JPH0629709B2

JPH0629709B2 - ３次元曲面形状の測定方法及び装置

Info

Publication number: JPH0629709B2
Application number: JP63076389A
Authority: JP
Inventors: 満昭上杉; 雅一猪股; 勇小峯
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1994-04-20
Anticipated expiration: 2009-04-20
Also published as: JPH01250705A; KR890014991A; KR920010547B1

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、３次元曲面の形状を非接触で測定する方法
及び装置に関するものである。

［従来の技術］３次元曲面形状の計測は、３次元ＣＡＤ入力、ロボット
ビジョン、或いは医用乃至服飾デザイン用人体形状計測
等、広い分野への応用が考えられることから、従来より
様々な手法が提案されてきている。

中でも光切断法として一般に知られる方法は、例えば
「画像処理ハンドブック（株式会社昭晃堂）」の第398,
399頁にも記載されているが、第２図に示すように被測
定物(51)に対して、スリット光源(52)からのスリット光
(53)を照射した時に物体表面に形成される光ビームパタ
ンが、これを照射方向と異なる方向から観察した時、被
測定物体(51)のスリット光照射位置での断面形状に対応
するという現象に着目した方式であり、その簡便性、非
接触性及び定量性故に従来より広く用いられている方法
である。

この光切断法を用いて３次元曲面の形状を測定するにあ
たっては、第２図においてスリット光(53)を矢印(54)の
方向に移動させながら、光ビームパタンをテレビカメラ
(55)で観察し、得られたビデオ信号を処理することによ
って、時々刻々画面内の光切断線（光ビームパタンの
形）を抽出し(56)、これを再構成することにより(57)、
曲面形状を構築する。

光学系の構成としては、光源としてスリット光源(52)の
替りに光スポットスキャナを用い、撮像系として、テレ
ビカメラ(55)の代わりに例えばＰＳＤ(Position Sensit
ive Detector)センサとして知られているような高速の
光スポット位置検出装置を用いる方法もあるが、基本原
理としては、第２図のものと同一である。

［発明が解決しようとする課題］前述の光切断法は種々の利点を有している方法ではある
が、被測定物上の各点を検出し特定するためには、各画
面毎に画面内の光切断線を抽出するプロセスが不可欠で
あり、これに起因して以下に示すように測定精度の上
で、或いは信頼性の上での問題点が生じている。

(1)被測定対象の形状による測定精度及び空間分解能の
劣化；光切断法においては第３図（ａ）に示すようにスリット
光(53)の光軸に対して、被測定物(51)の面が直角に近い
角度の斜面である場合には、物体表面での光ビームパタ
ンの幅Ｗが狭いため、精度の高い測定が可能である。し
かしながら、第３図（ｂ）に示すように被測定物の面が
スリット光(53)の光軸に平行に近い角度の斜面になる
と、物体表面での光ビームパタンの幅ｗが拡がり、光切
断線抽出時の位置の不確定性が増し、精度が劣化すると
共に、スリット光源(53)を移動した時の物体表面上での
光ビームパタンの移動量が大きくなり、これによって空
間的な測定の分解能も同時に劣化する。

(2)被測定対象の表面反射率による測定信頼性の低下；光切断法においては、画面内の光切断線の抽出するプロ
セスにおいて、光ビームパタンが周囲よりも十分明るい
ことが前提となっているために、例えば物体表面に、反
射率の大きなムラがあったり、また、物体表面の斜面角
度がスリット光の光軸に近く、反射光強度が低い場合に
は、光切断線抽出時に往々にして断点を生じたり、或い
は、全く別の点を光切断線と誤検出するケースが起き
る。このような現象は測定時に、スリット光以外の背景
光が存在する場合にも生じ、いずれも測定の信頼性の低
下や適用対象測定環境に対する制約となっている。

このように光切断法には、光切断線抽出プロセスに起因
して生じる測定上のいくつかの問題のために、被測定対
象の形状、表面性状或いは測定環境など適用上の制約が
多く、その簡便性、非接触性、定量性等の優位性の割に
は、その用途が限定されており、これまで汎用の３次元
曲面形状計測装置としてアセンブルされて広く実用化さ
れる迄には至っていなかった。

この発明は、光切断法の有する前述の問題点を解消する
ためになされたものであり、光切断法と同様の光学系を
用いながらも、スリット光を媒体として被測定対象表面
にスリット光源位置をコーディングするという新しい方
式を導入することにより、光切断線抽出プロセスを全く
必要としない新たな測定原理に基づいた３次元曲面形状
の測定方法及び装置を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］この発明に係る３次元曲面形状の測定方法（請求項１）
は、被測定対象物表面に測定基準面と直交しない角度θ
をなす方向から投光した線状のスリット光を、被測定対
象表面の全面に亘って直線的に走査する工程と、スリッ
ト光とは異なった角度からテレビカメラによって被測定
対象表面を撮像してビデオ信号を生成する工程と、スリ
ット光の位置を求める工程と、ビデオ信号の画面内の各
画素の信号を順次取り込んで記憶し、同一画素について
後から入力される信号のレベルと既に記憶されている信
号のレベルとを比較し、後から入力される信号のレベル
の方が高いときにそのレベルによってその画素の記憶内
容を更新する工程と、ビデオ信号の画面内の各画素につ
いて、前記工程において画素の記憶内容が更新されたと
き、その時の前記スリット光の位置に関する情報を取り
込んで記憶することにより、ビデオ信号の画面内の各画
素に対応する被測定対象表面の各位置毎に、その位置を
スリット光が通過した瞬間の前記スリット光の位置に関
する情報をその画素の値とする合成画像を生成する工程
と、合成画像に基づいて被測定対象の３次元曲面形状を
求める工程とを有する。

また、この発明に係る３次元曲面形状の測定装置（請求
項２）は、被測定対象表面に第１の基準面と直交しない
角度θをなす方向から線状のスリット光を投光するスリ
ット投光光手段と、被測定対象表面の全面に亘ってスリ
ット光を直線的に走査するスリット光走査手段と、スリ
ット光の位置を測定するスリット光位置測定手段と、被
測定対象表面を、スリット光投光手段とは異なる方向か
ら撮像してビデオ信号を生成するテレビカメラと、ビデ
オ信号の画面内の各画素の信号を順次取り込んで記憶
し、同一画素について後から入力された信号のレベルと
既に記憶されている信号のレベルトとを比較し、後から
入力される信号のレベルの方が高いときにそのレベルに
よってその画素の記憶内容を更新して、各画素について
の最大レベルを求める最大輝度画像演算手段と、ビデオ
信号の画面内の各画素について、最大輝度画像演算手段
が画素の記憶内容を更新したとき、そのときのスリット
光の位置に関する情報をスリット光位置測定手段から取
り込んで、その画素の値として求めることにより、ビデ
オ信号の画面内の各画素に対応する被測定対象表面の各
位置毎に、その位置をスリット光が通過した瞬間のスリ
ット光の位置に関する情報をその画素の値とする合成画
像を生成する合成画像演算手段と、合成画像に基づいて
被測定対象の３次元曲面形状を求める画像演算手段とを
有する。

また、この発明に係る３次元曲面形状の測定装置におい
て、テレビカメラは基準面に対して垂直な方向から被測
定対象を撮像する（請求項３）。

また、この発明に係る３次元曲面形状の測定装置におい
て、画像演算手段は、被測定対象表面に対してスリット
光を走査した時に合成画像演算手段によって得られる合
成画像ｕ（ｘ，ｙ）と、基準面に対してスリット光を走
査した時に合成画像演算手段によって得られる合成画像
ｕ₀（ｘ，ｙ）とに基づいて、被測定対象表面の３次元
形状ｆ（ｘ，ｙ）を、基準面に対するスリット光投光角
度θを用いてｆ（ｘ，ｙ）＝｛ｕ₀（ｘ，ｙ）−ｕ（ｘ，ｙ）｝tanθ なる式に基づいて求める（請求項４）。

また、この発明に係る３次元曲面形状の測定装置におい
て、画像演算手段は、被測定対象表面に対してスリット
光を走査した時に合成画像演算手段によって得られる合
成画像ｕ（ｘ，ｙ）と基準面に対してスリット光を走査
した時に合成画像演算手段によって得られる合成画像ｕ
₀（ｘ，ｙ）と、更に、基準面と平行でかつ距離ｄ（テ
レビカメラに近づく側を＋、遠ざかる側を−とする）離
れた第２基準面に対してスリット光を走査した時に合成
画像演算手段によって得られる合成画像ｕ₁（ｘ，ｙ）
とを用いて、被測定対象面の３次元形状ｆ（ｘ，ｙ）をなる式に基づいて求める（請求項５）。

また、この発明に係る３次元曲面形状の測定装置におい
て、画像演算手段は、被測定対象表面に対してスリット
光を走査した時に合成画像演算手段によって得られる合
成画像ｕ（ｘ，ｙ）と、仮想的な基準面に対してテレビ
カメラ画面の横軸とスリット光の走査方向とのなす角θ
を用いて計算処理により求めた合成画像ｕ₀（ｘ，ｙ）
とに基づいて、被測定対象表面の３次元形状ｆ（ｘ，
ｙ）を、基準面に対するスリット光投光角度θを用いてｆ（ｘ，ｙ）＝｛ｕ₀（ｘ，ｙ）−ｕ（ｘ，ｙ）｝tanθ なる式に基づいて求める（請求項６）。

［作用］この発明においては、スリット光の線状の反射パタンが
被測定対象物表面上を移動していく状態をテレビカメラ
で撮像し、画面内の各画素毎に、その画素に対応する被
測定対象物表面の位置をスリット光が通過した瞬間のス
リット光源の位置をその画素の値とする合成画像を作成
する。そして、例えば前記の合成画像と、被測定対象物
を取り除いた基準面について同様にして作成された合成
画像とについて、対応する画素の値の差を求めることに
より被測定対象物の３次元曲面形状を測定する。

［実施例］この発明の実施例の説明に先立って、以下この発明の測
定原理を第１図（Ａ）（Ｂ）に基づいて先ず概念的に説
明する。

第１図（Ａ）に示すように、基準面(1)上に置かれた被
測定対象物(2)の表面に斜め上方から紙面に垂直方向に
拡がったスリット光(3a)を投光し、このスリット光(3a)
を紙面横方向に移動させながら、例えば被測定対象(2)
直上よりテレビカメラ(8)で撮像する。この時、テレビ
カメラ(8)に接続されたモニタテレビ(8a)上では、物体
表面でのスリット光の線状の反射パタンが画面横方向に
移動していく様子が観察される。

前述のように、このスリット光(3a)の反射パタンの線形
状は、物体表面の凹凸情報を反映しており、従来の光切
断法においては、反射パタンの線形状を時々刻々抽出
し、これを再構成することにより、被測定対象の３次元
形状を測定していた。

この発明においては、スリット光(3a)の線状の反射パタ
ンが物体表面上を移動していく様子を写すテレビカメラ
(8)から出力されるビデオ信号と、時々刻々のスリット
光源の位置信号とをもとにして、画面内の各画素毎に、
その画素に対応する物体表面の位置をスリット光が通過
した瞬間のスリット光源の位置をその画素の値とする画
像を合成する。

このようにして合成された画像は、その各画素における
値が第１図（Ａ）の一点鎖線で示す面Ａ（以後仮基準面
と呼ぶ）を基準とした物体表面の高さプロフィルを表わ
している。このようにして物体表面の仮基準面Ａを基準
とした高さプロフィルが測定される。

しかしながら、物体の３次元形状計測は一般に第１図
（Ａ）における仮基準面Ａに対するプロフィルではな
く、被測定対象物１が置かれた面位置（第１図（Ａ）の
基準面、以下基準面と呼ぶ）を基準としたプロフィルを
測定しなければならない。

このような要請を満たすためには、先ず、物体表面につ
いて前述の測定を行って仮基準面Ａを基準とした高さプ
ロフィルを測定し、次に、被測定対象を取払った上、基
準面(1)について同じ測定を行なって、仮基準面Ａを基
準とした高さプロフィルを測定し、しかる後第１図
（Ｂ）に示すように、これら２つの高さプロフィル画
像、即ち物体面合成画像と基準面合成画像との対応する
画素の値の差をを演算する。この演算により、基準面
(1)を基準とした高さプロフィル画像が得られ、この高
さプロフィル画像の各画素の値は、その画素に対応する
測定対象表面位置の基準面(1)を基準とした高さに比例
したものとなる。

第４図（ａ）（ｂ）（ｃ）にこの発明の光学系の構成図
であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は平面図、同
図（ｃ）は側面図である。

第４図（ａ）においてｘ−ｙ平面を基準面(1)とし、こ
の上に物体面ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）を有する被測定対象物
(2)が載置される。テレビカメラ(8)はｚ軸を光軸として
物体面を所定の角度、例えば直上より観察する。スリッ
ト光源(3)はｙ軸方向に拡がるスリット光(3a)をｘ軸に
対して角度θで投光しており、ｘ軸方向にスキャンされ
る。この時、スリット光源(3)の位置をスリット光(3a)
が基準面(1)に当たる位置ｘ＝ｘ₀で定義する（スリット
光源(3)の位置はｘ−ｙ平面に平行な面であればどの面
でも定義しても以下の義論は同様に成立する。ここでは
簡単のためｘ−ｙ平面上でスリット光源の位置を定義し
た。）従って、物体面とスリット光線面は各々以下の式で定義
される。

物体面：ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）……(1) 光線面：ｚ＝（ｘ−ｘ０）tanθ……(2) 光線が物体面に当たる線上では(1)及び(2)式が同時に成
立するから、次式の関係が成り立つ。

（ｘ，ｙ）座標に対応する合成画像の値ｕ（ｘ，ｙ）
を、その時の光線位置ｘ₀で与えるものとすると、ｕ
（ｘ，ｙ）ｘ₀とおくことにより、次式が成立する。

一方、測定対象物(1)を取払った基準面（ｘ−ｙ平面）
における合成画像をｕ₀（ｘ，ｙ）とすると、(4)式でｆ
（ｘ，ｙ）＝０とおくとにより次式が成立する。

ｕ₀（ｘ，ｙ）＝ｘ……(5) 従って、物体プロフィルｆ（ｘ，ｙ）は、(4)式及び(5)
式から、次式の形に求めることができる。

ｆ（ｘ，ｙ）＝｛ｕ₀（ｘ，ｙ）−ｕ（ｘ，ｙ）｝tanθ……(6) なお、この測定原理の応用例として、以下の方式も容易
に考えられる。まず、第１の応用例としては、基準面を
２つ設ける方式である。即ち、前述の基準面のほかに、
これと平行でかつ距離ｄ（テレビカメラに近づく側を
＋、遠ざかる側を−とする）離れた第２基準面を設け、
この基準面において同様に合成画像を演算する。この第
２基準面における合成画像をｕ₁（ｘ，ｙ）とすると、
(4)式でｆ（ｘ，ｙ）＝ｄとおくことにより従って物体面ｆ（ｘ，ｙ）は、(4)式、(5)式、及び(7)
式から次式の形に求めることができる。

更に、第２の応用例としては基準面を物理的には設け
ず、仮想的な基準面に対する合成画像ｕ₀（ｘ，ｙ）を
(5)式を用いて計算処理により生成し、これを(6)式に代
入することにより物体面ｆ（ｘ，ｙ）を求める方式が考
えられる。但し、この場合にテレビカメラ画面の横軸
（ラスタ方向）と、スリット光源のスキャン方向とが角
度φをなすば場合は、ｕ₀（ｘ，ｙ）＝ｘなる画像を角
度φだけ回転した画像ｕ₀（ｘ，ｙ）＝ｘcosφ＋ｙsinφ……(9) を用いなければならない。

次に、この発明の一実施例を第５図〜第７図に基づいて
説明する。

第５図は前記実施例に係る３次元形状計測装置の構成図
である。測定の基準となる基準面(1)上に被測定対象(2)
が載置される。スリット光源(3)はリニアステージ(4)の
上に搭載されており、基準面(1)及び被測定対象(2)上
に、角度θなる投光角でスリット光(3a)を投光する。ス
リット光源(3)を搭載しているリニアステージ(4)は、モ
ータコントローラ(5)によって制御されるモータ(6)によ
って駆動され、スリット光源(3)を基準面(1)に対して平
行方向に移動する。

この時、スリット光源(3)の位置は、リニアステージ(4)
に組込まれている位置センサ(7)によって測定され、モ
ータコントローラ(5)を介して形状測定装置(9)に入力さ
れる。

基準面(1)及び被測定対象物(2)は、光軸が基準面(1)と
直交するように配設されたテレビカメラ(8)によって撮
影され、得られるビデオ信号は形状計測装置(9)に入力
される。

形状計測装置(9)は、大別して画像合成による形状演算
を行なう画像演算手段としての形状演算回路(10)と、モ
ータコントローラ(5)に対する指令や形状演算回路(10)
に対する演算タイミング制御を行なうシーケンスコント
ローラ(11)からなっている。

形状測定に際しては、形状計測装置(9)は外部から与え
られるスタート信号に基づく、シーケンスコントローラ
(11)を介してリニアステージ(4)を駆動し、スリット光
源(3)を初期位置にセットする。しかる後、スリット光
源(3)の走査を開始する。

形状演算回路(10)はその入力部に、後述する画像合成回
路(12)を有しており、スリット光源(3)走査開始と同時
に、テレビカメラ(8)より入力されるビデオ信号を時々
刻々処理して、画面内の各画素毎に、その画素をスリッ
ト光の像が通過した瞬間のステージ位置信号をその画素
の値とする画像合成演算を行ない、スリット光源(3)の
１走査の完了と同時にその結果ｕ（ｘ，ｙ）を物体面合
成画像メモリ(13)に転送する。

次に、基準面(1)から被測定対象物(2)を取払った後、シ
ーケンスコントローラ(11)は、スリット光源(3)を初期
位置に戻した後、再度スリット光源(3)の走査を開始す
る。画像合成回路(1)には、被測定対象物(2)に対して行
なったのと同じ画像合成演算を基準面(1)に対して行な
い、スリット光源の走査完了と同時にその結果ｕ
₀（ｘ，ｙ）を基準面合成画像メモリ(14)に転送する。

これらの画像合成演算完了後、形状演算回路(10)は、シ
ーケンスコントーロラ(11)の指示に基づいて差画像演算
回路(15)を用いて物体面合成画像メモリ(13)の画像と基
準面合成画像メモリ(14)の画像との対応する画素の値の
差の画像｛ｕ₀（ｘ，ｙ）−ｕ（ｘ，ｙ）｝を演算した後、高さ
補正回路(16)を用いて高さプロフィルを較正し、その結
果得られる高さプロフィルデータ｛ｕ₀（ｘ，ｙ）−ｕ（ｘ，ｙ）｝tanθ を３次元形状メモリ(17)に蓄積する。

３次元形状メモリ(17)に蓄えられた高さプロフィルデー
タは、上位の計算機乃至ＣＡＤシステムからの指令に基
づいて適宜計算機乃至ＣＡＤシステムに転送される。

この実施例においては、例えば第６図に示すようにスリ
ット光の投光角度に近い角度の斜面をもった被測定対象
物(2)について測定すると、斜面の傾きがスリット光の
投光角度に非常に近いので、スリット光が図中"1"で示
す位置に来た時、斜面全体が一様に明るくなり、物体面
合成画像メモリ(13)の記憶内容は符号(13a)に示すよう
になる。基準面合成メモリ(14)の記憶内容は符号(14a)
に示すようになる。従って、これらの画像データを差画
像演算回路(15)及び高さ補正回路(16)により演算処理し
て３次元形状メモリ(17)に格納されるデータは、符号(1
7a)に示されるようになる。このことから、スリット光
の角度に近い面をもった形状に対しても十分高い分解能
が得られていることが分かる。

従来この画像(13a)から光切断線を抽出することは先に
も説明したように困難であり、このような斜面に対して
光切断法を適用しようとすると、測定精度、空間分解能
共に期待できなかったが、この実施例では、このような
斜面に対しても、スリット光のビーム幅乃至サンプリン
グピッチ程度の測定精度及び空間分解能での測定が可能
であり、一般に、被測定対象の形状に依らない形状測定
が実現できる。

第７図は形状測定装置(9)の一構成要素である画像合成
回路(12)の一例を示す構成図である。

画像合成回路(12)は、テレビカメラ(8)より入力される
ビデオ信号を処理して各画素毎に、最も明るくなった瞬
間の輝度を演算する最大輝度画像演算部(18)と、各画素
が時間的に最大の輝度をとる瞬間のステージ位置信号を
その画素の値とする画像合成演算を行なう画像合成演算
部(19)とから構成されており、これらの制御用として同
期回路(20)、メモリアドレス発生回路(21)及び出力制御
回路(22)を備えている。

最大輝度演算部(18)は、最大輝度画像演算のバッファメ
モリである最大輝度画像メモリ(23)を中心として同期回
路(20)より出力されるタイミング信号に基づいてビデオ
信号をＡ／Ｄ変換しディジタル化するＡ／Ｄ変換回路(2
4)、メモリアドレス発生回路(21)より指定される最大輝
度画像メモリのアドレスのデータの読出し、書込みを制
御する最大輝度画像メモリ(25)、更に、テレビカメラか
ら入力される画像と最大輝度メモリの画像の対応する画
素の値を比較し、大きい方の値を選択出力する比較回路
(26)及びスイッチ回路(27)より構成されている。

一方、合成画像演算部(19)は、合成画像演算結果を格納
する合成画像メモリ(28)を中心として構成されており、
最大輝度画像演算部(18)の中の比較回路(26)の出力信号
に基づいて、テレビカメラから入力される信号レベルが
それに対応する最大輝度画像メモリ(23)のアドレスの画
素の値よりも大きかった時にステージ位置を合成画像メ
モリ(28)に書込む機能を有する合成画像メモリ制御回路
(29)を備えている。

この回路は、演算の開始のタイミングで、最大輝度画像
メモリ(13)及び合成画像メモリ(28)が零にクリアされた
状態からスタートし、テレビカメラから入力されるビデ
オ信号をＡ／Ｄ変換回路(24)を用いてディジタル化しな
がら、ビデオ信号の値と、その画素の位置に対応する最
大輝度画像メモリ(13)の画素の値とを比較してビデオ信
号の値のほうが大きい時にのみ最大輝度画像メモリ(13)
のその画素の値をビデオ信号の値で更新すると同時に、
合成画像の対応する画素にステージ位置信号を書込む機
能を有している。

このようにして外部からの演算制御信号によって指示さ
れる時間、上記の演算が行なわれる結果、演算終了時
に、合成画像メモリ(28)に、先に説明した所定の画像が
生成されている。このようにして演算された合成画像
は、出力制御回路(22)を介して、次の演算回路へと転送
される。

なお、上記の実施例では測定時に基準面(1)の合成画像
を作成しているが、基準面(1)の合成画像は一度作成す
ればよいから、２回目以降の測定時には最初に作成した
基準面(1)の合成画像をそのまま使用すればよい。ま
た、この基準面(1)の合成画像は単純な構成であるか
ら、形状演算回路(10)に演算機能を付加し、仮想の基準
面を(5)式により計算で求めてその合成画像を作成し、
基準面合成画像メモリ(14)に格納するようにしてもよ
い。

また、上記の実施例では基準面を１個設ける例を示した
が、基準面(1)の他に第２基準面を設けるようにしても
よい。この第２基準面は基準面(1)とスリット光源(3)と
の間に、基準面(1)に対して距離ｄをもって設置される
ものである。この場合の形状演算回路(10a)は、第８図
に示すように、この第２基準面による合成画像ｕ
₁（ｘ，ｙ）を上記と同様に画像合成回路(12)より作成
し、それを格納する合成画像メモリ(14a)を物体合成画
像メモリ(13)及び基準面合成画像メモリ(14)の他に設
け、更に差画像演算回路(15)及び高さ補正回路(16)の代
わりに、前述の(8)式を演算する演算回路(30)を設け
る。

［発明の効果］以上のようにこの発明によれば、光切断法と同様の光学
系を用いながらも、例えば被測定対象がスリット光の投
光角度に近い角度の斜面の形状をもっている場合であっ
ても、被測定対象の合成画像と基準面の合成画像との対
応する画素の値の差を求めて３次元形状を得るようにし
たので、そのような斜面に対してもスリット光のビーム
幅乃至サンプリングピッチ程度の測定精度及び空間分解
能での測定が可能であり、被測定対象の形状に依らない
形状測定ができる。

また、この発明によれば、スリット光の線状の反射パタ
ンが被測定対象面上を移動していく様子をテレビカメラ
で撮像し、画面内の各画素毎にその画素に対応する物体
表面の位置をスリット光が通過した瞬間にスリット光源
の位置をその画素の値とする画像合成演算を行うが、こ
の画像合成演算が成立し、形状情報が正しく求まるため
の必要条件は、各画素に対応する被測定対象面の各位置
の明るさが、スリット光がその位置を通過した瞬間に最
大になるという条件のみである。

従って、被測定対象の空間的な表面反射率のむらは測定
に影響を及ぼさないばかりでなく、背景光があったとし
ても、その光量が時間的に一定でかつテレビカメラの信
号が飽和しない程度の明るさでありさえすれば、物体表
面上の各点の明るさはやはりスリット光が通過した瞬間
に最大になることから、測定対象の表面反射率や背景光
の影響を受けない測定が可能である。

更に、この発明によれば基準面を２個設けて測定するこ
とにより、スリット光の投射角に依存しない測定が可能
となり、測定精度が高められている。

更に、この発明によれば基準面の合成画像を得るのに際
して計算により求めるようにしたので、測定の際の作業
が簡略化されている。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）（Ｂ）はこの発明の測定原理を示す説明
図、第２図は従来の光切断法の概念図、第３図（ａ）
（ｂ）は従来の光切断法の斜面角度による測定精度の変
化を示す説明図、第４図（ａ）（ｂ）（ｃ）はこの発明
の光学系の構成を示す説明図で、同図（ａ）は斜視図、
同図（ｂ）は平面図及び同図（ｃ）は側面図である。第５図はこの発明の一実施例に係る３次元形状計測装置
の構成図、第６図は斜面形状の測定例を示す説明図、第
７図は第５図の画像合成回路の詳細を示したブロック
図、第８図は形状演算回路の他の例を示すブロック図で
ある。 (1)：基準面、(2)：被測定対象、(3)：スリット光源、
(4)：リニアステージ、(5)：モータコントローラ、
(6)：モータ、(7)：位置センサ、(8)：テレビカメラ、
(9)：形状計測装置、(10)：形状演算回路、(11)：シー
ケンスコントローラ、(12)：画像合成演算回路、(13)：
物体面合成画像メモリ、(14)：基準面合成画像メモリ、
(15)：差画像演算回路、(16)：高さ補正回路、(17)：３
次元形状メモリ、(18)：最大輝度画像演算部、(19)：合
成画像演算部、(20)：同期回路、(21)：メモリアドレス
発生回路、(22)：出力制御回路、(23)：最大輝度画像メ
モリ、(24)：Ａ／Ｄ変換回路、(25)：最大輝度画像メモ
リ制御回路、(26)：比較回路、(27)：スイッチ回路、(2
8)：合成画像メモリ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定対象物表面に測定基準面と直交しな
い角度θをなす方向から投光した線状のスリット光を、
被測定対象表面の全面に亘って直線的に走査する工程
と、前記スリット光とは異なった角度からテレビカメラによ
って被測定対象表面を撮像してビデオ信号を生成する工
程と、前記スリット光の位置を求める工程と、前記ビデオ信号の画面内の各画素の信号を順次取り込ん
で記憶し、同一画素について後から入力される信号のレ
ベルと既に記憶されている信号のレベルとを比較し、後
から入力される信号のレベルの方が高いときにそのレベ
ルによってその画素の記憶内容を更新する工程と、前記ビデオ信号の画面内の各画素について、前記工程に
おいて画素の記憶内容が更新されたとき、その時の前記
スリット光の位置に関する情報を取り込んで記憶するこ
とにより、ビデオ信号の画面内の各画素に対応する被測
定対象表面の各位置毎に、その位置をスリット光が通過
した瞬間の前記スリット光の位置に関する情報をその画
素の値とする合成画像を生成する工程と、前記合成画像に基づいて被測定対象の３次元曲面形状を
求める工程とを有することを特徴とする３次元曲面形状の測定方法。
【請求項２】被測定対象表面に第１の基準面と直交しな
い角度θをなす方向から線状のスリット光を投光するス
リット投光光手段と、被測定対象表面の全面に亘ってスリット光を直線的に走
査するスリット光走査手段と、スリット光の位置を測定するスリット光位置測定手段
と、被測定対象表面を、前記スリット光投光手段とは異なる
方向から撮像してビデオ信号を生成するテレビカメラ
と、前記ビデオ信号の画面内の各画素の信号を順次取り込ん
で記憶し、同一画素について後から入力された信号のレ
ベルと既に記憶されている信号のレベルとを比較し、後
から入力される信号のレベルの方が高いときにそのレベ
ルによってその画素の記憶内容を更新して、各画素につ
いての最大レベルを求める最大輝度画像演算手段と、前記ビデオ信号の画面内の各画素について、前記最大輝
度画像演算手段が画素の記憶内容を更新したとき、その
ときの前記スリット光の位置に関する情報を前記スリッ
ト光位置測定手段から取り込んで、その画素の値として
求めることにより、ビデオ信号の画面内の各画素に対応
する被測定対象表面の各位置毎に、その位置をスリット
光が通過した瞬間の前記スリット光の位置に関する情報
をその画素の値とする合成画像を生成する合成画像演算
手段と、前記合成画像に基づいて被測定対象の３次元曲面形状を
求める画像演算手段とを有する３次元曲面形状の測定装置。
【請求項３】テレビカメラは、基準面に対して垂直な方
向から被測定対象を撮像する請求項２記載の３次元曲面
形状の測定装置。
【請求項４】画像演算手段は、被測定対象表面に対して
スリット光を走査した時に合成画像演算手段によって得
られる合成画像ｕ（ｘ，ｙ）と、基準面に対してスリッ
ト光を走査した時に合成画像演算手段によって得られる
合成画像ｕ₀（ｘ，ｙ）とに基づいて、被測定対象表面
の３次元形状ｆ（ｘ，ｙ）を、基準面に対するスリット
光投光角度θを用いてｆ（ｘ，ｙ）＝｛ｕ₀（ｘ，ｙ）−ｕ（ｘ，ｙ）｝tanθ なる式に基づいて求める請求項２記載の３次元曲面形状
の測定装置。
【請求項５】画像演算手段は、被測定対象表面に対して
スリット光を走査した時に合成画像演算手段によって得
られる合成画像ｕ（ｘ，ｙ）と基準面に対してスリット
光を走査した時に合成画像演算手段によって得られる合
成画像ｕ₀（ｘ，ｙ）と、更に、基準面と平行でかつ距
離ｄ（テレビカメラに近づく側を＋、遠ざかる側を−と
する）離れた第２基準面に対してスリット光を走査した
時に合成画像演算手段によって得られる合成画像ｕ
₁（ｘ，ｙ）とを用いて、被測定対象面の３次元形状ｆ
（ｘ，ｙ）をなる式に基づいて求める請求項２記載の３次元曲面形状
の測定装置。
【請求項６】画像演算手段は、被測定対象表面に対して
スリット光を走査した時に合成画像演算手段によって得
られる合成画像ｕ（ｘ，ｙ）と、仮想的な基準面に対し
てテレビカメラ画面の横軸とスリット光の走査方向との
なす角θを用いて計算処理により求めた合成画像ｕ
₀（ｘ，ｙ）とに基づいて、被測定対象表面の３次元形
状ｆ（ｘ，ｙ）を、基準面に対するスリット光投光角度
θを用いてｆ（ｘ，ｙ）＝｛ｕ₀（ｘ，ｙ）−ｕ（ｘ，ｙ）｝tanθ なる式に基づいて求める請求項２記載の３次元曲面形状
の測定装置。