三次元形状計測装置及び三次元形状計測方法
【課題】カメラ、レーザの相対位置を高精度で設置する必要がなく、また、測定レンジを複数種類を単一の測定プログラムにより変更する。
【解決手段】レーザ線条光照射部12と、既知形状の基準模様群を表示面に表示した座標変換テーブル作成用印刷表示板16と、照射部位の光切断面及びレーザ照射平面上に設置される表示板16を撮影するカメラ11と、表示板１６の基準模様群を撮影したカメラ上の座標データを抽出する基準座標抽出手段131とから基準模様群の座標データと基準座標抽出手段131で抽出されたカメラ上の座標データとの対応関係を示す座標変換テーブル133を作成する。形状測定時には、表示板16を外して同じ位置に被測定物を配置させ、レーザ線条光を照射して照射部位の光切断面を撮影した画像から、点群抽出手段134により光切断面の点群を抽出する。抽出した点群座標を近似処理手段135により座標変換テーブル上の値に近似する。
【解決手段】レーザ線条光照射部12と、既知形状の基準模様群を表示面に表示した座標変換テーブル作成用印刷表示板16と、照射部位の光切断面及びレーザ照射平面上に設置される表示板16を撮影するカメラ11と、表示板１６の基準模様群を撮影したカメラ上の座標データを抽出する基準座標抽出手段131とから基準模様群の座標データと基準座標抽出手段131で抽出されたカメラ上の座標データとの対応関係を示す座標変換テーブル133を作成する。形状測定時には、表示板16を外して同じ位置に被測定物を配置させ、レーザ線条光を照射して照射部位の光切断面を撮影した画像から、点群抽出手段134により光切断面の点群を抽出する。抽出した点群座標を近似処理手段135により座標変換テーブル上の値に近似する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、物体の三次元形状に関する所定項目を光切断法を用いて非接触で高精度に計測する三次元形状計測装置及び三次元形状計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ線条光（「ラインレーザ光」とも称する）を測定対象に照射し、その線条光をカメラにて撮影して測定対象の形状等を測定する光切断法による三次元測定方法が広く行われている。この場合、測定前にカメラのレンズ歪みを除去する等のキャリブレーション（校正）を行なうのが一般的である。この三次元測定方法はカメラ、レーザ（レーザ線条光）の位置から、カメラ画像データを取得し、アフィン変換などの空間座標変換を用いて計測する。カメラとレーザ（レーザ線条光）照射部との位置の精度が測定誤差に影響するため、カメラとレーザ照射部の位置を精密に設置する必要がある。これを実現させるため、カメラとレーザ照射部の位置を近づけ、相対距離の誤差を少なくする工夫がなされている。例えば、レーザ及びカメラを一つのシャーシに組み込み、精密に設置する方法が取られている。また、カメラのレンズ歪みを取る画像処理プログラムが広く用いられ、精度を向上させている。
【０００３】
同一装置で、複数の測定レンジを持たせる場合、同一の測定プログラムの数値の丸め込みの桁を変えることで可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１９２４８３号公報
【特許文献２】特開平８−３５８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、障害物など、測定周辺環境によるカメラ、レーザの設置位置の制限などで、カメラとレーザの位置を離す場合、カメラ、レーザ（レーザ線条光）相対位置の精密な設置が必要であるが困難である、という課題がある。
【０００６】
カメラとレーザの位置が振動や経年によりずれた場合、元の位置に戻す、もしくは、ずれた設置位置を再測定し、精密な設置が必要である、という課題もある。
【０００７】
さらに、カメラが複数台あり、合成する場合、カメラ間の精密な設置が要求される、という課題もある。
【０００８】
加えて、同一装置で、カメラレンズの歪みを補正する、という必要があるが、歪み補正の処理時間が必要であり、また補正しても軽減されるがまだ誤差は残る、という課題もある。
【０００９】
一方、同一装置で複数の測定レンジを持たせる場合、測定レンジと測定時間（処理速度）の関係として、測定レンジは粗くするものの処理速度は速くする（測定時間重視）、その逆に、測定レンジはより精細にするが処理速度は遅くする（測定精度重視）、といった手法をフレキシブルに変更したいという要求があるものの、これを実現させることは必ずしも容易でない。
【００１０】
そこで、本発明は、光切断法による形状計測において、カメラ、レーザの相対位置を高精度で設置する必要がなく、また、測定レンジを複数種類を単一の測定プログラムにより変更することができる三次元形状計測装置及び三次元形状計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するための第１の特徴は、被測定物にレーザ線条光を照射するレーザ線条光照射部と、既知形状の基準模様群を表示面に表示した座標変換テーブル作成用の表示体と、照射部位の光切断面及びレーザ照射平面上に設置される前記座標変換テーブル作成用の表示体を撮影するカメラと、印刷表示板と、カメラ撮影画像を処理する画像処理部と、前記表示体の基準模様群を撮影したカメラ上の座標データを抽出する基準座標抽出手段と、基準模様群の座標データと前記基準座標抽出手段で抽出されたカメラ上の座標データとの対応関係を示す座標変換テーブルを作成する座標変換テーブル作成手段と、形状測定時には、前記座標変換テーブル作成用の表示体を外して同じ位置に被測定物を配置させ、この被測定物にレーザ線条光を照射した照射部位の光切断面を撮影した画像から、光切断面の点群を抽出する点群抽出手段と、抽出した点群座標を前記座標変換テーブル上の値に近似する近似処理手段と、を備え、近似データから照射部位の光切断面を測定するようにしたことにある。
【００１２】
また、第２の特徴は、被測定物を測定するレーザ照射平面上に、表面に基準模様群が印刷または表示された座標変換テーブル作成用の表示体を設置するステップと、前記座標変換テーブル作成用の表示板の基準模様群をカメラで撮影するステップと、撮影した画像データを取り込んでカメラ上の基準模様群の座標データを抽出するステップと、座標変換プログラムを用いて抽出したデータと基準模様群の座標データと対応させた座標変換テーブルを座標変換プログラムを用いて作成するステップと、被測定物の形状測定時には前記座標変換テーブル作成用の表示体を外して同じ位置に前記被測定物を設置するステップと、前記被測定物にレーザ線条光を照射し、照射部位の光切断面を撮影して得られた画像データから、光切断面のラインを点群に変換し、点群を抽出するステップと、抽出した点群座標を先に作成した座標変換テーブル上の値に近似するステップと、を備え、前記座標変換プログラムを用いて照射部位の光切断面を測定するようにしたことにある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施形態１の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】光切断法による形状計測の一例を示す説明図である。
【図３】本発明に係る実施形態１の座標変換テーブル作成用印刷表示板の一例を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る実施形態１の座標変換テーブル作成用印刷表示板における表示面の構成を示す説明図である。
【図５】本発明に係る実施形態１における処理手順を示すフローチャートであり、（ａ）は座標変換テーブル取得処理、（ｂ）は座標変換テーブルを用いた形状取得処理を示す。
【図６】実施形態１における座標変換テーブル作成用印刷表示板１６とレーザ線条光照射部１２とカメラ１１との位置関係を示す説明図である。
【図７】表示面１６１とカメラ画像とを並べた説明図であり、（ａ）は表示面、（ｂ）はカメラ画像を示す。
【図８】基準模様１６１ａの基準点αと、カメラ画像での基準模様１１１ａのカメラ画像基準点Αの位置を示した説明図であり、（ａ）は表示面、（ｂ）はカメラ画像を示す。
【図９】基準点間を格子状に結んだ説明図であり、（ａ）は表示面、（ｂ）はカメラ画像を示す。
【図１０】表示面とカメラ画像の基準点間との関係を示す説明図であり、（ａ）は表示面、（ｂ）はカメラ画像を示す。
【図１１】表示面基準点αとカメラ画像の基準点Αとの対応を表した１次座標変換テーブルｔを示す構成図である。
【図１２】基準模様間のピッチを短くした１次座標変換テーブルｔを作成する説明図である。
【図１３】図２に示す被測定物１０にレーザ線条光を照射カメラ１１で撮影したカメラ画像を示す説明図である。
【図１４】図１３の撮影画像のレーザ軌跡をライン処理し、線上の輝度の高い点群を抽出して点の集合体にすることを示す説明図である。
【図１５】抽出した点１１１１ａの座標をカメラ基準点ΑのＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈの座標のいずれか最も近い点に置換する様子を示した説明図である。
【図１６】置換した座標を１次座標変換テーブルｔで変換する様子を示した説明図である。
【図１７】２次座標変換テーブルＴを作成するために、基準点間の線分をｄ分割し、向かい合う線分の分割した点同士を繋いだ様子を示す説明図である。
【図１８】図１７に示す格子点間をすべて分割した表示面及びカメラ画像の一例を示す説明図である。
【図１９】表示面基準点ａとカメラ画像の基準点Ａとの対応を表した２次座標変換テーブルＴの構成を示す説明図である。
【図２０】本発明に係る実施形態２の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図である。
【図２１】表示面１７１に表示している基準模様１７１ａと基準模様群１７１ａａの一例を示す説明図である。
【図２２】実施形態２におけるレーザ線条光照射部１２と座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板１７とカメラ１１との位置関係を示す説明図である。
【図２３】本発明に係る実施形態３の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図である。
【図２４】表示面１８１に表示している基準模様１８１ａと基準模様群１８１ａａの一例を示す説明図である。
【図２５】実施形態３におけるレーザ線条光照射部１２と座標変換テーブル作成用液晶ディスプレイ表示板１８とカメラ１１との位置関係を示す説明図である。
【図２６】本発明に係る実施形態４の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図である。
【図２７】本発明に係る実施形態４の処理手順を示すフローチャートであり、（ａ）は座標変換テーブル取得処理、（ｂ）は座標変換テーブルを用いた形状取得を示す。
【図２８】座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９の構成を示す斜視図である。
【図２９】突起プレート１９１の形状を一例を示す構成図であり、（ａ）は矩形状、（ｂ）山形（三角）状、（ｃ）は針状を示す。
【図３０】実施形態４におけるレーザ線条光照射部１２と座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９とカメラ１１との位置関係を示す説明図である。
【図３１】レーザ線条光照射部１２と座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９の受光センサ１９２ａ、１９２ｂ、１９２ｃ、１９２ｄとの位置関係を示す説明図である。
【図３２】表示面１９１とカメラ画像とを並べた説明図であり、（ａ）は表示面、（ｂ）はカメラ画像を示している。
【図３３】基準模様１９１ａと基準点αと、カメラ画像での基準模様１１１ａとカメラ画像基準点Αの一例を示す説明図であり、（ａ）は基準模様１９１ａ、（ｂ）はカメラ画像基準点Αを示す。
【図３４】本発明に係る実施形態５の三次元形状計測装置の実施例である。
【図３５】本発明に係る実施形態６の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図である。
【図３６】本発明に係る実施形態６の処理手順を示すフローチャートであり、（ａ）は座標変換テーブル取得処理、（ｂ）は座標変換テーブルを用いた形状取得処理を示す。
【図３７】実施形態６におけるレーザ線条光照射部１２と座標変換テーブル作成用印刷表示板１６とカメラ１１との位置関係を示す説明図である。
【図３８】複数の座標変換テーブルによる三次元計測の位置例を示す説明図である。
【図３９】実施形態６における三次元計測の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜実施形態１＞
図１は、本発明に係る実施形態１の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図である。
【００１５】
図１において、この実施形態１の三次元形状計測装置は、カメラ１１（複数の場合は、１１ａ，１１ｂ，・・・）と、レーザ線条光照射部１２と、画像処理部１３と、画像表示部１４と、外部I／Ｆ部１５と、表示板（座標変換テーブル作成用印刷表示板）１６等を備えている。
【００１６】
カメラ１１は、ＣＣＤやＣ−ＭＯＳ等の電子カメラであり、被測定物１０及び表示板１６の表示面１６１（図３、図４参照）を撮影する。
【００１７】
レーザ線条光照射部１２は、図２に示すように、被測定物１０の表面にレーザ線条光照射部１２からレーザ線条光１２２を照射し、光切断法により被測定物１０の光切断面形状を測定する。一方、座標変換テーブル作成時には、所定の位置に置かれた座標変換テーブル作成用印刷表示板１６にレーザ線条光１２２を照射し、光切断方による表示板１６の撮像データに基づいた座標変換テーブルの作成に使用される。
【００１８】
画像処理部１３は、基準座標抽出プログラムで構成される基準座標抽出手段１３１と、座標細分化プログラムで構成される座標細分化手段１３２と、座標変換テーブル１３３と、ライン処理プログラムで構成されるライン処理手段１３４と、近似処理プログラムで構成される近似処理手段１３５とを有し、座標変換テーブル１３３を作成すると共に、作成された座標変換テーブル１３３を用いて被測定物１０の形状を計測する。
【００１９】
基準座標抽出手段１３１は、カメラ１１で表示板１６の表示面１６１を撮影し、カメラ１１からの画像データを取得し、基準点αの座標を抽出する。座標細分化手段１３２は、基準点間を細分化し、基準点数を増やすことで測定精度を増すためのものである。カメラ１１で被測定物１０にレーザ線条光照射部１２より照射されたレーザによる光切断面形状を撮影し、座標変換テーブル１３３にて変換し、被測定物１０の光切断面の光切断面形状を求めるものである。
【００２０】
画像表示部１４は、画像処理部１３にある画像データを表示するものである。
【００２１】
外部I／Ｆ部１５は、被測定物１０の光断面形状計測データを本装置後段の形状計測部、形状認識部等の外部装置に出力するものである。
【００２２】
表示板１６は、座標変換テーブル作成用印刷表示板である。この座標変換テーブル作成用印刷表示板１６の表面には、図３、図４に示すように、矩形の表示面１６１が設けられ、その四隅には、表示面１６１と同一平面をなす受光センサ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、１６２ｄが設けられている。これら受光センサ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、１６２ｄが共にレーザ線条光１２２を受光した場合、レーザ線条光１２２と４つの受光センサ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、１６２ｄとが織りなす平面が同一平面となり位置決めが確定されるようになっている。さらに上部側に設けられた受光センサ１６２ａ、１６２ｂを設置する部材１６４にはスリット１６４が形成されている。このスリット１６４は、上方からのレーザ線条光１２２の受光が下方に設置された受光センサ６２ｃ、１６２ｄで死角にならないようにして位置決め精度を高めるために設置されている。
【００２３】
表示面１６１には、図４に示すように、例えば、１ｍｍ間隔で縦横１００×１００個の基準模様１６１ａから成る基準模様群１６１ａａが形成されている。
【００２４】
図５は実施形態１における処理手順を示しており、図５（ａ）は座標変換テーブルを取得するフローチャート、図５（ｂ）は形状計測のフローチャートである。
【００２５】
＜座標変換テーブル取得処理＞
図５（ａ）における座標変換テーブル取得処理では、まず、図６に示すように、表示板１６を受光センサ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、１６２ｄが共にレーザ線条光１２２を受光する位置に設置して（ステップＳ１）、表示板１６の基準模様群をカメラ１１で撮影する（ステップＳ２）。次いで、撮影画像上の基準模様群１６１ａａの中心点群（基準点群）の座標を取得する（ステップＳ３）。そして、基準模様の基準点αと、カメラ画像基準点Αの座標を一次座標変換テーブルｔに登録する（ステップＳ４）。次いで、一次座標変換テーブルｔを座標細分化手段１３２の細分化プログラムによって座標を細分化する（ステップＳ５）。細分化されたテーブルは座標変換テーブルＴとして登録される（ステップＳ６）。
【００２６】
次に、座標変換テーブルＴの作成処理の各ステップを詳述する。
【００２７】
先ず、ステップＳ１の処理では、カメラ１１とレーザ線条光照射部１２と座標変換テーブル作成用印刷表示板１６との位置関係を図６のように設定する。すなわち、レーザ線条光照射部１２よりレーザ線条光１２２を照射し、座標変換テーブル作成用印刷表示板１６の受光センサ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、１６２ｄがすべて受光反応する位置に座標変換テーブル作成用印刷表示板１６を設置する。これにより、表示面１６１とレーザ線条光１２２は同一平面となる。この位置で、座標変換テーブル作成用印刷表示板１６をカメラ１１で撮影する。
【００２８】
図７は、表示面１６１とこの表示面１６１のカメラ画像とを並べたものであり、図７（ａ）は表示面、図７（ｂ）は表示面を撮影したカメラ画像を示す。
【００２９】
図８（ａ）に示すように、基準模様１６１ａの基準点αは、カメラ画像では、図９（ｂ）に示すように、基準模様１１１ａのカメラ画像基準点Αとなる。カメラ画像基準点Αは、例えば、基準模様１１１ａを楕円とみなし、楕円の２焦点間の中点とする。
【００３０】
図９は、基準点間を格子状に結んだ説明図である。図９（ａ）は表示面、図９（ｂ）はカメラ画像である。図９（ａ）に示す表示面の基準点αと図９（ｂ）に示すカメラ画像の基準点Αとは、図１０に示すような１対１の関係になる。すなわち、表示面の基準点αは、カメラ画像上の基準点Αに映る。α１１はΑ１１に、α１２はΑ１２に、αｍｎはΑｍｎ（ｍ、ｎは自然数）に対応しており、それぞれ１点につき、対応する点は唯一の1点であり、一意的に決まる。逆に、あるカメラ基準点Αｍｎは、表示面の唯一の点αｍｎに対応する。すなわち、表示板１６を外し、図４に示すように、被測定物を設置し、あるカメラ基準点Αｍｎが光っている場合、それに対応する基準点αｍｎの位置に被測定物が存在していることを意味している。
【００３１】
このようにして、表示面基準点αとカメラ画像の基準点Αとの対応を示す座標関係をテーブル化して、図１１に示すような１次座標変換テーブルｔが作成される。なお、表示面の基準点間のピッチは任意に変えることが可能であり、図８の基準模様間のピッチを短くして、図１２に示すような、１次座標変換テーブルｔを作成することも可能である。
【００３２】
＜形状計測処理＞
図５（ｂ）に示す“形状計測処理”においては、先ず、図２に示すように、被測定物１０にレーザ線条光１２２を照射してカメラ１１で撮影する（ステップＳ７）。次いで、撮影画像のレーザ軌跡をライン処理し、ラインを点の集合対として点群座標データを取得する（ステップＳ８）。点群座標データを座標変換テーブルＴの変換座標に近似する（ステップＳ９）。座標変換テーブルＴを用いて座標変換、光切断形状を取得する（ステップＳ１０）。外部Ｉ／Ｆ部１５を介して形状計測データを出力する（ステップＳ１１）。
【００３３】
次に、上述のようにして作成された座標変換テーブルＴを用いて被測定物１０を撮影してカメラ画像を得て形状測定データを得るまでの処理を具体的に説明する。
【００３４】
図１３は、図２に示す位置関係で、被測定物１０にレーザ線条光１１２を照射し、カメラ１１で撮影したカメラ画像である。図１４は、ステップＳ８に示すように、図１３の撮影画像のレーザ軌跡をライン処理し、線上の輝度の高い点群を抽出し、点の集合体にすることを示している。同図（ｂ）はその拡大表示の一例である。カメラ基準点ΑのＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈ点間の領域に、抽出した点１１１１ａがあることが理解できる。
【００３５】
図１５は、ステップＳ９に示すように、抽出した点１１１１ａの座標とカメラ基準点ΑのＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈの座標より、カメラ基準点ΑのＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈとの距離を比較し、いずれかに最も近い点に置換する様子を示した説明図である。
【００３６】
例えば、１１１１ａのある点をΒ1（ｘ1,ｙ1）、Ｅ点の座標を（ＸＥ,ＹＥ）とすると、１１１１ａとＥ点の距離は、
となる。同様にＦ点の座標を（ＸＦ,ＹＦ）、Ｇ点の座標を（ＸＧ,ＹＧ）、Ｈ点の座標を（ＸＨ,ＹＨ）とすると、
となる。
【００３７】
そして、式(１)、(２)、(３)、(４)の中で最小値になる点に近似、置換する。つまり、例えば、
が最小値であれば、点Β1は、Ｅ点に置換される。
【００３８】
図１６は、ステップＳ１０に示すように、置換した座標を１次座標変換テーブルｔで変換する様子を示しており、被測定物１０の光断面形状を近似し、求めることが出来る。誤差は、理論上、基準点間のピッチを小さくするほど、高精細に光断面形状を計測し、計測データを取得することができる。
【００３９】
そして、上述のようにして得られた計測データは、ステップＳ１１に示すように、外部Ｉ／Ｆ部１５を介して外部に出力される。
【００４０】
しかし、基準点Α間を短くしていくと、カメラ１１の解像度、カメラ１１と表示面との角度、距離などにより、基準点Α同士が重なり、判別できないことがある。この方式は、計測精度は、基準点間を超えられないため、基準点Αが判別できるところまで以上に測定精度を上げることができない、という課題がある。この課題を解決する方法を後述する。
【００４１】
まず、基準点が判別できる間隔の表示面１６１を撮影し、図２（ａ）のステップＳ１〜Ｓ４の処理を行なう。
【００４２】
図１７は、ステップＳ５に示すように、後述する２次座標変換テーブルＴを作成するために、基準点間の線分をｄ分割し、向かい合う線分の分割した点同士を繋いだ様子を示している。ｄは自然数である。つまり、基準点間を格子状にｄ分割した点と、カメラ画像での基準点間をｄ分割したそれぞれの点同士は、ほぼ対応する位置に近似する。測定精度は、ｄ分割の分割数、分割のピッチ間を変更することで、調節することができる。
【００４３】
図１８は、分割した表示面及びカメラ画像の一例である。ａ１１はＡ１１に、ａ１２はＡ１２に、ａｍｎはＡｍｎ（ｍ、ｎは自然数）にそれぞれ対応しており、それぞれ１点につき、対応する点は唯一の1点であり、一意的に決まる。逆に、あるカメラ基準点Ａｍｎは、表示面の唯一の点ａｍｎに対応する。これは、図１１におけるαをａ、ΑをＡに読み替えたものと同様である。
【００４４】
表示板１６を外し、図２に示すように、被測定物１０を設置し、あるカメラ基準点Ａｍｎが光っている場合、それに対応する基準点ａｍｎの位置に被測定物がある、ということである。
【００４５】
図１９は、表示面基準点ａとカメラ画像の基準点Ａとの対応を表したものであり、２次座標変換テーブルＴを示したものである。
【００４６】
以下、図５（ｂ）のＳ７〜Ｓ１１を前述と同様に行なうことで、光断面形状を計測し、計測データを出力する。
【００４７】
上述した１次座標変換テーブルｔと２次座標変換テーブルＴとの相違について説明する。
【００４８】
例えば、基準模様の径Φ0.2mm、１次テーブル用表示：ピッチ1mmの表示板があるとする。
【００４９】
１）1mmピッチで測定したい場合には、１次変換のみで測定可能である。
【００５０】
２）0.5mmピッチで測定したい場合には、上記表示板で１次座標変換テーブルｔをつくり、これを細分化（この場合1/2）して２次座標変換テーブルＴを作成することで測定可能となる。
【００５１】
３）他の方法として、例えば、模様Φ0.2mm、１次テーブル用表示：ピッチ0.5mmの表示板を作ることにより、１次座標変換テーブルｔのみで測定することができる。このほうが誤差は小さい。
【００５２】
この理論で言えば、どんどん細かい表示板を作ればその分、１次座標変換テーブルｔのみで精度の良い測定が可能となる。すなわち、基準模様の径Φを0.2→0.1→0.01→0.001とした場合、これに対応して、１次座標変換テーブルｔ用表示板のピッチを0.5→0.01→0.001→・・・とする、測定精度に応じた表示板を作ればよい。
【００５３】
しかし、これには限界がある。最終的な限界点として、「カメラが点として認識できるレベルより模様を小さくしたとき」には、点がもう映らないので測定不能となる。この限界レベル（近く）で測定したい場合、事前にいくつまで模様を小さくできるか、限界最径Φを求めて、表示板を作成できれば、１次座標変換テーブルｔのみで可能であるが、実際にこれを作成したり予測したりするのはほぼ不可能である。
【００５４】
そこで、２次座標変換テーブルＴを使うことにより、点として充分認識できる少し余裕を持たせた基準模様のΦにしておき、撮影した後、細分化すれば、この限界点に限りなく近いレベルまで計算で細分化することができる。ただし、１次座標変換テーブルｔのみで測定する場合よりは誤差は大きくなるが、この誤差が許容範囲内であれば２次座標変換テーブルＴによって測定が可能となる。このように、実施形態１では、レーザ平面とカメラとの相対位置を求めること無く、高精度で形状を測定することが可能となる。
【００５５】
＜実施形態２＞
図２０は、本発明に係る実施形態２の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図である。
【００５６】
この実施形態２の三次元形状計測装置は、座標変換テーブル作成用の表示体として、図２１、図２２に示す座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板１７を用いる構成である。
【００５７】
座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板１７は、表示面１７１と、受光センサ１７２ａ、１７２ｂ、１７２ｃ、１７２ｄを有している。受光センサ１７２ａ、１７２ｂ、１７２ｃ、１７２ｄが織り成す平面と、表示面１７１は、同一平面になるように座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板１７に固定されている。表示面１７１には、ＬＥＤ表示器が、例えば、１ｍｍ間隔で縦横１００×１００個配列され、これらＬＥＤ表示器によって基準模様１７１ａから成る基準模様群１７１ａａが形成されている。他の構成は実施形態１と同様であるため、その説明は省略する。
【００５８】
画像処理部１３は、座標変換テーブル１３３を作成し、座標変換テーブル１３３を用いて、形状を計測するものである。すなわち、カメラ１１で表示板１７の表示面１７１を撮影し、カメラ１１からの画像データを取得し、基準点αの座標を抽出するための基準座標抽出プログラム１３１、基準点間を細分化し、基準点数を増やすことで測定精度を増すための座標細分化プログラム１３２を有する。
【００５９】
実施形態２では、実施形態１の図５で説明したと同様、既知の位置に配した基準模様群を表示した座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板１７をレーザ表面上に設置する（ステップＳ１）。次いで、表示板の基準模様群をカメラ１１で撮影する（ステップＳ２）。次いで、撮影画像上の基準模様群の中心点群の座標位置を取得する（ステップＳ３）。次いで、基準模様の基準点αと、この基準点αに対応するカメラ画像の基準点Αの座標を座標変換テーブルｔに登録する（ステップＳ４）。座標細分化手段１３２に格納されている細分化プログラムを用いて座標を細分化する（ステップＳ５）。このようにして、座標変換テーブルＴを作成する（ステップＳ６）。形状測定処理では、カメラ１１で被測定物１０にレーザ線条光照射部１２より照射されたレーザによる光切断面形状を撮影し、座標変換テーブル１３３にて変換し、被測定物１０の光切断面の光切断面形状を求める点は実施形態１と同様である。
【００６０】
このように、実施形態２では、座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板１７を用いて座標変換テーブルの作成、及び形状測定が行われるので、レーザ平面とカメラとの相対位置を求めること無く、高精度で形状を測定することが可能となる。また、ＬＥＤマトリクス配置密度や大きさ等を様々に変更することで多様な測定が可能となるという効果がある。
【００６１】
＜実施形態３＞
図２３は、本発明に係る実施形態３の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図である。
【００６２】
この実施形態３の三次元形状計測装置は、座標変換テーブル作成用の表示体として、図２４、図２５に示す座標変換テーブル作成用液晶ディスプレイ表示板１８を用いる構成である。
【００６３】
座標変換テーブル作成用液晶ディスプレイ表示板１８は、表示面１８１と、受光センサ１８２ａ、１８２ｂ、１８２ｃ、１８２ｄとを有している。受光センサ１８２ａ、１８２ｂ、１８２ｃ、１８２ｄが織り成す平面と、表示面１８１は、同一平面になるように座標変換テーブル作成用液晶ディスプレイ表示板１８に固定されている。表示面１８１には、液晶表示による基準模様１７１ａが、例えば、１ｍｍ間隔で縦横１００×１００個配列され、これら液晶表示によって基準模様１７１ａから成る基準模様群１７１ａａが形成されている。他の構成は実施形態１と同様であるため、その説明は省略する。
【００６４】
画像処理部１３は、座標変換テーブル１３３を作成し、座標変換テーブル１３３を用いて、形状を計測するものである。すなわち、カメラ１１で表示板１８の表示面１８１を撮影し、カメラ１１からの画像データを取得し、基準点αの座標を抽出するための基準座標抽出手段１３１、基準点間を細分化し、基準点数を増やすことで測定精度を増すための座標細分化手段１３２等を有する。
【００６５】
実施形態３では、実施形態１で図５を用いて説明したと同様、既知の位置に配した基準模様群を表示した座標変換テーブル作成用液晶ディスプレイ表示板１８をレーザ表面上に設置する（ステップＳ１）。次いで、表示板の基準模様群をカメラ１１で撮影する（ステップＳ２）。次いで、撮影画像上の基準模様群の中心点群の座標位置を取得する（ステップＳ３）。次いで、基準模様の基準点αと、この基準点αに対応するカメラ画像の基準点Αの座標を座標変換テーブルｔに登録する（ステップＳ４）。座標細分化手段１３２に格納されている細分化プログラムを用いて座標を細分化する（ステップＳ５）。このようにして、座標変換テーブルＴを作成する（ステップＳ６）。形状測定処理では、カメラ１１で被測定物１０にレーザ線条光照射部１２より照射されたレーザによる光切断面形状を撮影し、座標変換テーブル１３３にて変換し、被測定物１０の光切断面の光切断面形状を求める点は実施形態１と同様である。
【００６６】
このように、実施形態３では、座標変換テーブル作成用液晶ディスプレイ表示板１８を用いて座標変換テーブルの作成、及び形状測定が行われるので、レーザ平面とカメラとの相対位置を求めること無く、高精度で形状を測定することが可能となる。また、液晶表示面に配置される基準模様群の配置を容易に変更することができるので、基準模様群の配置密度や大きさ等を様々に変更することで多様な測定が可能となるという効果がある。
【００６７】
＜実施形態４＞
図２６は、本発明に係る実施形態４の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図、図２７はその処理手順を示すフローチャートである。
【００６８】
実施形態４は、実際に使う場合を想定したものであり、カメラ１１（複数の場合は、１１ａ，１１ｂ，・・・）、レーザ線条光照射部１２、画像処理部１３、画像表示部１４、外部I／Ｆ部１５、表示体としての座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９を備えている。
【００６９】
カメラ１１は、実施形態１〜３と同様、ＣＣＤやＣ−ＭＯＳ等の電子カメラであり、被測定物及び表示板１９の突起プレート１９１を撮影するものである。
【００７０】
レーザ線条光照射部１２は、実施形態１〜３と同様、被測定物１０の計測部位に向けてレーザ線条光（ラインレーザ）を照射するものである。
【００７１】
画像処理部１３は、座標変換テーブル１３３を作成し、座標変換テーブル１３３を用いて、形状を計測するものである。後述のように、カメラ１１で表示板１９の突起プレート１９１を撮影し、カメラ１１からの画像データを取得し、基準点αの座標を抽出するための基準座標抽出プログラム１３１、基準点間を細分化し、基準点数を増やすことで測定精度を増すための座標細分化プログラム１３２を有する。カメラ１１で被測定物１０にレーザ線条光照射部１２より照射されたレーザによる光切断面形状を撮影し、座標変換テーブル１３３にて変換し、被測定物１０の光切断面の光切断面形状を求める点は実施形態１〜３と同様である。
【００７２】
表示板１９は、座標変換テーブル作成用突起プレート表示板である。この座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９は、図２８に示すように、突起プレート１９１と、受光センサ１９２ａ、１９２ｂ、１９２ｃ、１９２ｄとを有している。受光センサ１９２ａ、１９２ｂ、１９２ｃ、１９２ｄが織り成す平面と、突起プレート１９１は、同一平面になるように座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９に固定されている。
【００７３】
図２９は、突起プレート１９１の形状の一例を示すものである。突起プレート１９１の形状は、既知の形状で、例えば、図２９（ａ）のような断面矩形状、同（ｂ）のような断面三角（山形）状、同（ｃ）のような針状などが考えられる。以下、図２９（ａ）に示す断面矩形状を例に説明する。
【００７４】
突起プレート１９１とレーザ線条光による断面形状は、図３２に示すように、基準模様１９１ａと基準模様群１９１ａａとなる。基準模様１９１ａは、模様の中心位置もしくは特異点が既知であり、基準模様群１９１ａａは、基準模様１９１ａの中心位置もしくは特異点間の配置が既知であるように突起プレート１９１を設置している。
【００７５】
図２７に示すフローチャートにおいて、先ず、図３０に示すように、レーザ線条光照射部１２よりレーザ１２２を照射し、座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９の受光センサ１９２ａ、１９２ｂ、１９２ｃ、１９２ｄがすべて受光反応する位置に座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９を設置する（ステップＳ１１）。これにより、表示面突起プレート１９１とレーザ１２２は同一平面にすることができる。
【００７６】
次いで図３１に示すように、突起プレート１９１にレーザ線条光に当たったときにできる基準模様１９１ａをカメラ１１で撮影する。突起プレート１９１を既知のストローク長Ｓｔｄずつ動かし、カメラ１１で撮影する（ステップＳ２１）。そして、撮影画像上の基準模様（群）（中心点（群））の座標を取得する（ステップＳ３）。
【００７７】
図３２は、表示面基準模様１９１とカメラ画像とを並べたもので、図３２（ａ）は表示面、図３２（ｂ）はカメラ画像を示している。
【００７８】
図３３は、基準模様１９１ａと基準点αと、カメラ画像での基準模様１１１ａとカメラ画像基準点Α（ラージアルファ）を示した一例である。カメラ画像基準点Αは、基準模様１１１ａの角とする。
【００７９】
以下の処理は、図５に示すフローチャートと同様な処理のため、その説明は省略する。
【００８０】
このように、実施形態４では、座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９を用いて座標変換テーブルの作成、及び形状測定が行われるので、レーザ平面とカメラとの相対位置を求めること無く、高精度で形状を測定することが可能となる。また、座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９を移動させつつ測定するので、実際に使用される場合を想定した測定が可能になり、より精度の高い、多様な測定が可能となるという効果がある。
【００８１】
＜実施形態５＞
図３４は、本発明に係る実施形態５の三次元形状計測装置の実施例である。実施形態５は、実施形態１において、カメラを複数台で構成したものである。
【００８２】
１１１１ａは、カメラ１１ａの画像、１１１１ｂは、カメラ１１ｂの画像である。
【００８３】
カメラの死角になる箇所を、他のカメラで撮影することで、形状計測ができる。変換先が同一平面であるため、カメラ画像の合成が容易である。
【００８４】
表示板は、図３に示す座標変換テーブル作成用印刷表示板１６を用いて、実施形態１と同様に座標変換テーブルを作成し、形状計測する。
【００８５】
なお、表示体としては、図２２に示す座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板１７を用いて、実施形態２と同様に座標変換テーブルを作成し、形状計測しても勿論よい。また、図２５に示す座標変換テーブル作成用液晶ディスプレイ表示板１８を用いて、実施形態３と同様に座標変換テーブルを作成し、形状計測しても勿論よい。さらに、図２８に示す座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９を用いて、実施形態４と同様に座標変換テーブルを作成し、形状計測しても勿論よい。
【００８６】
＜実施形態６＞
図３５は、本発明に係る実施形態６の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図、図３６は、三次元座標変換テーブルの作成、及び三次元形状計測のフローチャートであり、（ａ）は三次元座標変換テーブルを取得するフローチャート、（ｂ）は、三次元形状計測のフローチャートである。
【００８７】
実施形態６の表示板としては、座標変換テーブル作成用印刷表示板１６を用いて、実施形態１と同様に座標変換テーブルを作成し、形状計測する。
【００８８】
図３６（ａ）に示すフローチャートにおいて、まず、図３７に示すように、表示板１６を受光センサ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、１６２ｄが共にレーザ線条光１２２を受光する位置に設置して（ステップＳ１）、表示板１６の基準模様群をカメラで撮影する（ステップＳ２）。次いで、撮影画像上の基準模様群の中心点群（基準点群）の座標を取得する（ステップＳ３）。そして、基準模様の基準点αと、カメラ画像基準点Αの座標を一次座標変換テーブルｔに登録する（ステップＳ４）。次いで、一次座標変換テーブルｔを座標細分化手段１３２の細分化プログラムによって座標を細分化する（ステップＳ５）。細分化されたテーブルは座標変換テーブルＴ１として登録される（ステップＳ６）。
【００８９】
こうして、座標変換テーブルＴ１が取得されると、次にレーザ線条光照射部１２をＸステージ２１でレーザ線条光１２１に対して垂直方向にＳｔ移動させると共に、表示板１６をＸステージ２２でＳｔ移動させる。これにより、表示面１６１とレーザ平面１２２を同一平面に合わせることができる。次いで、ステップＳ１〜ステップＳ６の処理を実行して座標変換テーブルＴ２を作成する。このようにして、レーザ線条光１２２に対して垂直方向にレーザ線条光照射部１２を微少距離Ｓｔだけ移動させると共に表示板１６をＸステージ２２でＳｔ移動させた後、ステップＳ１〜ステップＳ６の処理を実行して座標変換テーブルＴ２を作成する処理をｎ回繰り返し実行して座標変換テーブルＴ１〜Ｔｎを取得する。
【００９０】
図３８は、複数の座標変換テーブルＴ１〜Ｔｎによる三次元計測を説明するもので、それぞれ対応する複数の座標変換テーブルＴ１〜Ｔｎで表示面基準模様１６１１とカメラ画像１１１１との座標変換を行なう例を示している。そして、測定時においては、図３９に示すように、被測定物１０を置いて、レーザ線条光照射部１２をＳｔずつ移動させる。座標変換テーブルＴ１〜Ｔｎを用いて座標変換し、被測定物１０の三次元計測データを取得する。外部Ｉ／Ｆ部１５を介して、出力する。このようにして、実測に即した正確な三次元計測データを取得することが可能となる。
【００９１】
なお、表示体としては、図２２に示す座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板１７を用いて、実施形態２と同様に座標変換テーブルを作成し、形状計測しても勿論よい。また、図２５に示す座標変換テーブル作成用液晶ディスプレイ表示板１８を用いて、実施形態３と同様に座標変換テーブルを作成し、形状計測しても勿論よい。さらに、図２８に示す座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９を用いて、実施形態４と同様に座標変換テーブルを作成し、形状計測しても勿論よい。
【００９２】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９３】
１〜６ 三次元計測装置
１０・・・被測定物
１１，１１ａ，１１ｂ・・・カメラ
１１１・・・カメラ画像
１１１１・・・カメラ画像上の基準点群（座標変換テーブルの点群）
１１１１ａ・・・カメラ画像上の点群
１１１１ｘ・・・カメラ画像ｘ軸方向
１１１１ｙ・・・カメラ画像ｙ軸方向
１２・・・レーザ線条光照射部
１２１・・・レーザ線条光
１２２・・・レーザ平面
１３・・・信号処理部
１３１・・・座標変換手段
１３２・・・座標細分化手段
１３３・・・座標変換テーブル
１３４・・・ライン処理手段
１３５・・・近似処理手段
１４・・・画像表示部
１５・・・外部Ｉ／Ｆ部
１６・・・座標変換テーブル作成用印刷表示板
１６１・・・表示面
１６１ａ・・・基準模様
１６１ａａ・・・基準模様群
１６２ａ，１６２ｂ，１６２ｃ，１６２ｄ・・・受光センサ
１６１１ｘ・・・表示板Ｘ軸方向
１６１２ｙ・・・表示板Ｙ軸方向
１７・・・座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板
１７１・・・表示面
１７１ａ・・・基準模様
１７１ａａ・・・基準模様群
１７２ａ，１７２ｂ，１７２ｃ，１７２ｄ・・・受光センサ
１８・・・座標変換テーブル作成用ディスプレイ表示板
１８１・・・表示面
１８１ａ・・・基準模様
１８１ａａ・・・基準模様群
１８２ａ，１８２ｂ，１８２ｃ，１８２ｄ・・・受光センサ
１９・・・座標変換テーブル作成用突起プレート表示板
１９１・・・座標変換テーブル作成用突起プレート
１９１ａ・・・基準模様
１９２ａ，１９２ｂ，１９２ｃ，１９２ｄ・・・受光センサ
１９３・・・スリット
２０・・・Ｚステージ
２１，２２・・・Ｘステージ
α・・・表示面の基準点（座標変換テーブルｔの点）
Α・・・カメラ画像点の基準点（座標変換テーブルＴの点）
Β・・・カメラ画像の点
ａ・・・表示面の点（座標変換テーブルＴの点）
Ａ・・・カメラ画像の点（座標変換テーブルＴの点）
ｔ・・・１次座標変換テーブル
Ｔ・・・２次座標変換テーブル
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、物体の三次元形状に関する所定項目を光切断法を用いて非接触で高精度に計測する三次元形状計測装置及び三次元形状計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ線条光（「ラインレーザ光」とも称する）を測定対象に照射し、その線条光をカメラにて撮影して測定対象の形状等を測定する光切断法による三次元測定方法が広く行われている。この場合、測定前にカメラのレンズ歪みを除去する等のキャリブレーション（校正）を行なうのが一般的である。この三次元測定方法はカメラ、レーザ（レーザ線条光）の位置から、カメラ画像データを取得し、アフィン変換などの空間座標変換を用いて計測する。カメラとレーザ（レーザ線条光）照射部との位置の精度が測定誤差に影響するため、カメラとレーザ照射部の位置を精密に設置する必要がある。これを実現させるため、カメラとレーザ照射部の位置を近づけ、相対距離の誤差を少なくする工夫がなされている。例えば、レーザ及びカメラを一つのシャーシに組み込み、精密に設置する方法が取られている。また、カメラのレンズ歪みを取る画像処理プログラムが広く用いられ、精度を向上させている。
【０００３】
同一装置で、複数の測定レンジを持たせる場合、同一の測定プログラムの数値の丸め込みの桁を変えることで可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１９２４８３号公報
【特許文献２】特開平８−３５８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、障害物など、測定周辺環境によるカメラ、レーザの設置位置の制限などで、カメラとレーザの位置を離す場合、カメラ、レーザ（レーザ線条光）相対位置の精密な設置が必要であるが困難である、という課題がある。
【０００６】
カメラとレーザの位置が振動や経年によりずれた場合、元の位置に戻す、もしくは、ずれた設置位置を再測定し、精密な設置が必要である、という課題もある。
【０００７】
さらに、カメラが複数台あり、合成する場合、カメラ間の精密な設置が要求される、という課題もある。
【０００８】
加えて、同一装置で、カメラレンズの歪みを補正する、という必要があるが、歪み補正の処理時間が必要であり、また補正しても軽減されるがまだ誤差は残る、という課題もある。
【０００９】
一方、同一装置で複数の測定レンジを持たせる場合、測定レンジと測定時間（処理速度）の関係として、測定レンジは粗くするものの処理速度は速くする（測定時間重視）、その逆に、測定レンジはより精細にするが処理速度は遅くする（測定精度重視）、といった手法をフレキシブルに変更したいという要求があるものの、これを実現させることは必ずしも容易でない。
【００１０】
そこで、本発明は、光切断法による形状計測において、カメラ、レーザの相対位置を高精度で設置する必要がなく、また、測定レンジを複数種類を単一の測定プログラムにより変更することができる三次元形状計測装置及び三次元形状計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するための第１の特徴は、被測定物にレーザ線条光を照射するレーザ線条光照射部と、既知形状の基準模様群を表示面に表示した座標変換テーブル作成用の表示体と、照射部位の光切断面及びレーザ照射平面上に設置される前記座標変換テーブル作成用の表示体を撮影するカメラと、印刷表示板と、カメラ撮影画像を処理する画像処理部と、前記表示体の基準模様群を撮影したカメラ上の座標データを抽出する基準座標抽出手段と、基準模様群の座標データと前記基準座標抽出手段で抽出されたカメラ上の座標データとの対応関係を示す座標変換テーブルを作成する座標変換テーブル作成手段と、形状測定時には、前記座標変換テーブル作成用の表示体を外して同じ位置に被測定物を配置させ、この被測定物にレーザ線条光を照射した照射部位の光切断面を撮影した画像から、光切断面の点群を抽出する点群抽出手段と、抽出した点群座標を前記座標変換テーブル上の値に近似する近似処理手段と、を備え、近似データから照射部位の光切断面を測定するようにしたことにある。
【００１２】
また、第２の特徴は、被測定物を測定するレーザ照射平面上に、表面に基準模様群が印刷または表示された座標変換テーブル作成用の表示体を設置するステップと、前記座標変換テーブル作成用の表示板の基準模様群をカメラで撮影するステップと、撮影した画像データを取り込んでカメラ上の基準模様群の座標データを抽出するステップと、座標変換プログラムを用いて抽出したデータと基準模様群の座標データと対応させた座標変換テーブルを座標変換プログラムを用いて作成するステップと、被測定物の形状測定時には前記座標変換テーブル作成用の表示体を外して同じ位置に前記被測定物を設置するステップと、前記被測定物にレーザ線条光を照射し、照射部位の光切断面を撮影して得られた画像データから、光切断面のラインを点群に変換し、点群を抽出するステップと、抽出した点群座標を先に作成した座標変換テーブル上の値に近似するステップと、を備え、前記座標変換プログラムを用いて照射部位の光切断面を測定するようにしたことにある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施形態１の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】光切断法による形状計測の一例を示す説明図である。
【図３】本発明に係る実施形態１の座標変換テーブル作成用印刷表示板の一例を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る実施形態１の座標変換テーブル作成用印刷表示板における表示面の構成を示す説明図である。
【図５】本発明に係る実施形態１における処理手順を示すフローチャートであり、（ａ）は座標変換テーブル取得処理、（ｂ）は座標変換テーブルを用いた形状取得処理を示す。
【図６】実施形態１における座標変換テーブル作成用印刷表示板１６とレーザ線条光照射部１２とカメラ１１との位置関係を示す説明図である。
【図７】表示面１６１とカメラ画像とを並べた説明図であり、（ａ）は表示面、（ｂ）はカメラ画像を示す。
【図８】基準模様１６１ａの基準点αと、カメラ画像での基準模様１１１ａのカメラ画像基準点Αの位置を示した説明図であり、（ａ）は表示面、（ｂ）はカメラ画像を示す。
【図９】基準点間を格子状に結んだ説明図であり、（ａ）は表示面、（ｂ）はカメラ画像を示す。
【図１０】表示面とカメラ画像の基準点間との関係を示す説明図であり、（ａ）は表示面、（ｂ）はカメラ画像を示す。
【図１１】表示面基準点αとカメラ画像の基準点Αとの対応を表した１次座標変換テーブルｔを示す構成図である。
【図１２】基準模様間のピッチを短くした１次座標変換テーブルｔを作成する説明図である。
【図１３】図２に示す被測定物１０にレーザ線条光を照射カメラ１１で撮影したカメラ画像を示す説明図である。
【図１４】図１３の撮影画像のレーザ軌跡をライン処理し、線上の輝度の高い点群を抽出して点の集合体にすることを示す説明図である。
【図１５】抽出した点１１１１ａの座標をカメラ基準点ΑのＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈの座標のいずれか最も近い点に置換する様子を示した説明図である。
【図１６】置換した座標を１次座標変換テーブルｔで変換する様子を示した説明図である。
【図１７】２次座標変換テーブルＴを作成するために、基準点間の線分をｄ分割し、向かい合う線分の分割した点同士を繋いだ様子を示す説明図である。
【図１８】図１７に示す格子点間をすべて分割した表示面及びカメラ画像の一例を示す説明図である。
【図１９】表示面基準点ａとカメラ画像の基準点Ａとの対応を表した２次座標変換テーブルＴの構成を示す説明図である。
【図２０】本発明に係る実施形態２の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図である。
【図２１】表示面１７１に表示している基準模様１７１ａと基準模様群１７１ａａの一例を示す説明図である。
【図２２】実施形態２におけるレーザ線条光照射部１２と座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板１７とカメラ１１との位置関係を示す説明図である。
【図２３】本発明に係る実施形態３の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図である。
【図２４】表示面１８１に表示している基準模様１８１ａと基準模様群１８１ａａの一例を示す説明図である。
【図２５】実施形態３におけるレーザ線条光照射部１２と座標変換テーブル作成用液晶ディスプレイ表示板１８とカメラ１１との位置関係を示す説明図である。
【図２６】本発明に係る実施形態４の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図である。
【図２７】本発明に係る実施形態４の処理手順を示すフローチャートであり、（ａ）は座標変換テーブル取得処理、（ｂ）は座標変換テーブルを用いた形状取得を示す。
【図２８】座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９の構成を示す斜視図である。
【図２９】突起プレート１９１の形状を一例を示す構成図であり、（ａ）は矩形状、（ｂ）山形（三角）状、（ｃ）は針状を示す。
【図３０】実施形態４におけるレーザ線条光照射部１２と座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９とカメラ１１との位置関係を示す説明図である。
【図３１】レーザ線条光照射部１２と座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９の受光センサ１９２ａ、１９２ｂ、１９２ｃ、１９２ｄとの位置関係を示す説明図である。
【図３２】表示面１９１とカメラ画像とを並べた説明図であり、（ａ）は表示面、（ｂ）はカメラ画像を示している。
【図３３】基準模様１９１ａと基準点αと、カメラ画像での基準模様１１１ａとカメラ画像基準点Αの一例を示す説明図であり、（ａ）は基準模様１９１ａ、（ｂ）はカメラ画像基準点Αを示す。
【図３４】本発明に係る実施形態５の三次元形状計測装置の実施例である。
【図３５】本発明に係る実施形態６の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図である。
【図３６】本発明に係る実施形態６の処理手順を示すフローチャートであり、（ａ）は座標変換テーブル取得処理、（ｂ）は座標変換テーブルを用いた形状取得処理を示す。
【図３７】実施形態６におけるレーザ線条光照射部１２と座標変換テーブル作成用印刷表示板１６とカメラ１１との位置関係を示す説明図である。
【図３８】複数の座標変換テーブルによる三次元計測の位置例を示す説明図である。
【図３９】実施形態６における三次元計測の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜実施形態１＞
図１は、本発明に係る実施形態１の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図である。
【００１５】
図１において、この実施形態１の三次元形状計測装置は、カメラ１１（複数の場合は、１１ａ，１１ｂ，・・・）と、レーザ線条光照射部１２と、画像処理部１３と、画像表示部１４と、外部I／Ｆ部１５と、表示板（座標変換テーブル作成用印刷表示板）１６等を備えている。
【００１６】
カメラ１１は、ＣＣＤやＣ−ＭＯＳ等の電子カメラであり、被測定物１０及び表示板１６の表示面１６１（図３、図４参照）を撮影する。
【００１７】
レーザ線条光照射部１２は、図２に示すように、被測定物１０の表面にレーザ線条光照射部１２からレーザ線条光１２２を照射し、光切断法により被測定物１０の光切断面形状を測定する。一方、座標変換テーブル作成時には、所定の位置に置かれた座標変換テーブル作成用印刷表示板１６にレーザ線条光１２２を照射し、光切断方による表示板１６の撮像データに基づいた座標変換テーブルの作成に使用される。
【００１８】
画像処理部１３は、基準座標抽出プログラムで構成される基準座標抽出手段１３１と、座標細分化プログラムで構成される座標細分化手段１３２と、座標変換テーブル１３３と、ライン処理プログラムで構成されるライン処理手段１３４と、近似処理プログラムで構成される近似処理手段１３５とを有し、座標変換テーブル１３３を作成すると共に、作成された座標変換テーブル１３３を用いて被測定物１０の形状を計測する。
【００１９】
基準座標抽出手段１３１は、カメラ１１で表示板１６の表示面１６１を撮影し、カメラ１１からの画像データを取得し、基準点αの座標を抽出する。座標細分化手段１３２は、基準点間を細分化し、基準点数を増やすことで測定精度を増すためのものである。カメラ１１で被測定物１０にレーザ線条光照射部１２より照射されたレーザによる光切断面形状を撮影し、座標変換テーブル１３３にて変換し、被測定物１０の光切断面の光切断面形状を求めるものである。
【００２０】
画像表示部１４は、画像処理部１３にある画像データを表示するものである。
【００２１】
外部I／Ｆ部１５は、被測定物１０の光断面形状計測データを本装置後段の形状計測部、形状認識部等の外部装置に出力するものである。
【００２２】
表示板１６は、座標変換テーブル作成用印刷表示板である。この座標変換テーブル作成用印刷表示板１６の表面には、図３、図４に示すように、矩形の表示面１６１が設けられ、その四隅には、表示面１６１と同一平面をなす受光センサ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、１６２ｄが設けられている。これら受光センサ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、１６２ｄが共にレーザ線条光１２２を受光した場合、レーザ線条光１２２と４つの受光センサ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、１６２ｄとが織りなす平面が同一平面となり位置決めが確定されるようになっている。さらに上部側に設けられた受光センサ１６２ａ、１６２ｂを設置する部材１６４にはスリット１６４が形成されている。このスリット１６４は、上方からのレーザ線条光１２２の受光が下方に設置された受光センサ６２ｃ、１６２ｄで死角にならないようにして位置決め精度を高めるために設置されている。
【００２３】
表示面１６１には、図４に示すように、例えば、１ｍｍ間隔で縦横１００×１００個の基準模様１６１ａから成る基準模様群１６１ａａが形成されている。
【００２４】
図５は実施形態１における処理手順を示しており、図５（ａ）は座標変換テーブルを取得するフローチャート、図５（ｂ）は形状計測のフローチャートである。
【００２５】
＜座標変換テーブル取得処理＞
図５（ａ）における座標変換テーブル取得処理では、まず、図６に示すように、表示板１６を受光センサ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、１６２ｄが共にレーザ線条光１２２を受光する位置に設置して（ステップＳ１）、表示板１６の基準模様群をカメラ１１で撮影する（ステップＳ２）。次いで、撮影画像上の基準模様群１６１ａａの中心点群（基準点群）の座標を取得する（ステップＳ３）。そして、基準模様の基準点αと、カメラ画像基準点Αの座標を一次座標変換テーブルｔに登録する（ステップＳ４）。次いで、一次座標変換テーブルｔを座標細分化手段１３２の細分化プログラムによって座標を細分化する（ステップＳ５）。細分化されたテーブルは座標変換テーブルＴとして登録される（ステップＳ６）。
【００２６】
次に、座標変換テーブルＴの作成処理の各ステップを詳述する。
【００２７】
先ず、ステップＳ１の処理では、カメラ１１とレーザ線条光照射部１２と座標変換テーブル作成用印刷表示板１６との位置関係を図６のように設定する。すなわち、レーザ線条光照射部１２よりレーザ線条光１２２を照射し、座標変換テーブル作成用印刷表示板１６の受光センサ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、１６２ｄがすべて受光反応する位置に座標変換テーブル作成用印刷表示板１６を設置する。これにより、表示面１６１とレーザ線条光１２２は同一平面となる。この位置で、座標変換テーブル作成用印刷表示板１６をカメラ１１で撮影する。
【００２８】
図７は、表示面１６１とこの表示面１６１のカメラ画像とを並べたものであり、図７（ａ）は表示面、図７（ｂ）は表示面を撮影したカメラ画像を示す。
【００２９】
図８（ａ）に示すように、基準模様１６１ａの基準点αは、カメラ画像では、図９（ｂ）に示すように、基準模様１１１ａのカメラ画像基準点Αとなる。カメラ画像基準点Αは、例えば、基準模様１１１ａを楕円とみなし、楕円の２焦点間の中点とする。
【００３０】
図９は、基準点間を格子状に結んだ説明図である。図９（ａ）は表示面、図９（ｂ）はカメラ画像である。図９（ａ）に示す表示面の基準点αと図９（ｂ）に示すカメラ画像の基準点Αとは、図１０に示すような１対１の関係になる。すなわち、表示面の基準点αは、カメラ画像上の基準点Αに映る。α１１はΑ１１に、α１２はΑ１２に、αｍｎはΑｍｎ（ｍ、ｎは自然数）に対応しており、それぞれ１点につき、対応する点は唯一の1点であり、一意的に決まる。逆に、あるカメラ基準点Αｍｎは、表示面の唯一の点αｍｎに対応する。すなわち、表示板１６を外し、図４に示すように、被測定物を設置し、あるカメラ基準点Αｍｎが光っている場合、それに対応する基準点αｍｎの位置に被測定物が存在していることを意味している。
【００３１】
このようにして、表示面基準点αとカメラ画像の基準点Αとの対応を示す座標関係をテーブル化して、図１１に示すような１次座標変換テーブルｔが作成される。なお、表示面の基準点間のピッチは任意に変えることが可能であり、図８の基準模様間のピッチを短くして、図１２に示すような、１次座標変換テーブルｔを作成することも可能である。
【００３２】
＜形状計測処理＞
図５（ｂ）に示す“形状計測処理”においては、先ず、図２に示すように、被測定物１０にレーザ線条光１２２を照射してカメラ１１で撮影する（ステップＳ７）。次いで、撮影画像のレーザ軌跡をライン処理し、ラインを点の集合対として点群座標データを取得する（ステップＳ８）。点群座標データを座標変換テーブルＴの変換座標に近似する（ステップＳ９）。座標変換テーブルＴを用いて座標変換、光切断形状を取得する（ステップＳ１０）。外部Ｉ／Ｆ部１５を介して形状計測データを出力する（ステップＳ１１）。
【００３３】
次に、上述のようにして作成された座標変換テーブルＴを用いて被測定物１０を撮影してカメラ画像を得て形状測定データを得るまでの処理を具体的に説明する。
【００３４】
図１３は、図２に示す位置関係で、被測定物１０にレーザ線条光１１２を照射し、カメラ１１で撮影したカメラ画像である。図１４は、ステップＳ８に示すように、図１３の撮影画像のレーザ軌跡をライン処理し、線上の輝度の高い点群を抽出し、点の集合体にすることを示している。同図（ｂ）はその拡大表示の一例である。カメラ基準点ΑのＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈ点間の領域に、抽出した点１１１１ａがあることが理解できる。
【００３５】
図１５は、ステップＳ９に示すように、抽出した点１１１１ａの座標とカメラ基準点ΑのＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈの座標より、カメラ基準点ΑのＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈとの距離を比較し、いずれかに最も近い点に置換する様子を示した説明図である。
【００３６】
例えば、１１１１ａのある点をΒ1（ｘ1,ｙ1）、Ｅ点の座標を（ＸＥ,ＹＥ）とすると、１１１１ａとＥ点の距離は、
となる。同様にＦ点の座標を（ＸＦ,ＹＦ）、Ｇ点の座標を（ＸＧ,ＹＧ）、Ｈ点の座標を（ＸＨ,ＹＨ）とすると、
となる。
【００３７】
そして、式(１)、(２)、(３)、(４)の中で最小値になる点に近似、置換する。つまり、例えば、
が最小値であれば、点Β1は、Ｅ点に置換される。
【００３８】
図１６は、ステップＳ１０に示すように、置換した座標を１次座標変換テーブルｔで変換する様子を示しており、被測定物１０の光断面形状を近似し、求めることが出来る。誤差は、理論上、基準点間のピッチを小さくするほど、高精細に光断面形状を計測し、計測データを取得することができる。
【００３９】
そして、上述のようにして得られた計測データは、ステップＳ１１に示すように、外部Ｉ／Ｆ部１５を介して外部に出力される。
【００４０】
しかし、基準点Α間を短くしていくと、カメラ１１の解像度、カメラ１１と表示面との角度、距離などにより、基準点Α同士が重なり、判別できないことがある。この方式は、計測精度は、基準点間を超えられないため、基準点Αが判別できるところまで以上に測定精度を上げることができない、という課題がある。この課題を解決する方法を後述する。
【００４１】
まず、基準点が判別できる間隔の表示面１６１を撮影し、図２（ａ）のステップＳ１〜Ｓ４の処理を行なう。
【００４２】
図１７は、ステップＳ５に示すように、後述する２次座標変換テーブルＴを作成するために、基準点間の線分をｄ分割し、向かい合う線分の分割した点同士を繋いだ様子を示している。ｄは自然数である。つまり、基準点間を格子状にｄ分割した点と、カメラ画像での基準点間をｄ分割したそれぞれの点同士は、ほぼ対応する位置に近似する。測定精度は、ｄ分割の分割数、分割のピッチ間を変更することで、調節することができる。
【００４３】
図１８は、分割した表示面及びカメラ画像の一例である。ａ１１はＡ１１に、ａ１２はＡ１２に、ａｍｎはＡｍｎ（ｍ、ｎは自然数）にそれぞれ対応しており、それぞれ１点につき、対応する点は唯一の1点であり、一意的に決まる。逆に、あるカメラ基準点Ａｍｎは、表示面の唯一の点ａｍｎに対応する。これは、図１１におけるαをａ、ΑをＡに読み替えたものと同様である。
【００４４】
表示板１６を外し、図２に示すように、被測定物１０を設置し、あるカメラ基準点Ａｍｎが光っている場合、それに対応する基準点ａｍｎの位置に被測定物がある、ということである。
【００４５】
図１９は、表示面基準点ａとカメラ画像の基準点Ａとの対応を表したものであり、２次座標変換テーブルＴを示したものである。
【００４６】
以下、図５（ｂ）のＳ７〜Ｓ１１を前述と同様に行なうことで、光断面形状を計測し、計測データを出力する。
【００４７】
上述した１次座標変換テーブルｔと２次座標変換テーブルＴとの相違について説明する。
【００４８】
例えば、基準模様の径Φ0.2mm、１次テーブル用表示：ピッチ1mmの表示板があるとする。
【００４９】
１）1mmピッチで測定したい場合には、１次変換のみで測定可能である。
【００５０】
２）0.5mmピッチで測定したい場合には、上記表示板で１次座標変換テーブルｔをつくり、これを細分化（この場合1/2）して２次座標変換テーブルＴを作成することで測定可能となる。
【００５１】
３）他の方法として、例えば、模様Φ0.2mm、１次テーブル用表示：ピッチ0.5mmの表示板を作ることにより、１次座標変換テーブルｔのみで測定することができる。このほうが誤差は小さい。
【００５２】
この理論で言えば、どんどん細かい表示板を作ればその分、１次座標変換テーブルｔのみで精度の良い測定が可能となる。すなわち、基準模様の径Φを0.2→0.1→0.01→0.001とした場合、これに対応して、１次座標変換テーブルｔ用表示板のピッチを0.5→0.01→0.001→・・・とする、測定精度に応じた表示板を作ればよい。
【００５３】
しかし、これには限界がある。最終的な限界点として、「カメラが点として認識できるレベルより模様を小さくしたとき」には、点がもう映らないので測定不能となる。この限界レベル（近く）で測定したい場合、事前にいくつまで模様を小さくできるか、限界最径Φを求めて、表示板を作成できれば、１次座標変換テーブルｔのみで可能であるが、実際にこれを作成したり予測したりするのはほぼ不可能である。
【００５４】
そこで、２次座標変換テーブルＴを使うことにより、点として充分認識できる少し余裕を持たせた基準模様のΦにしておき、撮影した後、細分化すれば、この限界点に限りなく近いレベルまで計算で細分化することができる。ただし、１次座標変換テーブルｔのみで測定する場合よりは誤差は大きくなるが、この誤差が許容範囲内であれば２次座標変換テーブルＴによって測定が可能となる。このように、実施形態１では、レーザ平面とカメラとの相対位置を求めること無く、高精度で形状を測定することが可能となる。
【００５５】
＜実施形態２＞
図２０は、本発明に係る実施形態２の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図である。
【００５６】
この実施形態２の三次元形状計測装置は、座標変換テーブル作成用の表示体として、図２１、図２２に示す座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板１７を用いる構成である。
【００５７】
座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板１７は、表示面１７１と、受光センサ１７２ａ、１７２ｂ、１７２ｃ、１７２ｄを有している。受光センサ１７２ａ、１７２ｂ、１７２ｃ、１７２ｄが織り成す平面と、表示面１７１は、同一平面になるように座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板１７に固定されている。表示面１７１には、ＬＥＤ表示器が、例えば、１ｍｍ間隔で縦横１００×１００個配列され、これらＬＥＤ表示器によって基準模様１７１ａから成る基準模様群１７１ａａが形成されている。他の構成は実施形態１と同様であるため、その説明は省略する。
【００５８】
画像処理部１３は、座標変換テーブル１３３を作成し、座標変換テーブル１３３を用いて、形状を計測するものである。すなわち、カメラ１１で表示板１７の表示面１７１を撮影し、カメラ１１からの画像データを取得し、基準点αの座標を抽出するための基準座標抽出プログラム１３１、基準点間を細分化し、基準点数を増やすことで測定精度を増すための座標細分化プログラム１３２を有する。
【００５９】
実施形態２では、実施形態１の図５で説明したと同様、既知の位置に配した基準模様群を表示した座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板１７をレーザ表面上に設置する（ステップＳ１）。次いで、表示板の基準模様群をカメラ１１で撮影する（ステップＳ２）。次いで、撮影画像上の基準模様群の中心点群の座標位置を取得する（ステップＳ３）。次いで、基準模様の基準点αと、この基準点αに対応するカメラ画像の基準点Αの座標を座標変換テーブルｔに登録する（ステップＳ４）。座標細分化手段１３２に格納されている細分化プログラムを用いて座標を細分化する（ステップＳ５）。このようにして、座標変換テーブルＴを作成する（ステップＳ６）。形状測定処理では、カメラ１１で被測定物１０にレーザ線条光照射部１２より照射されたレーザによる光切断面形状を撮影し、座標変換テーブル１３３にて変換し、被測定物１０の光切断面の光切断面形状を求める点は実施形態１と同様である。
【００６０】
このように、実施形態２では、座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板１７を用いて座標変換テーブルの作成、及び形状測定が行われるので、レーザ平面とカメラとの相対位置を求めること無く、高精度で形状を測定することが可能となる。また、ＬＥＤマトリクス配置密度や大きさ等を様々に変更することで多様な測定が可能となるという効果がある。
【００６１】
＜実施形態３＞
図２３は、本発明に係る実施形態３の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図である。
【００６２】
この実施形態３の三次元形状計測装置は、座標変換テーブル作成用の表示体として、図２４、図２５に示す座標変換テーブル作成用液晶ディスプレイ表示板１８を用いる構成である。
【００６３】
座標変換テーブル作成用液晶ディスプレイ表示板１８は、表示面１８１と、受光センサ１８２ａ、１８２ｂ、１８２ｃ、１８２ｄとを有している。受光センサ１８２ａ、１８２ｂ、１８２ｃ、１８２ｄが織り成す平面と、表示面１８１は、同一平面になるように座標変換テーブル作成用液晶ディスプレイ表示板１８に固定されている。表示面１８１には、液晶表示による基準模様１７１ａが、例えば、１ｍｍ間隔で縦横１００×１００個配列され、これら液晶表示によって基準模様１７１ａから成る基準模様群１７１ａａが形成されている。他の構成は実施形態１と同様であるため、その説明は省略する。
【００６４】
画像処理部１３は、座標変換テーブル１３３を作成し、座標変換テーブル１３３を用いて、形状を計測するものである。すなわち、カメラ１１で表示板１８の表示面１８１を撮影し、カメラ１１からの画像データを取得し、基準点αの座標を抽出するための基準座標抽出手段１３１、基準点間を細分化し、基準点数を増やすことで測定精度を増すための座標細分化手段１３２等を有する。
【００６５】
実施形態３では、実施形態１で図５を用いて説明したと同様、既知の位置に配した基準模様群を表示した座標変換テーブル作成用液晶ディスプレイ表示板１８をレーザ表面上に設置する（ステップＳ１）。次いで、表示板の基準模様群をカメラ１１で撮影する（ステップＳ２）。次いで、撮影画像上の基準模様群の中心点群の座標位置を取得する（ステップＳ３）。次いで、基準模様の基準点αと、この基準点αに対応するカメラ画像の基準点Αの座標を座標変換テーブルｔに登録する（ステップＳ４）。座標細分化手段１３２に格納されている細分化プログラムを用いて座標を細分化する（ステップＳ５）。このようにして、座標変換テーブルＴを作成する（ステップＳ６）。形状測定処理では、カメラ１１で被測定物１０にレーザ線条光照射部１２より照射されたレーザによる光切断面形状を撮影し、座標変換テーブル１３３にて変換し、被測定物１０の光切断面の光切断面形状を求める点は実施形態１と同様である。
【００６６】
このように、実施形態３では、座標変換テーブル作成用液晶ディスプレイ表示板１８を用いて座標変換テーブルの作成、及び形状測定が行われるので、レーザ平面とカメラとの相対位置を求めること無く、高精度で形状を測定することが可能となる。また、液晶表示面に配置される基準模様群の配置を容易に変更することができるので、基準模様群の配置密度や大きさ等を様々に変更することで多様な測定が可能となるという効果がある。
【００６７】
＜実施形態４＞
図２６は、本発明に係る実施形態４の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図、図２７はその処理手順を示すフローチャートである。
【００６８】
実施形態４は、実際に使う場合を想定したものであり、カメラ１１（複数の場合は、１１ａ，１１ｂ，・・・）、レーザ線条光照射部１２、画像処理部１３、画像表示部１４、外部I／Ｆ部１５、表示体としての座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９を備えている。
【００６９】
カメラ１１は、実施形態１〜３と同様、ＣＣＤやＣ−ＭＯＳ等の電子カメラであり、被測定物及び表示板１９の突起プレート１９１を撮影するものである。
【００７０】
レーザ線条光照射部１２は、実施形態１〜３と同様、被測定物１０の計測部位に向けてレーザ線条光（ラインレーザ）を照射するものである。
【００７１】
画像処理部１３は、座標変換テーブル１３３を作成し、座標変換テーブル１３３を用いて、形状を計測するものである。後述のように、カメラ１１で表示板１９の突起プレート１９１を撮影し、カメラ１１からの画像データを取得し、基準点αの座標を抽出するための基準座標抽出プログラム１３１、基準点間を細分化し、基準点数を増やすことで測定精度を増すための座標細分化プログラム１３２を有する。カメラ１１で被測定物１０にレーザ線条光照射部１２より照射されたレーザによる光切断面形状を撮影し、座標変換テーブル１３３にて変換し、被測定物１０の光切断面の光切断面形状を求める点は実施形態１〜３と同様である。
【００７２】
表示板１９は、座標変換テーブル作成用突起プレート表示板である。この座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９は、図２８に示すように、突起プレート１９１と、受光センサ１９２ａ、１９２ｂ、１９２ｃ、１９２ｄとを有している。受光センサ１９２ａ、１９２ｂ、１９２ｃ、１９２ｄが織り成す平面と、突起プレート１９１は、同一平面になるように座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９に固定されている。
【００７３】
図２９は、突起プレート１９１の形状の一例を示すものである。突起プレート１９１の形状は、既知の形状で、例えば、図２９（ａ）のような断面矩形状、同（ｂ）のような断面三角（山形）状、同（ｃ）のような針状などが考えられる。以下、図２９（ａ）に示す断面矩形状を例に説明する。
【００７４】
突起プレート１９１とレーザ線条光による断面形状は、図３２に示すように、基準模様１９１ａと基準模様群１９１ａａとなる。基準模様１９１ａは、模様の中心位置もしくは特異点が既知であり、基準模様群１９１ａａは、基準模様１９１ａの中心位置もしくは特異点間の配置が既知であるように突起プレート１９１を設置している。
【００７５】
図２７に示すフローチャートにおいて、先ず、図３０に示すように、レーザ線条光照射部１２よりレーザ１２２を照射し、座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９の受光センサ１９２ａ、１９２ｂ、１９２ｃ、１９２ｄがすべて受光反応する位置に座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９を設置する（ステップＳ１１）。これにより、表示面突起プレート１９１とレーザ１２２は同一平面にすることができる。
【００７６】
次いで図３１に示すように、突起プレート１９１にレーザ線条光に当たったときにできる基準模様１９１ａをカメラ１１で撮影する。突起プレート１９１を既知のストローク長Ｓｔｄずつ動かし、カメラ１１で撮影する（ステップＳ２１）。そして、撮影画像上の基準模様（群）（中心点（群））の座標を取得する（ステップＳ３）。
【００７７】
図３２は、表示面基準模様１９１とカメラ画像とを並べたもので、図３２（ａ）は表示面、図３２（ｂ）はカメラ画像を示している。
【００７８】
図３３は、基準模様１９１ａと基準点αと、カメラ画像での基準模様１１１ａとカメラ画像基準点Α（ラージアルファ）を示した一例である。カメラ画像基準点Αは、基準模様１１１ａの角とする。
【００７９】
以下の処理は、図５に示すフローチャートと同様な処理のため、その説明は省略する。
【００８０】
このように、実施形態４では、座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９を用いて座標変換テーブルの作成、及び形状測定が行われるので、レーザ平面とカメラとの相対位置を求めること無く、高精度で形状を測定することが可能となる。また、座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９を移動させつつ測定するので、実際に使用される場合を想定した測定が可能になり、より精度の高い、多様な測定が可能となるという効果がある。
【００８１】
＜実施形態５＞
図３４は、本発明に係る実施形態５の三次元形状計測装置の実施例である。実施形態５は、実施形態１において、カメラを複数台で構成したものである。
【００８２】
１１１１ａは、カメラ１１ａの画像、１１１１ｂは、カメラ１１ｂの画像である。
【００８３】
カメラの死角になる箇所を、他のカメラで撮影することで、形状計測ができる。変換先が同一平面であるため、カメラ画像の合成が容易である。
【００８４】
表示板は、図３に示す座標変換テーブル作成用印刷表示板１６を用いて、実施形態１と同様に座標変換テーブルを作成し、形状計測する。
【００８５】
なお、表示体としては、図２２に示す座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板１７を用いて、実施形態２と同様に座標変換テーブルを作成し、形状計測しても勿論よい。また、図２５に示す座標変換テーブル作成用液晶ディスプレイ表示板１８を用いて、実施形態３と同様に座標変換テーブルを作成し、形状計測しても勿論よい。さらに、図２８に示す座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９を用いて、実施形態４と同様に座標変換テーブルを作成し、形状計測しても勿論よい。
【００８６】
＜実施形態６＞
図３５は、本発明に係る実施形態６の三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図、図３６は、三次元座標変換テーブルの作成、及び三次元形状計測のフローチャートであり、（ａ）は三次元座標変換テーブルを取得するフローチャート、（ｂ）は、三次元形状計測のフローチャートである。
【００８７】
実施形態６の表示板としては、座標変換テーブル作成用印刷表示板１６を用いて、実施形態１と同様に座標変換テーブルを作成し、形状計測する。
【００８８】
図３６（ａ）に示すフローチャートにおいて、まず、図３７に示すように、表示板１６を受光センサ１６２ａ、１６２ｂ、１６２ｃ、１６２ｄが共にレーザ線条光１２２を受光する位置に設置して（ステップＳ１）、表示板１６の基準模様群をカメラで撮影する（ステップＳ２）。次いで、撮影画像上の基準模様群の中心点群（基準点群）の座標を取得する（ステップＳ３）。そして、基準模様の基準点αと、カメラ画像基準点Αの座標を一次座標変換テーブルｔに登録する（ステップＳ４）。次いで、一次座標変換テーブルｔを座標細分化手段１３２の細分化プログラムによって座標を細分化する（ステップＳ５）。細分化されたテーブルは座標変換テーブルＴ１として登録される（ステップＳ６）。
【００８９】
こうして、座標変換テーブルＴ１が取得されると、次にレーザ線条光照射部１２をＸステージ２１でレーザ線条光１２１に対して垂直方向にＳｔ移動させると共に、表示板１６をＸステージ２２でＳｔ移動させる。これにより、表示面１６１とレーザ平面１２２を同一平面に合わせることができる。次いで、ステップＳ１〜ステップＳ６の処理を実行して座標変換テーブルＴ２を作成する。このようにして、レーザ線条光１２２に対して垂直方向にレーザ線条光照射部１２を微少距離Ｓｔだけ移動させると共に表示板１６をＸステージ２２でＳｔ移動させた後、ステップＳ１〜ステップＳ６の処理を実行して座標変換テーブルＴ２を作成する処理をｎ回繰り返し実行して座標変換テーブルＴ１〜Ｔｎを取得する。
【００９０】
図３８は、複数の座標変換テーブルＴ１〜Ｔｎによる三次元計測を説明するもので、それぞれ対応する複数の座標変換テーブルＴ１〜Ｔｎで表示面基準模様１６１１とカメラ画像１１１１との座標変換を行なう例を示している。そして、測定時においては、図３９に示すように、被測定物１０を置いて、レーザ線条光照射部１２をＳｔずつ移動させる。座標変換テーブルＴ１〜Ｔｎを用いて座標変換し、被測定物１０の三次元計測データを取得する。外部Ｉ／Ｆ部１５を介して、出力する。このようにして、実測に即した正確な三次元計測データを取得することが可能となる。
【００９１】
なお、表示体としては、図２２に示す座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板１７を用いて、実施形態２と同様に座標変換テーブルを作成し、形状計測しても勿論よい。また、図２５に示す座標変換テーブル作成用液晶ディスプレイ表示板１８を用いて、実施形態３と同様に座標変換テーブルを作成し、形状計測しても勿論よい。さらに、図２８に示す座標変換テーブル作成用突起プレート表示板１９を用いて、実施形態４と同様に座標変換テーブルを作成し、形状計測しても勿論よい。
【００９２】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９３】
１〜６ 三次元計測装置
１０・・・被測定物
１１，１１ａ，１１ｂ・・・カメラ
１１１・・・カメラ画像
１１１１・・・カメラ画像上の基準点群（座標変換テーブルの点群）
１１１１ａ・・・カメラ画像上の点群
１１１１ｘ・・・カメラ画像ｘ軸方向
１１１１ｙ・・・カメラ画像ｙ軸方向
１２・・・レーザ線条光照射部
１２１・・・レーザ線条光
１２２・・・レーザ平面
１３・・・信号処理部
１３１・・・座標変換手段
１３２・・・座標細分化手段
１３３・・・座標変換テーブル
１３４・・・ライン処理手段
１３５・・・近似処理手段
１４・・・画像表示部
１５・・・外部Ｉ／Ｆ部
１６・・・座標変換テーブル作成用印刷表示板
１６１・・・表示面
１６１ａ・・・基準模様
１６１ａａ・・・基準模様群
１６２ａ，１６２ｂ，１６２ｃ，１６２ｄ・・・受光センサ
１６１１ｘ・・・表示板Ｘ軸方向
１６１２ｙ・・・表示板Ｙ軸方向
１７・・・座標変換テーブル作成用ＬＥＤドットマトリクス表示板
１７１・・・表示面
１７１ａ・・・基準模様
１７１ａａ・・・基準模様群
１７２ａ，１７２ｂ，１７２ｃ，１７２ｄ・・・受光センサ
１８・・・座標変換テーブル作成用ディスプレイ表示板
１８１・・・表示面
１８１ａ・・・基準模様
１８１ａａ・・・基準模様群
１８２ａ，１８２ｂ，１８２ｃ，１８２ｄ・・・受光センサ
１９・・・座標変換テーブル作成用突起プレート表示板
１９１・・・座標変換テーブル作成用突起プレート
１９１ａ・・・基準模様
１９２ａ，１９２ｂ，１９２ｃ，１９２ｄ・・・受光センサ
１９３・・・スリット
２０・・・Ｚステージ
２１，２２・・・Ｘステージ
α・・・表示面の基準点（座標変換テーブルｔの点）
Α・・・カメラ画像点の基準点（座標変換テーブルＴの点）
Β・・・カメラ画像の点
ａ・・・表示面の点（座標変換テーブルＴの点）
Ａ・・・カメラ画像の点（座標変換テーブルＴの点）
ｔ・・・１次座標変換テーブル
Ｔ・・・２次座標変換テーブル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物にレーザ線条光を照射するレーザ線条光照射部と、
既知形状の基準模様群を表示面に表示した座標変換テーブル作成用の表示体と、
照射部位の光切断面及びレーザ照射平面上に設置される前記座標変換テーブル作成用の表示体を撮影するカメラと、
印刷表示板と、カメラ撮影画像を処理する画像処理部と、
前記表示体の基準模様群を撮影したカメラ上の座標データを抽出する基準座標抽出手段と、
基準模様群の座標データと前記基準座標抽出手段で抽出されたカメラ上の座標データとの対応関係を示す座標変換テーブルを作成する座標変換テーブル作成手段と、
形状測定時には、前記座標変換テーブル作成用の表示体を外して同じ位置に被測定物を配置させ、この被測定物にレーザ線条光を照射した照射部位の光切断面を撮影した画像から、光切断面の点群を抽出する点群抽出手段と、
抽出した点群座標を前記座標変換テーブル上の値に近似する近似処理手段と、を備え、
近似データから照射部位の光切断面を測定するようにしたことを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元形状計測装置において、
前記座標変換テーブル作成用の表示体は、基準点となる位置に点模様をマトリクス状に配置して成る基準模様群が印刷された印刷表示板、基準点位置にＬＥＤを配置したＬＥＤドットマトリクス表示板、または平面ディスプレイ上の基準点位置を点灯させるディスプレイ表示板であることを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載の三次元形状計測装置において、
座標変換テーブル作成手段で作成された座標変換テーブルにおける座標点間を分割し、細分化した座標データから成る二次座標変換テーブルを作成する手段を備え、この二次座標変換テーブルを用いて前記近似データを求めることを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の三次元形状計測装置において、
基準模様点群間のピッチを変えることで、任意の精度で複数のレンジを測定することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置において、
座標変換テーブル作成用の表示体に替えて、既知形状の格子状のプレートをレーザ照射平面上に設置、レーザ線条光を照射し、その乱反射光を座標として抽出することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置において、
カメラを複数台設置し、同一の座標変換テーブル作成用の表示体を撮影することで、単一のカメラでの死角部分の測定及び合成をすることを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置において、
レーザ及び座標変換テーブル作成用の表示体を微小距離動かせて座標変換テーブルを作成する処理を繰り返して複数の座標変換テーブルを作成し、被測定物の測定時にはレーザを照射した照射部位の光切断面を撮影し、レーザを微小距離動かす処理を繰り返して複数の撮影データを取得し、これらの撮影データに対して対応する座標変換テーブルを使用して被測定物の形状を測定することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項８】
被測定物を測定するレーザ照射平面上に、表面に基準模様群が印刷または表示された座標変換テーブル作成用の表示体を設置するステップと、
前記座標変換テーブル作成用の表示板の基準模様群をカメラで撮影するステップと、
撮影した画像データを取り込んでカメラ上の基準模様群の座標データを抽出するステップと、
座標変換プログラムを用いて抽出したデータと基準模様群の座標データと対応させた座標変換テーブルを座標変換プログラムを用いて作成するステップと、
被測定物の形状測定時には前記座標変換テーブル作成用の表示体を外して同じ位置に前記被測定物を設置するステップと、
前記被測定物にレーザ線条光を照射し、照射部位の光切断面を撮影して得られた画像データから、光切断面のラインを点群に変換し、点群を抽出するステップと、
抽出した点群座標を先に作成した座標変換テーブル上の値に近似するステップと、を備え、
前記座標変換プログラムを用いて照射部位の光切断面を測定するようにしたことを特徴とする三次元形状計測方法。
【請求項９】
請求項８に記載の三次元形状計測方法おいて、
抽出したデータと基準模様群の座標データを画像処理部内の座標変換プログラムに入力し座標変換テーブルを作成するステップの後に、座標点間を分割し、細分化した座標を算出するステップと、算出した座標データより座標変換テーブルを作成するステップとを有することを特徴とする三次元形状計測方法。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の三次元形状計測方法において、
レーザ及び座標変換テーブル作成用の表示体を微小距離動かせて座標変換テーブルを作成する処理を繰り返して複数の座標変換テーブルを作成し、被測定物の測定時にはレーザを照射した照射部位の光切断面を撮影し、レーザを微小距離動かす処理を繰り返して複数の撮影データを取得し、これらの撮影データに対して対応する座標変換テーブルを使用して被測定物の形状を測定することを特徴とする三次元形状計測方法。
【請求項１】
被測定物にレーザ線条光を照射するレーザ線条光照射部と、
既知形状の基準模様群を表示面に表示した座標変換テーブル作成用の表示体と、
照射部位の光切断面及びレーザ照射平面上に設置される前記座標変換テーブル作成用の表示体を撮影するカメラと、
印刷表示板と、カメラ撮影画像を処理する画像処理部と、
前記表示体の基準模様群を撮影したカメラ上の座標データを抽出する基準座標抽出手段と、
基準模様群の座標データと前記基準座標抽出手段で抽出されたカメラ上の座標データとの対応関係を示す座標変換テーブルを作成する座標変換テーブル作成手段と、
形状測定時には、前記座標変換テーブル作成用の表示体を外して同じ位置に被測定物を配置させ、この被測定物にレーザ線条光を照射した照射部位の光切断面を撮影した画像から、光切断面の点群を抽出する点群抽出手段と、
抽出した点群座標を前記座標変換テーブル上の値に近似する近似処理手段と、を備え、
近似データから照射部位の光切断面を測定するようにしたことを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元形状計測装置において、
前記座標変換テーブル作成用の表示体は、基準点となる位置に点模様をマトリクス状に配置して成る基準模様群が印刷された印刷表示板、基準点位置にＬＥＤを配置したＬＥＤドットマトリクス表示板、または平面ディスプレイ上の基準点位置を点灯させるディスプレイ表示板であることを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載の三次元形状計測装置において、
座標変換テーブル作成手段で作成された座標変換テーブルにおける座標点間を分割し、細分化した座標データから成る二次座標変換テーブルを作成する手段を備え、この二次座標変換テーブルを用いて前記近似データを求めることを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の三次元形状計測装置において、
基準模様点群間のピッチを変えることで、任意の精度で複数のレンジを測定することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置において、
座標変換テーブル作成用の表示体に替えて、既知形状の格子状のプレートをレーザ照射平面上に設置、レーザ線条光を照射し、その乱反射光を座標として抽出することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置において、
カメラを複数台設置し、同一の座標変換テーブル作成用の表示体を撮影することで、単一のカメラでの死角部分の測定及び合成をすることを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置において、
レーザ及び座標変換テーブル作成用の表示体を微小距離動かせて座標変換テーブルを作成する処理を繰り返して複数の座標変換テーブルを作成し、被測定物の測定時にはレーザを照射した照射部位の光切断面を撮影し、レーザを微小距離動かす処理を繰り返して複数の撮影データを取得し、これらの撮影データに対して対応する座標変換テーブルを使用して被測定物の形状を測定することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項８】
被測定物を測定するレーザ照射平面上に、表面に基準模様群が印刷または表示された座標変換テーブル作成用の表示体を設置するステップと、
前記座標変換テーブル作成用の表示板の基準模様群をカメラで撮影するステップと、
撮影した画像データを取り込んでカメラ上の基準模様群の座標データを抽出するステップと、
座標変換プログラムを用いて抽出したデータと基準模様群の座標データと対応させた座標変換テーブルを座標変換プログラムを用いて作成するステップと、
被測定物の形状測定時には前記座標変換テーブル作成用の表示体を外して同じ位置に前記被測定物を設置するステップと、
前記被測定物にレーザ線条光を照射し、照射部位の光切断面を撮影して得られた画像データから、光切断面のラインを点群に変換し、点群を抽出するステップと、
抽出した点群座標を先に作成した座標変換テーブル上の値に近似するステップと、を備え、
前記座標変換プログラムを用いて照射部位の光切断面を測定するようにしたことを特徴とする三次元形状計測方法。
【請求項９】
請求項８に記載の三次元形状計測方法おいて、
抽出したデータと基準模様群の座標データを画像処理部内の座標変換プログラムに入力し座標変換テーブルを作成するステップの後に、座標点間を分割し、細分化した座標を算出するステップと、算出した座標データより座標変換テーブルを作成するステップとを有することを特徴とする三次元形状計測方法。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の三次元形状計測方法において、
レーザ及び座標変換テーブル作成用の表示体を微小距離動かせて座標変換テーブルを作成する処理を繰り返して複数の座標変換テーブルを作成し、被測定物の測定時にはレーザを照射した照射部位の光切断面を撮影し、レーザを微小距離動かす処理を繰り返して複数の撮影データを取得し、これらの撮影データに対して対応する座標変換テーブルを使用して被測定物の形状を測定することを特徴とする三次元形状計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【公開番号】特開２０１３−１５４１３（Ｐ２０１３−１５４１３Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４８５２８（Ｐ２０１１−１４８５２８）
【出願日】平成２３年７月４日（２０１１．７．４）
【出願人】（０００２２１１７７）東芝トランスポートエンジニアリング株式会社 (16)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月４日（２０１１．７．４）
【出願人】（０００２２１１７７）東芝トランスポートエンジニアリング株式会社 (16)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]