のレーザ光を投影
し、投影方向と異なる角度からそれを観察し、スリット
の変形状態から三次元形状を把握する計測法である。こ
の手法にはスリット光を移動させながら断面ごとの計測
を行なうため、測定対象全体を計測するのに多少時間を
要するという欠点がある。また計測精度としては画像計
測の一般的な精度（約0.5％）である。

格子パターン投影法は、その計測原理が精密工学会
誌、53，（３）,pp422−426に記載されており、上記の
光切断法のスリットを同時に複数投影するために、格子
パターンを描画したスライドをプロジェクタによって投
影するものである。投影した格子に番号を付けるため基
準となる中心の縞を他の縞より太くしている点が特徴で
ある。この計測法は物体の形状を短時間で把握でき、装
置構成が単純である（プロジェクタとカメラのみ）利点
があるが、複雑な形状や表面に模様などがある場合、縞
の認識が困難になるため計測ができない欠点がある。ま
た、格子上でしか測定点を得ることができないため、測
定点の密度が粗くなるという問題もある。測定値の精度
は切切断法と同様に0.5％程度である。

縞走査法は、正弦波状の強度分布を有する光の縞を、
縞の位相を３通り以上変えて測定対象に投影し、投影方
向とは異なる方向から３通り以上の位相についてそれぞ
れ撮影した画像を解析して測定値を得るものである。測
定に必要な正弦波状の強度分布を有する光の縞はレーザ
光を干渉させて形成し、干渉波の光路差を変えることに
よって縞の位相を変えるように構成される。また、干渉
計において光路長に光の波長のオーダーでの精度が要求
されるので除震装置上で測定が行なわれる。この手法は
格子パターン投影法のように測定点が強度最大である線
上のみにあるのでなく縞全体にわたって測定値が得られ
るという利点を有している。

ところで、測定対象が生体である場合には、次のよう
な測定環境または条件の制約が考えられる。

たとえば強度が強くなくてもエネルギーが集中する
レーザ光を照射すること、特に目の付近に照射すること
は危険であるので、レーザ光は使用できない。

試料を任意の大きさに切り出して試料台にセットす
るようなことはできない。

生体のもつゆらぎの影響を受けない短時間の間に計
測が完了しなければならない。

前述したように深さ数10〜100μｍの小じわまでを
検出対象とするためには10μｍ程度の奥行きの分解能が
要求される。

生体の３次元形状を精密に把握するためには奥行き
の分解能だけでなく、拡がり方向の分解能もある程度要
求される。

これらの制約を考慮すると、まず、光切断法はレーザ
光を使用する点、測定時間がかかりすぎる点で、生体の
３次元形状の測定には適切な方法ではない。格子パター
ン投影法はの条件を満足するがの点で奥行きの分
解能が画素の粗さで決まるため分解能を上げることが技
術的に困難であり、また、の点で不適当である。縞走
査法はの条件を満足するが、光の波長のオーダで精
度良く光路長を変更しなければならないので測定に多少
の時間がかかること、およびレーザ光を使用する点で生
体の測定には適用できない。

一方、本発明者による精密工学会誌、55，（10）,p18
17〜1822,1989記載の縞走査を導入した格子パターン投
影法は、後に詳述するが、格子パターン投影法に従っ
て、複数の平行なスリットからなる格子を測定対象に投
影し、それを撮影した画像における強度の分布が正弦波
とみなせるという発見に基づくものであり、前述の
の条件を満足するもので、生体の３次元形状の測定方
式として有望である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前述の論文に記述された装置構成によ
れば、測定対象を測定の座標軸に対して固定して測定を
行なうものであり、人体のような比較的大きな対象の一
部の測定を実現することはできず、の条件を満足する
ことができない。また、縞の位相が異なる複数の画像を
短時間で連続的に測定するための手段がなく、の条件
を満足することができない。

したがって本発明の目的は、前述の論文に記述された
手法を改良して、生体の３次元形状の測定に適した３次
元形状測定装置を提案することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前述の目的を達成する本発明の３次元形状測定装置
は、可視光を発生する光源と、該光源と３次元形状測定
の基準点との間に、該光源の中心と該基準点とを結ぶ光
軸上に置かれた格子板であって、該可視光の少なくとも
一部を透過させるスリットが一定ピッチで複数本形成さ
れた格子板と、該格子板を透過した可視光を集光して、
該基準点付近にある測定対象の表面に格子パターンを結
像させる集光レンズと、該基準点を含む平面上に格子パ
ターンが結像されたとき該格子パターンが撮像可能な位
置に設置され、該測定対象の表面に形成された格子パタ
ーンを撮像して画像信号を出力する撮像手段と、該格子
パターンの位相を所定量ずつ移相すべく該格子板を該光
軸に対して直角方向に所定量ずつ移動せしめる格子板移
動手段と、該撮像手段が出力する画像信号を該格子板移
動手段に同期して複数の位相についてそれぞれ取り込
み、記憶する画像信号取込記憶手段と、該画像信号取込
記憶手段が記憶する複数の画像信号を解析して該測定対
象の３次元形状測定値を算出する解析手段とを具備する
ことを特徴とするものである。

〔作 用〕

例えば、基準点に置かれた平面上に格子パターンを結
像させ、この格子パターンが撮像できるように撮像手段
の位置を調節しておけば、測定対象をこの基準点付近で
レンズの焦点深度の範囲内に配置すれば直ちに測定が可
能であるので、生体のような試料台の所望の位置に正確
に固定することができない対象物の測定が容易である。
また、格子板は例えば後述するように0.1mm程度のオー
ダの距離で移動すれば良いので、モータ等の移動手段に
より迅速な移動が可能であり、比較的短時間で位相の異
なる複数の画像が得られ、生体のようなゆらぎのある対
象の測定も可能である。

〔実施例〕

第１図は本発明の３次元形状測定装置の一実施例の概
略構成を表わす図である。

プロジェクタ６からの光は格子板５を経て複数の等間
隔のスリット状光束となり、プロジェクタレンズ２で集
光されて測定対象上に格子パターンが結像される。格子
板５はガラス板上に格子パターンを転写製版により形成
したものである。CCDカメラ４はこの測定対象上に結像
された格子パターンを撮影可能な位置に設置されてい
る。CCDカメラ４が出力する画像信号はコンピュータ16
からの指令に従って画像入出力装置14へ一担記憶され、
コンピュータ16へ入力される。格子移動用モータ１は、
コンピュータ16からの制御信号に基づいてモータ駆動装
置15が出力する駆動電流により、格子板５上の格子のピ
ッチの1/4に相当する長さを単位として格子板５を光軸
に直角な方向へ移動させるように設計されている。プロ
ジェクタレンズ２も、モータ駆動装置15で駆動されるプ
ロジェクタレンズ移動用モータ３で光軸方向に移動可能
である。プロジェクタ６、格子移動用モータ１、プロジ
ェクタレンズ移動用モータ３、およびCCDカメラ４は前
後方向移動用ステージ７上の所定の位置に固定されてお
り、前後方向移動用ステージ７は左右方向移動用ステー
ジ８上に載せられ、左右方向移動用ステージ８は上下方
向移動用ステージ９上に載せられている。したがって装
置全体の位置はつまみ10,11,12を手動調節することによ
り調節可能である。また、電動モータ等の駆動手段を設
けて、コンピュータ16からの制御信号により調節可能と
することもできる。

次に光学系の調整方法について説明する。第２図に示
すように十字パターン30が描かれた基準面32を光軸に垂
直に十字の交点が光軸に一致し、かつ十字の横線が水平
になるように置く。この基準面32の十字の交点が３次元
形状測定の基準点となる。次に、コンピュータ16上のキ
ーボード（図示せず）を操作してモータ駆動装置15およ
びプロジェクタレンズ移動用モータ３を介してプロジェ
クタレンズ２を光軸方向に前後に動かして基準面32上の
格子パターン（図示せず）を明瞭にし、かつ、格子が十
字パターン30の横線に平行になるように格子板５の傾き
を調節する。CCDカメラ４で基準面32上の十字パターン3
0を撮影し、その画像30′をコンピュータ16のディスプ
レイ上に連続的に十字カーソル34と共に表示させる。こ
の状態でCCDカメラ４のレンズのフォーカスを調節して
画像30′を明瞭にするとともにCCDカメラ４の向きおよ
び位置を調節して画像30′とカーソル34を一致させる。
なおこのとき、基準点とプロジェクタレンズ２の主点と
CCDカメラ４のレンズの主点とを結ぶ３角形はプロジェ
クタレンズ２の主点を直角の頂点とする直角３角形にな
るように配置する。

以上で光学系の調節は完了し、このときの基準点とプ
ロジェクタレンズ２の主点との距離ａ、プロジェクタレ
ンズ２の主点とCCDカメラ４のレンズの主点との距離
ｂ、ディスプレイ上の十字パターン30′の長さと十字パ
ターン30の実長との比ｍ、32上に投影された格子のピッ
チｐを測定してコンピュータ16へ入力しておく。

測定にあたっては測定対象者の例えば頭を第１図に示
したようにあごを所定の台（図示せず）に載せて固定す
る。なお、この台は例えば測定対象部位が目尻であれば
測定対象者の目尻が基準点近くになるように配置されて
おり、つまり10,11,12を調節することによって寸法の個
人差に対応する。

次に、測定対象部位に格子パターンを投影し、それを
CCDカメラ４で撮影する。このとき、プロジェクタレン
ズ２の焦点深度が充分でなく格子の像がぼやける場合に
は、コンピュータ16のキーボードからの指令でプロジェ
クタレンズ２の位置を微調節してピントを合わせる様に
しても良い。これらの準備が完了したら、コンピュータ
16のキーボードから測定スタートの指令を入力すると、
コンピュータ16から格子移動信号が出力され、モータ駆
動装置15および格子移動用モータ１を介して格子板５が
鉛直方向に動く。格子板５が格子のピッチの1/4の距離
だけ動く毎に画像信号が取り込まれ、格子の位相が1/4
ずつずれた４枚の画像データが入力される。

コンピュータ16は前述の精密工学会誌、55，（10）,p
1817〜1822,1989に記載された手法に従って、入力され
た画像データおよび定数から３次元形状の測定値を算出
する。この種法の概略を以下に説明する。

縞走査法によれば、正弦波状の強度分布を有する縞を
測定対象に投影し、投影方向とは異る方向から観察する
とき、測定対象の形状に応じて縞の位相が変調されて観
察される。観察する２次元平面上の各点（x,y）におけ
る変調分すなわち位相量αは により２次元平面上の各点（x,y）における強度I₀,I₁,I
₂,I₃から算出される。ただし、I₀〜I₃は投影する縞の位
相を90゜ずつずらした時の各点（x,y）における強度で
ある。なお、この例では、４通りの位相について測定し
た強度からαを算出しているが、それ以上の数の位相に
ついて測定し、それからαを算出することも可能であ
り、そうすることによって精度が向上する。

一般の縞走査法においては、前述したようにこの正弦
波状の強度分布を有する縞を得るのにレーザ光を干渉さ
せて得ており、縞の位相の変化は干渉波の光路長を光の
波長のオーダで変化させて得ている。

一方、前述の本発明者による論文によれば、格子パタ
ーンを投影しCCDカメラで撮影しA/D変換して得られるデ
ータは正弦波状の分布にほぼ近く、正弦波との差は基本
周波数の２倍の周期を持っていることが実験的に確認さ
れ、さらにこの差は測定結果に影響を与えないことが示
された。

また、パターンの形状および濃淡が適切に与えられた
格子板を使用すれば、完全な正弦波の強度分布を持つ縞
が得られるものと考えられる。

前述のようにして算出されたαの値を使って、各点
（x,y）に対応する測定対象表面上の点の三次元座標値
X,Y,Zは Ｘ＝−sx （２） Ｙ＝ｂ＋ｓ（−ｃ−y cosφ） （３） Ｚ＝ａ＋ｓ（−ｄ＋y sinφ） （４） ｓ＝（−b cosθ）/u （５） θ＝tan^-1（ｐα/a） （６） ｕ＝（−ｃ−y cosφ）cosθ ＋（−ｄ＋y sinφ）sinθ （７） ｃ＝am （９） ｄ＝bm （10） で算出することができる。ただし前述したようにａは基
準点からプロジェクタレンズ２の主点までの距離、ｂは
プロジェクタレンズ２の主点からCCDカメラ４のレンズ
の主点までの距離、ｍは画像の長さと基準面上の実長と
の比、ｐは基準面に投影された格子のピッチである。

格子板５のピッチとして例えば1/3mm程度のものを使
用する場合に1/12mmずつの移動であり、格子移動用モー
タ１で正確かつ迅速に格子板５を移動することができ、
測定対象の拘束時間を１秒以内にすることができた。

第３図〜第６図は生体の各部位について測定した結果
を３次元プロットの形でプロッタで直接出力して得られ
たものの複写である。

第３図は手のひら、第４図は親指第１関節の爪側の表
面、第５図は目尻に浅いしわのある対象者の目尻の部
分、第６図は深いしわのある対象者の目尻の部分につい
ての測定結果である。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように本発明によれば、従来様々な理
由で測定不可能であった生体の表面部の３次元形状を、
安価な装置で迅速に測定することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を表わす図、 第２図は第１図の装置において光学系の調整方法を説明
するための図、 第３図〜第６図は第１図の装置により生体の各部位の３
次元形状を測定した結果を表わす図。 図において、 １……格子移動用モータ、 ２……プロジェクタレンズ、 ３……プロジェクタ移動用モータ、 ４……CCDカメラ、５……格子板、 ６……プロジェクタ。

フロントページの続き (56)参考文献 小松原良平 外１名「縞走査を導入し た格子パターン投影法」、精密工学会 誌、社団法人精密工学会、平成元年10月 ５日、第55巻、第10号（通巻658号）、 第1817−1822頁。 吉澤徹、外１名「格子パターン投影に よる三次元形状の自動測定」、精密工学 会誌、社団法人精密工学会、昭和62年３ 月５日、第53巻、第３号（通巻627号）、 第422−426頁。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可視光を発生する光源（６）と、 該光源（６）と３次元形状測定の基準点との間に、該光
   源（６）の中心と該基準点とを結ぶ光軸上に置かれた格
   子板（５）であって、該可視光の少なくとも一部を透過
   させるスリットが一定ピッチで複数本形成された格子板
   （５）と、 該格子板（５）を透過した可視光を集光して、該基準点
   付近にある測定対象（20）の表面に格子パターンを結像
   させる集光レンズ（２）と、 該基準点を含む平面上に格子パターンが結像されたとき
   該格子パターンが撮像可能な位置に設置され、該測定対
   象（20）の表面に形成された格子パターンを撮像して画
   像信号を出力する撮像手段（４）と、 該格子パターンの位相を所定量ずつ移相すべく該格子板
   （５）を、該測定対象（20）をなす目尻の表面のゆらぎ
   が測定結果に実質的に影響を与えない速さで、該光軸に
   対して直角方向に所定量ずつ移動せしめる格子板移動手
   段（１）と、 該撮像手段（４）が出力する画像信号を該格子板移動手
   段（１）に同期して複数の位相についてそれぞれ取り込
   み記憶する画像信号取込記憶手段（14）と、 該画像信号取込記憶手段（14）が記憶する複数の画像信
   号を解析して該測定対象（20）の３次元形状測定値を算
   出する解析手段（16）とを具備することを特徴とする、
   目尻を対象とする形状測定が可能な３次元形状測定装
   置。