形状測定方法および装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、鏡面物体に好適な物体の形状を測定するための形状測定方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】各種工業分野において、物体の立体形状測定は製品の組立て、検査、さらに工程の自動化等に欠かすことのできない重要な技術である。また、これらの各分野の製品においては、例えばオートバイのマフラー、あるいは切削、研磨加工された物体等、その表面が鏡面状態、あるいは光沢度の高い状態となっている物体が多々存在する。
【０００３】その表面が鏡面状態、あるいは、光沢度の高い状態（以下、光沢面と記す）を有する物体（以下、単に光沢物体と記す）の立体形状測定は、その物体表面で光が正反射するため、一般の拡散反射面を有する物体を対象とした立体形状測定法をそのまま適用することは不可能である。
【０００４】このため従来より光沢物体を対象とした立体形状測定方法が種々試みられてきた。例えば、図４に特公平７−５８１７２号で提案されている立方形状測定装置を示す。この例は同一軸Ｘ上に一定の距離Ｂをおいて設置された２個の拡散点光源Ｌl ，Ｌr と、それらの拡散点光源と空間的に等価な位置に置かれた２台のＩＴＶカメラＣl ，Ｃr とによって構成された光沢物体の立体形状測定装置の例である。図４において、対象物Ｔは二つの拡散点光源Ｌl ，Ｌr によって同時に照射される。ここで、対象物面上のｉ番目の点をＰｔi 、拡散点光源Ｌl から点Ｐｔi へ出た光の光路をＲｌi 、拡散点光源Ｌr から点Ｐｔi へ出た光の光路をＲｒi とすると、拡散点光源Ｌl から対象物Ｔ上のａ４番目の点Ｐｔa4へ出た光路Ｒｌa4の光は、点Ｐｔa4で正反射し、光路Ｒ′ｌa4を通りＩＴＶカメラＣr に入射する。
【０００５】一方、拡散点光源Ｌr から出たある特定の光路Ｒｒa4の光は、拡散点光源Ｌlからの光路と全く同一の光路を逆に進み、点Ｐｔa4で正反射し光路Ｒ′ｒa4を通りＩＴＶカメラＣl へ入射する。各ＩＴＶカメラへの光の入射角θｌa4，θｒa4は、各ＩＴＶカメラの結像面Ｉl ，Ｉr 上における光点Ｑｌa4，Ｑｒa4の位置とＩＴＶカメラの焦点距離Ｆより算出することができる。対象物Ｔ上の反射点Ｐｔa4の位置は入射角θｌa4，θｒa4および２台のＩＴＶカメラ間の距離Ｂを用いて三角測量の原理によって得ることができる。対象物Ｔの立体形状は、対象物Ｔを回転、あるいは移動しながら上記測定を繰り返し行うことにより求められる。この手法は拡散点光源の移動、あるいは照射タイミングの切替え等の可動機構等を必要とせず、固定した拡散点光源とＩＴＶカメラのみの簡単な構成で光沢物体の立体形状を測定できるという点において優れている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記方法においては、光沢物体の立体形状の測定に関して、一方の拡散点光源から出てそれと異なる位置にあるＩＴＶカメラへ入射する光のみを扱っている。しかしながら、実際の測定においては、対象物の形状、あるいは対象物の位置によっては、ある拡散点光源から出た光がそれと同一位置にあるＩＴＶカメラに入射する場合が生じる。
【０００７】例えば、図４の例において、拡散点光源Ｌl から出たある特定の光路Ｒｌb4の光は、対象物Ｔ上のある点Ｐｔb4で正反射し、光路Ｒｌb4と同一の光路Ｒ′ｌb4を戻りＩＴＶカメラＣl へ入射し、光点Ｑｌb4を結ぶ。同様に、拡散点光源Ｌrから出たある特定の光路Ｒｒc4の光は、対象物Ｔ上の点Ｐｔc4で正反射し同一光路Ｒ′ｒc4を戻りＩＴＶカメラＣr へ入射し、光点Ｑｒc4を結ぶ。
【０００８】この結果、ＩＴＶカメラＣl の結像面Ｉl には拡散点光源Ｌr からの光による光点Ｑｌa4と、拡散点光源Ｌl からの光による光点Ｑｌb4の二つの光点が同時に存在することとなる。また、ＩＴＶカメラＣr の結像面Ｉr には拡散点光源Ｌlからの光による光点Ｑｒa4と、拡散点光源Ｌr からの光による光点Ｑｒc4の二つが同時に存在することとなる。このため、ＩＴＶカメラの結像面上の光点に関し、どの光点が点Ｐｔa4からの反射光によるものか不明となり、その位置の算出が不可能となる。
【０００９】上述のように特公平７−５８１７２号の提案ではＩＴＶカメラと異なる位置にある拡散点光源からの入射光についてのみしか扱われておらず、ＩＴＶカメラと同一位置にある拡散点光源からの入射光については何ら考慮されていない。このため実際の測定においては、ＩＴＶカメラ結像面に光点が二つ現れた場合、測定点位置算出に用いる光点の特定不能、あるいはＩＴＶカメラ結像面間の光点の誤対応が生じ、測定点位置算出が不能となる問題を有しているという点において、上記提案には未だ改善すべき点が残っていた。そこで、本発明の目的は、測定性能を向上した鏡面物体の形状測定方法および装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成するために、請求項１の発明は、同一軸上に一定の距離を置いて２つの拡散点光源を設置し、各々の前記拡散点光源と空間的にほぼ同一位置に２台の撮像装置を設置し、前記各々の拡散点光源から測定対象物に光を投射し、該測定対象物より反射した光を各々の撮像装置で撮像する工程と、前記各々の撮像装置の結像面上における光点を検出する工程と、前記光点の数を記憶する工程と、前記結像面上の光点の位置を検出する工程と、当該検出位置を記憶する工程と、前記結像面上の光点が複数の場合、前記撮像装置の位置と異なる位置の拡散点光源からの反射光による光点と他の拡散点光源による光点とを比較し、その位置の大きい光点のみを異なる位置の前記拡散点光源からの反射光による光点の位置として判別する工程と、前記判別した光点の位置のみを検出する工程と、前記各々の撮像装置への反射光の入射角、前記各々の撮像装置のカメラパラメータ、および前記拡散点光源、前記各々の撮像装置の設置位置に関する幾何学的値より前記測定対象物の光の反射点の空間的位置を算出する工程とを具えたことを特徴とする。
【００１１】請求項２の発明は、同一軸上に一定の距離を置いて架台上に設置された２つの拡散点光源と、各々の前記拡散点光源と空間的にほぼ同一位置に設置され、前記各々の拡散点光源から測定対象物に投射された光の該測定対象物より反射した光を撮像する２台の撮像装置と、各々の前記撮像装置の結像面上の光点を検出すると共に該光点の数を記憶し、前記結像面上の光点の位置をそれぞれ検出すると共にその検出位置を記憶し、前記結像面上の光点が複数の場合、前記撮像装置の位置と異なる位置の拡散点光源からの反射光による光点と他の拡散点光源による光点とを比較し、その位置の大きい光点のみを異なる位置の前記拡散点光源からの反射光による光点の位置として判別し、この判別した光点の位置のみを取り出す光点信号処理装置と、前記各々の撮像装置への反射光の入射角をそれぞれ算出し、前記各々の撮像装置のカメラパラメータ、および前記拡散点光源、前記各々の撮像装置の設置位置に関する幾何学的値より前記測定対象物の光の反射点の位置を算出する形状演算装置とを備えたことを特徴とする。
【００１２】請求項１，２の発明では、撮像装置の位置と異なる位置の拡散点光源からの反射光による光点と他の拡散点光源による光点とを比較し、その位置の大きい光点のみを異なる位置の前記拡散点光源からの反射光による光点の位置として判別し、撮像装置と同一位置にある拡散点光源からの反射光による光点を除去し、異なる位置にある拡散点光源からの反射光による光点のみを検出する。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１４】図１は本実施例を上面から見た構成を示す。図１において、Ｔは測定対象物、Ｌl ，Ｌr は拡散点光源、Ｃl ，Ｃr はＩＴＶカメラ、Ｍl ，Ｍr はハーフミラーであり、それぞれは架台Ｋの上に設置されている。またＳ１１Ｌ、およびＳ１１Ｒは光点信号処理装置、そしてＳ１２は形状演算装置である。
【００１５】測定系の座標軸は架台Ｋの長手方向にＸ軸を、そのＸ軸に垂直にＹ軸、Ｙ′軸をそれぞれ図１のように取り、Ｘ軸とＹ軸の交点を原点Ｏとし、Ｘ軸とＹ′軸の交点をＯ′とする。ハーフミラーＭl ，Ｍr はそれぞれ交点Ｏ、およびＯ′に設置され、その面はＸ軸に対し、例えば、角−４５°、および角＋４５°を有している。拡散点光源Ｌl ，Ｌr はＹ軸、およびＹ′軸上でＯ，Ｏ′より負方向に各々距離Ｄの位置に設置されており、また、ＩＴＶカメラＣl ，Ｃr はそのレンズ主点がＸ軸上でＯ，Ｏ′より各々距離Ｄの位置で、かつその光軸がＸ軸と一致するように設置されている。
【００１６】すなわち、左右どちらの構成も、ハーフミラーから拡散点光源までの距離、およびハーフミラーからＩＴＶカメラまでの距離は等距離Ｄであり、拡散点光源とＩＴＶカメラの位置は等価的に同一となっている。またこの時、ＩＴＶカメラＣl ，Ｃr 間、および拡散点光源Ｌl ，Ｌr 間の距離をＢとすると、Ｙ軸、Ｙ′軸間の距離はＢ−２Ｄである。
【００１７】本構成において、拡散点光源Ｌl ，Ｌr は同時に対象物Ｔ全体を照射する。拡散点光源Ｌl より対象物Ｔに向けて投射された光は、ハーフミラーＭl を通過し対象物Ｔ全面を照射する。対象物Ｔの表面は光沢面である。従って、投射された光は全てその面上で正反射される。この時、対象物Ｔ面上のｉ番目の点をＰｔiで表わすものとすると、ａ１番目のある特定の光路Ｒｌa1の光のみが対象物Ｔ上の点Ｐｔa1で正反射され光路Ｒ′ｌa1を通り、さらにハーフミラーＭr で反射されＩＴＶカメラＣr へ入射する。拡散点光源Ｌr に関しても、そこから出たある特定の光路Ｒｒa1の光のみが対象物Ｔ面上の点Ｐｔa1で反射され、光路Ｒ′ｒa1を通り、ハーフミラーＭl を経てＩＴＶカメラＣl へ入射する。ここで光路Ｒｌa1とＲ′ｒa1、およびＲｒa1とＲ′ｌa1は光の正反射の法則により全く同一の経路となり、測定系の幾何学的条件によって唯一定まる経路である。
【００１８】一方、対象物Ｔの形状、あるいは位置によっては、拡散点光源Ｌl から対象物Ｔに投射された光のうち上記光路Ｒｌa1とは異なるある特定の光路Ｒｌb1の光は、対象物Ｔ面上のｂ１番目の点Ｐｔb1で正反射され、光路Ｒｌb1と同一で逆向きの光路Ｒ′ｌb1を通りさらにハーフミラーＭl で反射され拡散点光源Ｌl と同一の位置にあるＩＴＶカメラＣl に入射する。同様に、拡散点光源Ｌr から対象物Ｔに投射されたある特定の光路Ｒｒc1を通る光は、対象物Ｔ面上の点Ｐｔc1で正反射され、その光路と同一で逆向きの光路Ｒ′ｒc1を通りさらにハーフミラーＭr を経てＩＴＶカメラＣr へ入射する。従って、このような場合にはＩＴＶカメラＣl 、およびＣr のそれぞれの結像面には複数（２つ）の光点が結像することとなる。
【００１９】光点信号処理装置Ｓ１１Ｌ、およびＳ１１Ｒは、各ＩＴＶカメラの結像面上の光点の数、およびそれらの光点の位置を検出し、もし光点が複数であった場合にはそのＩＴＶカメラの位置と異なる位置の拡散点光源による光点の位置のみを取出す。形状演算装置Ｓ１２は光点信号処理装置Ｓ１１Ｌ、およびＳ１１Ｒから得られた各結像面上の光点位置をもとに対象物Ｔ上の反射点Ｐｔa1の位置を三角測量の原理によって算出する。
【００２０】図２を用いて本実施例の測定原理を説明する。図２においてＴは測定対象物で凸物体（含、平面物体）であるものとし、その面上のｉ番目の点をＰｔi （ｘi，ｙi ）で表わす。Ｌl ，Ｌr は拡散点光源である。Ｃl ，Ｃr はＩＴＶカメラで、その焦点距離を共にＦとする。
【００２１】ここで、ＩＴＶカメラＣl ，Ｃr は、そのレンズ主点がそれぞれ点Ｏ，Ｏ′の位置で、かつそれらの光軸が各々Ｙ，Ｙ′軸に一致するように設置されており、また、拡散点光源Ｌl ，Ｌr は各々点Ｏ，Ｏ′の位置に設置されているものとする。なお、この構成は図１に示した実施例の光学系に対し等価である。
【００２２】測定系の座標軸Ｘ，Ｙ、およびＹ′を図のように定める。Ｙ軸、Ｙ′軸はそれぞれＸ軸に垂直で、Ｘ軸とＹ軸の交点を原点Ｏ、Ｘ軸とＹ′軸の交点をＯ′とする。座標軸Ｙ，Ｙ′間の距離はＢである。ＩＴＶカメラの結像面座標系に関して、ＩＴＶカメラＣl の結像面Ｉl 上の座標軸をＵ、ＩＴＶカメラＣr の結像面Ｉr 上の座標軸をＷとする。Ｕ軸はＹ軸の−Ｆの位置でＸ軸と平行、Ｙ軸に垂直で、かつその向きはＸ軸と逆方向である。Ｙ軸とＵ軸の交点を原点Ｏu とする。Ｗ軸はＹ′軸の−Ｆの位置で、Ｘ軸と平行、Ｙ′軸に垂直で、かつその向きはＸ軸と同方向である。Ｙ′軸とＷ軸との交点を原点Ｏw とする。また、Ｕ軸、およびＷ軸上のｉ番目の光点の位置を一般にＱｌi （ｕi ）、およびＱｒi （ｗi ）で表わすものとする。
【００２３】対象物Ｔは光沢物体である。従って、拡散点光源Ｌl から対象物Ｔに向けて投射された全ての光、すなわちｉ番目の光路Ｒｌi の光は、対象物Ｔ面上の点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）で正反射され光路Ｒ′ｌi の光となる。この時、光の正反射の法則より、ある特定の光路Ｒｌa2の光のみが特定の点Ｐｔa2（ｘa2，ｙa2）で正反射され、光路Ｒ′ｌa2を通りＩＴＶカメラＣr へ入射し、Ｗ軸上に光点Ｑｒa2（ｗa2）を結ぶ。対象物Ｔへ照射された他の光路Ｒｌi （ｉ≠ａ２）の光も対象物Ｔ面上の点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）（ｉ≠ａ２）で正反射されるが、それらの光はＩＴＶカメラＣr へは入射しない。同様に、拡散点光源Ｌr から対象物Ｔに向けて投射された全ての光、すなわち光路Ｒｒi の光も点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）で正反射され光路Ｒ′ｒi の光となるが、それらの光のうち、ある特定の光路Ｒｒa2の光のみが特定の点Ｐｔa2（ｘa2，ｙa2）で正反射され、光路Ｒ′ｒa2を通りＩＴＶカメラＣl へ入射し、Ｕ軸上に光点Ｑｌa2（ｕa2）を結ぶ。
【００２４】特定の点Ｐｔa2（ｘa2，ｙa2）に関する光路Ｒｌa2とＲ′ｒa2、および光路Ｒｒa2とＲ′ｌa2は、向きが逆で、かつ同一の光路を有している。すなわち一方の拡散点光源から出て対象物で正反射し、他方の位置にあるＩＴＶカメラへ入射する光の光路は、それぞれの拡散点光源について全く同一の逆の経路であり、これは対象物が凸物体である限りただ一つ定まるものである。
【００２５】ここで、Ｘ軸と光路Ｒｌi との成す角をθｌi 、Ｘ軸と光路Ｒｒi との成す角をθｒi とすると次式が成立する。
【００２６】
【数１】
【００２７】
【数２】
【００２８】上式より、対象物Ｔ上の点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）の位置は一般に次式で求められる。
【００２９】
【数３】
【００３０】
【数４】
【００３１】従って、点Ｐｔa2（ｘa2，ｙa2）の位置は次式となる。
【００３２】
【数５】
【００３３】
【数６】
【００３４】上式で示される様に、２台のＩＴＶカメラの各結像面における光点間の対応が得られた場合、対象物上の測定点の位置は、それぞれのＩＴＶカメラの結像面における光点の位置ｕi ，ｗi 、ＩＴＶカメラ間の距離Ｂ、およびＩＴＶカメラの焦点距離Ｆを用いて求めることができる。
【００３５】一方、ある拡散点光源から出た光のうち、その光路がある特定の条件を満たした光は、対象物Ｔ面上のある点で正反射し、往きの光路を逆向きに戻り拡散点光源と同一位置にあるＩＴＶカメラへ入射する。すなわち、拡散点光源Ｌl から投射された特定の光路Ｒｌb2の光は、点Ｐｔb2（ｘb2，ｙb2）で反射し、光路Ｒｌb2と同一で逆の光路Ｒ′ｌb2を通りＩＴＶカメラＣl へ入射し、Ｕ軸上に光点Ｑｌb2（ｕb2）を結ぶ。この結果、ＩＴＶカメラＣl の結像面Ｉl には拡散点光源Ｌr からの光による光点Ｑｌa2（ｕa2）と、拡散点光源Ｌl からの光による光点Ｑｌb2（ｕb2）の二つの光点が同時に存在することとなる。
【００３６】同様に、拡散点光源Ｌr から出た光のうち特定の光路Ｒｒc2の光は、点Ｐｔc2（ｘc2，ｙc2）で反射し、それと同一で逆の光路Ｒ′ｒc2を通りＩＴＶカメラＣr へ入射し、Ｗ軸上で光点Ｑｒc2（ｗc2）を結ぶ。従ってＩＴＶカメラＣr の結像面Ｉr にはＩＴＶカメラＣl と同様に二つの光点Ｑｒa2（ｗa2）、およびＱｒc2（ｗc2）が存在することとなる。
【００３７】ここで、拡散点光源の光路と対象物の法線の関係を考える。
【００３８】図に示すように、対象物Ｔ上の点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）における接平面に対する垂直線を法線Ｎi とし、Ｘ軸と法線Ｎi との成す角をθｘｎi （ｘi ，ｙi ）、光路Ｒｌi と法線Ｎi との成す角をθｒｎi （ｘi ，ｙi ）とする。この時、角θｒｎi （ｘi ，ｙi ）は次式で表わされる。
【００３９】
【数７】θrni(xi,yi)＝θxni(xi,yi)−θli(xi,yi)また、拡散点光源Ｌl から出た光が点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）で正反射しＩＴＶカメラＣr に入射するためには、光路Ｒｌi とＲ′ｌi はＢを底辺とする三角形を構成しなければならない。従って、角θｒｎi （ｘi ，ｙi ）は常に次の条件を満足しなければならない。
【００４０】
【数８】θrni(xi,yi)＞０すなわち、
【００４１】
【数９】θxni(xi,yi)＞θli(xi,yi)一方、ｉ＝ｂ２の時、拡散点光源Ｌl から出た光が点Ｐｔb2（ｘb2，ｙb2）で正反射し、その拡散点光源と同一位置にあるＩＴＶカメラＣl に入射する場合には光路Ｒｌb2と法線Ｎb2が一致しなければならない。
【００４２】
【数１０】θrnb2(xb2,yb2) ＝０すなわち、
【００４３】
【数１１】θxnb2(xb2,yb2) ＝θlb2(xb2,yb2)ここで、対象物が凸物体であるとすると、ｘi ＞ｘb2の時、その曲率Ｋは常にＫ≧０となる。従って、点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）に関して次式が成立する。
【００４４】
【数１２】
θxni(xi,yi)≧θxnb2(xb2,yb2) (xi＞xb2)一方、点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）がオクルージョンなしに観測されるためには、点Ｐｔb2（ｘb2，ｙb2）を通る直線（光路）Ｒｌb2に関して点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）は常にその負の領域になければならない。この時、次式が成立する。
【００４５】
【数１３】
θlb2 (xb2,yb2) ＞θli(xi,yi) (xi＞xb2)従って、数１１式、数１２式および数１３式より次の関係が成立する。
【００４６】
【数１４】
θxni(xi,yi)≧θxnb2(xb2,yb2) ＞θli(xi,yi) (xi＞xb2)上式より、ｘi ＞ｘb2の時、条件θｘｎi （ｘi ，ｙi ）＞θｌi （ｘi ，ｙi ）の関係が常に成立する。すなわち、数９式の条件を満足するためには、ｘi＞ｘb2でなければならない。図２において、点Ｐｔa2（ｘa2，ｙa2）の位置はＰｔb2（ｘb2，ｙb2）より常に右側、すなわち、Ｘ軸に関しｘa2の位置はｘb2より常に大きな位置となる。従って、常にθｌb2（ｘb2，ｙb2）＞θｌa2（ｘa2，ｙa2）が成立する。この結果、結像面Ｉl のＵ軸上における光点Ｑｌa2（ｕa2）の位置は光点Ｑｌb2（ｕb2）よりも常に大きな値（ｕa2＞ｕb2）となる。
【００４７】同様に、ＩＴＶカメラＣr に関して、点Ｐｔa2（ｘa2，ｙa2）の位置はＰｔc2（ｘc2，ｙc2）より常に左側、すなわち、Ｘ軸に関してｘa2がｘc2より常に小さな位置となる。この時、常に角θｌc2（ｘc2，ｙc2）＞θｌa2（ｘa2，ｙa2）である。従って、結像面Ｉr のＷ軸上における光点Ｑｒa2（ｗa2）の位置は光点Ｑｒc2（ｗc2）よりも常に大きな値（ｗa2＞ｗc2）となる。
【００４８】すなわち、ＩＴＶカメラの結像面における光点の位置は、他の位置にある拡散点光源からの反射光による光点の位置は、そのＩＴＶカメラと同一位置にある拡散点光源による光点の位置より常に大きな値となる。従って、その結像面上の光点位置を比較することにより、どちらの拡散点光源による光点かを判別可能である。
【００４９】このような原理により光点を判別する光点信号処理装置Ｓ１１Ｌ、およびＳ１１Ｒの内部構成を図３R>３に示す。図３において光点信号処理装置Ｓ１１Ｌは光点検出回路３１Ｌ、光点位置検出回路３２Ｌ、光点判別回路３３Ｌより構成されている。同様に光点信号処理装置Ｓ１１Ｒは光点検出回路３１Ｒ、光点位置検出回路３２Ｒ、光点判別回路３３Ｒより構成されている。
【００５０】光点検出回路３１Ｌ、および３１ＲはＩＴＶカメラＣl 、およびＣr 各々の映像信号を入力とする。光点検出回路３１Ｌ、および３１Ｒは各入力映像信号に関し、スレッショルド回路による信号レベル検出等の周知の手法により光点と背景の信号を分離、結像面の光点を検出し、その数を記憶する。光点位置検出回路３２Ｌ、および３２ＲはＩＴＶカメラの水平、あるいは垂直走査方向について、その走査信号のスタート時より光点検出回路３１Ｌ，３１Ｒで検出された光点までの時間を計数する等の周知の手法により、その光点位置を検出し、その値を記憶する。光点判別回路３３Ｌ、および３３Ｒは、光点検出回路３１Ｌ，３１Ｒで検出された光点数のデータに基づき、光点が二つある場合には光点位置検出回路３２Ｌ，３２Ｒで検出された光点位置を比較し、その位置の大きい光点のみを検出する。また、光点が一つの場合にはその光点の位置を取り出す。
【００５１】形状演算装置Ｓ１２は光点信号処理装置Ｓ１１Ｌ、およびＳ１１Ｒにより得られた光点位置より、数３式、数４式に基づき対象物上の点Ｐｔi の位置を算出する。
【００５２】
【発明の効果】以上述べた様に、請求項１，２の発明では、撮像装置の位置と異なる位置の拡散点光源からの反射光による光点と他の拡散点光源による光点とを比較し、その位置の大きい光点のみを異なる位置の前記拡散点光源からの反射光による光点の位置として判別し、撮像装置と同一位置にある拡散点光源からの反射光による光点を除去し、異なる位置にある拡散点光源からの反射光による光点のみを検出する。これにより対象物の形状、位置、あるいは測定装置の設置位置等の測定系の幾何学的構成条件に拘束されることなく対象物の立体形状測定が可能であり、各種産業分野に広く適用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の構成を示す構成図である。
【図２】本発明の測定原理を示す説明図である。
【図３】本発明実施例の光点信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【図４】従来の光沢物体の形状測定法を示す構成図である。
【符号の説明】
Ｔ 測定対象物
Ｌl ，Ｌr 拡散点光源
Ｃl ，Ｃr ＩＴＶカメラ
Ｍl ，Ｍr ハーフミラー
Ｉl ，Ｉr ＩＴＶカメラ結像面
Ｋ 架台
Ｓ１１Ｌ，Ｓ１１Ｒ 光点信号処理装置
Ｓ１２ 形状演算装置
３１Ｌ，３１Ｒ 光点検出回路
３２Ｌ，３２Ｒ 光点位置検出回路
３３Ｌ，３３Ｒ 光点判別回路
Ｆ ＩＴＶカメラ焦点距離
Ｂ ＩＴＶカメラ間の距離、拡散点光源間の距離
Ｃ ＩＴＶカメラとハーフミラー間の距離、拡散点光源とハーフミラー間の距離
Ｒｌ，Ｒｒ 拡散点光源からの光の光路
Ｒ′ｌ，Ｒ′ｒ 測定対象物で反射した光の光路
Ｐｔ 測定対象物上の点
Ｑｌ，Ｑｒ ＩＴＶカメラ結像面上の光点
Ｎ 法線
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、鏡面物体に好適な物体の形状を測定するための形状測定方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】各種工業分野において、物体の立体形状測定は製品の組立て、検査、さらに工程の自動化等に欠かすことのできない重要な技術である。また、これらの各分野の製品においては、例えばオートバイのマフラー、あるいは切削、研磨加工された物体等、その表面が鏡面状態、あるいは光沢度の高い状態となっている物体が多々存在する。
【０００３】その表面が鏡面状態、あるいは、光沢度の高い状態（以下、光沢面と記す）を有する物体（以下、単に光沢物体と記す）の立体形状測定は、その物体表面で光が正反射するため、一般の拡散反射面を有する物体を対象とした立体形状測定法をそのまま適用することは不可能である。
【０００４】このため従来より光沢物体を対象とした立体形状測定方法が種々試みられてきた。例えば、図４に特公平７−５８１７２号で提案されている立方形状測定装置を示す。この例は同一軸Ｘ上に一定の距離Ｂをおいて設置された２個の拡散点光源Ｌl ，Ｌr と、それらの拡散点光源と空間的に等価な位置に置かれた２台のＩＴＶカメラＣl ，Ｃr とによって構成された光沢物体の立体形状測定装置の例である。図４において、対象物Ｔは二つの拡散点光源Ｌl ，Ｌr によって同時に照射される。ここで、対象物面上のｉ番目の点をＰｔi 、拡散点光源Ｌl から点Ｐｔi へ出た光の光路をＲｌi 、拡散点光源Ｌr から点Ｐｔi へ出た光の光路をＲｒi とすると、拡散点光源Ｌl から対象物Ｔ上のａ４番目の点Ｐｔa4へ出た光路Ｒｌa4の光は、点Ｐｔa4で正反射し、光路Ｒ′ｌa4を通りＩＴＶカメラＣr に入射する。
【０００５】一方、拡散点光源Ｌr から出たある特定の光路Ｒｒa4の光は、拡散点光源Ｌlからの光路と全く同一の光路を逆に進み、点Ｐｔa4で正反射し光路Ｒ′ｒa4を通りＩＴＶカメラＣl へ入射する。各ＩＴＶカメラへの光の入射角θｌa4，θｒa4は、各ＩＴＶカメラの結像面Ｉl ，Ｉr 上における光点Ｑｌa4，Ｑｒa4の位置とＩＴＶカメラの焦点距離Ｆより算出することができる。対象物Ｔ上の反射点Ｐｔa4の位置は入射角θｌa4，θｒa4および２台のＩＴＶカメラ間の距離Ｂを用いて三角測量の原理によって得ることができる。対象物Ｔの立体形状は、対象物Ｔを回転、あるいは移動しながら上記測定を繰り返し行うことにより求められる。この手法は拡散点光源の移動、あるいは照射タイミングの切替え等の可動機構等を必要とせず、固定した拡散点光源とＩＴＶカメラのみの簡単な構成で光沢物体の立体形状を測定できるという点において優れている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記方法においては、光沢物体の立体形状の測定に関して、一方の拡散点光源から出てそれと異なる位置にあるＩＴＶカメラへ入射する光のみを扱っている。しかしながら、実際の測定においては、対象物の形状、あるいは対象物の位置によっては、ある拡散点光源から出た光がそれと同一位置にあるＩＴＶカメラに入射する場合が生じる。
【０００７】例えば、図４の例において、拡散点光源Ｌl から出たある特定の光路Ｒｌb4の光は、対象物Ｔ上のある点Ｐｔb4で正反射し、光路Ｒｌb4と同一の光路Ｒ′ｌb4を戻りＩＴＶカメラＣl へ入射し、光点Ｑｌb4を結ぶ。同様に、拡散点光源Ｌrから出たある特定の光路Ｒｒc4の光は、対象物Ｔ上の点Ｐｔc4で正反射し同一光路Ｒ′ｒc4を戻りＩＴＶカメラＣr へ入射し、光点Ｑｒc4を結ぶ。
【０００８】この結果、ＩＴＶカメラＣl の結像面Ｉl には拡散点光源Ｌr からの光による光点Ｑｌa4と、拡散点光源Ｌl からの光による光点Ｑｌb4の二つの光点が同時に存在することとなる。また、ＩＴＶカメラＣr の結像面Ｉr には拡散点光源Ｌlからの光による光点Ｑｒa4と、拡散点光源Ｌr からの光による光点Ｑｒc4の二つが同時に存在することとなる。このため、ＩＴＶカメラの結像面上の光点に関し、どの光点が点Ｐｔa4からの反射光によるものか不明となり、その位置の算出が不可能となる。
【０００９】上述のように特公平７−５８１７２号の提案ではＩＴＶカメラと異なる位置にある拡散点光源からの入射光についてのみしか扱われておらず、ＩＴＶカメラと同一位置にある拡散点光源からの入射光については何ら考慮されていない。このため実際の測定においては、ＩＴＶカメラ結像面に光点が二つ現れた場合、測定点位置算出に用いる光点の特定不能、あるいはＩＴＶカメラ結像面間の光点の誤対応が生じ、測定点位置算出が不能となる問題を有しているという点において、上記提案には未だ改善すべき点が残っていた。そこで、本発明の目的は、測定性能を向上した鏡面物体の形状測定方法および装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成するために、請求項１の発明は、同一軸上に一定の距離を置いて２つの拡散点光源を設置し、各々の前記拡散点光源と空間的にほぼ同一位置に２台の撮像装置を設置し、前記各々の拡散点光源から測定対象物に光を投射し、該測定対象物より反射した光を各々の撮像装置で撮像する工程と、前記各々の撮像装置の結像面上における光点を検出する工程と、前記光点の数を記憶する工程と、前記結像面上の光点の位置を検出する工程と、当該検出位置を記憶する工程と、前記結像面上の光点が複数の場合、前記撮像装置の位置と異なる位置の拡散点光源からの反射光による光点と他の拡散点光源による光点とを比較し、その位置の大きい光点のみを異なる位置の前記拡散点光源からの反射光による光点の位置として判別する工程と、前記判別した光点の位置のみを検出する工程と、前記各々の撮像装置への反射光の入射角、前記各々の撮像装置のカメラパラメータ、および前記拡散点光源、前記各々の撮像装置の設置位置に関する幾何学的値より前記測定対象物の光の反射点の空間的位置を算出する工程とを具えたことを特徴とする。
【００１１】請求項２の発明は、同一軸上に一定の距離を置いて架台上に設置された２つの拡散点光源と、各々の前記拡散点光源と空間的にほぼ同一位置に設置され、前記各々の拡散点光源から測定対象物に投射された光の該測定対象物より反射した光を撮像する２台の撮像装置と、各々の前記撮像装置の結像面上の光点を検出すると共に該光点の数を記憶し、前記結像面上の光点の位置をそれぞれ検出すると共にその検出位置を記憶し、前記結像面上の光点が複数の場合、前記撮像装置の位置と異なる位置の拡散点光源からの反射光による光点と他の拡散点光源による光点とを比較し、その位置の大きい光点のみを異なる位置の前記拡散点光源からの反射光による光点の位置として判別し、この判別した光点の位置のみを取り出す光点信号処理装置と、前記各々の撮像装置への反射光の入射角をそれぞれ算出し、前記各々の撮像装置のカメラパラメータ、および前記拡散点光源、前記各々の撮像装置の設置位置に関する幾何学的値より前記測定対象物の光の反射点の位置を算出する形状演算装置とを備えたことを特徴とする。
【００１２】請求項１，２の発明では、撮像装置の位置と異なる位置の拡散点光源からの反射光による光点と他の拡散点光源による光点とを比較し、その位置の大きい光点のみを異なる位置の前記拡散点光源からの反射光による光点の位置として判別し、撮像装置と同一位置にある拡散点光源からの反射光による光点を除去し、異なる位置にある拡散点光源からの反射光による光点のみを検出する。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１４】図１は本実施例を上面から見た構成を示す。図１において、Ｔは測定対象物、Ｌl ，Ｌr は拡散点光源、Ｃl ，Ｃr はＩＴＶカメラ、Ｍl ，Ｍr はハーフミラーであり、それぞれは架台Ｋの上に設置されている。またＳ１１Ｌ、およびＳ１１Ｒは光点信号処理装置、そしてＳ１２は形状演算装置である。
【００１５】測定系の座標軸は架台Ｋの長手方向にＸ軸を、そのＸ軸に垂直にＹ軸、Ｙ′軸をそれぞれ図１のように取り、Ｘ軸とＹ軸の交点を原点Ｏとし、Ｘ軸とＹ′軸の交点をＯ′とする。ハーフミラーＭl ，Ｍr はそれぞれ交点Ｏ、およびＯ′に設置され、その面はＸ軸に対し、例えば、角−４５°、および角＋４５°を有している。拡散点光源Ｌl ，Ｌr はＹ軸、およびＹ′軸上でＯ，Ｏ′より負方向に各々距離Ｄの位置に設置されており、また、ＩＴＶカメラＣl ，Ｃr はそのレンズ主点がＸ軸上でＯ，Ｏ′より各々距離Ｄの位置で、かつその光軸がＸ軸と一致するように設置されている。
【００１６】すなわち、左右どちらの構成も、ハーフミラーから拡散点光源までの距離、およびハーフミラーからＩＴＶカメラまでの距離は等距離Ｄであり、拡散点光源とＩＴＶカメラの位置は等価的に同一となっている。またこの時、ＩＴＶカメラＣl ，Ｃr 間、および拡散点光源Ｌl ，Ｌr 間の距離をＢとすると、Ｙ軸、Ｙ′軸間の距離はＢ−２Ｄである。
【００１７】本構成において、拡散点光源Ｌl ，Ｌr は同時に対象物Ｔ全体を照射する。拡散点光源Ｌl より対象物Ｔに向けて投射された光は、ハーフミラーＭl を通過し対象物Ｔ全面を照射する。対象物Ｔの表面は光沢面である。従って、投射された光は全てその面上で正反射される。この時、対象物Ｔ面上のｉ番目の点をＰｔiで表わすものとすると、ａ１番目のある特定の光路Ｒｌa1の光のみが対象物Ｔ上の点Ｐｔa1で正反射され光路Ｒ′ｌa1を通り、さらにハーフミラーＭr で反射されＩＴＶカメラＣr へ入射する。拡散点光源Ｌr に関しても、そこから出たある特定の光路Ｒｒa1の光のみが対象物Ｔ面上の点Ｐｔa1で反射され、光路Ｒ′ｒa1を通り、ハーフミラーＭl を経てＩＴＶカメラＣl へ入射する。ここで光路Ｒｌa1とＲ′ｒa1、およびＲｒa1とＲ′ｌa1は光の正反射の法則により全く同一の経路となり、測定系の幾何学的条件によって唯一定まる経路である。
【００１８】一方、対象物Ｔの形状、あるいは位置によっては、拡散点光源Ｌl から対象物Ｔに投射された光のうち上記光路Ｒｌa1とは異なるある特定の光路Ｒｌb1の光は、対象物Ｔ面上のｂ１番目の点Ｐｔb1で正反射され、光路Ｒｌb1と同一で逆向きの光路Ｒ′ｌb1を通りさらにハーフミラーＭl で反射され拡散点光源Ｌl と同一の位置にあるＩＴＶカメラＣl に入射する。同様に、拡散点光源Ｌr から対象物Ｔに投射されたある特定の光路Ｒｒc1を通る光は、対象物Ｔ面上の点Ｐｔc1で正反射され、その光路と同一で逆向きの光路Ｒ′ｒc1を通りさらにハーフミラーＭr を経てＩＴＶカメラＣr へ入射する。従って、このような場合にはＩＴＶカメラＣl 、およびＣr のそれぞれの結像面には複数（２つ）の光点が結像することとなる。
【００１９】光点信号処理装置Ｓ１１Ｌ、およびＳ１１Ｒは、各ＩＴＶカメラの結像面上の光点の数、およびそれらの光点の位置を検出し、もし光点が複数であった場合にはそのＩＴＶカメラの位置と異なる位置の拡散点光源による光点の位置のみを取出す。形状演算装置Ｓ１２は光点信号処理装置Ｓ１１Ｌ、およびＳ１１Ｒから得られた各結像面上の光点位置をもとに対象物Ｔ上の反射点Ｐｔa1の位置を三角測量の原理によって算出する。
【００２０】図２を用いて本実施例の測定原理を説明する。図２においてＴは測定対象物で凸物体（含、平面物体）であるものとし、その面上のｉ番目の点をＰｔi （ｘi，ｙi ）で表わす。Ｌl ，Ｌr は拡散点光源である。Ｃl ，Ｃr はＩＴＶカメラで、その焦点距離を共にＦとする。
【００２１】ここで、ＩＴＶカメラＣl ，Ｃr は、そのレンズ主点がそれぞれ点Ｏ，Ｏ′の位置で、かつそれらの光軸が各々Ｙ，Ｙ′軸に一致するように設置されており、また、拡散点光源Ｌl ，Ｌr は各々点Ｏ，Ｏ′の位置に設置されているものとする。なお、この構成は図１に示した実施例の光学系に対し等価である。
【００２２】測定系の座標軸Ｘ，Ｙ、およびＹ′を図のように定める。Ｙ軸、Ｙ′軸はそれぞれＸ軸に垂直で、Ｘ軸とＹ軸の交点を原点Ｏ、Ｘ軸とＹ′軸の交点をＯ′とする。座標軸Ｙ，Ｙ′間の距離はＢである。ＩＴＶカメラの結像面座標系に関して、ＩＴＶカメラＣl の結像面Ｉl 上の座標軸をＵ、ＩＴＶカメラＣr の結像面Ｉr 上の座標軸をＷとする。Ｕ軸はＹ軸の−Ｆの位置でＸ軸と平行、Ｙ軸に垂直で、かつその向きはＸ軸と逆方向である。Ｙ軸とＵ軸の交点を原点Ｏu とする。Ｗ軸はＹ′軸の−Ｆの位置で、Ｘ軸と平行、Ｙ′軸に垂直で、かつその向きはＸ軸と同方向である。Ｙ′軸とＷ軸との交点を原点Ｏw とする。また、Ｕ軸、およびＷ軸上のｉ番目の光点の位置を一般にＱｌi （ｕi ）、およびＱｒi （ｗi ）で表わすものとする。
【００２３】対象物Ｔは光沢物体である。従って、拡散点光源Ｌl から対象物Ｔに向けて投射された全ての光、すなわちｉ番目の光路Ｒｌi の光は、対象物Ｔ面上の点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）で正反射され光路Ｒ′ｌi の光となる。この時、光の正反射の法則より、ある特定の光路Ｒｌa2の光のみが特定の点Ｐｔa2（ｘa2，ｙa2）で正反射され、光路Ｒ′ｌa2を通りＩＴＶカメラＣr へ入射し、Ｗ軸上に光点Ｑｒa2（ｗa2）を結ぶ。対象物Ｔへ照射された他の光路Ｒｌi （ｉ≠ａ２）の光も対象物Ｔ面上の点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）（ｉ≠ａ２）で正反射されるが、それらの光はＩＴＶカメラＣr へは入射しない。同様に、拡散点光源Ｌr から対象物Ｔに向けて投射された全ての光、すなわち光路Ｒｒi の光も点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）で正反射され光路Ｒ′ｒi の光となるが、それらの光のうち、ある特定の光路Ｒｒa2の光のみが特定の点Ｐｔa2（ｘa2，ｙa2）で正反射され、光路Ｒ′ｒa2を通りＩＴＶカメラＣl へ入射し、Ｕ軸上に光点Ｑｌa2（ｕa2）を結ぶ。
【００２４】特定の点Ｐｔa2（ｘa2，ｙa2）に関する光路Ｒｌa2とＲ′ｒa2、および光路Ｒｒa2とＲ′ｌa2は、向きが逆で、かつ同一の光路を有している。すなわち一方の拡散点光源から出て対象物で正反射し、他方の位置にあるＩＴＶカメラへ入射する光の光路は、それぞれの拡散点光源について全く同一の逆の経路であり、これは対象物が凸物体である限りただ一つ定まるものである。
【００２５】ここで、Ｘ軸と光路Ｒｌi との成す角をθｌi 、Ｘ軸と光路Ｒｒi との成す角をθｒi とすると次式が成立する。
【００２６】
【数１】
【００２７】
【数２】
【００２８】上式より、対象物Ｔ上の点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）の位置は一般に次式で求められる。
【００２９】
【数３】
【００３０】
【数４】
【００３１】従って、点Ｐｔa2（ｘa2，ｙa2）の位置は次式となる。
【００３２】
【数５】
【００３３】
【数６】
【００３４】上式で示される様に、２台のＩＴＶカメラの各結像面における光点間の対応が得られた場合、対象物上の測定点の位置は、それぞれのＩＴＶカメラの結像面における光点の位置ｕi ，ｗi 、ＩＴＶカメラ間の距離Ｂ、およびＩＴＶカメラの焦点距離Ｆを用いて求めることができる。
【００３５】一方、ある拡散点光源から出た光のうち、その光路がある特定の条件を満たした光は、対象物Ｔ面上のある点で正反射し、往きの光路を逆向きに戻り拡散点光源と同一位置にあるＩＴＶカメラへ入射する。すなわち、拡散点光源Ｌl から投射された特定の光路Ｒｌb2の光は、点Ｐｔb2（ｘb2，ｙb2）で反射し、光路Ｒｌb2と同一で逆の光路Ｒ′ｌb2を通りＩＴＶカメラＣl へ入射し、Ｕ軸上に光点Ｑｌb2（ｕb2）を結ぶ。この結果、ＩＴＶカメラＣl の結像面Ｉl には拡散点光源Ｌr からの光による光点Ｑｌa2（ｕa2）と、拡散点光源Ｌl からの光による光点Ｑｌb2（ｕb2）の二つの光点が同時に存在することとなる。
【００３６】同様に、拡散点光源Ｌr から出た光のうち特定の光路Ｒｒc2の光は、点Ｐｔc2（ｘc2，ｙc2）で反射し、それと同一で逆の光路Ｒ′ｒc2を通りＩＴＶカメラＣr へ入射し、Ｗ軸上で光点Ｑｒc2（ｗc2）を結ぶ。従ってＩＴＶカメラＣr の結像面Ｉr にはＩＴＶカメラＣl と同様に二つの光点Ｑｒa2（ｗa2）、およびＱｒc2（ｗc2）が存在することとなる。
【００３７】ここで、拡散点光源の光路と対象物の法線の関係を考える。
【００３８】図に示すように、対象物Ｔ上の点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）における接平面に対する垂直線を法線Ｎi とし、Ｘ軸と法線Ｎi との成す角をθｘｎi （ｘi ，ｙi ）、光路Ｒｌi と法線Ｎi との成す角をθｒｎi （ｘi ，ｙi ）とする。この時、角θｒｎi （ｘi ，ｙi ）は次式で表わされる。
【００３９】
【数７】θrni(xi,yi)＝θxni(xi,yi)−θli(xi,yi)また、拡散点光源Ｌl から出た光が点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）で正反射しＩＴＶカメラＣr に入射するためには、光路Ｒｌi とＲ′ｌi はＢを底辺とする三角形を構成しなければならない。従って、角θｒｎi （ｘi ，ｙi ）は常に次の条件を満足しなければならない。
【００４０】
【数８】θrni(xi,yi)＞０すなわち、
【００４１】
【数９】θxni(xi,yi)＞θli(xi,yi)一方、ｉ＝ｂ２の時、拡散点光源Ｌl から出た光が点Ｐｔb2（ｘb2，ｙb2）で正反射し、その拡散点光源と同一位置にあるＩＴＶカメラＣl に入射する場合には光路Ｒｌb2と法線Ｎb2が一致しなければならない。
【００４２】
【数１０】θrnb2(xb2,yb2) ＝０すなわち、
【００４３】
【数１１】θxnb2(xb2,yb2) ＝θlb2(xb2,yb2)ここで、対象物が凸物体であるとすると、ｘi ＞ｘb2の時、その曲率Ｋは常にＫ≧０となる。従って、点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）に関して次式が成立する。
【００４４】
【数１２】
θxni(xi,yi)≧θxnb2(xb2,yb2) (xi＞xb2)一方、点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）がオクルージョンなしに観測されるためには、点Ｐｔb2（ｘb2，ｙb2）を通る直線（光路）Ｒｌb2に関して点Ｐｔi （ｘi ，ｙi ）は常にその負の領域になければならない。この時、次式が成立する。
【００４５】
【数１３】
θlb2 (xb2,yb2) ＞θli(xi,yi) (xi＞xb2)従って、数１１式、数１２式および数１３式より次の関係が成立する。
【００４６】
【数１４】
θxni(xi,yi)≧θxnb2(xb2,yb2) ＞θli(xi,yi) (xi＞xb2)上式より、ｘi ＞ｘb2の時、条件θｘｎi （ｘi ，ｙi ）＞θｌi （ｘi ，ｙi ）の関係が常に成立する。すなわち、数９式の条件を満足するためには、ｘi＞ｘb2でなければならない。図２において、点Ｐｔa2（ｘa2，ｙa2）の位置はＰｔb2（ｘb2，ｙb2）より常に右側、すなわち、Ｘ軸に関しｘa2の位置はｘb2より常に大きな位置となる。従って、常にθｌb2（ｘb2，ｙb2）＞θｌa2（ｘa2，ｙa2）が成立する。この結果、結像面Ｉl のＵ軸上における光点Ｑｌa2（ｕa2）の位置は光点Ｑｌb2（ｕb2）よりも常に大きな値（ｕa2＞ｕb2）となる。
【００４７】同様に、ＩＴＶカメラＣr に関して、点Ｐｔa2（ｘa2，ｙa2）の位置はＰｔc2（ｘc2，ｙc2）より常に左側、すなわち、Ｘ軸に関してｘa2がｘc2より常に小さな位置となる。この時、常に角θｌc2（ｘc2，ｙc2）＞θｌa2（ｘa2，ｙa2）である。従って、結像面Ｉr のＷ軸上における光点Ｑｒa2（ｗa2）の位置は光点Ｑｒc2（ｗc2）よりも常に大きな値（ｗa2＞ｗc2）となる。
【００４８】すなわち、ＩＴＶカメラの結像面における光点の位置は、他の位置にある拡散点光源からの反射光による光点の位置は、そのＩＴＶカメラと同一位置にある拡散点光源による光点の位置より常に大きな値となる。従って、その結像面上の光点位置を比較することにより、どちらの拡散点光源による光点かを判別可能である。
【００４９】このような原理により光点を判別する光点信号処理装置Ｓ１１Ｌ、およびＳ１１Ｒの内部構成を図３R>３に示す。図３において光点信号処理装置Ｓ１１Ｌは光点検出回路３１Ｌ、光点位置検出回路３２Ｌ、光点判別回路３３Ｌより構成されている。同様に光点信号処理装置Ｓ１１Ｒは光点検出回路３１Ｒ、光点位置検出回路３２Ｒ、光点判別回路３３Ｒより構成されている。
【００５０】光点検出回路３１Ｌ、および３１ＲはＩＴＶカメラＣl 、およびＣr 各々の映像信号を入力とする。光点検出回路３１Ｌ、および３１Ｒは各入力映像信号に関し、スレッショルド回路による信号レベル検出等の周知の手法により光点と背景の信号を分離、結像面の光点を検出し、その数を記憶する。光点位置検出回路３２Ｌ、および３２ＲはＩＴＶカメラの水平、あるいは垂直走査方向について、その走査信号のスタート時より光点検出回路３１Ｌ，３１Ｒで検出された光点までの時間を計数する等の周知の手法により、その光点位置を検出し、その値を記憶する。光点判別回路３３Ｌ、および３３Ｒは、光点検出回路３１Ｌ，３１Ｒで検出された光点数のデータに基づき、光点が二つある場合には光点位置検出回路３２Ｌ，３２Ｒで検出された光点位置を比較し、その位置の大きい光点のみを検出する。また、光点が一つの場合にはその光点の位置を取り出す。
【００５１】形状演算装置Ｓ１２は光点信号処理装置Ｓ１１Ｌ、およびＳ１１Ｒにより得られた光点位置より、数３式、数４式に基づき対象物上の点Ｐｔi の位置を算出する。
【００５２】
【発明の効果】以上述べた様に、請求項１，２の発明では、撮像装置の位置と異なる位置の拡散点光源からの反射光による光点と他の拡散点光源による光点とを比較し、その位置の大きい光点のみを異なる位置の前記拡散点光源からの反射光による光点の位置として判別し、撮像装置と同一位置にある拡散点光源からの反射光による光点を除去し、異なる位置にある拡散点光源からの反射光による光点のみを検出する。これにより対象物の形状、位置、あるいは測定装置の設置位置等の測定系の幾何学的構成条件に拘束されることなく対象物の立体形状測定が可能であり、各種産業分野に広く適用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の構成を示す構成図である。
【図２】本発明の測定原理を示す説明図である。
【図３】本発明実施例の光点信号処理装置の構成を示すブロック図である。
【図４】従来の光沢物体の形状測定法を示す構成図である。
【符号の説明】
Ｔ 測定対象物
Ｌl ，Ｌr 拡散点光源
Ｃl ，Ｃr ＩＴＶカメラ
Ｍl ，Ｍr ハーフミラー
Ｉl ，Ｉr ＩＴＶカメラ結像面
Ｋ 架台
Ｓ１１Ｌ，Ｓ１１Ｒ 光点信号処理装置
Ｓ１２ 形状演算装置
３１Ｌ，３１Ｒ 光点検出回路
３２Ｌ，３２Ｒ 光点位置検出回路
３３Ｌ，３３Ｒ 光点判別回路
Ｆ ＩＴＶカメラ焦点距離
Ｂ ＩＴＶカメラ間の距離、拡散点光源間の距離
Ｃ ＩＴＶカメラとハーフミラー間の距離、拡散点光源とハーフミラー間の距離
Ｒｌ，Ｒｒ 拡散点光源からの光の光路
Ｒ′ｌ，Ｒ′ｒ 測定対象物で反射した光の光路
Ｐｔ 測定対象物上の点
Ｑｌ，Ｑｒ ＩＴＶカメラ結像面上の光点
Ｎ 法線
【特許請求の範囲】
【請求項１】 同一軸上に一定の距離を置いて２つの拡散点光源を設置し、各々の前記拡散点光源と空間的にほぼ同一位置に２台の撮像装置を設置し、前記各々の拡散点光源から測定対象物に光を投射し、該測定対象物より反射した光を各々の撮像装置で撮像する工程と、前記各々の撮像装置の結像面上における光点を検出する工程と、前記光点の数を記憶する工程と、前記結像面上の光点の位置を検出する工程と、当該検出位置を記憶する工程と、前記結像面上の光点が複数の場合、前記撮像装置の位置と異なる位置の拡散点光源からの反射光による光点と他の拡散点光源による光点とを比較し、その位置の大きい光点のみを異なる位置の前記拡散点光源からの反射光による光点の位置として判別する工程と、前記判別した光点の位置のみを検出する工程と、前記各々の撮像装置への反射光の入射角、前記各々の撮像装置のカメラパラメータ、および前記拡散点光源、前記各々の撮像装置の設置位置に関する幾何学的値より前記測定対象物の光の反射点の空間的位置を算出する工程とを具えたことを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】 同一軸上に一定の距離を置いて架台上に設置された２つの拡散点光源と、各々の前記拡散点光源と空間的にほぼ同一位置に設置され、前記各々の拡散点光源から測定対象物に投射された光の該測定対象物より反射した光を撮像する２台の撮像装置と、各々の前記撮像装置の結像面上の光点を検出すると共に該光点の数を記憶し、前記結像面上の光点の位置をそれぞれ検出すると共にその検出位置を記憶し、前記結像面上の光点が複数の場合、前記撮像装置の位置と異なる位置の拡散点光源からの反射光による光点と他の拡散点光源による光点とを比較し、その位置の大きい光点のみを異なる位置の前記拡散点光源からの反射光による光点の位置として判別し、この判別した光点の位置のみを取り出す光点信号処理装置と、前記各々の撮像装置への反射光の入射角をそれぞれ算出し、前記各々の撮像装置のカメラパラメータ、および前記拡散点光源、前記各々の撮像装置の設置位置に関する幾何学的値より前記測定対象物の光の反射点の位置を算出する形状演算装置とを備えたことを特徴とする形状測定装置。
【請求項１】 同一軸上に一定の距離を置いて２つの拡散点光源を設置し、各々の前記拡散点光源と空間的にほぼ同一位置に２台の撮像装置を設置し、前記各々の拡散点光源から測定対象物に光を投射し、該測定対象物より反射した光を各々の撮像装置で撮像する工程と、前記各々の撮像装置の結像面上における光点を検出する工程と、前記光点の数を記憶する工程と、前記結像面上の光点の位置を検出する工程と、当該検出位置を記憶する工程と、前記結像面上の光点が複数の場合、前記撮像装置の位置と異なる位置の拡散点光源からの反射光による光点と他の拡散点光源による光点とを比較し、その位置の大きい光点のみを異なる位置の前記拡散点光源からの反射光による光点の位置として判別する工程と、前記判別した光点の位置のみを検出する工程と、前記各々の撮像装置への反射光の入射角、前記各々の撮像装置のカメラパラメータ、および前記拡散点光源、前記各々の撮像装置の設置位置に関する幾何学的値より前記測定対象物の光の反射点の空間的位置を算出する工程とを具えたことを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】 同一軸上に一定の距離を置いて架台上に設置された２つの拡散点光源と、各々の前記拡散点光源と空間的にほぼ同一位置に設置され、前記各々の拡散点光源から測定対象物に投射された光の該測定対象物より反射した光を撮像する２台の撮像装置と、各々の前記撮像装置の結像面上の光点を検出すると共に該光点の数を記憶し、前記結像面上の光点の位置をそれぞれ検出すると共にその検出位置を記憶し、前記結像面上の光点が複数の場合、前記撮像装置の位置と異なる位置の拡散点光源からの反射光による光点と他の拡散点光源による光点とを比較し、その位置の大きい光点のみを異なる位置の前記拡散点光源からの反射光による光点の位置として判別し、この判別した光点の位置のみを取り出す光点信号処理装置と、前記各々の撮像装置への反射光の入射角をそれぞれ算出し、前記各々の撮像装置のカメラパラメータ、および前記拡散点光源、前記各々の撮像装置の設置位置に関する幾何学的値より前記測定対象物の光の反射点の位置を算出する形状演算装置とを備えたことを特徴とする形状測定装置。
【図２】
【図４】
【図１】
【図３】
【図４】
【図１】
【図３】
【特許番号】特許第３０４４２８５号（Ｐ３０４４２８５）
【登録日】平成１２年３月１７日（２０００．３．１７）
【発行日】平成１２年５月２２日（２０００．５．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平７−３１２４１１
【出願日】平成７年１１月３０日（１９９５．１１．３０）
【公開番号】特開平９−１５２３２０
【公開日】平成９年６月１０日（１９９７．６．１０）
【審査請求日】平成７年１１月３０日（１９９５．１１．３０）
【審判番号】平１０−３６７９
【審判請求日】平成１０年３月５日（１９９８．３．５）
【出願人】（０００００１１４４）工業技術院長 (75)
【指定代理人】
【識別番号】２２００００３５６
【氏名又は名称】 ２２００００３５６ 工業技術院電子技術総合研究所長
【合議体】
【参考文献】
【文献】特開 平５−２６６１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特公 平７−５８１７２（ＪＰ，Ｂ２）
【登録日】平成１２年３月１７日（２０００．３．１７）
【発行日】平成１２年５月２２日（２０００．５．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成７年１１月３０日（１９９５．１１．３０）
【公開番号】特開平９−１５２３２０
【公開日】平成９年６月１０日（１９９７．６．１０）
【審査請求日】平成７年１１月３０日（１９９５．１１．３０）
【審判番号】平１０−３６７９
【審判請求日】平成１０年３月５日（１９９８．３．５）
【出願人】（０００００１１４４）工業技術院長 (75)
【指定代理人】
【識別番号】２２００００３５６
【氏名又は名称】 ２２００００３５６ 工業技術院電子技術総合研究所長
【合議体】
【参考文献】
【文献】特開 平５−２６６１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特公 平７−５８１７２（ＪＰ，Ｂ２）
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