JP2001264031A

JP2001264031A - 形状計測方法及びその装置

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Publication number: JP2001264031A
Application number: JP2000070269A
Authority: JP
Inventors: Motoharu Fujigaki; 元治藤垣; Yoshiharu Morimoto; 吉春森本
Original assignee: Wakayama University
Current assignee: Wakayama University
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2001-09-26
Anticipated expiration: 2020-03-14
Also published as: JP3446020B2

Abstract

(57)【要約】【課題】物体の大きさによらず、高精度な形状計測を
可能とする形状計測方法及び形状計測装置を提供する。【解決手段】複数の基準面Ｒ_０〜Ｒ_Ｎ−１を、これら
基準面の法線方向に所定の間隔で設定する。そして、計
測すべき物体３を前記複数の基準面の内、両端に位置す
る基準面Ｒ_０及びＲ_Ｎ−１の間に配置する。その後、物
体３の表面上の点Ｓの座標を求めるために、基準面Ｒ_０
〜Ｒ_Ｎ−１を用いて、点Ｓを通るカメラの視線Ｌ_ｃとプ
ロジェクタからの光線Ｌ_ｐが基準面Ｒ_０〜Ｒ_Ｎ−１とそ
れぞれ交わる点Ｐ_ＯＰ_１と直線Ｃ_０Ｃ_１の交点を求め、
そのＺ座標からその点に最も近接した２つの基準面Ｒ_ｉ
及びＲ_ｉ＋１を選出する。そして、これら基準面Ｒ_ｉ及
びＲ _ｉ＋１を用いて物体３の形状を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、形状計測方法及び
その装置に関し、さらに詳しくは、工場ライン検査及び
人体形状計測の分野における非接触の形状計測に対して
好適に使用することが可能な、形状計測方法及びその装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、非接触において物体の３次元形状
を計測する方法として、前記物体に所定の格子を投影
し、異なる角度からその格子を撮影して得られた画像を
解析することにより３次元形状を求める格子投影法が用
いられている。この格子投影法は、具体的には、（１）
物体に所定の格子を投影する工程と、（２）この投影さ
れた格子を撮影して格子画像を得る工程と、（３）この
格子画像を解析し、格子位相値を計算する工程と、
（４）この格子位相値から３次元座標を計算する工程
と、からなる。

【０００３】上記（１）及び（２）の工程における精度
は、投影及び撮影に使用するプロジェクタやＣＣＤカメ
ラなどの性能によって決定される。また、（３）の工程
における精度を向上させるために、フーリエ変換位相シ
フト法が好ましく用いられている。この方法は、ノイズ
の影響をほとんど無視することができ、極めて精度良く
格子画像を解析することができる。

【０００４】（４）の工程における精度を向上させるた
めには、３次元座標の計算においては、この格子画像解
析においては、撮像装置であるＣＣＤカメラや光照射装
置であるプロジェクタなどのレンズ中心位置や光軸の向
きなどの光学系パラメータを精度良く求めることが要求
される。この要求に答えるべく、本発明者らは、基準面
である２次元格子が描かれた基準平板を用い、この基準
平板の格子画像を解析することにより得た位相分布を用
いることにより、前記光学パラメータを精度良く求めら
れることを見出した。この計測方法に関しては、本発明
者らの出願によって特許を取得している（特許第２９１
３０２１）。

【０００５】図１は、本発明者らによる計測方法を説明
するための概念図である。最初に、２次元格子が描かれ
た２つの基準面Ｒ_０及びＲ_１を準備する。次いで、これ
ら基準面の格子画像をＣＣＤカメラ１によって撮影す
る。これらの格子画像は、図示しない演算処理機におい
てフーリエ変換されて、所定の位相分布に変換される。
基準面に描かれている２次元格子のそれぞれの格子点に
おける座標位置は既知であるので、ＣＣＤカメラの各画
素に対応する２次元格子の位相値がわかれば、その画素
に撮影されている基準面上の点の座標が得られることに
なる。基準面Ｒ_０及びＲ_１上における座標位置は前記演
算処理機中に位相データとして蓄積される。

【０００６】また、基準面Ｒ_０及びＲ_１にプロジェクタ
２から２次元格子を投影し、その２次元格子画像をＣＣ
Ｄカメラ１によって撮影する。これらの格子画像も、図
示しない演算処理機においてフーリエ変換されて、所定
の位相分布に変換される。この位相分布から、プロジェ
クタから投影されている２次元格子の各投影線がＣＣＤ
カメラのどの画素に撮影されているのかを求めることが
できる。ＣＣＤカメラの各画素に対応する基準面Ｒ_０及
びＲ_１上の座標はすでにわかっているので、プロジェク
タからの各投影線が基準面Ｒ_０及びＲ_１上に投影されて
いる点の座標を求めることができる。基準面Ｒ_０及びＲ
_１上におけるプロジェクタから投影された２次元格子の
座標位置も前記演算処理機中に位相データとして蓄積さ
れる。なお、ＣＣＤカメラ１とプロジェクタ２の位置
は、基準面を撮影する場合も物体の形状計測を行う場合
も、はじめに設置した状態のまま移動させないこととす
る。

【０００７】物体の形状計測は、基準面Ｒ_０及びＲ_１間
に物体３を配置し、この物体３にプロジェクタ２から２
次元格子を投影する。このときＣＣＤカメラ１とプロジ
ェクタ２の位置は、前述したようにはじめに設置した状
態のまま移動させない。プロジェクタ２から２次元格子
が投影されている物体３をＣＣＤカメラ１で撮影する
と、光線Ｌ_Ｐが投影されている点ＳがＣＣＤカメラ３の
視線Ｌ_Ｃ上に存在し、視線Ｌ_Ｃに対応した画素に撮影さ
れる。上記説明で述べているように、その画素に撮影さ
れている基準面Ｒ_０及びＲ_１上の点Ｃ_０及びＣ_１の座標
は、演算処理機中に蓄積された位相データよりそれぞれ
得られることになり、視線Ｌ_Ｃが点Ｃ_０及びＣ_１を通る
直線として精度よく求まることになる。

【０００８】また、光線Ｌ_Ｐの持つ位相は、物体に投影
された格子を撮影した格子画像から求めることができ
る。上記説明で述べたように、光線Ｌ_Ｐが基準面Ｒ_０及
びＲ_１とそれぞれ交わる点Ｐ_０及びＰ_１の座標は、演算
処理機中に蓄積された位相データよりそれぞれ得られる
ことになり、光線Ｌ_Ｐが点Ｐ_０及びＰ_１を通る直線とし
て精度よく求まることになる。したがって、物体上の点
Ｓは、視線Ｌ_Ｃと光線Ｌ _Ｐの交点として得ることができ
る。物体表面の各点におてい同様の操作を行うことによ
り、物体の形状計測を行うことができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような方法においても、計測しようとする物体の大きさ
などによっては、正確な光学パラメータを求めることが
できず、これにより、前記物体の形状を非接触で精度良
く計測できない場合があった。

【００１０】本発明は、上記問題のない新規な形状計測
方法、及びこの方法に対して好適に用いることのできる
形状計測装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の形状計測方法
は、複数の異なる基準面を設定するとともに、これら基
準面の間に計測試料を配置する。さらに、この計測試料
の表面上において光照射装置から発射された光と撮像装
置の視線とを交差させ、前記光照射装置の位置に対応す
る前記複数の基準面におけるそれぞれの座標値と、前記
撮像装置の位置に対応する前記複数の基準面におけるそ
れぞれの座標値とを演算処理する。そして、前記複数の
基準面は、この基準面の法線方向において少なくとも３
つ並列するとともに、前記計測試料の形状は、この計測
試料に近接して配置された前記複数の基準面の内の２つ
によって計測するようにしたことを特徴とする。

【００１２】本発明者らは、上述したような基準面を用
いる形状計測方法において、物体の大きさなどに依存し
てこの物体の形状が正確に計測できなくなる原因を探る
べき鋭意検討を行った。その結果、計測しようとする物
体を前記基準面より離して配置すればするほど、前記物
体の形状誤差が大きくなることを見出した。すなわち、
ある一つの物体に対して基準面を設定し、この基準面を
用いて前記物体よりも小さい物体の形状を計測しようと
すると、この物体は必然的に前記基準面より離れて配置
されることになる。したがって、この小さい物体の形状
計測においては誤差が大きくなってしまうことを見出し
た。

【００１３】そこで、本発明者らは、計測しようとする
物体の大きさに対応させて随時基準面の設定を行うこと
を試みた。しかしながら、このような方法では、前記基
準面の設定に伴う座標位置の位相データへのフーリエ変
換などに長時間を要してしまい、これによって計測に長
時間を要してしまうという新たな問題を生じさせてしま
っていた。したがって、本発明者らは、新たな形状計測
方法を見出すべく鋭意検討を行った。

【００１４】その結果、本発明者らによる上記計測方法
において、従来用いていた２つの基準面に代えて３つ以
上の基準面を予め設定しておき、計測すべき物体が配置
された箇所に最も近接する任意の基準面を選出し、この
基準面を利用することによって前記物体の形状計測を実
施することを想到した。本発明は、上述した原因の発見
と、この原因に基づく新たな形状計測方法のの探索の結
果としてなされたものである。

【００１５】したがって、本発明によれば、物体の大き
さが変化した場合においても、その大きさに適合するよ
うに、前記物体に最も近接する基準面を用いて前記物体
の形状を計測することができる。このため、物体形状の
計測精度を飛躍的に向上させることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態
に基づいて詳細に説明する。図２及び３は、本発明の形
状計測方法を説明するための概念図である。なお、図２
及び３における、図１と同様の部分については同様の符
号を用いて表している。

【００１７】最初に、図２に示すように、２次元格子が
描かれた基準面Ｒ_０〜Ｒ_Ｎ−１（Ｎ≧３の自然数）を、
これら基準面の法線方向に所定の間隔をおいて設定す
る。なお、図中においては、便宜上、前記法線方向をＺ
方向にとってある。そして、基準面Ｒ_０〜Ｒ_Ｎ−１のそ
れぞれに対するＺ方向座標軸での座標位置Ｚ_０〜Ｚ_Ｎ−
_１を図示しない所定の演算処理機に記憶させておく。

【００１８】基準物体としては２次元格子の基準平板を
用いる。基準平板は基準面Ｒ_０〜Ｒ _Ｎ−１位置に順次
設置にし、それぞれの位置において、前述したように描
かれている２次元格子の位相分布と、プロジェクタから
投影された２次元格子の位相分布をフーリエ変換するこ
とによって求め、それぞれ前記演算処理機中の位相デー
タの形で蓄積する。つまり、この操作により、基準面Ｒ
_０〜Ｒ_Ｎ−１の位置における、ＣＣＤカメラの各視線が
通る座標と、プロジェクタの各投影線が通る座標の全て
を求めることになる。なお、この操作終了後、基準平板
は除去する。

【００１９】その後、計測すべき物体３を互いに最も離
れて位置する基準面Ｒ_０及びＲ_Ｎ− _１間に配置する。そ
して、前記同様にして、ＣＣＤカメラ１の視線Ｌ_Ｃとプ
ロジェクタ２から発射される光線Ｌ_Ｐとを物体３の表面
において交差させる。この交差点をＳ'とする。この交
差点Ｓ'の位置は、上述した本発明者らによる従来の計
測方法にしたがって、ＣＣＤカメラ１及プロジェクタ２
の位置に対応した、基準面Ｒ_０及びＲ_Ｎ−１上における
座標位置Ｐ_０及びＣ_０、並びにＰ_Ｎ−１及びＣ_Ｎ _−１よ
り求めることができる。すなわち、これらの座標位置か
ら交差点Ｓ'のＺ方向座標軸における座標位置Ｚ_Ｓ'を知
ることができる。

【００２０】次に、前記演算処理機には、各基準面のＺ
方向座標位置が記憶されているため、座標位置Ｚ_Ｓ'に
最も近接するＺ_ｉ座標位置及びＺ_ｉ＋１座標位置の２つ
の基準面Ｒ_ｉ及びＲ_ｉ＋１を選出する。その後は、従来
の方法と同様にして、ＣＣＤカメラ１及びプロジェクタ
２の位置に対応した、基準面Ｒ_ｉびＲ_ｉ＋１の座標位置
Ｐ_ｉ及びＣ_ｉ、並びにＰ_ｉ＋１及びＣ_ｉ＋１の前記演算
処理機による計算から、物体３の表面の点Ｓの座標を求
め、これによって物体３の形状を計測するものである。

【００２１】図４は、本発明にしたがって、大きさが15
0×150ｍｍである平面形状の物体の形状計測を実施した
場合の計測誤差を示す図である。図から明らかなよう
に、本計測は、基準面の法線方向（Ｚ方向）において、
Ｒ_０〜Ｒ_５の５つの基準面を２０ｍｍの等間隔で配置
し、前記物体をＺ方向における所定の位置に配置した場
合の結果を示したものである。また、図５は、基準面Ｒ
_０及びＲ_５のみを用い、上記同様にして物体の形状計測
を実施した場合の計測誤差を示す図である。

【００２２】図４及び５から明らかなように、基準面Ｒ
_０及びＲ_５のみを用いた場合においては、基準面Ｒ_０及
びＲ_５から離れるにつれて、すなわち、これら基準面か
ら前記物体が離れて配置されるにつれて、計測誤差が増
大するのが分かる。これに反して、基準面Ｒ_０〜Ｒ_５を
用いた本発明の計測方法においては、基準面Ｒ_０及びＲ
_５の間においてほぼ一定の計測誤差を示すことが判明し
た。そして、この計測誤差は、基準面Ｒ_０及びＲ_５を用
いる従来の計測方法に対してほぼ１／３程度以下に減少
していることが分かる。すなわち、本発明の形状計測方
法によれば、計測すべき物体に最も近接した基準面を使
用することにより、前記物体の大きさによらず、前記物
体形状を正確に計測できることが分かる。

【００２３】図６は、本発明の形状計測方法を実施する
ために好適に用いることのできる、計測装置の一例を示
す図である。図６に示す形状計測装置は、撮像装置とし
てのＣＣＤカメラ１と、光照射装置としてのプロジェク
タ２と、画像表示装置としての液晶ディスプレイ４と、
この液晶ディスプレイ４を支持するための移動手段であ
る移動ステージ５とを具えている。

【００２４】ＣＣＤカメラ１及びプロジェクタ２は、図
２及び３に示すように互いに並列するとともに、液晶デ
ィスプレイ４と対向するように配置されている。そし
て、移動ステージ５は、液晶ディスプレイ４をＣＣＤカ
メラ１及びプロジェクタ２に向けて連続的に移動できる
ようになっている。液晶ディスプレイ４上には、演算処
理機６からの信号を受けて所定の２次元格子が画面上に
映しだされるようになっており、液晶ディスプレイの画
面自体が基準面を構成するように設定されている。ま
た、ＣＣＤカメラ１、プロジェクタ２、液晶ディスプレ
イ４、及び移動ステージ５の位置並びに照射強度などの
すべての動作は、演算処理機６によって行われる。

【００２５】図６に示す形状計測装置を用いた形状計測
は、以下のようにして行う。最初に、移動ステージ５に
よって液晶ディスプレイ４をＣＣＤカメラ１及びプロジ
ェクタ２に向けて、所定の距離だけ数段階（Ｎ−１：Ｎ
≧３）移動させる。そして、各移動段階において、液晶
ディスプレイ４の画面上に表示された２次元格子の格子
画像をＣＣＤカメラ１で撮影する。これによって、実質
上基準面をＮ個設定したことになる。

【００２６】その後、計測すべき物体を前記両端に位置
する基準面間に配置し、上述した本発明の形状計測方法
にしたがって前記物体の形状を計測する。

【００２７】本発明の形状計測装置においては、基準面
を液晶ディスプレイの画面に表示された２次元格子から
構成し、この液晶ディスプレイを所定の距離だけ数段階
移動するように構成している。このため、単一の液晶デ
ィスプレイのみで所定の間隔だけ離隔された複数の基準
面を設定することができ、これによって、装置構成を単
純化することができる。

【００２８】以上、具体例を挙げながら発明の実施の形
態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は
上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸
脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能であ
る。例えば、上記計測方法及び計測装置においては、撮
像装置、光照射装置、及び画像表示装置として、ＣＣＤ
カメラ、プロジェクタ、及び液晶ディスプレイを用いた
場合について示しているが、これらに代わる公知の撮像
装置や投影装置、表示装置などをも当然に用いることが
できる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の形状計測
方法及び形状計測装置によれば、任意のおおきさの物体
形状を高精度で計測できることが分かる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の形状計測方法を説明するための概念図
である。

【図２】本発明の形状計測方法を説明するための概念
図である。

【図３】同じく、本発明の形状計測方法を説明するた
めの概念図である。

【図４】本発明の形状計測方法によって物体形状を計
測した場合の、計測誤差を示すグラフである。

【図５】従来の形状計測方法によって物体形状を計測
した場合の、計測誤差を示すグラフである。

【図６】本発明の形状計測装置の一例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ＣＣＤカメラ２プロジェクタ３形状計測物体４液晶ディスプレイ５移動ステージ６演算処理機Ｒ_０〜Ｒ_Ｎ−１基準面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の異なる基準面を設定するととも
に、これら基準面の間に計測試料を配置し、この計測試
料の表面上において光照射装置から発射された光線Ｌ_Ｐ
と撮像装置の視線Ｌ_Ｃとを交差させ、前記光照射装置の
位置に対応する前記複数の基準面におけるそれぞれの座
標値と、前記撮像装置の位置に対応する前記複数の基準
面におけるそれぞれの座標値とを演算処理して、前記計
測試料の形状を計測する方法であって、前記複数の基準面は、この基準面の法線方向において少
なくとも３つ並列するとともに、前記計測試料の形状
は、この計測試料に近接して配置された前記複数の基準
面の内の２つによって計測するようにしたことを特徴と
する、形状計測方法。
【請求項２】前記基準面は、基準平板上に描かれた２
次元格子からなることを特徴とする、請求項１に記載の
形状計測方法。
【請求項３】前記基準平板は画像表示装置からなり、
前記２次元格子は前記画像表示装置上に表示された画像
からなることを特徴とする、請求項２に記載の形状計測
方法。
【請求項４】前記演算処理は、前記複数の基準面のそ
れぞれの画像を前記撮像装置によって撮影し、前記画像
をフーリエ変換することによって作成した位相分布を基
にして行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか
一に記載の形状計測方法。
【請求項５】光照射装置と、撮像装置と、画像表示装
置と、この画像表示装置を支持する移動手段とを具え、
前記光照射装置及び前記撮像装置は、互いに並列すると
ともに前記画像表示装置と対向するように配置され、前
記移動手段は、前記画像処理装置を前記光照射装置及び
前記撮像装置に向けて連続的に移動するようにしたこと
を特徴とする、形状計測装置。
【請求項６】前記画像表示装置は、液晶ディスプレイ
であることを特徴とする、請求項５に記載の形状計測装
置。
【請求項７】前記光照射手段は、プロジェクタである
ことを特徴とする、請求項５又は６に記載の形状計測装
置。
【請求項８】前記撮像装置は、ＣＣＤカメラであるこ
とを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一に記載の形
状計測装置。