JPH11271033A

JPH11271033A - 三次元形状物体撮像装置

Info

Publication number: JPH11271033A
Application number: JP9659898A
Authority: JP
Inventors: Hideharu Ogami; 秀晴大上
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 1999-10-05

Abstract

(57)【要約】【課題】撮像作業の簡便化と部品点数の低減が図れる
三次元形状物体撮像装置を提供する。【解決手段】この三次元形状物体撮像装置１は、三次
元形状物体２が固定される固定手段３と、ＸＹＺ軸方向
にそれぞれ配置されたＸ、Ｙ、Ｚ方向用照明手段として
のＬＥＤ照明４、５、６と、光軸方向がＺ軸方向に設定
されかつ移動カメラステージ９に固定されたＣＣＤカメ
ラ１０と、ＬＥＤ照明４の対向側でＬＥＤ照明５、６を
遮らない部位に配置されかつＬＥＤ照明４による三次元
形状物体２の投影光の光路を変更させてＣＣＤカメラ１
０に入射させる光路変更手段としてのＸ方向用９０度反
射プリズム１１と、ＬＥＤ照明５の対向側でＬＥＤ照明
４、６を遮らない部位に配置されかつＬＥＤ照明５によ
る三次元形状物体２の投影光の光路を変更させて上記Ｃ
ＣＤカメラ１０に入射させるＹ方向用９０度反射プリズ
ム１２とでその主要部が構成されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、三次元形状物体の
画像解析による計測等に利用される三次元形状物体撮像
装置に係り、特に、撮像作業の簡便化と部品点数の低減
が図れる三次元形状物体撮像装置の改良に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】この種の三次元形状物体撮像装置とし
て、例えば図１９に示すような装置が知られている。す
なわち、この三次元形状物体撮像装置は、三次元形状物
体ａが載置されかつＸ軸、Ｙ軸方向へ移動するＸＹ移動
ステージｂと、このＸＹ移動ステージｂの上方側に配置
されかつ固定焦点あるいはズームレンズｃが装着された
ＣＣＤカメラｄと、上記ＸＹ移動ステージｂの下方側に
設けられ三次元形状物体ａを下方側から照明する透過照
明ｅと、上記ＸＹ移動ステージｂの上方側に設けられ三
次元形状物体ａを上方側から照明する同軸落射照明ｆ並
びに反射照明ｇとでその主要部が構成され、かつ、上記
ＣＣＤカメラｄはＺ軸方向に移動するＺ移動ステージｈ
に取付けられていると共にＣＣＤカメラｄの光入射側に
は距離計測素子ｉが付設されている。

【０００３】そして、この三次元形状物体撮像装置によ
る三次元形状物体ａの計測は以下のようにしてなされ
る。まず、上記ＸＹ移動ステージｂに載置された三次元
形状物体ａのＸＹ平面部の計測は、上記ＣＣＤカメラｄ
により撮像された三次元形状物体ａの画像解析により行
われている。一方、三次元形状物体ａのＺ軸方向の高さ
の計測は、ＣＣＤカメラｄのＺ移動ステージｈを適宜移
動させながら撮像される三次元形状物体ａにおける画像
のシャープさを判断して行うフォーカス調整により焦点
位置を求めかつ得られた焦点位置のデータと予め設定さ
れた基準面のデータからＺ移動ステージｈにおけるＺ軸
方向の移動量を求めて計測したり、あるいは、三次元形
状物体ａとＣＣＤカメラｄとのＺ軸方向間距離が一定と
なるように設定された上記距離計測素子ｉからの信号に
基づき上記Ｚ移動ステージｈをＺ軸方向へ移動させこの
Ｚ移動ステージｈにおけるＺ軸方向の移動量を求めて計
測されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１９に示
された従来の三次元形状物体撮像装置においては、その
撮像手段としてＸＹ移動ステージｂの上方側に配置され
た単一のＣＣＤカメラｄが装備されているに過ぎないた
め、三次元形状物体ａのＸＺ平面部やＹＺ平面部に存在
する穴ｊ等の計測対象について撮像を行おうとした場
合、その計測部位が三次元形状物体ａのＸＹ平面部とな
るようにＸＹ移動ステージｂにおける三次元形状物体ａ
の向きを変更しなければならず、その分、撮像作業が繁
雑となる問題点を有していた。

【０００５】尚、上記ＸＹ移動ステージｂに載置される
三次元形状物体ａを中心にしてそのＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に
それぞれ専用のＣＣＤカメラを配置する撮像装置も提案
されているが、この三次元形状物体撮像装置においては
少なくとも３台のＣＣＤカメラが必要となり、その分、
部品点数が増えて撮像装置の製造コストが割高となる問
題点を有していた。

【０００６】本発明はこのような問題点に着目してなさ
れたもので、その課題とするところは、撮像作業の簡便
化と部品点数の低減が図れる三次元形状物体撮像装置を
提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１に係
る発明は、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸で示される空間
を占める三次元形状物体を撮像する三次元形状物体撮像
装置を前提とし、上記三次元形状物体を固定する固定手
段と、固定された三次元形状物体を中心にしてそのＸＹ
Ｚ軸方向から互いに時間をずらして光を逐次照射する
Ｘ、Ｙ、Ｚ方向用照明手段と、その光軸方向がＸＹＺ軸
のいずれか１つの方向に設定されかつ対応したその方向
用照明手段による三次元形状物体の投影光若しくは反射
光が入射される少なくとも１つのＣＣＤカメラと、残り
の２方向側にそれぞれ配置されかつ対応したその各方向
用照明手段による三次元形状物体の各投影光若しくは反
射光の光路を変更させてその投影光若しくは反射光を上
記ＣＣＤカメラに入射させる光路変更手段を具備するこ
とを特徴とするものである。

【０００８】そして、この請求項１記載の発明に係る三
次元形状物体撮像装置によれば、光軸方向がＸＹＺ軸の
いずれか１つの方向に設定されかつ対応したその方向用
照明手段による三次元形状物体の投影光若しくは反射光
が入射される少なくとも１つのＣＣＤカメラと、残りの
２方向側にそれぞれ配置されかつ対応したその各方向用
照明手段による三次元形状物体の各投影光若しくは反射
光の光路を変更させてその投影光若しくは反射光を上記
ＣＣＤカメラに入射させる光路変更手段を具備している
ため、固定手段で固定された三次元形状物体の向きを変
更することなくしかも最小個数のＣＣＤカメラにて三次
元形状物体のＸＹ平面部、ＸＺ平面部およびＹＺ平面部
の計測対象をそれぞれ撮像することが可能となる。

【０００９】尚、この三次元形状物体撮像装置において
上記Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向用照明手段について
は、従来の撮像装置と同様、透過照明、同軸落射照明、
反射照明等でこれ等を構成することが可能である。但
し、上記同軸落射照明はＣＣＤカメラの光軸方向と同一
の方向用照明手段に限られる。また、ＣＣＤカメラの光
軸方向と異なる方向の各方向用照明手段を反射照明で構
成する場合には、例えば光路変更手段の後方側でかつ変
更される光路を遮らない部位に配置させることを要す
る。尚、この三次元形状物体撮像装置においては、透過
照明、同軸落射照明、反射照明のすべてを具備させる必
要はなく、これ等照明手段の少なくとも１つを備えてい
ればよい。

【００１０】ところで、請求項１記載の発明に係る三次
元形状物体撮像装置において、例えば上記ＣＣＤカメラ
の光軸方向がＺ軸方向に設定されているとし、このＣＣ
Ｄカメラで三次元形状物体の投影像若しくは反射像を撮
像しようとした場合、Ｚ方向用照明手段に加えてＸ方向
およびＹ方向用照明手段も同時に照明していると当然の
ことながら上記投影像若しくは反射像を撮像することは
できない。このため、請求項１記載の発明に係る三次元
形状物体撮像装置においては、例えば上記ＣＣＤカメラ
の光軸方向がＺ軸方向に設定されている場合、このＣＣ
Ｄカメラで三次元形状物体におけるＸＹ平面部の投影像
若しくは反射像を撮像するときに同期してＺ方向用照明
手段だけが照明し残りのＸ方向およびＹ方向用照明手段
は照明しないように制御されており、以下、上記ＣＣＤ
カメラにより逐次タイミングをずらして三次元形状物体
におけるＸＺ平面部、ＹＺ平面部の投影像若しくは反射
像を撮像する構成が採られている。すなわち、Ｘ方向、
Ｙ方向およびＺ方向用照明手段については、三次元形状
物体の対応するＹＺ平面部、ＸＺ平面部およびＸＹ平面
部の撮像時にそれぞれ同期して機能させる切替え手段が
必要となる。請求項２に係る発明は、このような照明の
切替え手段を必要としない三次元形状物体撮像装置に関
する。

【００１１】すなわち、請求項２に係る発明は、互いに
直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸で示される空間を占める三次元形
状物体を撮像する三次元形状物体撮像装置を前提とし、
上記三次元形状物体を固定する固定手段と、固定された
三次元形状物体を中心にしてそのＸＹＺ軸方向から互い
に波長の異なる光をそれぞれ照射するＸ、Ｙ、Ｚ方向用
照明手段と、その光軸方向がＸＹＺ軸のいずれか１つの
方向に設定されかつ対応したその方向用照明手段による
三次元形状物体の投影光若しくは反射光が入射される少
なくとも１つのＣＣＤカメラと、残りの２方向側にそれ
ぞれ配置されかつ対応したその各方向用照明手段による
三次元形状物体の各投影光若しくは反射光の光路を変更
させてその投影光若しくは反射光を上記ＣＣＤカメラに
入射させる光路変更手段を具備し、かつ、上記三次元形
状物体と各光路変更手段の間には対応する残りの２方向
用照明手段から照射される波長域の光のみを透過させる
光学フィルターがそれぞれ設けられていると共に、上記
三次元形状物体とＣＣＤカメラ間にはこの光軸方向と同
一の方向用照明手段による三次元形状物体の投影光若し
くは反射光が入射されるときにのみ作用してその方向用
照明手段から照射される波長域の光のみを透過させる光
学フィルターが設けられていることを特徴とするもので
ある。

【００１２】そして、請求項２記載の発明に係る三次元
形状物体撮像装置によれば、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方
向用照明手段からは互いに波長の異なる光が三次元形状
物体に向けて照射され、かつ、三次元形状物体と各光路
変更手段の間および三次元形状物体とＣＣＤカメラ間に
設けられた別々の光学フィルターを介し各方向からの対
応した光のみが上記ＣＣＤカメラに入射されることにな
る。

【００１３】従って、ＸＹＺ軸のいずれかの方向に配置
されたＣＣＤカメラで三次元形状物体における例えばＸ
Ｙ平面部の投影像若しくは反射像を撮像する際、Ｚ方向
用照明手段だけでなくＸ方向およびＹ方向用照明手段が
三次元形状物体を同時に照明している場合でも、上記Ｃ
ＣＤカメラには、各光学フィルターの作用によりＸ方向
およびＹ方向用照明手段からの光は入射されずＺ方向用
照明手段からの光のみが入射されることになるため、上
記切替え手段を設けることなく三次元形状物体における
各平面部の投影像若しくは反射像の撮像が可能となる。

【００１４】尚、ＸＹＺ軸方向から互いに波長の異なる
光をそれぞれ照射するＸ、Ｙ、Ｚ方向用照明手段として
は、５７０ｎｍ（黄緑色光源）、６９０ｎｍ（サンセッ
トオレンジ色光源）、および、６４４ｎｍ（赤色光源）
の光を照射する各光源がそれぞれ例示される。

【００１５】ところで、本発明に係る三次元形状物体撮
像装置においては、三次元形状物体から直接ＣＣＤカメ
ラに入射される三次元形状物体の投影像若しくは反射
像、あるいは、各光路変更手段を介して上記ＣＣＤカメ
ラに入射される三次元形状物体の投影像若しくは反射像
における画像の焦点合わせのために、上記ＣＣＤカメラ
または三次元形状物体を固定する上記固定手段等の少な
くとも一方をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動させる移動手段が
必要となる場合がある。また、三次元形状物体のＸＹ、
ＸＺ、ＹＺ平面部における任意箇所の投影像若しくは反
射像を撮像できるようにするため、あるいは、各光路変
更手段により光路が変更されてＣＣＤカメラに入射され
る三次元形状物体の投影像若しくは反射像を撮像できる
ようにするため、ＣＣＤカメラまたは上述した固定手段
等の少なくとも一方をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動させる移
動手段が必要となる場合がある。請求項３および請求項
４に係る発明はこのような技術的理由から上記移動手段
を組込んだ発明に関する。

【００１６】すなわち、請求項３に係る発明は、請求項
１記載の発明に係る三次元形状物体撮像装置を前提と
し、上記固定手段、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向用照明手段、およ
び、各光路変更手段が同一のステージに固定されてお
り、かつ、このステージおよび上記ＣＣＤカメラが固定
されたカメラステージの少なくとも一方をＸ、Ｙ、Ｚ軸
方向へ移動させる移動手段を備えていることを特徴とす
るものであり、請求項４に係る発明は、請求項２記載の
発明に係る三次元形状物体撮像装置を前提とし、上記固
定手段、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向用照明手段、各光路変更手段、
および、各光学フィルターが同一のステージに固定され
ており、かつ、このステージおよび上記ＣＣＤカメラが
固定されたカメラステージの少なくとも一方をＸ、Ｙ、
Ｚ軸方向へ移動させる移動手段を備えていることを特徴
とするものである。

【００１７】尚、請求項３および請求項４に係る発明に
おいては、上記移動手段によりＣＣＤカメラを固定した
カメラステージのみがＸ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動し、ある
いは他方のステージのみがＸ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動する
ようにしてもよいし、各ステージの両方がそれぞれＸ、
Ｙ、Ｚ軸方向へ独立して移動するようにしてもよい。ま
た、場合によってはＣＣＤカメラを固定したカメラステ
ージがＸ、Ｙ、Ｚ軸のいずれか一方の方向へ移動し、他
方のステージが残りの２方向へ移動するようにしてもよ
くその構成は任意である。

【００１８】また、本発明に係る三次元形状物体撮像装
置において、固定されあるいはその光軸方向へのみ移動
するように設定されたＣＣＤカメラにテレセントリック
レンズ（撮像される物体の大きさが光軸方向の前後位置
に依存しないレンズ）が装着され、かつ、この装置に搭
載された各光路変更手段により光路を変更された三次元
形状物体における投影像若しくは反射像の各画像が上記
テレセントリックレンズの視野に全て含まれる解像度で
十分な場合には、固定手段、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向用照明手
段、各光路変更手段等が固定された上記ステージをＸ、
Ｙ、Ｚ軸のいずれかの方向へ移動させる上記移動手段の
組込みを省略させることも可能である。

【００１９】また、本発明に係る三次元形状物体撮像装
置においては、その光軸方向をＸＹＺ軸のいずれか１つ
の方向に設定した少なくとも１台のＣＣＤカメラが装備
されているが、三次元形状物体における各平面部の投影
像若しくは反射像についてこれを異なる倍率で撮像でき
るような装置にするためには、倍率が連続可変のズーム
レンズを適用するか、１台のＣＣＤカメラにレンズ交換
機能を付けるか、あるいは、異なった倍率のレンズがそ
れぞれ装着されかつ光軸方向が同一方向に設定される複
数台のＣＣＤカメラを互いに交換可能に用意する構成が
例示される。

【００２０】次に、本発明に係る三次元形状物体撮像装
置において三次元形状物体の投影光若しくは反射光の光
路を変更させてＣＣＤカメラへ入射させる光路変更手段
としては、反射ミラー、９０度反射プリズム、ペンタプ
リズム等が挙げられる。請求項５に係る発明は上記光路
変更手段を特定した発明に関する。

【００２１】すなわち、請求項５に係る発明は、請求項
１、２、３または４記載の発明に係る三次元形状物体撮
像装置を前提とし、上記光路変更手段が、反射ミラー、
９０度反射プリズム、または、ペンタプリズムのいずれ
かであることを特徴とするものである。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００２３】まず、この実施の形態に係る三次元形状物
体撮像装置１は、図１〜図４に示すように装置本体１０
０の固定ステージ（図示せず）に取付けられ三次元形状
物体２が固定される固定手段３と、上記三次元形状物体
２を中心にしてそのＸＹＺ軸方向にそれぞれ配置された
Ｘ、Ｙ、Ｚ方向用照明手段としてのＬＥＤ照明４、５、
６と、光軸方向がＺ軸方向に設定され図５に示すような
同軸落射照明７が付設されると共にその光入射側にテレ
セントリックレンズ８が装着されかつ図６に示すような
ＸＹＺ方向に移動可能な移動カメラステージ９に固定さ
れたＣＣＤカメラ１０と、固定された三次元形状物体２
を中心にして上記ＬＥＤ照明４の対向側でＹ、Ｚ方向用
照明手段としてのＬＥＤ照明５、６を遮らない部位に配
置されかつＬＥＤ照明４による三次元形状物体２の投影
光の光路を変更させて上記ＣＣＤカメラ１０に入射させ
る光路変更手段としてのＸ方向用９０度反射プリズム１
１と、同じく上記三次元形状物体２を中心にしてＬＥＤ
照明５の対向側でＸ、Ｚ方向用照明手段としてのＬＥＤ
照明４、６を遮らない部位に配置されかつＬＥＤ照明５
による三次元形状物体２の投影光の光路を変更させて上
記ＣＣＤカメラ１０に入射させる光路変更手段としての
Ｙ方向用９０度反射プリズム１２と、上記装置本体１０
０上に設けられＣＣＤカメラ１０で撮像された三次元形
状物体２の投影像若しくは反射像を表示する撮像画像用
モニター１３と、同じく装置本体１００上に設けられか
つ制御系の主要部を構成する制御用コンピュータのモニ
ター（コンピュータ用モニター）１４と、制御用コンピ
ュータに接続されたキーボード１５並びにポインティン
グデバイス１６とでその主要部が構成されており、か
つ、上述した各ＬＥＤ照明４、５、６、Ｘ方向用９０度
反射プリズム１１およびＹ方向用９０度反射プリズム１
２等は固定手段３と共に上記固定ステージに取付けられ
ている。

【００２４】また、上記ＣＣＤカメラ１０に付設された
同軸落射照明７は、図５に示すように光源７０と、この
光源７０からの光をＣＣＤカメラ１０に設けられたハー
フミラー７１側へ導きこのミラー面で反射させてテレセ
ントリックレンズ８側から出射させる光ファイバ７２と
で構成されている。また、ＸＹＺ方向に移動可能な上記
移動カメラステージ９は、図６に示すように互いに直交
するように組込まれたＸ方向移動ステージ９１、Ｙ方向
移動ステージ９２およびＺ方向移動ステージ９３とで構
成され、かつ、上記ＣＣＤカメラ１０はＺ方向移動ステ
ージ９３の取付け部９０に固定して取付けられており、
これによりＣＣＤカメラ１０がＸＹＺ方向へ任意に移動
できるようになっている。また、Ｚ方向用照明手段とし
てのＬＥＤ照明６と、ＣＣＤカメラ１０に付設された同
軸落射照明７は、測定対象である三次元形状物体２の撮
像に適したいずれかの照明が適宜選択されるようになっ
ており、かつ、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向用照明手段としての各Ｌ
ＥＤ照明４、５、６は、三次元形状物体２における対応
するＹＺ平面部、ＸＺ平面部およびＸＹ平面部の撮像時
にそれぞれ同期して逐次点灯するように図示外の切替え
手段により各点灯タイミングが制御される（すなわち、
各ＬＥＤ照明４、５、６が同時に点灯しないように制御
される）ようになっている。

【００２５】尚、切替え手段を省略するためには、上記
ＬＥＤ照明４、５、６として互いに異なる発光波長のＬ
ＥＤ光源を適用し、図１および図２において一点鎖線で
示すように三次元形状物体２とＣＣＤカメラ１０との間
にＬＥＤ照明６の発光波長のみを透過させる四角形状の
光学フィルター１７を介在させると共に、光路変更手段
としてのＸ方向用９０度反射プリズム１１にＬＥＤ照明
４の発光波長のみを透過させる光学フィルター（図示せ
ず）を施し、また、光路変更手段としてのＹ方向用９０
度反射プリズム１２にＬＥＤ照明５の発光波長のみを透
過させる光学フィルター（図示せず）を施す構成にすれ
ばよい。

【００２６】また、この三次元形状物体撮像装置の制御
系２００は、予め作成した撮像・計測条件ファイル（三
次元形状物体の撮像や計測を自動化させるための操作手
順）等が記録されるハードディスク、フロッピーディス
ク等記録素子を有しかつ上記キーボード１５並びにポイ
ンティングデバイス１６が接続された制御用コンピュー
タ（図示せず）と、この制御用コンピュータに組込まれ
その画像入力側が上記ＣＣＤカメラ１０に接続されかつ
画像出力側が撮像画像用モニター１３に接続された画像
解析ボード（図示せず）とでその主要部が構成されてお
り、かつ、この画像解析ボードは上記ＣＣＤカメラ１０
で撮像された三次元形状物体２におけるＹＺ平面部、Ｘ
Ｚ平面部およびＸＹ平面部の各画像データをファイルに
記録できる画像メモリー（図示せず）を有している。す
なわち、装置全体の制御系２００は、図７に示すような
コンピュータシステムから成っており、ＣＣＤカメラ１
０、マウス等ポインティングデバイス１６、キーボード
１５等からの信号が入力インターフェース２０１を介し
て制御部２０２にデータとして入力される。そして、制
御部２０２は、システム全体を総括的に処理するＣＰＵ
２０３と、このＣＰＵ２０３との間で処理上でのデータ
の授受を行うＲＡＭ２０４および上記ＣＰＵ２０３に処
理手順を与えるプログラム等を格納するＲＯＭ２０５か
ら成り、上記ＲＯＭ２０５には、記録された画像ファイ
ルを用いて測定対象の画像解析を行う際の適切な操作手
順を計測作業者に指示する複数の計測アルゴリズム（メ
ニュー…１：平行部分の幅を計測する操作手順、２：交
点間距離を計測する操作手順、３：指定間隔離れた位置
の幅を計測する操作手順、４：凸凹部分の最大高さを計
測する操作手順、５：凸凹部分の位置を計測する操作手
順、６：先端凸凹部分の最大高さを計測する操作手順、
７：中心線からの距離を計測する操作手順、８：隙間の
最小間隔を計測する操作手順、等）の各プログラム等が
予め格納されており、上記ＣＰＵ２０３は、入力インタ
ーフェース２０１を介して与えられたデータに基づいて
上記プログラムを実行し、出力インターフェース２０６
を介してＸ方向移動ステージ９１、Ｙ方向移動ステージ
９２、Ｚ方向移動ステージ９３、Ｘ方向用照明手段（Ｌ
ＥＤ照明）４、Ｙ方向用照明手段（ＬＥＤ照明）５、Ｚ
方向用照明手段（ＬＥＤ照明）６、コンピュータ用モニ
ター１４、撮像画像用モニター１３等に制御用の信号を
送出し、これ等を制御するようになっている。

【００２７】以下、この実施の形態に係る三次元形状物
体撮像装置を用い図８に示した三次元形状物体（金属加
工部品）２の撮像と計測を行う方法について説明する。

【００２８】尚、この三次元形状物体（金属加工部品）
２は、図８と図９（Ａ）〜（Ｃ）に示すように直方体状
の部品本体２１０と、このＸＹ平面部、ＸＺ平面部およ
びＹＺ平面部にそれぞれ設けられた円形状の貫通孔２１
１、２１２、２１３とで構成されているものである。

【００２９】まず、この三次元形状物体（金属加工部
品）２の角部を図３〜図４に示すように固定手段（固定
治具）３にて固定した後、ＬＥＤ照明６を点灯させなが
ら三次元形状物体（金属加工部品）２におけるＸＹ平面
部の投影光をＣＣＤカメラ１０に入射させてその投影像
を撮像画像用モニター１３に映し出す。そして、このモ
ニター画像を見ながらマニュアル操作によりＺ方向移動
ステージ９３を移動させて焦点合わせを行った後、三次
元形状物体（金属加工部品）２を撮像してＸＹ平面部の
投影像を上記画像解析ボードの画像メモリーに記録す
る。

【００３０】次に、上記ＬＥＤ照明６を消灯させる一
方、ＬＥＤ照明４を点灯させ、かつ、マニュアル操作に
よりＸ方向移動ステージ９１を移動させて図１０に示す
ようにＣＣＤカメラ１０をＸ方向用９０度反射プリズム
１１の対向側に配置した後、ＬＥＤ照明４による三次元
形状物体（金属加工部品）２におけるＹＺ平面部の投影
光を図１１に示すようにＸ方向用９０度反射プリズム１
１を介しＣＣＤカメラ１０に入射させてその投影像を撮
像画像用モニター１３に映し出す。そして、このモニタ
ー画像を見ながらマニュアル操作によりＺ方向移動ステ
ージ９３を移動させて焦点合わせを行った後、三次元形
状物体（金属加工部品）２を撮像してＹＺ平面部の投影
像を上記画像解析ボードの画像メモリーに記録する。

【００３１】尚、この三次元形状物体撮像装置に光学フ
ィルター１７が組込まれている（上記切替え手段を省略
するため）場合、図１０に示すようにＣＣＤカメラ１０
をＸ方向用９０度反射プリズム１１の対向側に配置させ
るとＣＣＤカメラ１０の対向側に上記光学フィルター１
７が介在しなくなるため、この光学フィルター１７をＸ
Ｙ平面部の撮像時にのみ作用させることが可能となる。

【００３２】最後に、上記ＬＥＤ照明４を消灯させる一
方、ＬＥＤ照明５を点灯させ、かつ、マニュアル操作に
よりＹ方向移動ステージ９２を移動させてＣＣＤカメラ
１０をＹ方向用９０度反射プリズム１２の対向側に配置
した後、ＬＥＤ照明５による三次元形状物体（金属加工
部品）２におけるＸＺ平面部の投影光をＹ方向用９０度
反射プリズム１２を介しＣＣＤカメラ１０に入射させて
その投影像を撮像画像用モニター１３に映し出す。そし
て、このモニター画像を見ながらマニュアル操作により
Ｚ方向移動ステージ９３を移動させて焦点合わせを行っ
た後、三次元形状物体（金属加工部品）２を撮像してＸ
Ｚ平面部の投影像を上記画像解析ボードの画像メモリー
に記録し三次元形状物体（金属加工部品）２のＸＹＺ軸
３方向からの撮像を終了する。

【００３３】尚、この実施の形態に係る三次元形状物体
撮像装置においては光路変更手段として９０度反射プリ
ズムが適用されており、三次元形状物体（金属加工部
品）２の投影像は図１２に示すような関係でＣＣＤカメ
ラ１０に入射されるため、図１４（Ａ）〜（Ｃ）に示す
ような画像パターンが得られる。また、光路変更手段と
してペンタプリズムを適用した場合、三次元形状物体
（金属加工部品）２の投影像は図１３に示すようにその
上下が反転した関係でＣＣＤカメラ１０に入射されるた
め、図１５（Ａ）〜（Ｃ）に示すように第三角法による
製図のような画像パターンが得られる。

【００３４】次に、上記画像解析ボードの画像メモリー
に記録された三次元形状物体（金属加工部品）２の各投
影像を用いて画像解析（上記貫通孔の孔径の計測）を行
う方法について説明する。

【００３５】まず、上記画像メモリーから必要とする投
影像の画像データを指定して撮像画像用モニター１３に
読み出し、かつ、計測部位に適した上述の計測アリゴリ
ズムをメニュー画面から選択すると共に、選択された計
測アリゴリズムの操作手順に従って、例えばエッジ検出
線の始点と終点の座標等を指定して投影像を用いた画像
解析を行う。ここで、上記エッジ検出線の設定は、撮像
画像用モニター１３上の画像を見ながらポインティング
デバイスを用いて行う。すなわち、ＣＣＤカメラ１０か
らの画像出力信号は、上述したように制御用コンピュー
タに組込まれた、例えば５１２×５１２の画像メモリー
を装備する画像解析ボードに接続されており、図１６
（Ａ）に示す画像メモリーのＸ軸とＹ軸で指定される各
座標（画像アドレス）に、ＣＣＤカメラにおける対応す
る各画素の撮像濃度（すなわち、図１６Ｂで示すような
Ｄ11、Ｄ21、Ｄ31等の画像濃度データ）が記録されるよ
うになっており、かつ、撮像画像用モニター上のポイン
ティングデバイスの位置が画像メモリー上の上記画像ア
ドレスに対応している。

【００３６】尚、図１６（Ｃ）で示すように、（Ｄ11−
Ｄ21＝Ｄ’1121），（Ｄ21−Ｄ31＝Ｄ’2131），（Ｄ31
−Ｄ41＝Ｄ’3141）等隣接する各座標位置の画像濃度デ
ータの差分を順次求めることにより画像濃度変化の一次
微分値が得られ、図１６（Ｄ）で示すように（Ｄ’1121
−Ｄ’2131＝Ｄ”11212131），（Ｄ’2131−Ｄ’3141＝
Ｄ”21313141）等隣接する一次微分値の差分を順次求め
ることにより画像濃度変化の二次微分値が得られる。

【００３７】そこで、図１７に示すように、撮像画像用
モニター上に読み出された画像を見ながらポインティン
グデバイスを用いてエッジ検出線αの始点α1 と終点α
2 を指定することによりエッジ検出線の設定がなされ
る。また、上記エッジ検出におけるエッジとは、図１８
に示すように画像濃度変化（図１８では、図１７におけ
るエッジ検出線αの始点α1 から貫通孔２１１の端部を
横切るまでの画像濃度変化がプロットされている）から
サブピクセル精度（１画素以下の精度）で設定される濃
度変化中心位置を意味している。すなわち、この濃度変
化中心位置は、図１７においてエッジ検出線αが貫通孔
２１１の円周端部を横切る点α3 の座標位置に対応して
いる。そして、貫通孔２１１における円周部の２箇所の
エッジを検出しその最大エッジ間距離（直径）を画像解
析により求めた。

【００３８】尚、この実施の形態において上記エッジ検
出は、貫通孔２１１の円中心付近から円周部付近におけ
る画像濃度変化の二次微分を求め、その二次微分値が０
と交わる点をエッジ位置と決定している。

【００３９】また、この実施の形態では、上記三次元形
状物体（金属加工部品）の計測を行う方法として、この
三次元形状物体撮像装置で撮像した画像データを画像解
析ボードの画像メモリーに一旦記録し、記録された上記
画像データを再度読み出すと共に、読み出された画像デ
ータに基づき画像解析を行って計測する方法を例示して
いるが、以下の実施例で示すように三次元形状物体（金
属加工部品）の撮像と同時に画像解析に基づく計測を直
接行う方法を採ってもよい。

【００４０】

【実施例】以下、本発明の実施例について具体的に説明
する。

【００４１】尚、撮像対象である三次元形状物体２には
図８に示された３０ｍｍ角、高さ１０ｍｍの金属加工部
品を適用している。また、三次元形状物体撮像装置１は
図１〜図４に示された実施の形態に係る三次元形状物体
撮像装置が適用されている。但し、ＸＹＺ方向に移動可
能な上記移動カメラステージ９の各方向の最大移動距離
は１００ｍｍである。また、ＣＣＤカメラ１０の光入射
側に装着されたテレセントリックレンズ８には倍率０．
３２倍、作動距離１２０ｍｍのレンズが適用されてい
る。また、ＣＣＤカメラ１０には１／２インチサイズＣ
ＣＤカメラ［有効画素数７６８（水平方向）×４９４
（垂直方向）］が適用されており、これにより視野は２
０ｍｍ（水平方向）×１５ｍｍ（垂直方向）になる。ま
た、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向用照明手段としてのＬＥＤ照明４、
５、６には赤色のＬＥＤを適用し、三次元形状物体２に
おけるＸＹ平面部、ＹＺ平面部およびＸＺ平面部の投影
像（透過画像）を撮像している。尚、これ等ＬＥＤ照明
４、５、６は、対応する各方向の投影像を撮像するとき
のみ点灯させる構成にしている。

【００４２】まず、撮像対象である金属加工部品を固定
治具に固定した。次に、移動カメラステージ９を作動さ
せて金属加工部品のＸＹ平面部に設けられた貫通孔２１
１の上部にＣＣＤカメラを移動させ、かつ、Ｚ方向移動
ステージ９３を移動させて焦点合わせを行い上記貫通孔
２１１の撮像と貫通孔２１１における孔径の計測を行っ
た。貫通孔２１１の孔径は、孔中心付近からＸ軸方向に
両側のエッジ（円周）を検出して最大エッジ間距離（直
径）を求め、同様にＹ軸方向の最大エッジ間距離（直
径）を求めその大きい方を孔径とした。

【００４３】ここで、エッジ検出は、中心付近から円周
部付近における画像濃度変化の二次微分を求め、その二
次微分値が０と交わる点をエッジ位置とした。

【００４４】次に、上記ＣＣＤカメラ１０を、金属加工
部品のＸＺ平面部に設けられた貫通孔２１２が映し出さ
れたＹ方向用９０度反射プリズム１２の上部に移動さ
せ、かつ、Ｚ方向移動ステージ９３を移動させて焦点合
わせを行い上記貫通孔２１２の撮像と貫通孔２１２にお
ける孔径の計測を同様の手順に従って行った。

【００４５】最後に、上記ＣＣＤカメラ１０を、金属加
工部品のＹＺ平面部に設けられた貫通孔２１３が映し出
されたＸ方向用９０度反射プリズム１１の上部に移動さ
せ、かつ、Ｚ方向移動ステージ９３を移動させて焦点合
わせを行い上記貫通孔２１３の撮像と貫通孔２１３にお
ける孔径の計測を同様の手順に従って行った。

【００４６】尚、実施例に係る三次元形状物体撮像装置
（実施例）と図１９に示された従来の計測装置（比較
例）とを適用して金属加工部品における貫通孔の孔径の
画像解析による計測を行い、画像解析に要する時間（画
像解析時間）、金属加工部品の向きを変える置き換え時
間、ステージの移動時間をそれぞれ比較したところ、以
下の表１に示すような結果が得られた。

【００４７】表１画像解析時間置き換え時間ステージ移動時間実施例約０１秒０秒約０６秒比較例約０１秒約１０秒約０６秒そして、実施例に係る三次元形状物体撮像装置と比較例
に係る計測装置についてその画像解析時間には差異はあ
まりなかったが、比較例に係る計測装置においては金属
加工部品の向きを変える置き換え時間が必要となる分、
作業時間が長くかかると共にその作業性に劣り、顕著な
差異が確認された。

【００４８】

【発明の効果】請求項１、３、５記載の発明に係る三次
元形状物体撮像装置によれば、光軸方向がＸＹＺ軸のい
ずれか１つの方向に設定されかつ対応したその方向用照
明手段による三次元形状物体の投影光若しくは反射光が
入射される少なくとも１つのＣＣＤカメラと、残りの２
方向側にそれぞれ配置されかつ対応したその各方向用照
明手段による三次元形状物体の各投影光若しくは反射光
の光路を変更させてその投影光若しくは反射光を上記Ｃ
ＣＤカメラに入射させる光路変更手段を具備しているた
め、固定手段で固定された三次元形状物体の向きを変更
することなくしかも最小個数のＣＣＤカメラにて三次元
形状物体のＸＹ平面部、ＸＺ平面部およびＹＺ平面部の
計測対象をそれぞれ撮像できる効果を有する。

【００４９】また、請求項２、４、５記載の発明に係る
三次元形状物体撮像装置によれば、Ｘ方向、Ｙ方向およ
びＺ方向用照明手段からは互いに波長の異なる光が三次
元形状物体に向けて照射され、かつ、三次元形状物体と
各光路変更手段の間および三次元形状物体とＣＣＤカメ
ラ間に設けられた別々の光学フィルターを介し各方向か
らの対応した光のみが上記ＣＣＤカメラに入射されるこ
とになる。

【００５０】従って、ＸＹＺ軸のいずれかの方向に配置
されたＣＣＤカメラで三次元形状物体における例えばＸ
Ｙ平面部の投影像若しくは反射像を撮像する際、Ｚ方向
用照明手段だけでなくＸ方向およびＹ方向用照明手段が
三次元形状物体を同時に照明している場合でも、上記Ｃ
ＣＤカメラには、各光学フィルターの作用によりＸ方向
およびＹ方向用照明手段からの光は入射されずＺ方向用
照明手段からの光のみが入射されることになるため、上
記切替え手段を設けることなく三次元形状物体における
各平面部の投影像若しくは反射像の撮像が可能となる効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態に係る三次元形状物体撮像装置の概
略正面図。

【図２】実施の形態に係る三次元形状物体撮像装置の概
略平面図。

【図３】図１の部分拡大図。

【図４】図２の部分拡大図。

【図５】実施の形態に係る三次元形状物体撮像装置にお
ける照明手段としての同軸落射照明の構成を示す説明
図。

【図６】実施の形態に係る三次元形状物体撮像装置にお
ける移動カメラステージの構成説明図。

【図７】実施の形態に係る三次元形状物体撮像装置にお
ける装置全体の制御系を示すブロック図。

【図８】撮像対象である金属加工部品の概略斜視図。

【図９】図９（Ａ）は上記金属加工部品の平面図、図９
（Ｂ）は上記金属加工部品の正面図、図９（Ｃ）は上記
金属加工部品の側面図。

【図１０】実施の形態に係る三次元形状物体撮像装置の
光路変更手段の作用説明図。

【図１１】実施の形態に係る三次元形状物体撮像装置の
光路変更手段の作用を示す概略斜視図。

【図１２】光路変更手段としての９０度反射プリズムの
作用を示す概略斜視図。

【図１３】光路変更手段としてのペンタプリズムの作用
を示す概略斜視図。

【図１４】図１４（Ａ）〜（Ｃ）は上記９０度反射プリ
ズムが適用された三次元形状物体撮像装置で撮像された
金属加工部品のＸＹ、ＸＺ、ＹＺ平面部における各投影
像のパターン図。

【図１５】図１５（Ａ）〜（Ｃ）は上記ペンタプリズム
が適用された三次元形状物体撮像装置で撮像された金属
加工部品のＸＹ、ＸＺ、ＹＺ平面部における各投影像の
パターン図。

【図１６】図１６（Ａ）は画像解析ボードの画像メモリ
ーを示す説明図、図１６（Ｂ）は画像メモリーに記録さ
れる画像濃度のデータ説明図、図１６（Ｃ）はこの画像
濃度変化の一次微分値のデータ説明図、図１６（Ｄ）は
この画像濃度変化の二次微分値のデータ説明図。

【図１７】実施の形態に係る三次元形状物体撮像装置の
撮像画像用モニターに表示された金属加工部品における
ＸＹ平面部の投影画像に対しエッジ検出線の始点と終点
をポインティングデバイスにより指定する際の操作説明
図。

【図１８】上記撮像画像用モニターに表示された金属加
工部品における貫通孔画像におけるエッジ検出線上の画
像濃度変化を示すと共にこの画像濃度変化のエッジ位置
を示すグラフ図。

【図１９】従来の三次元形状物体撮像装置の構成説明
図。

【符号の説明】

１三次元形状物体撮像装置２三次元形状物体３固定手段４ＬＥＤ照明５ＬＥＤ照明６ＬＥＤ照明９移動カメラステージ１０ＣＣＤカメラ１１Ｘ方向用９０度反射プリズム１２Ｙ方向用９０度反射プリズム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸で示される空
間を占める三次元形状物体を撮像する三次元形状物体撮
像装置において、上記三次元形状物体を固定する固定手段と、固定された
三次元形状物体を中心にしてそのＸＹＺ軸方向から互い
に時間をずらして光を逐次照射するＸ、Ｙ、Ｚ方向用照
明手段と、その光軸方向がＸＹＺ軸のいずれか１つの方
向に設定されかつ対応したその方向用照明手段による三
次元形状物体の投影光若しくは反射光が入射される少な
くとも１つのＣＣＤカメラと、残りの２方向側にそれぞ
れ配置されかつ対応したその各方向用照明手段による三
次元形状物体の各投影光若しくは反射光の光路を変更さ
せてその投影光若しくは反射光を上記ＣＣＤカメラに入
射させる光路変更手段を具備することを特徴とする三次
元形状物体撮像装置。
【請求項２】互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸で示される空
間を占める三次元形状物体を撮像する三次元形状物体撮
像装置において、上記三次元形状物体を固定する固定手段と、固定された
三次元形状物体を中心にしてそのＸＹＺ軸方向から互い
に波長の異なる光をそれぞれ照射するＸ、Ｙ、Ｚ方向用
照明手段と、その光軸方向がＸＹＺ軸のいずれか１つの
方向に設定されかつ対応したその方向用照明手段による
三次元形状物体の投影光若しくは反射光が入射される少
なくとも１つのＣＣＤカメラと、残りの２方向側にそれ
ぞれ配置されかつ対応したその各方向用照明手段による
三次元形状物体の各投影光若しくは反射光の光路を変更
させてその投影光若しくは反射光を上記ＣＣＤカメラに
入射させる光路変更手段を具備し、かつ、上記三次元形
状物体と各光路変更手段の間には対応する残りの２方向
用照明手段から照射される波長域の光のみを透過させる
光学フィルターがそれぞれ設けられていると共に、上記
三次元形状物体とＣＣＤカメラ間にはこの光軸方向と同
一の方向用照明手段による三次元形状物体の投影光若し
くは反射光が入射されるときにのみ作用してその方向用
照明手段から照射される波長域の光のみを透過させる光
学フィルターが設けられていることを特徴とする三次元
形状物体撮像装置。
【請求項３】上記固定手段、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向用照明手
段、および、各光路変更手段が同一のステージに固定さ
れており、かつ、このステージおよび上記ＣＣＤカメラ
が固定されたカメラステージの少なくとも一方をＸ、
Ｙ、Ｚ軸方向へ移動させる移動手段を備えていることを
特徴とする請求項１記載の三次元形状物体撮像装置。
【請求項４】上記固定手段、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向用照明手
段、各光路変更手段、および、各光学フィルターが同一
のステージに固定されており、かつ、このステージおよ
び上記ＣＣＤカメラが固定されたカメラステージの少な
くとも一方をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動させる移動手段を
備えていることを特徴とする請求項２記載の三次元形状
物体撮像装置。
【請求項５】上記光路変更手段が、反射ミラー、９０度
反射プリズム、または、ペンタプリズムのいずれかであ
ることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の三
次元形状物体撮像装置。