JPH0352804B2

JPH0352804B2 -

Info

Publication number: JPH0352804B2
Application number: JP2088584A
Authority: JP
Inventors: Gensuke Okada; Gohei Iijima
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1984-02-09
Filing date: 1984-02-09
Publication date: 1991-08-13
Also published as: JPS60165505A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は比較的複雑な形状をした対象物体の立
体形状を必接触、不侵襲的に測定する装置とそれ
を利用して該対象物体の立体像を形成する方法と
装置に関する。

〔従来の技術とその問題点〕

従来、比較的複雑な形状を有する対象物体の複
製品を製作する場合、倣いフライス盤等を用いた
り、又は、鋳型やデマスク等の反転型を用いて来
たが、このような従来技術においては、例えば人
体像のように比較的複雑かつデリケートな対象物
体に対しては、極めて高度な熟練技術と芸術的セ
ンスが要求され、工業的水準で複製品を製作する
ことは困難であつた。そこで、本願発明者はこの
ような対象物体についても正確、容易、かつ迅速
に複製が可能な、新しい複製方法を開発して来
た。この新しい方法は、対象物体を適当なピツチ
の断面形状の集積で近似し、この断面形状を有す
る板材を切り出して、元の順序に板材を重ね合わ
せることにより、対象物体の立体像を複製しよう
とするものである。この方法によれば、板材の切
り出しが出来れば良いだけの簡単な構造の数値制
御式工作機械を活用して、比較的複雑な立体形状
を有する物体の複製品を容易に製作出来るように
なる。ところが、この複製方法を使用するため
に、対象物体の立体形状を正確に測定する方法が
必須であるが、これが例えば触針を用いた接触測
定方法であつたり、非接触測定であつても例えば
モアレ縞による立体計測のように極めて高度な情
報処理機能を必要とする測定方法によるならば、
せつかくの複製方法が、比較的複雑かつデリケー
トな対象物体に対して容易に実施出来ることにな
らない。さらに、対象物体の完全な全体像を得た
後に、複雑な演算的処理により上記複製方法に適
用するための一断面毎の断面形状を算出する必要
があるのでは、測定装置に要求される演算処理機
能、データ収納容量等が高度なものとなつて、到
底工業的、経済的な意味において実施可能なもの
とはならないから、計測に必要な情報処理が簡単
で、測定の過程で保持する必要のあるデータ量が
僅少であるような計測装置が要求されていた。

〔発明の課題とその解決手段〕

本発明は、少なくとも対象物体を断面形状の集
積で表現できる、比較的簡便な、非接触的かつ不
侵襲的な立体形状計測装置を提供することを課題
とする。またさらに、断面形状を取得するために
要求されるデータ量が僅かであつて、情報処理に
複雑な論理と装置を必要としない、立体形状の計
測装置を提供しようとするものである。これら計
測装置を利用して、前述の比較的複雑な立体形状
を有する対象物体の新しい複製方法および装置を
構成することにより、その複製方法の機能が十分
に発揮されるようになるのである。

本発明が指向する上述の技術的課題は、特許請
求の範囲第１項ないし第３項に明記したとおりの
下記構成により、有効に解決される。なお、本発
明者は先に、上と同様の課題に対して、特願昭58
−200987号（特開昭60−93424号）の発明をその
基本的な解決手段として提案したが、本発明はさ
らに、この先行発明の利点を維持しつつ、その着
想を拡張し、かつ発展せしめたものである。

すなわち、本発明による対象物体の立体形状を
計測する装置は、上端縁もしくは下端縁の少なく
とも一方が平坦な平面を形成する板状遮光体であ
つて、対象物体を据える測定位置に対向して垂直
に配設された板状遮光体と、該板状遮光体の平坦
平面を形成する端縁を含む平面上、該端縁に関し
該測定位置の反対側に、該遮光体の外側から所定
の間隔をへだてた位置に配設され、光を該測定位
置に向けて照射する点光源と、前記端縁を含む平
面に対して一定の角度で交叉する光軸を有し、該
遮光体ならびに該点光源と所定の関係を有するよ
うに位置決めされた２次元撮像手段と、該２次元
撮像手段と前記遮光体と前記点光源を固定した支
持台と、該支持台を垂直方向に一定の微小ピツチ
Δhづつ移動できる案内装置と、前記２次元撮像
手段で撮像された「かげ」の形状を表わす映像か
ら前記対象物体の断面の形状を計測して該断面の
形状に関するデータを求めるデータ処理装置とを
備えることを特徴とする。

本発明の装置は、当該対象物体を測定位置に据
え、前記案内装置により前記支持台を一定の微小
ピツチΔhで順次に一方向に移動させ、移動する
度に、前記点光源により光を照射して該遮光体の
「かげ」を前記対象物体の表面上に投影して、前
記２次元撮像手段により前記「かげ」の形状を撮
像し、前記データ処理装置により、前記撮像され
た映像から前記の対象物体の一断面の形状を計測
して該断面の形状に関するデータを求める手順を
実施することにより、対象物体の立体形状を計測
するものである。

なお、「かげ」の平面と二次元撮像装置の光軸
との交叉角度を一定にしているから、二次元撮像
手段によつて撮像された映像について簡単な情報
処理を施すことによつて、対象物体の断面形状を
容易に計測出来るのである。

本発明によれば、対象物体表面に投影された遮
光板の「かげ」によりできる遮光板の端縁を含む
水平面で切断した時の対象物体の二次元的断面形
状を、順次一定の微小ピツチΔh毎に計測するこ
とができるから、対象物体が任意の比較的複雑な
形状をしていても、対象物体の上端から下端まで
物体の高さ全体に亙り微小ピツチ毎の計測を繰り
返すことにより、非接触かつ不浸襲的にその立体
形状を計測することが出来る。

また、本願の第２の発明による、対象物体と同
形の立体像を形成する方法は、対象物体の外周を
板状遮光体で包囲し、前記遮光体の端縁を含む水
平面上の点光源からの光で該遮光体ならびに前記
対象物体を照射して、前記対象物体の表面上に前
記遮光体の「かげ」を投影するとともに、前記水
平面に対して一定の角度で交叉する光軸を有する
２次元撮像手段により、前記対象物体表面上の
「かげ」の形状を撮像し、この撮像された「かげ」
の形状を表わす映像から前記の対象物体の一断面
の形状を計測して該断面の形状に関するデータを
求め、次いで、遮光体と点光源を一定の微小ピツ
チΔhで順次に移動させながら対象物体における
前記の一断面と隣接する断面に対しても順次に前
述と同様の手順による計測を繰り返して実行し、
かくして前記対象物体の各断面に対する計測によ
り得られた断面形状データを用いて、前記遮光体
の１回の微小移動ピツチΔhと同一の厚み、もし
くは、それと所定の関係を有する厚みの薄板材料
から前記対象物体の各断面に対応した同形の型板
をそれぞれ作成し、これらの型板を、前述の手順
でそれぞれ実行された各計測の順序にしたがつて
順次に積層すること、を特徴とする。

さらに、本願の第３の発明による対象物体と同
形の立体像を形成する装置は、上記第２の発明に
よる対象物体と同形の立体像を形成する方法を実
施するための装置であつて、上記第１の発明によ
る計測装置の構成を含んで構成されることを特徴
とする。

本発明によれば、高さのきざみΔh毎に得られ
る対象物体の断面形状計測データを、例えば数値
制御方式のレーザ切断機等に与えて、一定の厚み
Δhを有する薄板材を加工すれば、前記二次元的
断面形状と同形の型板を高さのきざみΔh毎に切
り出すことが出来る。従つて、対象物体の上端か
ら下端まで遮光体と点光源を移動させつつ、移動
の度に切り出して得た型板を、計測順に従つて重
ね合わせることにより、容易かつ迅速に対象物体
と同形の立体像を複製することが可能になるので
ある。

本発明の測定方法と装置を活用することによ
り、高速でかつ高精度な対象物体の立体像を形成
することが容易に可能となるのである。

〔実施例〕

次に図示の実施例により本発明を詳細に説明す
る。

本発明の着想を具現した一実施例の構成を示す
第１ａ図及び第１ｂ図において、対象物体４に対
し、点光源２から照射された照明光は、点光源２
と、対象物体４とのあいだに位置し、かつ、点光
源と機械的に連結され、案内柱７に沿つて摺動案
内される支持台１に固定された遮光板１１によつ
てその一部がさえぎられる結果、対象物体表面に
は遮光板１１の“かげ”が投影されることにな
る。

この“かげ”は対象物体の表面の凹凸に対応し
て、例えば第３図に示されるような映像として撮
像される。なお、第３図の映像は２次元撮像装置
の映像信号を２値化して表示したものである。す
なわち、対象物体の表面をTV用カメラで撮像す
ると、“かげ”の部分は真つ暗に写るが、光の当
つている部分は明るかつたり、少し暗かつたりし
て、一様の明るさにならないのが普通である。し
たがつて、このような画像計測を行なう場合に
は、“かげ”の部分の暗さ以上の明るい部分（灰
色の部分をも含む）をすべて白となるような処理
をほどこすが、これが２値化であつて、第３図は
このような２値化をおこなつたあとの画像であ
り、真つ白の部分、すなわち、明部と真つ黒の部
分、すなわち、暗部とから成るパターンになつて
いる。本発明は要するに、第３図に示す明部と
“かげ”の境界線の形状を利用して該対象物体４
からこれと同形の立体的物体像を形成するもので
ある。

再び第１ａ図及び第１ｂ図において、支持台１
は、ボールネジ軸５にネジ結合するボールナツト
６に結合され、かつ、ボールネジ軸５には、図示
していないステツプモーターが接続され、該ステ
ツプモーターはスリツト光の厚みΔhの高さだけ
ボールナツト６、即ち支持台１を段階的に上下に
駆動する。

いま説明を容易にするために、対象物体４の垂
直中心線をＺ軸と呼称し、Ｚ軸に垂直であり、か
つ、対象物体４の最下端点を含む平面上で互いに
垂直に交叉する２つの軸をそれぞれＸ軸及びＹ軸
と呼称するとともに、前記平面をＸ−Ｙ平面と呼
称することにする。

またここでは都合上、遮光板１の上端縁によつ
て投影される“かげ”を用いる方法と装置の場合
についてのみ図示して説明するが、下端縁による
“かげ”を用いる場合にも、これと全く同様の手
法によつて本発明の着想を具現できることはいう
までもない。このほかにも、一つの遮光板の上下
の端縁を利用し、これ等の端縁で投影される二つ
の「かげ」を同時に利用する手法によつて、本発
明を実施することもできる。

さて、点光源２の上方には、２次元撮像装置
３、たとえば、TV用カメラ３が、Ｘ−Ｙ平面に
対して一定の角度βの光軸を有し、かつ、該光軸
がＺ軸と交叉するように配置されている。

なお、前記TV用カメラ３の視野角はαとす
る。この場合、図示のようにTV用カメラ３は点
光源と遮光板１１を固定した支持装置１に固定さ
れ、点光源２、遮光板１１、およびTV用カメラ
３とがお互いに一定の幾何学的な関係を保ちなが
ら移動するように構成してもよい。

対象物体４の外周側の全面にわたつて同時に遮
光板の“かげ”を投影し、かつ、TV用カメラ３
によつて外周側の全面を撮像するためには、対象
物体４を包囲する円筒状の遮光板（筒）の上端縁
が形成する円周の同心円上に複数個の点光源２，
２₁，〜２_oを配設し、かつ、これらの各点光源に
対応する複数個のTV用カメラを、対象物体を包
囲するように配設すればよい。この場合、すべて
のTV用カメラ３の光学系の主点Ｓから対象物体
４の中心軸であるＺ軸までの距離を等しくすると
ともに、これらTV用カメラ３群の光学的倍率を
等しくすれば、各々のTV用カメラで撮像された
“かげ”の像の形状を同一比率で計測できるため、
断面形状を求めるための演算を単純化することが
可能になるが、かならずしもこのような条件に制
約されるのではない。例えば、対象物体４の１つ
の断面形状を、いわゆる接触式などの別の計測方
法によつて予め実測しておき、上記断面部分を
TV用カメラ３群で撮像したデータを前記の実測
データと比較することにより、各々のカメラの計
測データを較正することも可能である。

また、複数台のTV用カメラを用いる場合にお
いて、複数の点光源からの光相互間の干渉をさけ
るためには、それぞれの系の光源、TV用カメラ
及び遮光板を搭載した複数の支持台１はすべて同
一水平面の高さとなるように位置決めするととも
に、これらの系の動作を正確に同期させることが
必要とされるが、このような要請に対しては、例
えば、各支持台に位置検出器を設け、各支持台を
案内摺動せしめる案内柱にあらかじめ設定した原
点位置からの支持台の移動量が等しくなるように
制御するという手法によつて容易にそれに応える
ことができる。この場合に各案内柱の原点位置は
当然、そのすべてが同一水平面となるように設定
されなければならない。また、もう１つの例とし
ては、円筒状の遮光板の場合には複数の支持台の
うちの１つのみを駆動し、その他の支持台はそれ
に従動するようにして、このような主従の支持台
を含むそれぞれの系を機械的に連動ないし同期さ
せることも可能である。

次に第３図及び第４図により、対象物体４の表
面に形成された“かげ”の像をTV用カメラ３で
撮像した画像ならびにそれと映像信号との関係な
どについて説明する。TV用カメラ３の走査線の
走査方向がＹ軸と平行となるように設置し、該
TV用カメラ３で対象物体４の表面に形成された
“かげ”の像を撮像すると、第３図に示すように
円弧状の画像となる。同図において点P′_i（すなわ
ち、P′_i1，P′_i2′など−図示しない）は第２ａ図、
第２ｂ図に示す点P_i（スリツト光像に含まれる）
の像であり、また線分′′_nは第２ｂ図において
点Z_iを通りＹ軸と平行な線、つまり、第２ａ図の
OY_nに符合する。また第３図におけるS₁，S₂，
…S_rはTV用カメラ３の画像を形成する走査線で
あり１画面ｒ本（一般に250本〜500本程度）で構
成されている。

第４図は、第３図における走査線S_iに対応した
TV用カメラ３の出力信号であり、まず映像信号
I_sに先だつて水平走査が開始されたタイミングを
示す水平同期信号H_BLが出力されたのち映像信号
が出力される。映像信号I_sは、明かるい光像に相
当する部分ではその振幅が大きく、その他の部分
では振幅が小さい。なお、１つの画面の走査が開
始される直前にはそのタイミングを示す垂直同期
信号V_BLが出力される。

第５図は、このTV用カメラ３を用いて第２ａ
図、第２ｂ図で示した点P_iのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に
関する座標（X_i，Y_i，Z_i）を求めるための制御回
路ブロツク図を示すものである。第５図におい
て、対象物体４の表面の“かげ”の像の映像信号
I_s、ならびに水平同期信号H_BL、垂直同期信号V_BL
を含むTV用カメラ３の出力信号を同期分離回路
３１に入力し、該同期分離回路３１で映像信号I_s
と前記H_BL、ならびにV_BLの各信号をそれぞれ分
離する。２１はカウンタで、カウント入力端子
in₁には同期分離回路３１からの水平同期信号H_BL
を接続し、また、リセツト入力端子reset₁には垂
直同期信号V_BLを接続している。カウンタ２１
は、まず画面の走査に先だつて出力される垂直同
期信号V_BLによつて０にリセツトされ、次いでS₁
〜S_rの各走査線への走査に先だつて出力される水
平同期信号H_BLを計数する。即ち、カウンタ２１
の計数内容はTV用カメラ３が現在走査している
走査線の番号を示すことになる。

次に、発振回路２２は、１本の走査線が走査さ
れる時間t_aをｆ等分した時間間隔t_a／ｆごとに電圧パルスを連続的に出力する回路である。カウンタ
２３のカウント入力端子in₂には、前記の発振回
路２２の出力を接続し、またリセツト入力端子
reset₂には同期分離回路３１からの水平同期信号
H_BLを接続している。したがつて前記カウンタ２
３はまず各水平走査に先だつて出力される水平同
期信号H_BLで０にリセツトされ、次いで、発振回
路２２から出力される電圧パルスを計数する。即
ち、カウンタ２３の計数内容によつてTV用カメ
ラ３の映像面上の走査点を算出することができ
る。

一方、同期分離回路３１で垂直同期信号V_BL、
水平同期信号H_BLが除去されたTV用カメラ３の
映像信号は、２値化回路２８で第４図に示す所定
の信号レベルK_aを基準として明部（信号の大き
い部分）“１”、暗部（信号の小さい部分）“０”
の２値のデイジタル信号（２値化信号）に変換さ
れる。この２値化信号はゲート回路２４，２６の
ゲート開閉制御端子N₁，N₂に接続している。ゲ
ート回路２４，２６は前記の開閉制御端子N₁，
N₂に与えられた信号が“０”から“１”に、あ
るいは“１”から“０”に変化した瞬間から一定
の微小時間だけ閉の状態となり、入力と出力とが
接続される。

したがつて、TV用カメラ３によつて対象物体
４の表面の“かげ”の像を撮像したときの任意の
点P_iが存在する走査線番号（カウンタ２１の計数
内容）および１本の走査線内の位置（カウンタ２
３の計数内容）が前記のゲート回路２４，２６を
通して記憶回路２６，２７に記憶される。ここで
記憶回路２６の内容をm_i、記憶回路２７の内容
をn_iとする。なお１本の走査線について前記のn_i
が複数（たとえばｐ個）得られる場合があるがこ
れらはn_i1〜n_ipとしてそのすべてを記憶回路２７
に記憶させる。

以下、前記のm_i，n_iを用いて第２ａ図、第２ｂ
図における対象物体４の表面上の点P_iのＸ，Ｙ座
標（X_i，Y_i）の求め方を説明する。

いま三角形Z_iP_iZ_Lにおいて次の関係が成立す
る。

Ｌ tan［γ＋（α／ν）×ｊ］−Z_LZ_Q／Ｌ tan［γ
＋（α／ν）×ｊ］＝X_i／Ｌ …… ここで、Ｌ；レンズの主点ＳからＺ軸までの長さ γ；レンズの主点Ｓを含む水平面とTV用カメ
ラの視野の上端線とがなす角度 α；TV用カメラの視野角度 ν；１画面の走査線の数（したがつてα／νは
隣り合う走査線間の角度）Ｊ；点Ｐが存在する走査線の番号 Z_Q；レンズの主点Ｓを含む水平面がＺ軸と交わ
る点 _L _Q；点光源２を含む水平面がＺ軸と交わる点
Z_Lと上記Z_Qとの間の長さ式は次のように変形することができる。

X_i＝Ｌ tan［γ＋（α／ν）×ｊ］−Z_LZ_Q／tan［γ＋
（α／ν）×ｊ］…… このとき、Ｌ，γ，_L _Qは各機器の設置、調節
時点で計測してその値を知ることが可能であり、
またα，ν、はTV用カメラおよび光学系の構成
によつて決まる定数であることから、点P_iのＸ座
標X_iは上記のｊの値によつて求めることができ
る。

また、Y_iの座標は次のようにして求めることが
できる。

第２ａ図から Y_i／Δy_i＝Y_i′Ｓ／Z_i′Ｓ＝（Z_LＳ−X_icosβ）／Z_i′Ｓ …… だだし_L＝Ltan（γ＋α／２） Δy_i＝n_i×Δt …… ただし、 Δt：TV用カメラ３の撮像面１０における１本
の走査線の長さをｆ等分した長さ式から Y_i＝（n_i×Δt）×（Z_LＳ−X_icos β／Z_i′Ｓ …… このときＬ，γ、は前記のごとく計測によつて
求まり、_i′，ΔtはTV用カメラおよび光学系
の構成によつて決まる定数であることから、点P_i
のＹ座標Y_iはn_i，ｊの値によつて求めることがで
きる。

及び式の各々の演算は第７図のフローチヤ
ートにしたがつて第５図の計算装置４０、たとえ
ばマイクロコンピユータ等で実現が可能である。
なお、本実施例では幾何学的に、あるいは物理的
に，_i，，_i，sinβ，cosβ，Δq，Δtの値なら
びに，_i・sinβの値は既知の定数としてマイク
ロコンピユータ４０のメモリにあらかじめ入力し
記憶させているが、図示していないキーボードス
イツチ等の数値入力装置をマイクロコンピユータ
４０に接続すれば設定値の変更も容易に可能とな
る。

TV用カメラ３の１画面に関するすべての
（X_i，Y_i）を計算し、かつ、その計算結果をマイ
クロコンピユータ４０のメモリ４１内に格納した
のち、第１ｂ図に示す架台１を一定のピツチ、例
えばΔhだけ移動させて前記と同様の計測および
計算処理をおこない、マイクロコンピユータ４０
のメモリ４１に格納する。

上述の説明は１つのTV用カメラ３を含む計測
装置１台分についてこれを行なつた。対象物体４
の全周にわたつて立体的に計測するには、対象物
体４を乗せるための架台９をＺ軸を中心線として
回動可能な構造として前記の架台をあらかじめ定
めた角度づつ順に回動させて順に計測してもよ
い。また、別の本発明の実施例では、高速化をは
かるため複数台のTV用カメラ３（第１ａ図では
４台）を対象物体４の中心線であるＺ軸から等距
離に設置し、かつ、第５図の計測処理部３０を
TV用カメラ３の台数に等しい数だけ設けること
により、それぞれ前述のm_i，n_iを求める。そして
各々のm_i，n_iをマイクロコンピユータ４０に入力
して各々の（X_i，Y_i）を計算してマイクロコンピ
ユータ４０のメモリ４１に格納することで対象物
体４の全周の“かげ”の上端縁または下端縁を含
む水平面に関する形状を計測できる。このとき、
複数台のTV用カメラ３によつて複数の画像が得
られ、隣り合う画像間で重なりが生ずるが、あら
かじめ各々のTV用カメラ３で撮像する範囲を設
定することでデータ（X_i，Y_i）の重複は避けられ
る。

次に、前述の手段により得られた対象物体４の
各断面データ（X_i，Y_i，Z_i）から立体像を複製す
る手段を説明する。

いま、第１ａ図に示す４台のTV用カメラで撮
像し、計測した断面のデータをそれぞれ（X_i，
Y_i，Z_i）₁〜（X_i，Y_i，Z_i）₄とする。

マイクロコンピユータ４０には第５図に示すよ
うにNCレーザ切断機制御装置４２が接続され、
さらに該制御装置４２には薄板切断用NCレーザ
切断機４３が接続されており、マイクロコンピユ
ータ４０からのNC指令によつて制御される加工
システムを構成している。まず、前記のレーザ切
断機４３の加工テープルにΔhの厚みを有する薄
板（レーザにより切断可能な材質のもの）をセツ
トしたのち、マイクロコンピユータ４０から、前
記のNCレーザ切断機用制御装置４２に切断原点
としてNC指令（X₁，Y₁，Z₁）₁を与えてNC切断
を開始し、順次（X₂，Y₂，Z₁）₁、…（X_l，Y_l，
N₁）₁を与えて、次いで（X₁，Y₁，Z₁）₂、…（X_l，
Y_l，Z₁）₂、（X₁，Y₁，Z₁）₃、…（X_l，Y_l，Z₁）₃、
（X₁，Y₁，Z₁）₄、…（X_l，Y_l，Z_l）₄、……の順に
切断すれば、Ｚ軸に関する高さZ₁における対象物
体４の断面形状と同形の型板を作成することがで
きる。

次に再び前記のレーザ切断機４３の加工テーブ
ルにΔhの厚みの薄板をセツトし、前回と同様に
マイクロコンピユータ４０からNC指令（X₁，
Y₁，Z₂）₁、…（X_l，Y_l，Z₂）₄を与えてＺ軸に関す
る高さZ₂における対象物体４の断面形状と同形の
型板を作成し、これを対象物体４のＺ軸方向の長
さ分（計測されたZ_iの最大値）だけ繰りかえすこ
とによつて対象物体４のすべての断面の型板を作
成できる。かくして作成された型板を、計測デー
タのうち、Ｚ軸に関する高さZ_iの大きい順または
小さい順に重ね合わせ、これらを糊付等により固
定すれば複製像を作成することができる。さらに
データ（X_i，Y_i）をマイクロコンピユータ４０に
よつてＮ倍あるいは１／Ｎ倍とし、前記のNC切断機で切断する薄板の厚さΔhをＮ×Δhあるいは
１／Ｎ×Δhとすれば、任意の大きさに拡大縮小することもできる。

第６ａ図及び第６ｂ図に示した第２の実施例で
は、２次元撮像装置であるTV用カメラ３を一定
の位置に固定配置し、その光軸を、遮光板１１の
上端縁を含む水平面に対して一定の角度βで交叉
させている。

点光源２は、第１の実施例の場合と同様に、遮
光板１１の上端縁または下端縁を含むいずれか一
方の水平面、あるいは両方の水平面に位置するよ
うに支持台１に固定され、また、点光源２と対象
物体４のあいだに垂直に位置するように支持台１
に固定されている。

支持台１も第１実施例の場合と同様にボールネ
ジ軸５に螺合するボールナツトに固定されてい
て、ボールネジ軸５は図示していないモーターに
接続され、該モーターはスリツト光の厚みΔhの
高さだけ支持台１を段階的に上下に駆動する。

点光源２は、例えば発光ダイオードや小形の白
色電球などでもよい。

点光源２からの照射光は遮光板１１でその一部
がさえぎられ、対象物体の表面に“かげ”を投影
し、この“かげ”は、TV用カメラ３によつて撮
像されてそのスクリーン上に、対象物体の凹凸に
対応して第３図のような映像として現出される。
この映像は、前述の第１の実施例の場合と同じよ
うに、TV用カメラの映像信号を２値化し、中間
明度のない白、黒の画像に変換したものである。
この第６ａ図、第６ｂ図に示す本発明の第２実施
例は、第３図における明部と“かげ”の境界線の
形状を利用して、該対象物体４から、これと同一
の形状の物体を生成する方法・装置であることに
おいては、第１の実施例の場合と同様である。説
明を容易にするために、対象物体４の垂直中心線
をＺ軸と呼称し、Ｚ軸に垂直で対象物体４の最下
端点を含む平面上で、Ｚ軸で直交する軸をそれぞ
れＸ軸、Ｙ軸と呼称するとともに、前記平面を
「基準Ｘ−Ｙ平面」と呼称し、さらに、この基準
Ｘ−Ｙ平面ならびにこれと平行な面を「Ｘ−Ｙ軸
系平面」と呼称する。また、ここでは遮光板の上
端縁によつて投影される“かげ”の境界線を利用
する方法についてのみ記述するが、下端縁による
“かげ”の場合にも、全く同じ手法で実現できる
ことは容易に理解されるであろう。

点光源２から遮光板１１によりその光束の一部
を遮断された光が対象物体に照射されると、対象
物体４のこの断面における“かげ”の像は第３図
に示した様な画像としてTV用カメラが撮像す
る。これを第１実施例の場合と同様に“かげ”の
断面平面、即ちＸ−Ｙ軸系平面の座標系として計
測する。

この様に本発明においては、点光源２と遮光板
１１及びTV用カメラ等の２次元撮像装置３を用
い、前出の方程式，，を用いることにより
“かげ”の平面、即ちＸ−Ｙ軸系平面における対
象物体の断面形状を求めることができ、これを対
象物体４の最上端ZTから最下端Z₀まで一定の微
少ピツチΔhごとに順次支持台１を動かして、そ
の“かげ”の形状データ（x_i，y_i）を求め、それ
ぞれの“かげ”の平面における形状データ（X_i，
Y_i）を例えばNCレーザー切断機等に入力し、Δh
の厚みの板から同一形状の型板を切出し、これら
の型板を計測の順序にしたがつて順次に重ね合せ
ることにより、対象物体と全く同一の形状の立体
像を形成することができる。

また、念のため付言しておくと、上述の演算は
第６ｂ図の下方に示したTV用カメラ３にも適用
でき、この場合、遮光板１１の上端縁及び下端縁
に相対応してそれぞれ点光源を配置することによ
り、同時的に上下の“かげ”のデータを採ること
ができるので、計測時間をほぼ1/2に短縮するこ
とが可能となる。また、下方のTV用カメラ３の
光軸と“かげ”の平面との交叉角を変えること
も、像の形状如何によつては利点があるものであ
る。

これ等の演算はまた、同様の汎用のマイクロコ
ンピユータにより容易に計算することができる。

敢えて付言するに、本発明の技術的範囲におい
て、点光源と遮光板の端縁により生じる“かげ”
をその像の全周に亘つて撮像するために、適宜の
数の２次元撮像装置を用いることも包含している
ことは勿論である。

また、２次元撮像装置の感度は“かげ”を認識
して、これを明部と弁別できるという機能が得ら
れる程度のものでよく、他方、点光源もこのよう
な程度の光度を有するものであればよい。更に上
述のＸ−Ｙ軸系平面における値については、相似
の物体を形成する場合には、２次元撮像装置の倍
率ないし測定データーを所定の定数で処理するこ
とにより、任意の大きさの物体を形成できるよう
になすことも、本発明の原理に照らして自明なこ
とである。

〔発明の効果〕

以上の説明を通じて明らかとなつたように、本
発明の方法及び装置によれば、その技術的課題の
すべてがきわめて有効に解決されて、次のごとく
特有の顕著な効果がもたらされる。

(イ) 外観的形状が単純な対象物体の場合は勿論の
こと、この形状が比較的に複雑である対象物体
であつても、また対象物体それ自体が様々の材
質から成るものであつても、本発明の方法・装
置を適用することにより、容易かつ迅速に、し
かも高い精度でもつて、その複製立体像が得ら
れる。

(ロ) 本発明では、光源としては通常の点光源を利
用すればよいので、所定の微小厚みのスリツト
光を得るのに必要な、特段の光学系を省略で
き、光源を含む関係部分の構成が簡素となる。

(ハ) 本発明では、対象物体表面上に遮光体の端縁
の“かげ”を順次一定ピツチで投影し、この
“かげ”を撮影して断面形状データを得るが、
“かげ”と明部との境界は画然としているため、
２次元撮像手段によつてそれを識別することは
容易であるので、かくして得られる対象物体の
断面形状データにもとづく複製立体像には、き
わめて高い精度を期待することができる。

(ニ) 本発明においては、対象物体の基準Ｘ−Ｙ平
面に対し２次元撮像手段の光軸がなす角度は、
その一計測プロセス全体を通じて一定であり、
しかも、この２次元撮像手段は点光源ならびに
遮光体と相互に所定の幾何学的（つまり、空間
的）関係をもつように一体的に結合され、単一
の支持台に支持されており、その計測プロセス
を通じてそのままの状態でこれらを一体的に所
定の微小ピツチで移動させればよいのであるか
ら、主要構成要素の位置決めや、それらの設置
ないし支持のための構成が簡単であるのみなら
ず、移動機構それ自体ならびにその移動のため
の制御回路もまた、簡易なもので済むことにな
る。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図及び第１ｂ図は、立体像形成方法及び
装置に関する本発明の着想を具現した第１の実施
例装置の構成を示す図面で、第１ａ図は該装置の
平面図、第１ｂ図はその側面図である。第２ａ図
及び第２ｂ図は、本発明の基本原理を説明するた
めの図面で、それぞれ上記第１ａ図と第１ｂ図に
対応しており、両図面によつて第１の実施例にお
ける対象物体の“かげ”の計測を明らかにするも
のである。第３図は、本発明の上記実施例におい
て２次元撮像装置として用いるTV用カメラの表
示スクリーン上に現出した明部及び“かげ”の映
像を走査線とともに、概念的に例示した図面であ
る。第４図は、同じく上記実施例装置において、
TV用カメラからの出力信号の波形図の一例を示
す図面である。第５図は、上記実施例装置におい
て、TV用カメラからの出力信号を処理するため
の制御回路を示すブロツク図である。第６ａ図及
び第６ｂ図は、本発明の方法と装置の着想を具現
した第２の実施例装置の構成を示す図面で、それ
ぞれ該実施例装置の平面図及び側面図である。ま
た、第７図は上記第５図におけるマイクロコンピ
ユータ内の演算処理プロセスを示すフローチヤー
トである。図中の参照番号の説明、１……支持台、２……
点光源、３……２次元撮像装置（例えば、TV用
カメラ）、４……対象物体、５……ボールネジ軸、
６……ボールナツト、７……案内柱、１１……遮
光板。

Claims

【特許請求の範囲】１上端縁もしくは下端縁の少なくとも一方が平
坦な平面を形成する板状遮光体であつて、対象物
体を据える測定位置に対向して垂直に配設された
板状遮光体と、該板状遮光体の平坦平面を形成する端縁を含む
平面上、該端縁に関し該測定位置の反対側に、該
遮光体の外側から所定の間隔をへだてた位置に配
設され、光を該測定位置に向けて照射する点光源
と、前記端縁を含む平面に対して一定の角度で交叉
する光軸を有し、該遮光体ならびに該点光源と所
定の関係を有するように位置決めされた２次元撮
像手段と、該２次元撮像手段と前記遮光体と前記点光源を
固定した支持台と、該支持台を垂直方向に一定の微小ピツチΔhづ
つ移動できる案内装置と、前記２次元撮像手段で撮像された「かげ」の形
状を表わす映像から前記対象物体の断面の形状を
計測して該断面の形状に関するデータを求めるデ
ータ処理装置とを備える対象物体の立体形状を計測する装置であ
つて、当該対象物体を測定位置に据え、前記案内装置により前記支持台を一定の微小ピ
ツチΔhで順次に一方向に移動させ、移動する度
に、前記点光源により光を照射して該遮光体の「か
げ」を前記対象物体の表面上に投影して、前記２次元撮像手段により前記「かげ」の形状
を撮像し、前記データ処理装置により、前記撮像された映
像から前記の対象物体の一断面の形状を計測して
該断面の形状に関するデータを求める手順を実施
する、対象物体の立体形状を計測する装置。２対象物体の外周を板状遮光体で包囲し、前記
遮光体の端縁を含む水平面上の点光源からの光で
該遮光体ならびに前記対象物体を照射して、前記
対象物体の表面上に前記遮光体の「かげ」を投影
するとともに、前記水平面に対して一定の角度で
交叉する光軸を有する２次元撮像手段により、前
記対象物体表面上の「かげ」の形状を撮像し、こ
の撮像された「かげ」の形状を表わす映像から前
記の対象物体の一断面の形状を計測して該断面の
形状に関するデータを求め、次いで、遮光体と点
光源を一定の微小ピツチΔhで順次に移動させな
がら対象物体における前記の一断面と隣接する断
面に対しても順次に前述と同様の手順による計測
を繰り返して実行し、かくして前記対象物体の各
断面に対する計測により得られた断面形状データ
を用いて、前記遮光体の１回の微小移動ピツチ
Δhと同一の厚み、もしくは、それと所定の関係
を有する厚みの薄板材料から前記対象物体の各断
面に対応した同形の型板をそれぞれ作成し、これ
らの型板を、前述の手順でそれぞれ実行された各
計測の順序にしたがつて順次に積層すること、を
特徴とする前記対象物体と同形の立体像を形成す
る方法。３対象物体の外周を包囲する板状遮光体の端縁
を含む水平面上の点光源からの光照射により、前
記対象物体の表面上に前記遮光体の「かげ」を投
影するとともに、前記水平面に対して一定の角度
で交叉する光軸を有する２次元撮像装置により、
前記対象物体表面上の「かげ」の形状を撮像し、
この撮像された「かげ」の形状を表わす映像から
前記の対象物体の一断面の形状を計測して該断面
の形状に関するデータを求め、次いで、遮光体と
点光源を一定の微小ピツチΔhで順次に移動させ
ながら対象物体における前記の一断面と隣接する
断面に対しても順次に上述と同様の手順による計
測を繰り返して実行し、かくして前記対象物体の
各断面に対する計測により得られた断面形状デー
タを用いて、前記の微小移動ピツチΔhと同一の
厚み、もしくは、それと所定の関係を有する厚み
の薄板材料から前記対象物体の各断面に対応した
同形の型板をそれぞれ作成し、これらの型板を、
前述と同様の手順でそれぞれ実行された各計測の
順序にしたがつて順次に積層することによつて、
前記対象物体と同形の立体像を形成する装置であ
つて：前記板状遮光体は、前記対象物体と前記点光源
との間に少くともその一部が介在するごとく該対
象物体の外周を包囲して垂直に配設され、かつ、
その上方もしくは下方の端縁の少くとも一方は平
坦な平面を形成していること、前記点光源は、前記遮光体の端縁と同一平面上
にあり、かつ、該遮光体の外側から所定の間隔を
へだててそれと一体的に支持台上に取り付けられ
ていること、前記２次元撮像装置は、前記点光源からの光照
射により前記対象物体の表面上に生じた前記遮光
体の「かげ」の形状を撮像するために、該遮光体
ならびに該点光源と所定の関係を有するように位
置決めして前記支持台上に取り付けてあること、前記２次元撮像装置により撮像された「かげ」
の形状を計測し、該計測によつて得られた断面形
状データを処理する処理装置を有すること、前記点光源および遮光体が一体的に取り付けら
れている前記支持台を、垂直方向に前記の一定の
微小ピツチΔhづつ移動させるための案内装置を
備えていること、を特徴とする対象物体と同形の立体像を形成する
装置。