JP2008002995A - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの測定対象物の形状測定を複数回、少なくとも一部分がオーバーラップするように行い、得られた測定データを統合して１つのデータとするにあたって、ユーザの負担を軽減するとともに、オーバーラップ部分のデータ品質を向上する。
【解決手段】（ａ）において参照符号Ａ１，Ａ２で示すように異なるアングルから測定を行い、得られた（ｂ）で示すアングルＡ１の測定データと（ｃ）で示すアングルＡ２の測定データとの位置合わせを行うにあたって、参照符号Ａ３で示すようにオーバーラップ部分Ａ４にノイズが発生していると、この部分のデータは信頼度が低く、位置合わせに使用しない。したがって、ユーザがデータの選択を行うことなく、そのまま位置合わせをしてしまうと（ｄ）で示すようにデータ全体がシフトしてしまうのに対して、（ｅ）で示すように高精度に位置合わせすることができる。
【選択図】図１９

Description

本発明は、測定対象物の三次元形状を非接触で測定する三次元形状測定装置および方法に関し、特に同一の測定対象物の少なくとも一部をオーバーラップして測定し、得られた情報の位置合わせを行って合成する手法に関する。

非接触三次元測定機で測定対象物の三次元形状を計測する方法は、ＣＧやデザイン、或いは自動車等の工業向けなどの様々な用途に活用されている。この三次元計測の測定原理としては、レーザスリット光などを用いた光切断法、パターン光を用いたパターン投影法、同一の測定対象物を異なる複数の視線方向からカメラによって撮影した画像に基づくステレオ法、モアレを用いたモアレ法などがあり、これらによって得られた測定データから、ポリゴンなどからなる三次元データを得るようになっている。

しかしながら、いずれの測定方法によっても１度に撮影できる範囲には限りがあり、寸法が大きい対象物を測定する場合には、測定視野角（ＦＯＶ）の大きなレンズを用いたり、測定機と対象物との距離を遠くするなどの手法で、１回に測定できる領域を広げることが考えられる。ところが、測定領域の広さと測定精度とはトレードオフの関係にあるので、やみくもに視野角を広く、距離を遠くすれば良いものではない。

そこで、同一の測定対象物の少なくとも一部がオーバーラップするように測定領域を変更しながら複数回測定し、得られた情報を基にソフトウェアがオーバーラップ部分における最近傍点を探索し、それらの誤差の総和が最小となるように位置合わせ（レジストレーション）を行い、最終的にはそれら複数のデータを合成（マージ）することで、１つのデータに統合する手法がある。

そのデータ統合における公知の方法としては、たとえば以下のような手法が挙げられる。
・同一対応点をユーザが指示する方法（手動）。
・測定対象物もしくはその周辺に基準情報を設定する方法（特許文献１では、測定対象物のオーバーラップ領域内に複数の球面体を配置し、その中心位置情報を基準にしている。また、特許文献２では配色パターンが異なるターゲットマークを用いている。）。
・対象物にマーカーを貼り、その位置情報を写真測量などで求めておき、その情報を基準にする方法（フォトグラメトリ）。
・測定機の位置・姿勢を推定し、その情報を基準にする方法。
・加速度センサとジャイロとを併用する慣性航法。
・２輪駆動ロボットの内外輪の回転距離変化を用いる方法。
・レーザートラッカーなど別の測定装置を用いる方法。
特開平７−２６０４５２号公報 特開２００４−２２０５１０号公報

しかしながら、いずれの統合方法でも、オーバーラップ部の複数データについて対等な関係として扱っているので、少なくとも一方に、ノイズが多かったり、誤差が大きいなどの品質の悪いデータが含まれる場合、正確な位置合わせができないという問題がある。この問題を回避するためには、ユーザはデータ統合前に予め品質の悪いデータを手動選択して削除する必要があるが、かなりの手間をかけなければならない。また、データの品質の良否を判断するノウハウも必要である。

本発明の目的は、ユーザが手間をかけることなく、精度の高いデータ統合を可能とする三次元形状測定装置を提供することである。

本発明の三次元形状測定装置は、測定対象物の三次元形状を非接触で測定する三次元形状測定装置において、前記測定対象物の形状測定を複数回、少なくともそれぞれの測定領域の一部分がオーバーラップするように行う測定手段と、得られた測定データを統合するデータ統合手段とを備え、前記データ統合手段は、前記複数の測定データ間の信頼度情報を用いてデータ統合を行うことを特徴とする。

上記の構成によれば、測定手段が測定対象物の形状測定を複数回、それぞれの測定領域の少なくとも一部分がオーバーラップするように行い、得られた測定データをデータ統合手段が統合することで、非接触で、比較的大型の前記測定対象物の三次元形状を高精細に測定可能にしたり、前記測定対象物の全体形状の中で、一部分の形状を高精細に測定可能にしたりすることができる三次元形状測定装置において、前記データ統合手段は、前記複数の測定データ間の信頼度情報を用いて、たとえばオーバーラップ部分はいずれのデータを選択するか、或いはそれぞれのデータに前記信頼度に応じた重みを乗算して加算するなどして、データ統合を行う。前記信頼度情報は、たとえば測定対象物までの設定距離であるフォーカス位置、レンズの焦点距離、被測定点からピント位置までの距離、予め定められる形状が既知の測定対象物を測定してみて機器の較正が行われる較正距離などの測定手段で得られる情報、ならびに、たとえば測定データの大きさ、Ｓ／Ｎ、ノイズフロアに対するダイナミックレンジ等の測定データの出力レベル、および測定用の走査光に対応した関数モデルに対する測定データの誤差などの測定データ自体から得られる情報である。

したがって、ユーザが手間をかけることなく、精度の高いデータ統合が可能になる（手動で不要データを削除する必要がない）とともに、統合したデータにおけるオーバーラップ領域のデータ品質を向上することができる。

また、本発明の三次元形状測定装置では、前記測定手段は、同一の測定領域を異なるフォーカス位置で複数回測定を行い、前記データ統合手段は、得られた測定データを前記信頼度情報を用いてデータ統合することを特徴とする。

上記の構成によれば、測定対象物の奥行きが比較的大きな場合、前記測定手段は、同一の測定領域を複数回、すなわち測定領域の全部をオーバーラップして、異なるフォーカス位置で複数回測定を行い、前記データ統合手段は、得られた同じ点の測定データを前記信頼度情報を用いて統合する。

したがって、奥行き方向に比較的深い凹凸を有する測定対象物の三次元形状を、単なる統合ではなく、いわゆる“良いとこ取り”で合成して得ることができ、１回だけの測定に比べて良質なデータを得ることができる。

さらにまた、本発明の三次元形状測定装置では、前記データ統合手段は、前記信頼度情報を用いて、前記測定手段で得られた測定データの測定領域の位置合わせを行うことを特徴とする。

また、本発明の三次元形状測定装置では、前記データ統合手段は、前記信頼度情報を用いて、前記測定手段で得られた測定データの合成を行うことで、前記測定データを統合することを特徴とする。

上記の構成によれば、上記の位置合わせ（レジストレーション）および合成（マージ）によって、比較的大型の測定対象物を分割測定して、その測定データを合成することで、前記比較的大型の測定対象物の三次元形状を高精細に測定することができ、或いは前記測定対象物の一部分の形状を拡大して測定し、その測定データを合成することで、全体形状の中で、一部分の形状を高精細に測定することができる。

本発明の三次元形状測定装置は、以上のように、測定手段が測定対象物の形状測定を複数回、それぞれの測定領域の少なくとも一部分がオーバーラップするように行い、得られた測定データをデータ統合手段が統合することで、非接触で、比較的大型の前記測定対象物の三次元形状を高精細に測定可能にしたり、前記測定対象物の全体形状の中で、一部分の形状を高精細に測定可能にしたりすることができる三次元形状測定装置において、前記データ統合手段は、前記複数の測定データ間の信頼度情報を用いて、たとえばオーバーラップ部分はいずれのデータを選択するか、或いはそれぞれのデータに前記信頼度に応じた重みを乗算して加算するなどして、データ統合を行う。

それゆえ、ユーザが手間をかけることなく、精度の高いデータ統合が可能になる（手動で不要データを削除する必要がない）とともに、統合したデータにおけるオーバーラップ領域のデータ品質を向上することができる。

また、本発明の三次元形状測定装置では、以上のように、測定対象物の奥行きが比較的大きな場合、前記測定手段は、同一の測定領域を複数回、すなわち測定領域の全部をオーバーラップして、異なるフォーカス位置で複数回測定を行い、前記データ統合手段は、得られた同じ点の測定データを前記信頼度情報を用いて統合する。

それゆえ、奥行き方向に比較的深い凹凸を有する測定対象物の三次元形状を、単なる統合ではなく、いわゆる“良いとこ取り”で合成して得ることができ、１回だけの測定に比べて良質なデータを得ることができる。

さらにまた、本発明の三次元形状測定装置では、以上のように、前記データ統合手段は、前記信頼度情報を用いて、前記測定手段で得られた測定データの測定領域の位置合わせを行う。

また、本発明の三次元形状測定装置では、以上のように、前記データ統合手段は、前記信頼度情報を用いて、前記測定手段で得られた測定データの合成を行うことで、前記測定データを統合する。

それゆえ、上記の位置合わせ（レジストレーション）および合成（マージ）によって、比較的大型の測定対象物を分割測定して、その測定データを合成することで、前記比較的大型の測定対象物の三次元形状を高精細に測定することができ、或いは前記測定対象物の一部分の形状を拡大して測定し、その測定データを合成することで、全体形状の中で、一部分の形状を高精細に測定することができる。

図１は、本発明の実施の一形態に係る三次元形状測定装置１の全体構成を示すブロック図である。この三次元形状測定装置１では、大略的に、非接触三次元測定機２の投光部２１から測定対象物３へスリットレーザ光が掃引して照射され、その反射光を非接触三次元測定機２の受光部２２が受光して、電気信号に変換し、さらにＡ／Ｄ変換することで得られた測定データに、後述する信頼度情報が付加されてパーソナルコンピュータ４に送られ、該パーソナルコンピュータ４のデータ統合部４１において、複数回の測定データのオーバーラップ部分において、前記信頼度情報を用いてデータ統合を行うことで、比較的大型の測定対象物の三次元形状を高精細に測定したり、前記測定対象物の一部分の形状を拡大して測定したりすることが可能となっている。

後述するように、前記信頼度情報は、パーソナルコンピュータ４側で求められてもよい。また本実施の形態では、非接触三次元測定機２にパーソナルコンピュータ４が接続されている場合について説明しているが、データ統合までを非接触三次元測定機２で行うようにしてもよい。以下の説明では、非接触三次元測定機２は、測定対象物３を同じ位置（アングル）から、フォーカス制御部２９が前記受光部２２のフォーカス位置を変化させて奥行き方向に測定範囲をシフトさせながら複数回測定し、そのフォーカス位置の異なる測定データをオーバーラップさせる、すなわちオーバーラップを奥行き方向に展開した場合を中心に説明し、それ以外の測定方法については、必要に応じて適宜説明を加える。

図２は、前記非接触三次元測定機２の外観構成を示す斜視図である。この非接触三次元測定機２は、前記スリットレーザ光Ｓを測定対象物３に掃引して照射する前記光切断法と呼ばれる方式を用いて測定対象物３の三次元データを求める、いわゆる三次元デジタイザを一例として示すけれども、この非接触三次元測定機２には、前述のように、パターン光を用いたパターン投影法、同一の測定対象物を異なる複数の視線方向からカメラによって撮影した画像に基づくステレオ法、モアレを用いたモアレ法などの他の測定方法が用いられてもよい。また、測定対象物３は、図２では円柱体を例示しているが、実際にはプレス品、プラスチック成型品、金型などが測定対象とされる。

非接触三次元測定機２は、所定の発光手段と受光手段とを含む光学ユニットが内蔵された略直方体形状のハウジングに、投光窓を備えた投光部２１と、受光窓を備えた受光部２２とが設けられて成る。投光部２１と受光部２２とは、基線長に応じた所定距離だけ離れた位置に設けられている。

図示するように、投光部２１からは、扇状に拡がる前記スリットレーザ光Ｓが射出される。このスリットレーザ光Ｓは、水平方向に放射角度φで拡がり、垂直方向に幅Ｗを有する平面状の光であり、測定対象物３に向けて照射される。照射されたスリットレーザ光Ｓは測定対象物３の表面で反射され、その反射光Ｒの一部が受光部２２に入射される。

図３は非接触三次元測定機２の基本的な内部構成を示す模式図であり、図４はその非接触三次元測定機２による三次元計測方法の原理を説明するための図である。図３に示すように、投光部２１は、光源となるレーザ光を発生するレーザ光源２１１と、前記スリットレーザ光Ｓを投光窓に導く投光光学系２１２と、面回転するガルバノミラー２１３とを備えて構成される。受光部２２は、反射光Ｒが入射される受光光学系２２１と、該受光光学系２２１の光路上に配置されるＣＣＤ（Charge Coupled Device）等から成る撮像素子２２２とを備えて構成される。この受光部２２は、測定範囲として合焦位置の前後に所定の測定奥行を持っている。

投光部２１からは、測定対象物３に向けて所定のガルバノ回転角でガルバノミラー２１３を回転させつつ、順次スリットレーザ光Ｓ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）が投光される。かかる投光は、測定対象物３の全域を走査するように行われる。このときの反射光Ｒは、受光光学系２２１を介して撮像素子２２２で受光される。撮像素子２２２で受光される画像２２２Ｄは、測定対象物３の立体形状に応じたスリット像３Ｓ１，３Ｓ２，３Ｓ３を含むものとなる。そして、スリットレーザ光Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の投光角と、撮像素子２２２の受光エリアにおけるスリット像３Ｓ１，３Ｓ２，３Ｓ３の位置とから、該非接触三次元測定機２に内蔵されている後述するようなデータ処理手段によって、該非接触三次元測定機２から測定対象物３までの距離が三角測量の原理で算出される。

図４に基づき、その測定原理を説明する。先ず、投光点からのスリットレーザ光Ｓの投光角θは、ガルバノミラー２１３のガルバノ回転角から求められる。そのスリットレーザ光Ｓがある測定面３Ａ上の点Ｐ１で反射され、その反射光Ｒ１が受光部２２に入射したとすると、撮像素子２２２の受光面で検出される反射光Ｒ１の像位置ｙｉから、反射光Ｒ１の受光角θ１が算出される。そして、投光点と受光点との間の基線長Ｌと投光角θおよび受光角θ１から、前記三角測量の原理によって、測定面３Ａ上の点Ｐ１までの距離Ｚ１が求められる。別の測定面３Ｂ上の点Ｐ２で反射された反射光Ｒ２についても同様に、基線長Ｌと投光角θおよび受光角θ２から、距離Ｚ２を求めることができる。

図５は、非接触三次元測定機２の電気的構成を示すブロック図である。この非接触三次元測定機２は、上述の投光部２１に付属するＬＤドライバ２１４および投光駆動部２１５、上述の受光部２２に付属するＡＦ駆動部２２３およびタイミングジェネレータ（ＴＧ）２２４、ならびに出力処理回路２３、データメモリ２４、測定範囲記憶部２５、全体制御部２７およびＩ／Ｆ２８を含んで構成される。

投光部２１は、上述の通りレーザ光源２１１、投光光学系２１２およびガルバノミラー２１３を含んで構成され、扇状に拡がり、かつ垂直方向に幅Ｗを有するスリットレーザ光Ｓである。ＬＤドライバ２１４は、そのスリットレーザ光Ｓを発生するレーザダイオード等から成るレーザ光源２１１を、全体制御部２７から与えられる駆動制御信号に基づいて、電流制御してＯＮ／ＯＦＦ駆動する。投光駆動部２１５は、全体制御部２７から与えられる制御信号に基づいて、投光光学系２１２を構成するレンズをフォーカス／ズーム駆動するとともに、ガルバノミラー２１３を回転駆動させる。これによって、投光部２１は、全体制御部２７の制御下において前記スリットレーザ光Ｓを、測定対象物３に対して間欠的に走査投影することが可能とされている。

図６は、投光部２１によるスリット光の測定面３Ａへの走査投影状況を説明するための模式図である。図６（ａ）に示すように、投光駆動部２１５によって回転駆動されつつあるガルバノミラー２１３を介して、レーザ光源２１１からスリットレーザ光Ｓが測定対象物３に対して、掃引して照射される。ここで、レーザ光源２１１は所定の周期でＯＮ／ＯＦＦが繰返される。図中の符号ｂ１，ｂ２，ｂ３の部分が、レーザ光源２１１がＯＮとされている期間であり、各々スリットレーザ光Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３による投影エリアに対応する。一方、図中の符号ｃ０，ｃ１，ｃ２，ｃ３の部分が、レーザ光源２１１がＯＦＦとされている期間である。すなわち、図中矢印Ｂで示す方向に、順次スリットレーザ光Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が測定対象物３に対して照射される。なお、レーザ光源２１１から発せられるスリットレーザ光Ｓ自体は、撮像素子２２２の画素換算で５画素程度の狭幅の光であるが、ガルバノミラー２１３の回転によって符号ｂ１，ｂ２，ｂ３の時間だけ走査されることで、このスリットレーザ光Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は所定の幅を持つようになる。

図６（ｂ）は、スリット光Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を照射したときに撮像素子２２２によって検出される画像２２２Ｄを示している。撮像素子２２２は、ガルバノミラー２１３の回転期間中（数秒程度）、露光状態とされる。その結果、スリット光Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３による各々の投影エリアに対応するスリット像３Ｓ１，３Ｓ２，３Ｓ３が検出されるようになる。

図５に戻って、受光部２２は、上述の通り受光光学系２２１および撮像素子２２２を備えて構成され、前記スリットレーザ光Ｓが測定対象物３の表面で反射された反射光Ｒの一部が入射される。受光光学系２２１は、複数枚の撮影レンズ、絞り、フォーカシングやズーミングのためのレンズ移動機構等を含んで構成されている。ＡＦ駆動部２２３は、ステッピングモータ等から成り、全体制御部２７およびＡＦ制御部２６の制御下において、受光光学系２２１の撮影レンズをフォーカシングやズーミングのために駆動する。フォーカス位置を基準として前後の所定の被写界深度の範囲である測定範囲の調整は、このＡＦ駆動部２２３による受光光学系２２１の駆動によって実現される。

撮像素子２２２は、受光光学系２２１により結像される測定対象物３の光像を光電変換することで、測定対象物３についての二次元画像データを生成する。この撮像素子２２２としては、たとえばフォトダイオード等で構成される複数の光電変換素子がマトリックス状に２次元配列され、各光電変換素子の受光面に、それぞれ分光特性の異なるたとえばＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）のカラーフィルタが１：２：１の比率で配設されてなるベイヤー配列のＣＣＤカラーエリアセンサを用いることができる。

タイミングジェネレータ２２４は、撮像素子２２２による撮影動作（露光に基づく電荷蓄積や蓄積電荷の読出し等）を制御するタイミングパルスを発生するものであり、全体制御部２７から与えられる撮影制御信号に基づいて、たとえば垂直転送パルス、水平転送パルス、電荷掃き出しパルス等を生成して撮像素子２２２を駆動する。

出力処理回路２３は、撮像素子２２２から出力される画像信号（ＣＣＤエリアセンサの各画素で受光されたアナログ信号群）に所定の信号処理を施した後、デジタル信号に変換して出力する。この出力処理回路２３には、アナログ画像信号に含まれるリセット雑音を低減するＣＤＳ回路（相関二重サンプリング回路）、アナログ画像信号のレベルを補正するＡＧＣ回路、アナログ画像信号をたとえば１４ビットのデジタル画像信号（画像データ）に変換するＡ／Ｄ変換回路等が備えられている。

データメモリ２４は、ＲＡＭ（Random Access Memory）等からなり、各種のデータを一時的に格納する。たとえばデータメモリ２４には、出力処理回路２３から出力される測定対象物３についての取得されたＡＦ用の二次元画像データ、本測定用の二次元画像データ等が一時的に格納される。

測定範囲記憶部２５は、受光部２２の受光光学系２２１がもつ前記測定範囲の情報を記憶する。この測定範囲は、受光光学系２２１の焦点距離やレンズ絞り値等によって定まる固定的な値であり、測定範囲記憶部２５は、その時の受光光学系２２１の状態に対応した測定領域についてのｘｙｚ軸方向の座標情報（奥行はｚ軸方向）を全体制御部２７へ出力する。

全体制御部２７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等から成り、非接触三次元測定機２の各部の動作を制御する。具体的には全体制御部２７は、投光部２１によるスリットレーザ光Ｓの投光動作、ＡＦ駆動部２２３による受光光学系２２１の駆動動作、タイミングジェネレータ２２４によるタイミングパルスの発生動作、出力処理回路２３による信号処理動作、およびデータメモリ２４に対するデータ記録動作などを制御する。

Ｉ／Ｆ２８は、パーソナルコンピュータ４のような外部機器とのデータ通信を可能とするためのインターフェイスである。データメモリ２４に一時的に格納された測定対象物３についての二次元画像データ等は、このＩ／Ｆ２８を介してそれらの外部機器へ送信される。

上記投光部２１と受光部２２とは、メカニカルな保持具２０１により強固に固定されており、両者間の位置ズレが生じない構造とされている。これは、投光部２１と受光部２２との間の距離が、三角測量を行う際の基線長Ｌとなるからである。

図７は、前記パーソナルコンピュータ４におけるデータ統合手段であるデータ統合部４１の機能ブロック図である。この図７で示す機能は、マイクロコンピュータなどの演算処理部に、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などの周辺回路を備えて成るハードウェアに、ソフトウェアを併せて実現される。このデータ統合部４１は、Ｉ／Ｆ４２と、データメモリ４３と、データ分離部４４と、位置合わせ部４６と、合成部４７と、データメモリ４８と、表示部４９と、全体制御部５０とを備えて構成される。

前記非接触三次元測定機２のＩ／Ｆ２８から送信される三次元計測データ、前記測定範囲のデータ、および後述する信頼度のデータは、Ｉ／Ｆ４２で受信され、前記三次元計測データはデータメモリ４３に格納される。データ分離部４４は、前記測定範囲のデータを用いて、データメモリ４３に格納されている複数回の各測定結果のデータの内、オーバーラップの有無を確認し、オーバーラップの有るデータと無いデータとに分離して位置合わせ部４６に入力する。位置合わせ部４６では、後述するようにして、そのオーバーラップ部分のデータの位置合わせが行われて、併せてそのオーバーラップ部分のデータとの関連から、非オーバーラップ部分のデータの位置合わせも行われる。こうして、測定対象物３の各測定点の位置関係の合せ込みが行われると、合成部４７において、繋ぎ目のない１つのデータに合成され（格納の関係で複数のファイルに分割されることもあるが）、表示部４９に表示される。このような動作は、全体制御部５０によって制御される。

前述のように、非接触三次元測定機２では、図８で示すように、奥行きのある測定対象物３の形状を測定するにあたって、単一のフォーカス位置に対応した前後に所定範囲の被写界深度の測定範囲では、奥行き（ｚ）方向の全領域をカバーすることができない場合、全体制御部２７は、幅（ｘ）および高さ（ｙ）方向に同一の範囲を、前記フォーカス位置を変えて複数回測定を行う。図８では、３回測定を行う場合の例を示し、それぞれの測定での測定範囲を参照符号Ｆ１〜Ｆ３で示している。測定範囲Ｆ１〜Ｆ３の枠囲みの重なった部分がオーバーラップ領域であり、重なっていない部分が非オーバーラップ領域である。したがって、測定対象物３の１つの被測定点Ｐに対して、オーバーラップ領域では、比較的ピントの合った２つのデータと、ピントの合っていないもう１つのデータとが存在し、非オーバーラップ領域では、１つのピントの合ったデータと、ピントの合っていない２つのデータとが存在することになる。

パーソナルコンピュータ４のデータ統合部４１では、データ分離部４４は、前記各測定範囲（フォーカス位置）Ｆ１〜Ｆ３を表す情報に、奥行き（ｚ）方向の測定結果を対照し、同じ測定点（ｘ，ｙ座標が同一）のデータで、ピントの合ったデータが１つの場合にはその１つのデータを選択して位置合わせ部４６へ出力し、ピントの合ったデータが２つの場合にはその２つのデータを位置合わせ部４６へ出力する。

そして、位置合わせ部４６は、全体制御部２７からの信頼度情報に対応して、後述するようにして各測定範囲（フォーカス位置）Ｆ１〜Ｆ３の測定結果の位置合わせを行う。前記非接触三次元測定機２から得られる信頼度情報としては、先ず前記フォーカス位置の情報を使用することができる。前記フォーカス位置は、図９で示すように、非接触三次元測定機２に設定される合焦点位置までの距離Ｍであり、一般に図９（ａ）から（ｂ）で示すように該フォーカス位置が遠くなる程、投光部および受光部の測定点に対する睨み角αが小さくなり、受光素子の分解能が低下して、誤差が発生し易く、測定精度が悪化する。したがって、フォーカス位置を、たとえば６００ｍｍと７００ｍｍとで測定したデータを比較した場合は、近側の６００ｍｍで測定したデータの方が信頼度は高いと言うことができる。

また、前記信頼度情報として、レンズの焦点距離の情報を使用することができる。図１０（ａ）から（ｂ）で示すように、前記受光部のレンズの焦点距離が長くなる程、画角βが狭くなり、受光素子の分解能が高くなる。したがって、たとえばテレ・ミドル・ワイドの３種類の交換レンズを着脱可能な非接触三次元測定機の場合、テレレンズの方がミドル・ワイドレンズよりも信頼度が高いと言うことができる。なお、ズーム方式のレンズでも同様のことが言える。

さらにまた、前記信頼度情報として、前記フォーカス位置とのピントに関する情報を使用することができる。前記各測定範囲Ｆ１〜Ｆ３（被写界深度）の内であっても、その中央の前記フォーカス位置付近はピントの合っている（合焦）部分である。一般に、ピント位置に近いデータ程信頼度が高く、ピント位置から外れるとレンズのボケによって光学的な分解能が低下し、それに伴い信頼度も低下する。したがって、位置合わせ部４６は、図１１で示すように、被測定点Ｐが２つの測定範囲Ｆ１，Ｆ２に含まれる場合、それぞれの測定範囲Ｆ１，Ｆ２のピント位置であるフォーカス位置ｆ１，ｆ２までの奥行き（ｚ）方向の距離Ｎ１，Ｎ２を前記ピントに関する情報として参照する。

なお、フォーカス位置ｆ１，ｆ２が測定範囲Ｆ１，Ｆ２の中央にない場合、すなわち前ピンと後ピンとでボケの加減が異なる場合には、前記距離Ｎ１，Ｎ２に前記ボケの加減に対応した重みを乗算するなど、適宜補正を行えばよい。

また、前記信頼度情報として、較正距離の情報を使用することができる。フォーカス位置を制御可能な非接触三次元測定機では、離散的な複数のフォーカス位置（較正距離）で機器の較正が行われ、較正データが計算される。較正とは、測定で得られたデータ（カウント値など）から、ｘ，ｙ，ｚ座標などから成る三次元データ（ポリゴンデータ）を求めるための計算パラメータ（較正データ）を算出することを指し、前記測定対象物３として寸法が既知の立体物を測定して、その寸法に合わせてパラメータが最適化される。そして、実際に測定するときには、測定で得られたデータ（カウント値など）に、上記の較正データを適用して三次元計算を行って三次元データを得ている。

このとき、較正距離ちょうどのフォーカス位置で測定したデータには、該当する較正データをそのまま適用すればよい。しかしながら、フォーカス位置が較正距離と一致しない場合は、一般に、フォーカス位置に近い較正データを代用したり、フォーカス位置に近い複数の較正距離の較正データを補間演算するなどして、そのフォーカス距離の較正データを算出する。したがって、フォーカス位置が較正距離と一致しない場合の較正データは、一致する場合の較正距離での較正データに比べて精度が劣り、信頼度が低い。このため、図１２で示すように、較正距離のフォーカス位置による測定範囲Ｆ２と、そうでないフォーカス位置による測定範囲Ｆ１とに被測定点Ｐがオーバーラップしている場合には、測定範囲Ｆ２が較正距離であることから、該測定範囲Ｆ２の測定データの方が信頼度が高い。

以上のフォーカス位置、レンズの焦点距離、ピントに関する情報および較正距離の各情報は、非接触三次元測定機２において測定に使用されるパラメータであり、前述のように位置合わせ部４６は非接触三次元測定機２から取得することができる。一方、これらの情報以外にも前記信頼度情報として使用することができる他の情報を、前述のように、データ統合部４１側で、測定データの出力レベルから求められてもよい。具体的には、測定データの大きさ、Ｓ／Ｎまたはダイナミックレンジであり、図１３（ａ）で示すように受光した光量が強すぎてデータ出力が飽和している場合には信頼度が低く、図１３（ｂ）で示すように受光した光量が弱すぎてデータ出力が低くＳ／Ｎが悪い場合も信頼度が低く、図１３（ｃ）で示すように蛍光灯、白熱灯、或いは屋外光等の外光の影響でダークレベル（ノイズフロア）が高く、データの実質的なダイナミックレンジＤが狭くなっている場合も信頼度が低い。

また、前記データ統合部４１側で求められる信頼度情報として、上記の測定データの出力レベル以外にも、測定用の走査光に対応した関数モデルに対する測定データの誤差などの情報も、測定データ自体から得ることができる。詳しくは、前述のようにスリットレーザ光Ｓを用いた光切断法を測定に用いる場合、前記ＣＣＤ２２４のたとえば６４０×４８０画素のそれぞれから、タイミングジェネレータ２２４によって発生されたサンプリングタイミング毎に、図１４の参照符号γ１で示すような輝度レベルのデータが得られる。ここから時間軸の重心（時間重心）を求め、較正データを適用して演算することによって、三次元データを算出することができる。この計算を全ての画素について行う。

一方、時間重心を求めるときの一つの方法として、関数モデルにフィッティングする手法がある。スリットレーザ光Ｓの場合、理想モデルとしては、たとえばガウシアン分布を当てはめることが考えられる。その場合の輝度レベルの変化は、参照符号γ２の曲線で示すようになる。

しかしながら、測定対象物３の表面が金属など、光沢がある場合、正反射成分や多重反射などの影響でノイズが発生し易くなる。ノイズの大小はデータ出力を関数モデルにフィッティングしたときのフィッティング誤差として表すことができるので、たとえば多重反射の場合は、図１５において参照符号γ３で示すようにデータ出力のピークが複数個所現れ、フィッティング誤差が大きくなる。そこで、関数モデルとのフィッティング誤差が大きい場合は信頼度が低いとみなし、逆に誤差が小さい場合は信頼度が高いと判断し、前記オーバーラップ部分のデータ選択に使用することができる。

こうして求められる各信頼度情報において、前記位置合わせ部４６は以下のように位置合わせ（レジストレーション）を行い、また合成部４７は後述するようにデータの合成（マージ）を行う。なお、前記測定データの出力レベルや関数モデルに対する測定データの誤差から信頼度情報を求める場合には、データ統合部４１側に、その信頼度情報の算出手段を設ける必要がある。

図１６〜図１８は、前記位置合わせ部４６の機能を説明するための図である。上述のように、非接触三次元測定機２は、測定対象物３を同じ位置（アングル）から、フォーカス制御部２９が受光部２２のフォーカス位置を変化させて奥行き（ｚ軸）方向に測定範囲をシフトさせながら複数回測定しており、ｘ，ｙ軸方向の座標系はほぼ一致しているので、位置合わせ部４６は、そのフォーカス位置の異なる測定データを奥行き（ｚ軸）方向にシフトさせて位置合わせ（レジストレーション）を行うことができる。

通常、このような位置合わせ（レジストレーション）は、たとえば図１６で示すように、測定範囲（フォーカス位置）Ｆ１および測定範囲Ｆ２で得られた一方のデータの座標軸に、他方のデータを座標変換して座標軸を合わせることで行われる。具体的には、図１６で示すように、オーバーラップ部分において、一方のデータに含まれる測定点Ｐ１，Ｐ２に対応する他方のデータＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３；Ｐ２１，Ｐ２２，Ｐ２３の最近傍点を探索した後、対応点間の誤差の総和を最小にするように最適化が行われる。しかしながら、測定範囲を前記奥行き（ｚ軸）方向に展開した場合においては、フォーカス位置を変更しただけであり、ｘ，ｙ軸方向の座標系はほぼ一致しているので、図１７で示すように、同一画素＝最近傍点として扱うことで、前記最近傍点探索を省略して、ソフトの処理時間の短縮を図ることができる。また、対応点を指示したり、球面体やマーカーを用いたりすることなく、自動的に位置合わせできるので、ユーザの手間軽減にも寄与することができる。

そして、位置合わせ部４６が、たとえば図１７において、測定範囲Ｆ１の測定データを測定範囲Ｆ２の測定データに向けて、奥行き（ｚ軸）方向にシフトし、位置合わせを行うにあたって、どれだけの量をシフトさせるかを、オーバーラップ部の前記信頼度情報を考慮して決定する。具体的には、図１８で示すように、各対応点（同一の画素で撮影されたｘ，ｙ座標が同じ点）における奥行き（ｚ軸）方向のずれ量ΔＺｉ（ｉ＝１〜ｎの各画素における測定範囲（フォーカス位置）Ｆ１でのｚ座標と測定範囲Ｆ２でのｚ座標との差）に、信頼度情報Ｗｉを用いて加重平均値ΔＺａｖｅｒａｇｅを求め、その加重平均値ΔＺａｖｅｒａｇｅｚだけｚ軸方向にのみシフトさせる座標変換を行う。すなわち、各対応点における加重平均値ΔＺａｖｅｒａｇｅは、
ΔＺａｖｅｒａｇｅ＝Σ（ΔＺｉ×Ｗｉ）／Σ（Ｗｉ）
で求められる。このとき、信頼度情報Ｗｉは、各対応点の信頼度情報Ｗｉの和または対応点のうち低い方の信頼度値などで与えられる。

こうして位置合わせが行われたデータは、合成部４７において、オーバーラップ部のデータに前記信頼度情報が考慮されて、１枚の繋がったデータに合成（マージ）される。具体的には、上述のようにフォーカス位置だけを変化させながら複数回測定している場合、ｘ，ｙ軸方向の座標系はほぼ同じなので、複数データ間において同一画素＝同一対応点と扱い、前述の信頼度情報を用いて加重平均計算を行うことで合成を行う。

たとえば、信頼度情報として、前記図１１で説明したフォーカス位置とのピントに関する情報を使用する場合は、前記測定点Ｐのデータは、測定範囲Ｆ１のフォーカス位置ｆ１の方がピント位置により近いので、信頼度が高い。よって、測定範囲Ｆ１，Ｆ２それぞれのデータＤＦ１，ＤＦ２に対する重みｗａ，ｗｂについて、ｗａ＞ｗｂ、ｗａ＋ｗｂ＝１となるように設定し、加重平均を求める。合成後のデータＤＦは、
ＤＦ＝（ｗａ×ＤＦ１）＋（ｗｂ×ＤＦ２）
と求めることができる。

なお、データの合成は、上記の加重平均計算に限らず、もっと簡易的なものであってもよい。たとえば、信頼度の高い方のデータのみを採用したり（割合１００％）、或いは位置合わせ部４６で既に信頼度情報に基づいてデータのシフトが行われているので、前記信頼度情報を使用せず、オーバーラップするデータの単純平均（２等分なら０．５と０．５）を求めるなどしてもよい。

以上のように、本実施の形態の三次元形状測定装置１によれば、測定手段である非接触三次元測定機２が測定対象物３の形状測定を複数回、少なくともそれぞれの測定領域の一部分がオーバーラップするように行い、得られた測定データをデータ統合手段であるパーソナルコンピュータ４のデータ統合部４１が統合することで前記測定対象物３の三次元形状を非接触で測定するにあたって、前記データ統合部４１は、前記複数の測定データ間の信頼度情報を用いてデータ統合を行うので、ユーザが手動で不要データを削除する必要がなくなり、ユーザが手間をかけることなく、精度の高いデータ統合が可能になるとともに、統合したデータにおけるオーバーラップ領域のデータ品質を向上することができる。

また、上述のように非接触三次元測定機２が、同一の測定領域を異なるフォーカス位置で、すなわち測定領域の全部をオーバーラップして複数回測定を行い、前記データ統合部４１が得られた測定データを前記信頼度情報を用いて合成するので、奥行き方向に比較的深い凹凸を有する測定対象物３の三次元形状を、単なる統合ではなく、いわゆる“良いとこ取り”で合成して得ることができ、１回だけの測定に比べて良質なデータを得ることができる。

上述の説明では、非接触三次元測定機２が、同一の測定領域を異なるフォーカス位置で複数回測定を行う例を示したけれども、面（ｘ，ｙ）方向に異なる位置を測定、すなわち図１９（ａ）において、参照符号Ａ１，Ａ２で示すように、異なるアングルから測定を行う場合には、前記データ統合部４１は、以下のような処理を行う。先ず、データ分離部４４によるオーバーラップデータと非オーバーラップデータとの分離処理は上述と同様であり、上述の説明では奥行き（ｚ）方向の測定範囲の情報に基づいてデータの分離を行っていたのが、前記面（ｘ，ｙ）方向の測定領域の情報に基づいてデータの分離を行うことになる。

そして、位置合わせ部４６は、図１９（ｂ）で示す前記アングルＡ１の測定データと図１９（ｃ）で示す前記アングルＡ２の測定データとの位置合わせを行うにあたって、それぞれのデータのオーバーラップ部分の信頼度情報を考慮する。この図１９の例では、図１９（ｃ）において参照符号Ａ３で示すように、アングルＡ２の測定データにおけるオーバーラップ部分Ａ４にノイズが発生しており、この部分のデータは、アングルＡ１の測定データにおける同じオーバーラップ部分のデータに比べて信頼度が低いことになる。そこで位置合わせ部４６は、そのまま位置合わせをしてしまうと、図１９（ｄ）で示すようにｙ軸方向のノイズ成分Ａ３によってアングルＡ２の測定データ全体が前記ｙ軸方向にシフトしてしまうのに対して、前記信頼度の低いノイズ成分Ａ３を無視することで、図１９（ｅ）で示すようにアングルＡ１の測定データとアングルＡ２の測定データとを高精度に位置合わせすることができる。

合成部４７は、前述と同様に、２つのアングルＡ１，Ａ２の測定データにそれぞれ信頼度の重みを付けて加重平均を求めて合成を行ってもよく、信頼度の高い方のデータを選択することで合成を行ってもよく、或いは信頼度情報を用いることなく、単純平均を求めて合成を行ってもよい。

このようにすることで、比較的大型の測定対象物の三次元形状を高精細に測定することができ、或いは前記測定対象物の一部分の形状を拡大して測定し、その測定データを合成することで、全体形状の中で、一部分の形状を高精細に測定することができる。

本発明の実施の一形態に係る三次元形状測定装置の全体構成を示すブロック図である。 図１で示す三次元形状測定装置における非接触三次元測定機の外観構成を示す斜視図である。 前記非接触三次元測定機の基本的な内部構成を示す模式図である。 前記非接触三次元測定機による三次元計測方法の原理を説明するための図である。 前記非接触三次元測定機の電気的構成を示すブロック図である。 前記非接触三次元測定機の投光部によるスリット光の測定面への走査投影状況を説明するための模式図である。 図１で示す三次元形状測定装置におけるパーソナルコンピュータのデータ統合部の機能ブロック図である。 前記非接触三次元測定機による奥行きのある測定対象物の形状測定の様子を説明するための図である。 三次元形状測定結果の信頼度の情報として使用することができるフォーカス位置を説明するための図である。 前記三次元形状測定結果の信頼度の情報として使用することができるレンズの焦点距離を説明するための図である。 前記三次元形状測定結果の信頼度の情報として使用することができるピント位置を説明するための図である。 前記三次元形状測定結果の信頼度の情報として使用することができる較正距離を説明するための図である。 前記三次元形状測定結果の信頼度の情報として使用することができる測定データの大きさを説明するための図である。 前記三次元形状測定結果の信頼度の情報として使用することができる測定用の走査光に対応した関数モデルに対する測定データの誤差を説明するための図である。 前記三次元形状測定結果の信頼度の情報として使用することができる測定用の走査光に対応した関数モデルに対する測定データの誤差を説明するための図である。 従来の位置合わせ部の機能を説明するための図である。 本実施の形態の位置合わせ部の機能を説明するための図である。 本実施の形態の位置合わせ部の機能を説明するための図である。 本実施の形態の合成部の機能を説明するための図である。

符号の説明

１ 三次元形状測定装置
２ 非接触三次元測定機
３ 測定対象物
４ パーソナルコンピュータ
２１ 投光部
２２ 受光部
２９ フォーカス制御部
２７，５０ 全体制御部
４１ データ統合部
４２ Ｉ／Ｆ
４３，４８ データメモリ
４４ データ分離部
４６ 位置合わせ部
４７ 合成部
４９ 表示部
５０ 全体制御部

Claims (6)

1. 測定対象物の三次元形状を非接触で測定する三次元形状測定装置において、
   前記測定対象物の形状測定を複数回、少なくともそれぞれの測定領域の一部分がオーバーラップするように行う測定手段と、
   得られた測定データを統合するデータ統合手段とを備え、
   前記データ統合手段は、前記複数の測定データ間の信頼度情報を用いてデータ統合を行うことを特徴とする三次元形状測定装置。
2. 前記測定手段は、同一の測定領域を異なるフォーカス位置で複数回測定を行い、前記データ統合手段は、得られた測定データを前記信頼度情報を用いてデータ統合することを特徴とする請求項１記載の三次元形状測定装置。
3. 前記データ統合手段は、前記信頼度情報を用いて、前記測定手段で得られた測定データの測定領域の位置合わせを行うことを特徴とする請求項１記載の三次元形状測定装置。
4. 前記データ統合手段は、前記信頼度情報を用いて、前記測定手段で得られた測定データの合成を行うことで、前記測定データを統合することを特徴とする請求項１記載の三次元形状測定装置。
5. 前記信頼度情報は、測定対象物までの設定距離であるフォーカス位置と、レンズの焦点距離と、前記フォーカス位置から被測定点までの距離であるピント位置と、予め定められる形状が既知の測定対象物を測定してみて機器の較正が行われるフォーカス位置までの距離である較正距離との少なくとも１つであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置。
6. 前記信頼度情報は、測定データの出力レベルと、測定用の走査光に対応した関数モデルに対する測定データの誤差との少なくとも１つであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置。

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