JPH0498111A - ３次元形状測定装置 - 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、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１０〜１００．ｍｎである小じわまで検出しその形状
を測定するためには１０廂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−ｉ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、
痰、　　（３）、　ｐｐ４２２−４２６に記載されてお
り、上記の光切断法のスリンＩ・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。ご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。

測定値の精度は光切断法と同様に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、測定時間がかかりずぎる点で、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、互５．　（１０）
ｐ１８１７〜１８２２．１９８９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だめの手段がなく、■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、
可視光を発生ずる光源と、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ツ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ｌ］」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次元形状側定植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０．１　ｍｍ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、プロジェククレンズ２で集光
されて測定対象」二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写真製版により形成
したものである。ＣＯＤカメラ４はこの測定対象上に結
像された格子バ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１
５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１１プロジエ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、がつ十字の横線が水
平になるように置く。この基準面３２上の十字の交点が
３次元形状測定の基準点となる。次に、コンピュータ１
６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がして基
準面３２上の格子パターン（図示せず）を明瞭にし、が
っ、格子が十字パターン３ｏ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３
２上の十字パターン３ｏを撮影し、その画像３０′をコ
ンピュータ１６のデイスプレィ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
１デイスプレィ上の十字パターン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、つまみ１０　、１１１２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Ｃ
ＣＤ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フ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１７４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１７４
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
）、ρ１８１７〜１８２２．１９８９に記載された手法
に従って、人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。ごの手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次元子面上の各点（ｘ　、　ｙ）に
おける変調骨すなわち位相量αは により２次元子面上の各点（ｘ、ｙ）における強度Ｉ。

＋　　Ｉｌ＋　　Ｔ２＋　　１３から算出される。ただ
し、１０〜Ｉ３は投影する縞の位相を９０°ずっずらし
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カメラで撮像し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−ｙｃｏｓφ）　　　　　（３）Ｚ＝ａ
＋ｓ　（−ｄ＋ｙｓｉｎφ）　　　　　（４）ｓ＝（−
ｂｃｏｓθ）　／　ｕ　　　　　　　　　（５）θ−ｔ
ａｎ−’　（ｐα／ａ）　　　　　　　　　（６）ｕ−
（−ｃ−ｙｃｏｓφ）　ｃｏｓθ ＋（−ｄ　＋　ｙｓｉｎφ）　ｓｉｎθ　　　（７）φ
−ｊａｎ”’　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（８）ｃ＝ａｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　（９）ｄ　＝　ｂ　ｍ　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　（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ｌ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ブロック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〕

以上性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、 ■・・・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。 （１Ｒ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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３次元形状測定装置。