JPH04110707A - 三次元形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は被測定物体の三次元形状を非接触で光学的に計
測する三次元形状計測装置に関する。

［従来の技術］ 被測定物体へ計測光を照射し、被測定物体の表面で反射
した計測光を捕えて被測定物体の形状を計測する非接触
式の形状計測装置が知られており、各方面の分野におい
てその応用が期待されている。

第６図には、上述した被測定物体の形状を光学的に計測
する形状計測装置の原理が示されている。

なお、ここでは、簡単のため、二次元形状計測について
説明する。

第６図において、レーザ光源などの測定光照射手段Ｐか
らＸ軸に対して所定角度θａで照射された測定光１００
は、被測定物体Ｑの計測点Ｒて散乱され、その散乱光の
うち特定角度の反射測定光１１０は、測定原点０に角度
θｂて到達する。

従って、第６図に示す幾何学的な構図からも理解される
ように、計測点Ｒの座標は、点Ｏと点Ｐとの間の距離を
Ｌとし、この距離りと、測定光の照射角度θａ及び反射
測定光の入射角度θｂと、を用いて解析することが可能
である。

そして、上記反射測定光１１０の入射角度θｂを求める
ために、計測原点Ｏに対して被測定物体Ｑと反対側に受
光素子がマトリックス配置された例えばＣＣＤなどの撮
像素子を設けることにより、その反射測定光１１０の受
光位置Ｓから前記角度θｂを求めることができる。

すなわち、撮像素子１０の中心Ｃから受光点Ｓまでの距
離をＸとし、また、撮像素子１０の中心Ｃと計測原点Ｏ
との距離をｙとすると、このＸ及びｙから三角関数を用
いて前記角度θｂを算出することが可能であり、さらに
計測点Ｒの座標を求めることか可能である。

なお、実際の形状計測装置では、計測原点０の位置に光
集束レンズを設け、その光集束レンズで反射測定光１１
０を集束させて、撮像素子１０へ投影させているが、こ
の場合においても、上述同様に、撮像素子１０における
受光位置Ｓから計測点Ｒの座標を求めることが可能であ
る。

ここで、第６図には、被測定物体Ｑの二次元形状を計測
する原理を示したが、このことは三次元形状計測におい
ても同様である。つまり、測定光１００をＺ方向に偏向
走査することにより、あるいは２方向に広がりを有する
スリット光を用いることにより、被測定物体Ｑの三次元
形状を計測することが可能である。

以上のような原理を用いた従来の形状計測装置において
は、撮像素子１０が例えばＣＣＤなどで構成されている
ため、受光点Ｓの位置を求めるために全受光素子のスキ
ャニングが必要とされ、このような走査時間に依存して
形状計測を高速で行うことができず、例えば運動する物
体などの形状計測を行えないという課題があった。そこ
で、特開昭６２−２２８１０６号公報で被測定物体の形
状を高速に計測することのできる形状計測装置か提案さ
れている。

第５図には、その形状計測装置の構成の概念が示されて
いる。

第５図において、測定光（スリット光）１００の照射角
度（偏向角度）θは、θ信号発生器１２にて検出され、
さらにそのθ信号発生器１２からθ信号が出力されてい
る。

一方、被測定物体Ｑにて反射された反射測定光（反射ス
リット光）１１０は、撮像装置１４に入射され、撮像装
置１４に設けられた二次元配列型フォトセンサ部１６に
到達する。

この二次元配列型フォトセンサ部１６は、それ・それ独
立したフォトセンサを二次元マトリクス状に配置したも
のであり、各フォトセンサからは独立したトリガ信号か
出力される。

そして、その各トリガ信号は、θ情報記憶部１８を構成
する各記憶素子にそれぞれ対応して送出されており、各
記憶素子では、トリガ信号の入力にて前記θ情報を格納
する。

従って、測定光を照射角度毎に切断して照射を行うこと
なく、連続的に偏向走査しながら照射し、同時に、受光
点Ｓに照射角度θを対応させて被測定物体Ｑの三次元形
状情報を取り込むこと力呵能である。

そして、このようにθ情報記憶部１８の各記憶素子に格
納されたθ情報は、それぞれ読み出されて、三次元形状
解析回路にて、その各記憶素子のアドレスと、そのθ情
報と、から被測定物体釦こおける計測ラインＲの各点の
座標（ｘ、ｙ、ｚ＞が求められる。

なお、光切断を行うことなく高速に三次元形状計測を行
うことができる装置としては、この他（こ、例えば特願
平２−４６９４６及び特願平２−４６９４７で提案され
た装置が挙げられる。

［発明か解決しようとする課題］ ところで、上記従来の形状計測装置を用０て被測定物体
の形状・を計測する場合においては、被測定物体の形状
により測定光が照射されず形状計測を行えない、いわゆ
る死角領域か生じると（１つ問題かある。

そこで、このような死角領域を排除するため１こ、従来
においては、以下の２つの方法か採られている。

第１の方法は、被測定物体に対しである角度から形状計
測を行った後に、別の角度から形状計測を行う方法、あ
るいは、形状計測装置を固定して被測定物体自体を回転
させて形状計測を行う方法である。そして、このような
計測により得られた相対角度の異なる２つの情報を合成
して、死角領域をカバーしている。

また、第２の方法は、前述した特願昭６２−２２８１０
６号公報に記載された方法であり、この方法では、被ｐ
］定物体からの反射測定光を受光する撮像装置を間に介
して所定路離隔てた位置に測定光の光源を２つ配置し、
一方の光源を用いて形状計測を行った後に、他方の光源
を用いて形状計測を行う方法である。そして、この場合
においても、得られた２つの形状情報を合成して死角領
域を排除している。

しかしながら、上記第１の方法及び第２の方法では、い
ずれも形状計測を２回以上行う必要かあり、このような
ことから、高速に形状計測を行えないという問題があっ
た。

特に、運動する被測定物体の形状計測を行う場合には、
上記２つの方法では、得られる２つの形状情報に被測定
物体の運動に係る位置ずれか生じ、精度の良い形状計測
を行えないという課題があった。

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、
その目的は、波長の異なる複数の測定光を用いて、死角
領域を排除すると共に高速に形状計測を行うことのでき
る三次元形状計測装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、互いに異なる波
長をもった複数の測定光を互いに異なる位置から被測定
物体に向けて偏向走査しなから同時に照射する複測定光
照射手段と、前記複数の測定光毎に設けられ、測定光の
偏向角度を検出して偏向角度情報を出力する偏向角度情
報出力手段と、被測定物体の表面にて反射された前記複
数の測定光を同時に受け入れてそれぞれ波長毎に分ける
光選別手段と、前記波長毎に分けられた測定光毎に設け
られ、分けられた測定光を受光してその測定光の前記偏
向角度情報を受光位置に対応付けて格納する複数の形状
データ取り込み手段と、前記複数の形状データ取込み手
段からそれぞれ前記格納された偏向角度情報を受光位置
情報と共に読み出して、被測定物体の三次元形状を合成
解析する形状合成解析手段と、を有することを特徴とす
る。

［作用コ 上記構成によれば、複測定光照射手段により互いに異な
る波長をもった複数の測定光が被測定物体に照射され、
被測定物体の表面にて反射された複数のｐ１定光は、光
選別手段にてそれぞれ波長毎に分けられた後に、複数の
形状データ取込み手段に到達する。

ここで、形状データ取込み手段は、測定光の受光と共に
その測定光の偏向角度情報を受光位置に対応付けて格納
するため、ａｌｌｌｌ定態射を連続的に行っても十分追
従することか可能となり、高速な形状データの取込みが
行なえる。

そして、複数の形状データ取込み手段（こて取り込まれ
た形状データ、すなわち偏向角度情報及び受光位置情報
は、互いに読み出され上玉次元形状が解析される。

従って、測定光は互いに異なる位置から被ＩＩ定物体に
向けて照射されるため、死角領域を排除あるいは軽減す
ることができ、また、複数のＷ＋定光は互いに異なる波
長を有しており、それそ゛れ波長毎に光選別を行えるの
で、複数の異なる位置力・らの同時照射を行うことが可
能であり、このようなことから、例えば運動する物体な
と゛を高速（こ三次元形状解析することか可能となる。

［実施例］ 以下、本発明の好適な実施例を図面に基づ（Ａで説明す
る。第１図には、本発明１こ係る三次元■ニ状計測装置
の構成か示されている。

第１図において、この実施例の三次元ＪＩニ状計Ｍ１装
置は、被測定物体Ｑからの反射測定光を受光する撮像装
置３０と、この撮像装置３０を間１こ介して所定距離隔
てて配置された２つの測定光照射装置３２及び３４と、
これら測定光照射装置３２及び３４毎に設けられ測定光
の偏向角度情報を出力する偏向角度情報発生器３６及び
３８と、前記撮像装置３０からの三次元形状データを入
力して被測定物体Ｑの三次元形状を解析する三次元形状
合成解析回路３９とから構成されている。

まず、以下に測定光照射装置３２の構成について説明す
る。なお、測定光照射装置３４は、測定光照射装置３２
と同一の構成を有するため、その具体的な説明について
は省略する。

測定光照射装置３２は、波長λ１のレーザ光を発生する
レーザ光源４０と、このレーザ光源４０からのレーザビ
ームをスリット光に形成するスリット光形成レンズ４２
と、このスリット光形成レンズ４２から出射されたスリ
ット光を反射させて偏向走査を行う光偏向手段であるポ
リゴンミラー４４とから構成されている。

ここで、ポリゴンミラー４４は、一定角速度ωで常時回
転し、スリット光２０１を被測定物体Ｑへ偏向走査しな
がら照射することが可能である。

一方、測定光照射装置３４は、上記同様に、レーザ光源
４６と、スリット光形成レンズ４８と、光偏向手段であ
るポリゴンミラー５０と、から構成されている。ただし
、この測定光照射装置３４においては、レーザ光源４６
にて、前記スリット光２０１と異なる波長、すなわち波
長λ２のレーザ光が発生されており、被測定物体Ｑに対
して、前記スリット光２０１と異なる波長のスリット光
２０２が偏向照射される。

前記撮像装置３０は、被測定物体Ｑにて反射された２つ
のスリット光２１１及び２１２を受光し、その受光位置
に基づいて被測定物体Ｑの三次元形状情報を取り込むも
のである。

すなわち、この撮像装置３０は、装置前面に設けられた
入射レンズ５２から導かれた入射光を光の波長に基づい
て光選別する光選別手段である光フィルタ５４と、この
光フィルタ５４にて波長毎に分けられた入射光をそれぞ
れ波長毎に受光する二次元配列フォトセンサ部５６と、
この二次元配列フォトセンサ部５６の各フォトセンサに
対応して設けられた複数の記憶素子からなる偏向角度情
報記憶部５８を有している。

そして、この偏向角度情報記憶部５８は、波長λ　の測
定光による形状計測用のθ１情報記憶部■ ６０と、波長λ２の測定光による形状計測用のθ２２情
報記憶６２と、から構成されている。

そして、それぞれの記憶部には、前記偏向角度情報発生
器３６又は３８から所定の偏向角度信号θ　又はθ２が
供給されている。

■ ここで、偏向角度情報発生器３６及び３８は、ポリゴン
ミラ−４４，４５の近傍に配置された初期角度検出用の
フォトダイオードからの光検出信号を人力して、この光
検出信号に基づいて各スリット光の偏向角度θ　及びθ
２の情報を出力している。

なお、この実施例における光フィルタ５４は、波長λ　
の光を通す部分と波長λ２の光を通す部分とを二次元マ
トリクス状に配列して形成したちのである。そして、こ
のマトリクス配列に合わせて二次元配列フォトセンサ部
５６の各フォトセンサが配置されている。

次に、撮像装置３０における光選別手段（光フィルタ５
４）の他の実施例について説明する。

第２図には、光選別手段の第２実施例が示されている。

第２図において、この実施例では、光選別手段は、波長
λ１の光のみを透過させる光フィルタ６４と、この光フ
ィルタ６４の光透過側に配置された波長λ２の光のみを
透過する光フィルタ６６とから構成され、さらに光フィ
ルタ６６の光透過側には、第１図で示した二次元配列フ
ォトセンサ部５６に光フィルタを透過した透過光を導く
ため、複数マトリクス状に束ねられた光フアイバケーブ
ル６８が配置されている。

前記光フィルタ６４には、縦方向及び横方向に１つおき
に形成された複数の光学的穴である光通過孔６４ａが形
成されており、一方、光フィルタ６６には、前記光フィ
ルタ６４の光通過孔６４ａと互い違いになるように光通
過孔６６ａが複数形成されている。

そして、前記複数の光フアイバケーブル６８は、その各
光フアイバケーブルの端面が前記光透過孔６４ａ及び６
６ａに光入射方向から見て一致するように配置されてい
る。

従って、入射される波長λｌのスリット光２１１は、光
フィルタ６４では何ら影響を受けずに、光フィルタ６６
の光透過孔６６ａ以外の部分で阻止されることになる。

そして、光フィルタ６６の光透過光６６ａを通過したス
リット光２１１は、光フアイバケーブル６８に到達する
。また、波長λ２のスリット光２１２は、光フィルタ６
４の光透過孔６４ａ以外の部分で阻止され、光透過孔６
４ａを通過したスリット光２１２は光フィルタ６６に妨
げられずに光フアイバケーブル６８に到達することにな
る。

このように、互いに異なる波長領域を透過させる光フィ
ルタを配置することにより、入射される入射光のうち特
定波長のλ　及びλ２の光のみを選別して透過させるこ
とか可能である。

この実施例の光選別方法では、入射される光の光量をほ
ぼ維持しつつ有効に受光することができるので、後述す
る他の実施例の比べ高感度計測を行えるという利点を有
する。

なお、第２図には、光フィルタ６４及び６６の光透過側
に光フアイバケーブル６８を配置したか、第１図で示し
た二次元配列フォトセンサ部５６を配置しても全く同一
の作用を得ることが可能である。この実施例では、光フ
アイバケーブル６８を用いたことにより、撮像装置３０
における二次元配列フォトセンサ部５６のその配置位置
をスリット光の光学経路にかかわらず選択できるという
利点を有する。

第３図には、光選別手段の第３実施例か示されている。

この実施例では、入射される入射光は、光分岐用のプリ
ズム７０にて二系統に分岐された後、それぞれ光フィル
タ７２及び７４に到達している。

ここで、光フィルタ７２は、上記光フイルタ６４同様に
、波長λ１の光のみを透過させるものである。また、光
フィルタ７４は、上記光フィルタ６６と同様に、波長λ
２の光のみを透過させるものである。

なお、この実施例においては、光フィルタ７２及び７４
の後方に、それぞれ光フアイバケーブル７６及び７８の
その端面部分が配置され、各光フィルタを通過した光を
二次元配列ホトセンサ部５６へ導くことが可能である。

従って、以上の構成によれば、入射レンズ５２を透過し
たスリット光２１１及び２１２は、両者共にプリズム７
０にて二系統に分岐され、分岐された一方の分岐光は、
光フィルタ７２に到達し、二こて波長λｌの光のみか透
過されることになる。

一方、分岐された他方の分岐光は、前述同様に、光フィ
ルタ７４にて、波長λ２の光のみが透過され、光フアイ
バケーブル７８に到達する。

以上のように、この第３実施例では、反射される測定光
を二系統に分岐した後に、光フィルタを透過させて受光
するので、光量が半減する反面、第２図の実施例に比べ
て、光ファイバもしくはフォトセンサを波長に応じて交
互に配置形成する手間か省けるという利点を有する。

第４図には、光選別手段の第４実施例か示されている。

この実施例では、第３実施例で示したプリズム７０かハ
ーフミラ−などから構成されるビームスプリッタ８０に
置換されている。

そして、ビームスプリッタ８０の光反射側である側方に
は波長λｌを透過させる光フィルタ８２が配置され、一
方、ビームスプリッタ８０の光透過側である後方には波
長λ２の光のみを透過させる光フィルタ８４が配置され
ている。なお、この実施例でも、各フィルタ８２及び８
４の光透過側には、光フアイバケーブル８６及び８８か
配置されている。

この第４実施例においても、第３実施例同様に、入射レ
ンズ５２を透過した光を二系統に分岐させて、光ファイ
バもしくはフォトセンサを波長に応じて交互に配置形成
する手間か省けるという利点を有する。

なお、以上の各実施例においては、二次元配列フォトセ
ンサ部５６の前方に光フイルタ部材を配置し、光の波長
に基づく光選別を行ったが、二次元配列フォトセンサ部
５６の各ホトセンサ自体を特定波長のみに感応する構造
にしても良く、上述同様の作用を得ることができる。

次に、再び第１図を用いて、本実施例の動作について説
明する。

ます、２つの測定光照射部３２及び３４がら、同時に被
測定物体Ｑに向けて、スリット光２０１及び２０２か照
射される。ここで、その照射角度θは、それぞれ偏向角
度情報発生器３６及び３８にて検出され、検出された偏
向角度を示すθ１信号及びθ２信号か出力されている。

被測定物体Ｑに照射されたスリット光２０１及び２０２
は、それぞれほぼ同時に被測定物体Ｑの表面で散乱反射
され、そのうちの特定角度の反射光２１１及び２１２か
撮像装置３０の入射レンズ５２に入射される。

撮像装置３０に入射されたスリット光２１１及び２１２
は、上述した光選別手段（第１図では光フィルタ５４）
にて各波長毎に選択透過され、その光選別手段の後方に
配置された二次元配列フォトセンサ部５６に到達する。

この二次元配列フォトセンサ部５６は、上述したように
、光選別手段のその光透過部に対応して複数のフォトセ
ンサを二次元マトリックス状に配置したものであり、各
フォトセンサからは、受光によるトリガ信号がそれぞれ
独立して出力されるものである。

そして、光受光によるトリガ信号は、その受光したフォ
トセンサに対応して、偏向角度情報記憶部の各記憶素子
に出力されている。

ここで、偏向角度情報記憶部５８の０１情報記憶部６０
には、前記偏向角度情報発生器３６からθ１情報か各記
憶素子に対して並列的に供給されており、また、θ２２
情報記憶６２には、前記偏向角度情報発生器３８から０
２情報か各記憶素子に対して並列的に供給されている。

従って、二次元配列フォトセンサ部５６における各フォ
トセンサからのトリガ信号は、偏向角度情報記憶部５８
における対応記憶素子に入力され、この入力と共にその
記憶素子に偏向角度情報（θ　またはθ２）が記憶され
ることになる。

従って、スリット光２０１及び２０２を連続的に偏向操
作することにより、二次元配列ホトセンサ部５６ては、
受光したフォトセンサが順次トリガ信号を発生し、この
トリガ信号を受けて、偏向角度情報記憶部６２の各記憶
素子か順次偏向角度情報を記憶することになる。

既に述べたように、このような受光位置に対応付けて偏
向角度情報を格納することにより、実時間での被測定物
体Ｑの三次元形状情報の取込みか可能である。

そして、偏向角度情報記憶部５８の０１情報記憶部６０
及びθ２２情報記憶６２に格納された各偏向角度情報θ
　、θ２は、それぞれその格納位置（アドレスンに対応
させて読み出され、三次元形状合成解析回路３９にて、
被測定物体Ｑの三次元形状か解析されることになる。

ここで、θ１情報記憶部６ｏがらの三次元形状情報と、
θ２２情報記憶６２がらの二次元形状情報が合成される
ことになるので、上述した被測定物体Ｑにおける死角領
域を排除あるいは軽減てきる。

なお、三次元形状合成解析回路３９において、θ１情報
記憶部６ｏからの三次元形状情報と、θ２２情報記憶６
２がらの三次元形状情報とが不一致の部分には、例えば
平均や補間などを行い、補正処理を行う。

以上の説明においては、被測定物体Ｑの三次元形状計測
を２つの測定光により行ったが、当然これには限られず
、例えば３つあるいはそれ以上の測定光を互いに異なる
波長で互いに異なる位置から照射し、彼βｊ定物体Ｑか
らの反射測定光をそれぞれ波長毎に光選別して形状デー
タを取り込んでも良い。

この場合には、より一層死角領域を排除あるいは軽減で
きると共に、上述同様の迅速な三次元形状計測を行える
という効果を有する。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明に係る三次元形状計測装置
によれば、互いに異なる波長をもった複数の測定光を同
時に用いて、被測定物体の三次元形状データ取込みを行
うことができるので、被７ｆｌｌｊ定物体における死角
領域を排除あるいは軽減できると共に、高速な三次元形
状計測を行えるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る三次元形状計測装置の構成を示す
概念図、 第２図乃至第４図は光選別手段の実施例を示す説明図、 第５図は従来の三次元形状計測装置の概念を示す概念図
、 第６図は形状計量原理を示す原理説明図である。 ３０　・・・　撮像装置 ３２３４　・・・　測定光照射装置 ３６３８　・・・　偏向角度情報発生器３９　・・・　
三次元形状合成解析回路５４　　・・・ ５６　　・・・ ５８　　・・・ ６０　　・・・ ６２　　・・・ ２０１゜ ２０２゜ 光フィルタ（光選別手段） 二次元配列フォトセンサ部 偏向角度情報記憶部 θ１情報記憶部 θ２２情報記憶 ２１１　・・・　波長λ１のスリット光２１２　・・・
　波長λ２のスリット光被測定物体 出願人　株式会社　キャデイツクス

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　互いに異なる波長をもった複数の測定光を互いに異な
   る位置から被測定物体に向けて偏向走査しながら同時に
   照射する複測定光照射手段と、前記複数の測定光毎に設
   けられ、測定光の偏向角度を検出して偏向角度情報を出
   力する偏向角度情報出力手段と、 被測定物体の表面にて反射された前記複数の測定光を同
   時に受け入れてそれぞれ波長毎に分ける光選別手段と、
   前記波長毎に分けられた測定光毎に設けられ、分けられ
   た測定光を受光してその測定光の前記偏向角度情報を受
   光位置に対応付けて格納する複数の形状データ取り込み
   手段と、前記複数の形状データ取込み手段からそれぞれ
   前記格納された偏向角度情報を受光位置情報と共に読み
   出して、被測定物体の三次元形状を合成解析する形状合
   成解析手段と、を有することを特徴とする三次元形状計
   測装置。