JPH06331326A - ３次元形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 振動するビル構造物や車体等の大型の被測定
物の３次元形状を計測することができる３次元形状計測
装置。 【構成】 この装置１は，スポット光１０を受像する４
分割光学センサ１４と，各受像面１４ａ〜１４ｄ上でス
ポット像３５を移動させる第２駆動部１８と，上記４分
割光学センサ１４の差信号を検出する像移動検出部１９
と，差信号の直流分を検出する直流分検出器２０とを設
け，振動している被測定物２上のスポット光１０を上記
４分割光学センサ１４で撮像して各撮像面１４ａ〜１４
ｄからの出力信号の差信号を検出し，この差信号が例え
ば零となる第２セオドライト１５の撮像角度に基づいて
スポット光１０の位置座標を演算するように構成されて
いる。従って，ビル構造物等の大型の被測定物２が振動
している状態でも，その３次元形状を計測することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，３次元形状計測装置の
改良に係り，詳しくはビル構造物，車体，船体，圧力容
器等の大型の被測定物が振動している時にも，その形状
等を簡便に高精度，高速度で計測し得る３次元形状計測
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来，被測定物の３次元形状を非接触で
計測する方法として，ＡＭ光位相差計測法やスポット光
投影法等の各種計測方法が提案されている。そのうち，
以下に延べるように非測定物にスポット光を投光するス
ポット光投影法は三角測量の原理を用いており，一般的
に信頼性が高く高精度の測定ができることが知られてい
る。図７は，上記スポット光投影法を用いた３次元形状
計測装置の一例を示している。この３次元形状計測装置
５１は，被測定物５２に例えばレーザー光５３を投光角
可変に投光するセオドライト５４と上記被測定物５２上
に投射されたスポット光５５を撮像するＴＶカメラ５６
とを具備している。上記セオドライト５４と上記ＴＶカ
メラ５６とは，図８に模式的に示すように所定距離（例
えばＬ）隔てて配置されている。上記セオドライト５４
から投光されたレーザ光５３により形成されたスポット
光５５が上記ＴＶカメラ５６により撮像され，同ＴＶカ
メラ５６の所定点（例えば中心点）に来るようにＴＶカ
メラ５６が回転制御され，同スポット光５５が追尾され
る。この３次元形状計測装置５１では，上記回転制御速
度を高速とするために画像処理装置５７を用いてリアル
タイムで画像処理を行っている。そして，上記撮像され
たスポット像がＴＶカメラ５６の中心点に来た時のレー
ザ光５３の投光角度（例えば図８に示すθ1 ，φ1 ），
ＴＶカメラ５６により撮像されたスポット像の撮像角度
（同図のθ2 ，φ2 ），および上記距離Ｌの値から同距
離Ｌの中点５８を原点とする被測定物５２上のスポット
光５５の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が三角測量の原理に基
づき例えば次式に従って求められ，この被測定物５２の
３次元形状が計測される。 Ｘ＝Ｌ（tan θ2 ＋tan θ
1 ）／２（tan θ2 −tan θ1 ） Ｙ＝Ｌtan θ2tanθ1 ／（tan θ2 −tan θ1 ） Ｚ＝Ｌtan θ2tanθ1tanφ1 ／ tan θ2 −tan θ1 ）
sin θ1＝Ｌtan θ2tanθ1tanφ2 ／（tan θ2 −tan
θ1 ）sin θ2 このような３次元形状計測装置の高精度化，高速度化の
ために，本件出願人は，図９に示すような特開平３−２
２６６１５号公報に開示された従来技術を開発してい
る。この３次元形状計測装置は，被測定物５２にレーザ
光６１を投光角可変に投光する投光用のセオドライト６
２と，上記被測定物５２上に投射されたスポット光６３
を追尾して受像する受像用のセオドライト６４とを具備
しており，両セオドライト６２，６４は例えば２〜１０
ｍの所定距離Ｌを隔てて配置されている。両セオドライ
ト６２，６４には，その光軸角度を読み取るエンコーダ
６５，６６が設けられており，両エンコーダ６５，６６
の検出信号がＣＰＵ７０へ入力されている。ＣＰＵ７０
は，入力される検出信号に基づいて両セオドライト６
２，６４の光軸角度をサンプリングし，被測定物５２上
のスポット光６３の３次元座標値を算出することによ
り，被測定物５２の形状を計測するようになっている。
上記投光用のセオドライト６２には，光源６８とレンズ
系６９とが内蔵されており，光源６８からの出力ビーム
がレンズ系６９で集束されて被測定物５２上にスポット
光６３として投射される。一方，受像用のセオドライト
６４には，４分割受像面を有する４分割光学センサ７３
とレンズ系７４とが内蔵されており，この４分割光学セ
ンサ７３の各受像面での検出信号が像位置検出部７１へ
出力される。図１０に示すように，上記４分割光学セン
サ７３の各受像面ａ，ｂ，ｃ，ｄは，４分割光学センサ
７３の中心を通過するＸ軸，Ｙ軸両方向の２本の直線で
４分割されており，各受像面ａ，ｂ，ｃ，ｄへの入射光
の強度を個別に検出し得る。各受像面ａ〜ｄの検出信号
は，像位置検出部７５の演算増幅器７６，７７で増幅さ
れ，両演算増幅器７６，７７の出力は和信号生成用の演
算増幅器７８および差信号生成用の演算増幅器７９へ入
力されている。上記和信号生成用の演算増幅器７８では
全受像面ａ〜ｄからの出力を加算した和信号を生成し，
上記差信号生成用の演算増幅器７９では，各受像面ａ，
ｂの出力和信号と各受像面ｃ，ｄの出力和信号との差信
号を生成している。このような３次元形状計測装置にお
いて，上記受像用のセオドライト６４がスポット光６３
を追尾すると，図１１（Ａ）に示すように，各受像面ａ
〜ｄ上をスポット光６３のスポット像８０が位置８１か
ら位置８２へ移動するようになっている。このとき，図
１１（Ｂ）に示すように，受像用のセオドライト６４の
回転角θに対して像位置検出部７１の和信号Ｖ1 および
差信号Ｖ2 の出力信号Ｖが変化する。和信号Ｖ1 は，ス
ポット像８０が各受像面ａ〜ｄ上を移動する時には，出
力信号Ｖがほぼ一定の状態になり，この和信号Ｖ1 によ
りスポット像８０の受光状態が検知される。一方，上記
差信号Ｖ2 は，スポット像８０が４分割光学センサ７３
の中心に位置した時に，差信号Ｖ2 が零となる。このよ
うな差信号Ｖ2の変化により，上記セオドライト６４の
光軸と，被測定物５２上のスポット光６３の投影位置の
１次元位置ずれが検出される。したがって，像位置検出
部７１からの差信号Ｖ2 を上記エンコーダ６６に入力
し，差信号Ｖ2 が零となるようにセオドライト６４の光
軸角度を調整することにより，上記した三角測量の手法
により被測定物５２の３次元形状が計測される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図９に示す３次元形状
計測装置の従来技術では，被測定物５２の３次元形状を
高速，高精度で計測することができるが，被測定物５２
が振動している状態では，３次元形状を計測することが
できない。その理由は，上記従来技術では４分割光学セ
ンサ７３，像位置検出部７１，エンコーダ６６からなる
光軸角度制御系によりセオドライト６４の光軸をスポッ
ト光６３に一致させるように光軸角度を制御する必要が
あるが，被測定物５２が振動している状態では，上記４
分割光学センサ７３の各受像面ａ〜ｄ上でスポット像８
０が移動して，スポット像８０の位置が変化してしま
い，光軸角度を正常に制御することができなくなるから
である。例えば，被測定物５２の振動周波数が，上記光
軸制御系の応答周波数よりも低い時には，セオドライト
６４の光軸がスポット光６３の振動による位置変化に追
随して振動してしまう。一方，被測定物５２の振動周波
数が，上記光軸制御系の応答周波数よりも高い時には，
スポット光６３の位置をセオドライト６４の光軸が追尾
することができなくなる。このように，いずれの場合で
も，被測定物５２が振動している場合には，上記スポッ
ト光６３の位置を演算することができず，上記した三角
測量の原理による３次元形状計測が不可能になるという
問題がある。本発明は，このような従来の技術における
課題を解決するために，ビル構造物や車体等の大型の被
測定物が振動している時にも，その３次元形状を計測す
ることができる３次元形状計測装置を提供することを目
的としてなされたものである。

【０００４】

【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，被測定物にスポット光を投光角度可変に投
光する投光手段と，上記スポット光の投光角度を検出す
る投光角検出手段と，上記投光手段に対して所定距離隔
てて配置され，上記被測定物上に投射されたスポット像
を撮像する撮像手段と，上記撮像手段を回転させて該撮
像手段により撮像されたスポット像を移動させる像移動
手段と，上記撮像手段の回転量を検出し上記スポット像
の撮像角度を検出する撮像角検出手段とを具備し，上記
像移動手段により撮像手段に撮像されたスポット像を該
撮像手段の所定位置に移動させ，その時投光角検出手段
により検出されたスポット光の投光角度，撮像角検出手
段により検出されたスポット像の撮像角度および上記投
光手段と上記撮像手段との間の距離の値から被測定物上
のスポット光の位置座標を演算する３次元形状計測装置
において，上記撮像手段を各撮像面に捉えられた上記ス
ポット像の強度に応じた電気信号を出力する複数の撮像
面を具備する多面分割型光学センサにより構成し，前記
像移動手段によりスポット像を移動させると共に，振動
している上記被測定物上のスポット光を上記多面分割型
光学センサで撮像して上記各撮像面からの出力信号の差
信号を検出し，上記差信号が所定のバランス状態となる
前記撮像角度に基づいてスポット光の位置座標を演算し
てなることを特徴とする３次元形状計測装置として構成
される。上記所定のバランス状態は，上記スポット像検
出信号の差信号の直流成分が零となる状態として捉える
ことができる。また，上記所定のバランス状態は，被測
定物の振動の１周期における上記差信号の電圧が正電圧
となる時間と負電圧となる時間との比が，一定となる状
態として捉えることができる。更には，上記所定のバラ
ンス状態は，被測定物の振動により上記差信号の電圧が
正負両方向へ波動する時に，その振幅の比が一定となる
状態として捉えることができる。

【０００５】

【作用】本発明によれば，撮像手段を各撮像面に捉えら
れたスポット像の受像面積に応じた複数の撮像面を具備
する多面分割型光学センサにより構成し，像移動手段に
より受像面上での上記スポット像を移動させると共に，
振動している上記被測定物上のスポット光を上記多面分
割型光学センサで撮像して上記各撮像面からの出力信号
の差信号を検出し，この差信号が所定のバランス状態と
なる撮像手段の撮像角度に基づいてスポット光の位置座
標を演算するので，上記被測定物が振動している状態で
も上記スポット光の位置座標を上記差信号が所定のバラ
ンス状態となる前記撮像角度に基づいて演算することが
可能になる。その結果，被測定物が振動している状態で
も，スポット光の位置座標が演算され，振動している被
測定物の３次元形状計測が可能になる。例えば，上記ス
ポット像検出信号の差信号の直流成分が零となる状態を
差信号のバランス状態として，振動している被測定物上
のスポット光の位置座標を演算することができる。ま
た，被測定物の振動の１周期における上記差信号の電圧
が正電圧となる時間と負電圧となる時間との比を，一定
となる状態が差信号のバランス状態として振動している
被測定物上のスポット光の位置座標を演算することも可
能である。更に，被測定物の振動により上記差信号の電
圧が正負両方向へ波動する時に，その振幅の比が一定と
なる状態を差信号のバランス状態として振動している被
測定物上のスポット光の位置座標を演算することが可能
である。

【０００６】

【実施例】以下，添付図面を参照して本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定する性質のものではない。図１は
本発明の第一実施例に係る３次元形状計測装置の概略構
成を示すブロック図，図２（Ａ）は像位置検出部を示す
構成図，図２（Ｂ）は直流分検出器を示す回路図，図３
（Ａ）は４分割光学センサを模式的に示す説明図，図３
（Ｂ）は被測定物の振動に伴う差信号の変化を示すグラ
フである。図１に示すようにこの３次元形状計測装置１
は，振動している被測定物２に光源３からの例えばレー
ザ光４をレンズ５，６，７を介して投光する第１セオド
ライト８と，上記被測定物２上に投射されたスポット光
１０をレンズ１１，１２，１３を介して撮像する４分割
光学センサ１４を具備する第２セオドライト１５とを有
している。この３次元形状計測装置１の制御回路は，マ
イクロコンピュータＣＰＵ等からなる制御部１６を中枢
として構成され，上記制御部１６に，上記第１セオドラ
イト８を回転駆動する第１駆動部１７，上記第２セオド
ライト１５を回転駆動する第２駆動部１８，上記４分割
光学センサ１４からの出力信号を処理する像位置検出部
１９，および上記被測定物２が振動する場合にも４分割
光学センサ１４の差信号から所定のバランス状態を検出
するための直流分検出器２０が接続されている。上記第
１駆動部１７により，上記第１セオドライト８がこの図
１に示すように回転駆動され，上記レーザ光４の投光角
度（θ1 ，φ1 ）が制御される。上述したレーザ光４を
投光角度可変に投光する機能を実現する第１セオドライ
ト８および第１駆動部１７が投光手段の一例である。ま
た，上記レーザ光４の投光角度（θ1 ，φ1 ）は上記第
１駆動部１７に内蔵されたモータに取り付けられたエン
コーダ１７ａ，１７ｂにより検出され，制御部１６に入
力される。上記エンコーダ１７ａ，１７ｂが投光角検出
手段の一例である。上記第２セオドライト１５は，上記
第１セオドライト８に対して所定距離（例えばＬ）隔て
て配置され，上記スポット光１０をレンズ１１等を介し
て４分割光学センサ１４の受像面上に撮像する。上記第
２セオドライト１５が撮像手段の一例である。

【０００７】上記４分割光学センサ１４は，例えばシリ
コンフォトダイオード等からなり，図３（Ａ）に示すよ
うにその光検出面がＸ軸方向およびＹ軸方向の両方向に
４分割され，４受像面１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ
が形成されている。従って，各々の受像面の受光強度が
独立に検出できる。上記４分割光学センサ１４の受像面
上に撮像されたスポット像の位置は上記像位置検出部１
９によりＸ，Ｙ軸方向（図３（Ａ））の２値情報に変換
され，その２値信号に含まれる被測定物２の振動の影響
が上記直流分検出器２０により信号処理された後に，上
記第２駆動部１８を介して制御部１６に入力される。上
記第２セオドライト１５は，上記第２駆動部１８により
図１に示すように回転駆動され，上記４分割光学センサ
１４の受像面上に撮像されたスポット像の位置が移動さ
れる。上記第２セオドライト１５を回転させて上記撮像
されたスポット像の位置を移動させる第２駆動部１８が
像移動手段の一例である。上記第２セオドライト１５の
回転量は上記第２駆動部１８に内蔵されたモータに取り
付けられたエンコーダ１８ａ，１８ｂにより検出され上
記４分割光学センサ１４の受像面上に撮像されたスポッ
ト像の撮像角度（θ2，φ2）が検出される。上記撮像角
度（θ2，φ2 ）を検出するエンコーダ１８ａ，１８ｂ
が撮像角検出手段の一例である。上記４分割光学センサ
１４の各受像面１４ａ〜１４ｄの検出信号は，図２
（Ａ）に示すように像位置検出部１９の演算増幅器３
０，３１で増幅され，両演算増幅器３０，３１の出力は
和信号生成用の演算増幅器３２および差信号生成用の演
算増幅器３３へ入力されている。上記和信号生成用の演
算増幅器３２では全受像面１４ａ〜１４ｄからの出力を
加算した和信号を生成し，上記差信号生成用の演算増幅
器３３では，各受像面１４ａ，１４ｂの出力和信号と各
受像面１４ｃ，１４ｄの出力和信号との差信号を生成す
るようになっている。上記直流分検出器２０は，図２
（Ｂ）に示すように，抵抗２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，コ
ンデンサ２２ａ，２２ｂ，および演算比較器２３を具備
するローパスフィルタとして構成されており，直流分検
出器２０は上記像位置検出部１９の出力信号，即ち差信
号から交流成分を除去し，差信号の直流成分のみを上記
第２駆動部１８へ入力している。

【０００８】この３次元形状計測装置１では，第１セオ
ドライト８により被測定物２にレーザ光４が投光される
と，被測定物２上に投射されたスポット光１０が第２セ
オドライト１５のレンズ１１等を介して４分割光学セン
サ１４の受像面上に撮像される。そして，被測定物２の
振動に伴って４分割光学センサ１４の受像面上の像が移
動している状態でも，上記４分割光学センサ１４の各受
像面１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄからの出力信号が
所定のバランス状態，例えば全て均等となって，上記直
流分検出器２０から出力される差信号の直流成分が零と
なるように第２駆動部１８が駆動制御されて，第２セオ
ドライト１５の向きが制御される。被測定物２が振動し
ている状態において，図３（Ａ）に示すように第２セオ
ドライト１５のレンズ１１等により上記４分割光学セン
サ１４上に受像するスポット光１０のスポット像３５
は，被測定物２の振動により位置３６から位置３７へ移
動することになる。このとき，上記像位置検出部１９か
ら出力される差信号は，図３（Ｂ）に示すように，被測
定物２の振動に同期して時間Ｔ1 間の正電圧または時間
Ｔ2 間の負電圧に波動する。このような像位置検出部１
９の差信号が上記直流分検出器２０へ入力されると，直
流分検出器２０は上記像位置検出部１９の差信号から交
流成分を除去し，直流成分のみを第２駆動部１８へ入力
する。直流分検出器２０からの直流成分が第２駆動部１
８へ入力されると，第２駆動部１８のエンコーダ１８
ａ，１８ｂが第２セオドライト１５の光軸角度（θ2 ，
φ2）を，上記直流分検出器２０の出力，即ち差信号の
直流成分が零となるように光軸角度（θ2 ，φ2 ）を調
整する。このように第２セオドライト１５の光軸角度
（θ2 ，φ2 ）が調整されることにより，被測定物２が
振動して像位置検出部１９の差信号が被測定物２の振動
に同期して変動する場合でも，被測定物２上で振動する
スポット光１０の振動中心と，４分割センサ１４の中心
が一致するように第２セオドライト１５の光軸角度（θ
2 ，φ2 ）が調整され，被測定物２が振動している状態
でも第２セオドライト１５の光軸角度（θ2，φ2）が正
常に制御される。上述したようにこの３次元形状計測装
置１では，被測定物２が振動している状態でも，上記４
分割光学センサ１４の各受像面１４ａ〜１４ｄ上でスポ
ット像３５が移動して，スポット像３５の位置が変化し
てしまい，第２セオドライト１５の光軸角度（θ2 ，φ
2 ）が制御不能になるおそれがなく，第２セオドライト
１５の光軸をスポット光１０に一致させるように第２セ
オドライト１５の光軸角度（θ2 ，φ2 ）を制御するこ
とができ，振動している被測定物２の３次元形状計測が
可能になる。

【０００９】そして，上記直流分検出器２０から出力さ
れる差信号の直流成分が零となるバランス状態となった
とき，エンコーダ１７ａ，１７ｂにより検出されたレー
ザ光４の投光角度（θ1 ，φ1 ），スポット光１０の撮
像角度（θ2 ，φ2 ）および上記両セオドライト８，１
５と被測定物２との間の距離Ｌの値から被測定物２上の
スポット光１０の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が前述した三
角測量の原理による式を用いて演算される。従って，被
測定物２が振動している状態でも，被測定物２の３次元
形状を計測することが可能になる。 次に図４を参照し
て本発明の第２実施例を説明する。この第２実施例で
は，上記像位置検出部１９からの差信号出力を第２駆動
部１８および時間比検出器４０ａへ入力して，この時間
比検出器４０ａにより振動している被測定物２の３次元
形状を計測可能に差信号を処理している。上記時間比検
出器４０ａは，図５に示すように，上記像位置検出部１
９からの差信号出力が入力されるコンパレータ４１，コ
ンパレータ４１に入力される差信号の正負に応じてカウ
ント動作するカウンタ４２，４３，カウンタ４２，４３
の動作基準周波数を発生するクロックジェネレータ４４
および上記コンパレータ４１，カウンタ４２，４３から
の出力信号に基づいて差信号の振動１周期内における正
電圧時間と負電圧時間との時間比を演算する演算部４５
を具備している。上記像位置検出部１９の差信号出力
は，図３（Ｂ）に示すように，上記被測定物２の振動に
同期して正／負電圧に波動し，コンパレータ４１は，上
記差信号が正電圧の時にはカウンタ４２を動作させ，差
信号が負電圧の時にはカウンタ４３を動作させる。両カ
ウンタ４２，４３はクロックジェネレータ４４で発生す
る動作基準周波数によりカウント動作し，その周波数
は，被測定物２の振動周波数よりも十分に高い周波数に
設定されている。そして，上記演算部４５は，コンパレ
ータ４１の出力信号に同期して，上記被測定物２の振動
１周期毎に両カウンタ４２，４３が計数するクロック数
の比を演算し，演算後に両カウンタ４２，４３のカウン
ト数をゼロに復帰させる。このような時間比検出器４０
ａでは，上記被測定物２の振動に同期して波動する上記
像位置検出部１９の差信号が，振動の１周期内に正とな
る時間と，負となる時間との比に応じた電圧が上記演算
部４５から上記第２セオドライト１５の第２駆動部１８
へ出力される。

【００１０】このような３次元形状計測装置１では，被
測定物２が静止している場合には，第２セオドライト１
５の第２駆動部１８は，上記像位置検出器１９の差信号
を零とすべく，上記スポット光１０の像が４分割光学セ
ンサ１４の中心と一致するように第２セオドライト１５
の光軸角度（θ2 ，φ2 ）が制御される。一方，上記被
測定物２が振動している場合には，時間比検出器１９の
出力が所定のバランス状態，即ち１となるように第２セ
オドライト１５の光軸角度が調整され，スポット光１０
の振動中心が４分割光学センサ１４の受像面中心と一致
するように第２セオドライト１５の光軸角度（θ2 ，φ
2 ）が制御される。従って，被測定物２が振動している
状態でも，上記第１実施例と同様に，振動に影響される
ことなく被測定物２の３次元形状を計測することが可能
になる。この第２実施例では，像位置検出部１９の差信
号の大きさによらず，差信号の電圧の正／負時間比を検
出していることにより，一定の感度で計測を行うことが
できる。 次に，上記第２実施例と同じ図４を参照して
本発明の第３実施例を説明する。この第３実施例では，
上記像位置検出部１９からの差信号出力を第２駆動部１
８および振幅比検出器４０ｂへ入力して，この振幅比検
出器４０ｂにより振動している被測定物２の３次元形状
を計測可能に差信号を処理している。上記振幅比検出器
４０ｂは，図６に示すように，上記像位置検出部１９か
らの差信号が正電圧検波回路４６，負電圧検波回路４７
および演算部４８を具備している。上記正電圧検波回路
４６は，正電圧用のダイオード２４，コンデンサ２５お
よび抵抗２６により構成されている。同様に負電圧検波
回路４７は，負電圧用のダイオード２７，コンデンサ２
８および抵抗２９により構成されている。上記第２実施
例と同様の像位置検出部１９の差信号出力は，図３
（Ｂ）に示すように，上記被測定物２の振動に同期して
正／負電圧に波動し，このとき上記正負両検波回路４
６，４７は，上記差信号を正負電圧別に検波し，演算部
４８が両検波回路４６，４７の出力比を演算する。従っ
て，この振幅比検出器４０ｂでは，被測定物２の振動に
同期して変動する像位置検出部１４の差信号の正電圧と
負電圧の振幅の比に応じた電圧が演算部４８から上記第
２セオドライト１５の第２駆動部１８へ出力される。

【００１１】このような３次元形状計測装置１では，上
記第２実施例と同様に被測定物２が静止している場合に
は，第２セオドライト１５の第２駆動部１８は，上記像
位置検出器１９の差信号を零とすべく，上記スポット光
１０の像が４分割光学センサ１４の中心と一致するよう
に第２セオドライト１５の光軸角度（θ2 ，φ2 ）が制
御される。一方，上記被測定物２が振動している場合に
は，時間比検出器１９の出力が所定のバランス状態，即
ち１となるように第２セオドライト１５の光軸角度が調
整され，スポット光１０の振動中心が４分割光学センサ
１４の受像面中心と一致するように第２セオドライト１
５の光軸角度（θ2 ，φ2 ）が制御される。従って，被
測定物２が振動している状態でも，上記第１実施例と同
様に，振動に影響されず被測定物２の３次元形状を計測
することが可能になる。この第３実施例では，被測定物
２の振動の大きさに比例して変化する像位置検出部１４
の差信号の振幅を検知しているので，被測定物２が間欠
的に振動する等の振動の仕方によらず，スポット光１０
の振動中心位置を正確に計測することができる。なお本
発明は，以上のような３実施例に限定されず種々変形可
能であり，例えば上記４分割光学センサ１４の各受像面
１４ａ〜１４ｄはＸ軸，Ｙ軸両方向に４分割される場合
に限らず，Ｘ軸方向またはＹ軸方向の一方向に２分割し
て，上記被測定物２上のスポット光１０の振動を４分割
光学センサ１４上での１次元方向への移動に置き換え
て，スポット光１０の振動中心位置を計測し得るように
してもよい。

【００１２】

【発明の効果】本発明に係る３次元形状計測装置は，上
記したように，撮像手段を各撮像面に捉えられたスポッ
ト像の受像面積に応じた複数の撮像面を具備する多面分
割型光学センサにより構成し，像移動手段により受像面
上での上記スポット像を移動させると共に，振動してい
る上記被測定物上のスポット光を上記多面分割型光学セ
ンサで撮像して上記各撮像面からの出力信号の差信号を
検出し，この差信号が所定のバランス状態となる撮像手
段の撮像角度に基づいてスポット光の位置座標を演算す
るようにしているので，振動している上記被測定物上の
スポット光の位置座標を上記差信号が所定のバランス状
態となる前記撮像角度に基づいてスポット光の位置座標
を演算することができる。その結果，被測定物が振動し
ている状態でも，その振動に影響されることなくスポッ
ト光の位置座標が演算され，振動している被測定物の３
次元形状計測が静止物体の場合と同様に行われる。従っ
て，ビル構造物等の大型の被測定物が振動している状態
でも，その３次元形状を計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例にかかる３次元形状計測
装置の概略構成を示すブロック図。

【図２】 図２（Ａ）は像位置検出部の概略構成を示す
ブロック図，図２（Ｂ）は直流分検出器の概略構成を示
すブロック図。

【図３】 図３（Ａ）は４分割光学センサの４分割受像
面上での像の移動を示す構成図，図３（Ｂ）は時間に対
する差信号出力の変動を示すグラフ。

【図４】 本発明の第２，第３実施例にかかる３次元形
状計測装置の概略構成を示すブロック図。

【図５】 本発明の第２実施例における時間比検出器の
概略構成を示すブロック図。

【図６】 本発明の第３実施例における振幅比検出器の
概略構成を示すブロック図。

【図７】 スポット光投影法を用いた従来の３次元形状
計測装置の一例を示すブロック図。

【図８】 同３次元形状計測装置のセオドライトとＴＶ
カメラ等の位置関係を示す説明模式図。

【図９】 ３次元形状計測を高精度化，高速度化した従
来の３次元形状計測装置の概略構成を示すブロック図。

【図１０】 同３次元形状計測装置における像位置検出
部の概略構成を示すブロック図。

【図１１】 図１１（Ａ）は４分割光学センサの４分割
受像面上での像の移動を示す構成図，図１１（Ｂ）は受
像用セオドライトの回転角に対する４分割光学センサの
出力信号の変動を示すグラフ。

【符号の説明】

１…３次元形状計測装置 ２…被測定物 ４…レーザ光 ８…第１セオドライト（投光手段の一部） １０…スポット光 １４…４分割光学センサ １５…第２セオドライト（撮像手段） １６…制御部 １７ａ，１７ｂ…エンコーダ（投光角検出手段） １８…第２駆動部（像移動手段） １８ａ，１８ｂ…エンコーダ（撮像角検出手段） １９…像位置検出部 ３５…スポット像 ２０…直流分検出器 ４０ａ…時間比検出器 ４０ｂ…振幅比検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 証 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 吉田 泰三 兵庫県神戸市灘区岩屋北町４丁目５番22号 神鋼プラント建設株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物にスポット光を投光角度可変に
   投光する投光手段と，上記スポット光の投光角度を検出
   する投光角検出手段と，上記投光手段に対して所定距離
   隔てて配置され，上記被測定物上に投射されたスポット
   像を撮像する撮像手段と，上記撮像手段を回転させて該
   撮像手段により撮像されたスポット像を移動させる像移
   動手段と，上記撮像手段の回転量を検出し上記スポット
   像の撮像角度を検出する撮像角検出手段とを具備し，上
   記像移動手段により撮像手段に撮像されたスポット像を
   該撮像手段の所定位置に移動させ，その時投光角検出手
   段により検出されたスポット光の投光角度，撮像角検出
   手段により検出されたスポット像の撮像角度および上記
   投光手段と上記撮像手段との間の距離の値から被測定物
   上のスポット光の位置座標を演算する３次元形状計測装
   置において，上記撮像手段を各撮像面に捉えられた上記
   スポット像の強度に応じた電気信号を出力する複数の撮
   像面を具備する多面分割型光学センサにより構成し，前
   記像移動手段によりスポット像を移動させると共に，振
   動している上記被測定物上のスポット光を上記多面分割
   型光学センサで撮像して上記各撮像面からの出力信号の
   差信号を検出し，上記差信号が所定のバランス状態とな
   る前記撮像角度に基づいてスポット光の位置座標を演算
   してなることを特徴とする３次元形状計測装置。
2. 【請求項２】 上記所定のバランス状態が，上記スポッ
   ト像検出信号の差信号の直流成分が零となる状態である
   請求項１に記載の３次元形状計測装置。
3. 【請求項３】 上記所定のバランス状態が，被測定物の
   振動の１周期における上記差信号の電圧が正電圧となる
   時間と負電圧となる時間との比が，一定となる状態であ
   る請求項１に記載の３次元形状計測装置。
4. 【請求項４】 上記所定のバランス状態が，被測定物の
   振動により上記差信号の電圧が正負両方向へ波動する時
   に，その振幅の比が一定となる状態である請求項１に記
   載の３次元形状計測装置。