JP2016138761A - 光切断法による三次元測定方法および三次元測定器 - Google Patents

Abstract

【課題】廉価な構成で精度良く三次元測定データを取得可能な光切断法による三次元測定方法を提供する。
【解決手段】測定対象物２を載せた基準面３上において、ライン光源１２、カメラ１３からライン光１２ｂの照射位置までの距離ＳＬ、ＣＬ、基準面３からライン光源１２、カメラ１３までの距離ＨＬを用いて、ライン光源１２、カメラ１３の測定ポイントＴＰに対する角度ＲＡ、ＣＡを次式から算出し、算出角度から測定ポイントＴＰの高さＺを算出する。ＲＡ＝９０−ｔａｎ^−１（ＳＬ／ＨＬ）、ＣＡ＝９０−ｔａｎ^−１（ＣＬ／ＨＬ）、ライン光源の角度を精度良く検出する機構、ライン光源の角度を精度良く制御する機構が不要なので、廉価な構成で精度良く三次元データを取得可能な三次元測定器を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ライン光源を回転させて、当該ライン光源からのライン光（スリット光）で、基準面に載せた測定対象物の表面を走査し、当該表面を走査するライン光の撮影画像に基づき、当該表面の三次元形状を測定する光切断法による三次元測定方法および三次元測定器に関する。

測定対象物の表面の三次元形状を測定するための方法として、光切断法による三次元測定方法が知られている。光切断法では、ＬＥＤ、レーザーなどの点光源からレンズ光学系等によってライン光を形成し、ライン光に直交する方向に、ライン光を測定対象物に対して相対移動させて測定対象物の表面をライン光で走査する。ライン光による表面走査光像をカメラによって撮影し、撮影画像から測定対象物の表面の三次元データを取得している。ライン光の走査方式としては、測定対象物あるいはライン光源を平行移動させる方式と、特許文献１に記載されているように、ライン光源を回転させる方式とが知られている。

一般的なライン光源を回転させて測定対象物の表面を走査する方式の三次元測定器では、測定ポイントに対するライン光源の角度および測定ポイントに対するカメラの角度と、各部の間の距離とを用いて、三角測量の原理を利用して測定対象物の高さを求めている。

図３を参照して説明すると、ライン光走査方向であるｘ方向におけるライン光源１０１とカメラ１０２との距離をＷＬ、測定対象物１０３の表面上の測定ポイントＴＰに対するライン光源１０１の角度をＲＡ、測定ポイントＴＰに対するカメラ１０２の角度をＣＡとする。

ライン光源１０１およびカメラ１０２が位置する上面１０４から測定ポイントＴＰまでの距離ＴＬは、距離ＷＬ、角度ＲＡ、ＣＡを用いて、次の式（１）により算出される。
ＴＬ＝ＷＬ／｛１／ｔａｎ（ＲＡ）＋１／ｔａｎ（ＣＡ）｝ （１）

測定対象物１０３を載せる基準面１０５と上面１０４との間の距離ＨＬは既知の値であるので、求めようとしている測定ポイントＴＰの基準面１０５からの高さＺは、次の式（２）により算出される。
Ｚ＝ＨＬ−ＴＬ
＝ＨＬ−ＷＬ／｛１／ｔａｎ（ＲＡ）＋１／ｔａｎ（ＣＡ）｝ （２）

特開２０１０−１９８１２号公報

ここで、ライン光源を回転させて測定対象物の表面をライン光で走査する方式の三次元測定器においては、測定ポイントの高さの算出基準となる角度ＲＡに誤差が生じると、精度良く三次元データを取得できない。したがって、ライン光源の角度ＲＡを精度良く検出でき、かつ、回転させるライン光源の角度を精度良く制御できることが必要である。

ライン光源の角度ＲＡを精度良く検出するためには、当該角度ＲＡの検出基準となるライン光源の原点位置を精度良く検出する必要がある。そのために、高精度な検出機構、例
えば、高分解能のアブソリュートエンコーダが必要になる。また、ライン光源をカメラと正確に同期をとって回転させる必要があり、同期を取らない場合には、ライン光源の回転駆動に当って超高精度な速度制御が必要になる。

例えば、図３の例において、距離ＨＬ＝３００ｍｍ、距離ＷＬ＝１００ｍｍ、ライン光源の角度ＲＡ＝８０°、カメラの角度ＣＡ＝８０°の場合において、角度ＲＡに０．１°という非常に小さい誤差があったとすると（すなわち、実際の角度ＲＡ＝８０．１°であったとすると）、上記の式（１）より、
ＴＬ＝３００−１００／｛（１／ｔａｎ（８０）＋１／ｔａｎ（８０）｝
＝１６．４３６ｍｍ
と算出される。

しかしながら、実際の値は、次のようになる。
ＴＬ＝３００−１００／｛（１／ｔａｎ（８０．１）＋１／ｔａｎ（８０）｝
＝１４．９８２ｍｍ
このため、測定結果には、１．４５２ｍｍ（＝１６．４３６−１４．９８２）と大きな誤差が生じる。このように、僅かな角度誤差に起因して測定された三次元データに大きな誤差が生じるので、角度検出、角度制御を精度良く行う必要がある。

さらには、基準面を照射するライン光が、走査方向に直交するｙ方向に平行でないと、平行とのずれで、角度ＲＡに誤差が生じてしまう。この場合の誤差は、計算により補正することが可能であるが、そのためには、平行からの角度ずれを検出し、あるいは、初期値として用意しておく必要がある。

これに加えて、測定対象物の高さＺを算出するために、上面１０４から測定ポイントＴＰまでの間の長い距離ＴＬを計算しているので、この点からも測定精度が低下しやすいという問題点がある。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、測定対象物を載せた基準面上における各部の間の距離に基づきライン光源の測定ポイントに対する角度を算出し、算出した角度に基づき測定対象物の高さを算出することで、角度の検出誤差等に影響されずに精度良く測定を行うことができる光切断法による三次元測定方法および三次元測定器を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、
ライン光源を回転させて、基準面に載せた測定対象物の表面をライン光で走査し、前記表面を照射する前記ライン光の光切断線をカメラで撮影し、撮影画像に基づき前記表面の三次元形状を算出する光切断法による三次元測定方法において、
前記基準面上における前記ライン光の走査方向をｘ方向、前記基準面上における前記ｘ方向に直交する方向をｙ方向、前記基準面の法線方向をｚ方向とし、
前記基準面から前記ライン光源および前記カメラの撮像中心までのｚ方向の距離をＨＬ、前記ライン光源から前記カメラの撮像中心までのｘ方向の距離をＷＬ、前記基準面上における前記ライン光源から前記光切断線までのｘ方向の距離をＳＬ、前記基準面上における前記カメラから前記光切断線までのｘ方向の距離をＣＬ、前記基準面に対する前記ライン光源の角度をＲＡ、前記基準面に対する前記カメラの角度をＣＡとすると、
前記角度ＲＡおよびＣＡを、それぞれ、次式で示すように、距離ＨＬ、ＳＬおよびＣＬを用いて算出し、
ＲＡ＝９０−ｔａｎ^−１（ＳＬ／ＨＬ）
ＣＡ＝９０−ｔａｎ^−１（ＣＬ／ＨＬ）
前記ライン光の前記測定対象物の表面上の位置を測定ポイントとすると、前記基準面上の前記光切断線から、前記カメラの撮像中心および前記測定ポイントを通る線分が前記基準面に交わる交点までのｘ方向の距離をＢＬとすると、当該距離ＢＬを次式により算出し、
ＢＬ＝ＳＬ＋ＣＬ−ＷＬ
前記測定ポイントにおける前記基準面からのｚ方向の高さＺを、
Ｚ＝ＢＬ／｛１／ｔａｎ（ＲＡ）＋１／ｔａｎ（ＣＡ）｝
により算出することを特徴とする。

本発明の三次元測定法では、測定ポイントに対するライン光源の角度ＲＡおよび測定ポイントに対するカメラの角度ＣＡを、各部の間の距離ＳＬ、ＣＬ、ＨＬを用いて算出し、算出した角度ＲＡ、ＣＡを用いて測定ポイントの高さＺを算出している。よって、角度ＲＡの検出誤差、角度ＲＡの制御誤差に影響されずに三次元測定データを取得できる。

したがって、角度ＲＡの検出基準となるライン光源の原点角度を精度良く検出する必要がなく、フォトインタラプタ等の安価な原点検出機構を用いることができる。また、ライン光源をカメラと同期を取って精度良く回転駆動させる必要がないので、ＵＳＢカメラを用いてライン光源と非同期に動画を取得するだけでよい。さらに、ライン光源による基準面上の光切断線がｙ方向に対して傾斜していても、角度ＲＡに誤差が生じないので、ライン光の平行度を検出する機構が不要である。

さらには、測定ポイントの高さＺを算出するために、測定ポイントから上面までの長い距離（ＨＬ−Ｚ）を算出する必要がなく、直接に高さＺを算出しているので、誤差の少ない測定を実現できる。

このように、本発明によれば、安価な構成で、精度良く三次元測定データを取得できる三次元測定方法が得られる。

本発明の三次元測定方法において、基準面上の光切断線がｙ方向に対して傾斜している場合には、ｙ方向の各位置において、距離ＳＬ（ｘ方向における前記ライン光源の回転中心から前記光切断線までの間の距離）が相違する。この場合には、距離ＳＬとして、次のように算出した値を用いればよい。

すなわち、前記基準面上において、前記測定対象物に対してｙ方向の両側に、ｘ方向に平行に延びる第１基準ラインおよび第２基準ラインを定め、前記第１、第２基準ラインのｙ方向の間隔をＡＬとし、前記第１基準ラインと前記基準面上の前記光切断線との交点から前記ライン光源までのｘ方向の距離をＳ１Ｌ、前記第２基準ラインと前記光切断線との交点から前記ライン光源までのｘ方向の距離をＳ２Ｌとし、前記第１基準ラインから前記測定ポイントまでのｙ方向の距離をＰＬとすると、前記距離ＳＬとして、
ＳＬ＝（Ｓ２Ｌ−Ｓ１Ｌ）／ＡＬ × ＰＬ
により算出した値を用いればよい。

次に、本発明は上記方法を用いた三次元測定器であって、
測定対象物を載せる基準面と、
ライン光源を回転させて、前記基準面に載せた測定対象物の表面を前記ライン光源から射出されるライン光で走査する走査光学系と、
前記表面を照射する前記ライン光の光切断線を撮影するカメラを備えた撮像光学系と、
前記カメラの撮影画像に基づき前記表面の三次元形状を算出する信号処理部と、
を有しており、
前記信号処理部は、上記の方法により、前記表面の各測定ポイントの高さを算出するこ
とを特徴としている。

（ａ）は本発明を適用した三次元測定器の構成を示す構成図であり、（ｂ）はその基準面に測定対象物を載せた状態を示す説明図である。 ライン光の基準面上の光切断線が傾いている場合の状態を示す説明図である。 従来の光切断法による三次元測定方法を示す説明図である。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した光切断法による三次元測定器の実施の形態を説明する。図１（ａ）は本実施の形態に係る三次元測定器の概略構成を示す説明図であり、図１（ｂ）は基準面に測定対象物を置いた状態を示す説明図である。

（全体構成）
三次元測定器１は、測定対象物２、例えば人間の手を載せる基準面３と、ライン光で測定対象物２を走査する走査光学系４と、ライン光による測定対象物の走査画像を撮影する撮像光学系５と、各部を制御し、撮影画像に基づき測定対象物の三次元データを算出する制御装置６を備えている。

基準面３は例えば長方形の平坦面であり、図に示すように、その長さ方向をｘ方向、その幅方向をｙ方向、基準面３の法線方向をｚ方向と呼ぶものとする。基準面３の上方には、基準面３から所定の距離（ｚ方向の距離）ＨＬの位置に、基準面３に平行な平坦な上面１１が配置され、当該上面１１には、走査光学系４のライン光源１２および撮像光学系５のカメラ１３が取り付けられている。

ライン光源１２は、例えば、ＬＥＤ、レーザー等の点光源と、点光源からの射出光をｙ方向に広がるライン光に変換して射出するレンズ光学系等から構成される。ライン光源１２は、回転機構１４によって、上面１１上に位置する回転中心１２ａ回りに回転可能である。ライン光源１２が回転すると、そこから射出されて基準面３を照射するライン光１２ｂの照射ラインである光切断線１２ｃが、基準面３上を、その長さ方向であるｘ方向に走査する。

カメラ１３の撮像中心１３ａの中心は、上面１１において、ライン光源１２の回転中心１２ａからｘ方向に距離ＷＬだけ離れた位置に配置されている。カメラ１３として各種のものを用いることができる。カメラ１３は、基準面３上におけるライン光１２ｂの光切断線１２ｃの走査範囲を包含する領域を撮影可能である。

各部の駆動制御を司る制御装置６は、ライン光源１２、回転機構１４およびカメラ１３の駆動制御部１５、１６、１７と、カメラ１３から得られる撮影画像を処理して測定対象物２の三次元測定データを算出する信号処理部１８等を備えている。

測定に当っては、図１に示すように、測定対象物２を基準面３上の所定の位置に載せる。基準面３上には、その幅方向であるｙ方向の両端縁に一定幅の基準面帯３ｂ、３ｃが形成され、双方の基準面帯３ｂ、３ｃの間の領域３ａが測定対象物２の載置面である。また、双方の基準面帯３ｂ、３ｃには、それぞれ、ｙ方向に平行に延びる第１基準ライン９ａ、第２基準ライン９ｂが、カメラ１３の該当する画素を利用した仮想のラインとして描かれている。なお、図１（ｂ）および後述の図２には、双方の基準面帯３ｂ、３ｃに、それぞれ仮想のラインである第１基準ライン９ａ、第２基準ライン９ｂを太い実線で示してある。

基準面３の領域３ａに測定対象物２を載せた状態で、ライン光源１２をオンしてライン光１２ｂを測定対象物２の表面に照射する。ライン光源１２を回転機構１４によって回転させることにより、ライン光１２ｂで、測定対象物２の表面をｘ方向に走査する。ライン光１２ｂの光切断線１２ｃの走査画像がカメラ１３によって取得される。カメラ１３で取得された画像は、制御装置６の信号処理部１８において次のように処理されて、測定対象物２の表面上の各測定ポイントＴＰの高さＺが算出される。

（処理手順）
まず、基準面３上において、ｘ方向におけるライン光源１２の回転中心１２ａに対応する位置から基準面３上の光切断線１２ｃの位置までの距離をＳＬとする。また、ライン光１２ｂが照射する測定対象物２の表面上の測定ポイントをＴＰとすると、基準面３上において、ｘ方向におけるカメラ１３の撮像中心１３ａから、当該撮像中心１３ａおよび測定ポイントＴＰを通る線分１３ｂが基準面３に交わる交点までの距離をＣＬとする。これらの距離ＳＬ、ＣＬは、基準面３上において、光切断線１２ｃと左右の第１、第２基準ライン９ａ、９ｂとの交点に基づき算出できる。

また、ライン光源１２の回転角、すなわち、ライン光１２ｂが照射する測定対象物２の表面上の測定ポイントＴＰに対するライン光源１２の角度をＲＡとし、測定ポイントＴＰに対するカメラ１３の角度（撮像中心１３ａと測定ポイントＴＰを結ぶ線分１３ｂの上面１１に対する角度）をＣＡとする。

図１（ａ）に拡大して示すように、基準面３と上面１１が平行であるので、角度ＲＡは基準面３とライン光１２ｂのなす角度に等しく、角度ＣＡは、基準面３と線分１３ｂのなす角度に等しい。

したがって、角度ＲＡおよび角度ＣＡは、それぞれ、次の式（３）、（４）で示すように、距離ＨＬ、ＳＬおよびＣＬを用いて算出される。
ＲＡ＝９０−ｔａｎ^−１（ＳＬ／ＨＬ） （３）
ＣＡ＝９０−ｔａｎ^−１（ＣＬ／ＨＬ） （４）

基準面３において、ライン光の光切断線１２ｃの位置から、カメラ１３の撮像中心１３ａと測定ポイントＴＰを結ぶ線分１３ｂが交差する交点までのｘ方向の距離をＢＬとすると、当該距離ＢＬを次の式（５）により算出される。
ＢＬ＝ＳＬ＋ＣＬ−ＷＬ （５）

よって、測定ポイントＴＰの高さＺ、すなわち、基準面３から測定ポイントＴＰまでのｚ方向の距離は次の式（６）により算出される。
Ｚ＝ＢＬ／｛１／ｔａｎ（ＲＡ）＋１／ｔａｎ（ＣＡ）｝ （６）

図２は、ライン光１２ｂの光切断線１２ｃが基準面幅方向であるｙ方向に対して傾斜している場合の説明図である。図示の場合には、距離ＳＬは、基準面幅方向の一方の第１基準ライン９ａの側では、距離Ｓ１Ｌと相対的に長くなり、反対側の第２基準ライン９ｂの側では距離Ｓ２Ｌと相対的に短くなる。

この場合には、第１、第２基準ライン９ａ、９ｂの間のｙ方向の距離をＡＬとし、第１基準ライン９ａから測定ポイントＴＰまでのｙ方向の距離をＰＬとすると、距離ＳＬとして、次の式（７）により算出される値を用いればよい。
ＳＬ＝（Ｓ２Ｌ−Ｓ１Ｌ）／ＡＬ × ＰＬ （７）

以上説明したように、本例の三次元測定器１では、距離ＳＬ、ＣＬ、ＨＬを用いて角度
ＲＡを算出しているので、角度ＲＡの誤差に影響されずに精度良く測定対象物の三次元測定データを取得できる。また、角度ＲＡを精度良く検出するための検出機構が不要である。さらに、ライン光源３をカメラ１３の撮影動作に同期させて精度良く回転させる（ライン光を走査させる）必要もない。これに加えて、上面から測定ポイントＴＰまでの長い距離を算出することなく、基準面から測定ポイントＴＰまでの高さを算出しているので、精度良く高さを算出できる。

１ 三次元測定器
２ 測定対象物
３ 基準面
３ａ，３ｂ 基準面帯
４ 走査光学系
５ 撮像光学系
６ 駆動装置
９ａ 第１基準ライン
９ｂ 第２基準ライン
１１ 上面
１２ ライン光源
１２ａ 回転中心
１２ｂ ライン光
１２ｃ 光切断線
１３ カメラ
１３ａ 撮像中心
１４ 回転機構
１５，１６，１７ 駆動制御部
１８ 信号処理部

Claims (3)

1. ライン光源を回転させて、基準面に載せた測定対象物の表面をライン光で走査し、前記表面を照射する前記ライン光の光切断線をカメラで撮影し、撮影画像に基づき前記表面の三次元形状を算出する光切断法による三次元測定方法において、
   前記基準面上における前記ライン光の走査方向をｘ方向、前記基準面上における前記ｘ方向に直交する方向をｙ方向、前記基準面の法線方向をｚ方向とし、
   前記基準面から前記ライン光源および前記カメラの撮像中心までのｚ方向の距離をＨＬ、前記ライン光源から前記カメラの撮像中心までのｘ方向の距離をＷＬ、前記基準面上における前記ライン光源から前記光切断線までのｘ方向の距離をＳＬ、前記基準面上における前記カメラから前記光切断線までのｘ方向の距離をＣＬ、前記基準面に対する前記ライン光源の角度をＲＡ、前記基準面に対する前記カメラの角度をＣＡとすると、
   前記角度ＲＡおよびＣＡを、それぞれ、次式で示すように、距離ＨＬ、ＳＬおよびＣＬを用いて算出し、
   ＲＡ＝９０−ｔａｎ^−１（ＳＬ／ＨＬ）
   ＣＡ＝９０−ｔａｎ^−１（ＣＬ／ＨＬ）
   前記ライン光の前記測定対象物の表面上の位置を測定ポイントとすると、前記基準面上の前記光切断線から、前記カメラの撮像中心および前記測定ポイントを通る線分が前記基準面に交わる交点までのｘ方向の距離をＢＬとすると、当該距離ＢＬを次式により算出し、
   ＢＬ＝ＳＬ＋ＣＬ−ＷＬ
   前記測定ポイントにおける前記基準面からのｚ方向の高さＺを、
   Ｚ＝ＢＬ／｛１／ｔａｎ（ＲＡ）＋１／ｔａｎ（ＣＡ）｝
   により算出することを特徴とする光切断法による三次元測定方法。
2. 前記基準面上において、前記測定対象物に対してｙ方向の両側に、ｘ方向に平行に延びる第１基準ラインおよび第２基準ラインを定め、前記第１、第２基準ラインのｙ方向の間隔をＡＬとし、前記第１基準ラインと前記基準面上の前記光切断線との交点から前記ライン光源までのｘ方向の距離をＳ１Ｌ、前記第２基準ラインと前記光切断線との交点から前記ライン光源までのｘ方向の距離をＳ２Ｌとし、前記第１基準ラインから前記測定ポイントまでのｙ方向の距離をＰＬとすると、前記距離ＳＬとして、
   ＳＬ＝（Ｓ２Ｌ−Ｓ１Ｌ）／ＡＬ × ＰＬ
   により算出した値を用いる請求項１に記載の光切断法による三次元測定方法。
3. 測定対象物を載せる基準面と、
   ライン光源を回転させて、前記基準面に載せた測定対象物の表面を前記ライン光源から射出されるライン光で走査する走査光学系と、
   前記表面を照射する前記ライン光の光切断線を撮影するカメラを備えた撮像光学系と、
   前記カメラの撮影画像に基づき前記表面の三次元形状を算出する信号処理部と、
   を有しており、
   前記信号処理部は、請求項１または２に記載の方法により、前記表面の各測定ポイントの高さを算出することを特徴とする三次元測定器。

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