特許 7284076 三次元形状計測装置および三次元形状計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-22

(45)【発行日】2023-05-30

(54)【発明の名称】三次元形状計測装置および三次元形状計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/25 20060101AFI20230523BHJP

【ＦＩ】

G01B11/25 H

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019216051

(22)【出願日】2019-11-29

(65)【公開番号】P2021085797

(43)【公開日】2021-06-03

【審査請求日】2022-06-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000207551

【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】100105935

【弁理士】

【氏名又は名称】振角 正一

(74)【代理人】

【識別番号】100136836

【弁理士】

【氏名又は名称】大西 一正

(72)【発明者】

【氏名】福江 久美子

(72)【発明者】

【氏名】北村 藤和

(72)【発明者】

【氏名】小川 章

【審査官】飯村 悠斗

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－００２３７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１６３０９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０３４７６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－０９８２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１７８１７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光パターンを投影するプロジェクタと、
前記プロジェクタから投影された光パターンを撮像する撮像カメラと、
三次元座標により示される所定の計測空間内の座標位置と、前記計測空間で前記撮像カメラの奥行方向に並ぶ複数の基準面のそれぞれに投影された前記光パターンが前記基準面上の前記座標位置で示す位相との対応関係を示すデータを、前記座標位置毎に有する第１位相座標テーブルを格納する第１記憶部と、
前記計測空間内に計測対象物を保持する保持部材と、
前記計測空間のうち、前記保持部材に保持される前記計測対象物の表面を含んで前記計測空間より狭い領域内の前記座標位置に対応するデータを前記第１位相座標テーブルから抽出して第２位相座標テーブルとして格納する第２記憶部と、
前記プロジェクタから前記保持部材に保持される前記計測対象物に投影された前記光パターンを前記撮像カメラにより撮像した画像が示す位相と前記第２位相座標テーブルとの対比に基づき、前記計測対象物の三次元形状を求める演算部と
を備えた三次元形状計測装置。

【請求項2】

前記第２記憶部は、前記第１記憶部より小さい容量を有するとともに、前記第１記憶部よりも高速で動作する請求項１に記載の三次元形状計測装置。

【請求項3】

前記第２記憶部は、前記計測対象物の表面うち、前記撮像カメラに撮像されない死角部分の前記座標位置に対応するデータは前記第１位相座標テーブルから抽出しない請求項１または２に記載の三次元形状計測装置。

【請求項4】

前記死角部分は、前記奥行方向への段差である請求項３に記載の三次元形状計測装置。

【請求項5】

前記第２記憶部は、前記計測対象物のうち、前記奥行方向から見て、前記段差を境界に隣接する２個の表面のうち、一方の表面を含む領域内の前記座標位置に対応するデータである一方データと、他方の表面を含む領域内の前記座標位置に対応するデータである他方データとをそれぞれ抽出し、
前記奥行方向から見て、前記一方データが示す前記座標位置が分布する領域の端と、前記他方データが示す前記座標位置が分布する領域の端とが、重複領域で重複し、
前記重複領域は、前記段差を含むように設けられている請求項４に記載の三次元形状計測装置。

【請求項6】

三次元座標により示される所定の計測空間内の座標位置と、前記計測空間で撮像カメラの奥行方向に並ぶ複数の基準面のそれぞれに投影された光パターンが前記基準面上の前記座標位置で示す位相との対応関係を示すデータを、前記座標位置毎に有する第１位相座標テーブルから抽出したデータを、前記第１位相座標テーブルを記憶する第１記憶部から第２記憶部に転送して、前記第２記憶部に第２位相座標テーブルとして格納する工程と、
計測対象物に投影された前記光パターンを前記撮像カメラにより撮像した画像が示す位相と前記第２位相座標テーブルとの対比に基づき、前記計測対象物の三次元形状を求める工程と
を備え、
前記第２記憶部には、前記計測空間のうち、前記計測対象物の表面を含んで前記計測空間より狭い領域内の前記座標位置に対応するデータが前記第１位相座標テーブルから抽出されて第２位相座標テーブルとして格納される三次元形状計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、計測対象物に投影される光パターンが示す位相に基づき計測対象物の三次元形状を計測する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に示されるように、計測対象物の三次元形状を計測する手法として、位相シフト法が知られている。この位相シフト法は、計測対象物に投影された光パターンの撮像を光パターンの位相を変更しつつ実行し、各光パターンの撮像画像に基づき、計測対象物の三次元形状が算出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第４８７３４８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

また、特許文献１では、全空間テーブル化法によって、計測対象物の三次元形状が計測される。この方法によると、水平な基準平面に投影された光パターンを撮像した画像から、ＸＹ座標における基準平面上の各座標位置の位相を算出する処理が、基準平面のＺ座標（高さ）を変更しつつ繰り返し実行される。その結果、三次元座標（ＸＹＺ座標）における座標位置と当該座標位置の位相との対応関係を示すデータを、計測空間内の各座標位置について有する位相座標テーブル（全空間テーブル）が取得される。計測対象物の三次元形状の計測では、計測対象物に投影された光パターンが示す各ＸＹ座標位置における位相と、全空間テーブルとを対比することで、計測対象物の外表面の三次元座標が算出される。

【0005】

ところで、全空間テーブルは、三次元形状計測装置の計測空間の全域について求められるため、大きなデータ量を有する。そのため、投影パターンに基づき算出した位相と位相座標テーブルとの対比に長時間を要して、計測対象物の三次元形状の計測を効率的に行うことが難しい場合があった。

【0006】

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、位相と位相座標テーブルとの対比に要する時間を抑えて、計測対象物の三次元形状を効率的に計測することを可能とする技術の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る三次元形状計測装置は、光パターンを投影するプロジェクタと、プロジェクタから投影された光パターンを撮像する撮像カメラと、三次元座標により示される所定の計測空間内の座標位置と、計測空間で撮像カメラの奥行方向に並ぶ複数の基準面のそれぞれに投影された光パターンが基準面上の座標位置で示す位相との対応関係を示すデータを、座標位置毎に有する第１位相座標テーブルを格納する第１記憶部と、計測空間内に計測対象物を保持する保持部材と、計測空間のうち、保持部材に保持される計測対象物の表面を含んで計測空間より狭い領域内の座標位置に対応するデータを第１位相座標テーブルから抽出して第２位相座標テーブルとして格納する第２記憶部と、プロジェクタから保持部材に保持される計測対象物に投影された光パターンを撮像カメラにより撮像した画像が示す位相と第２位相座標テーブルとの対比に基づき、計測対象物の三次元形状を求める演算部とを備える。

【0008】

本発明に係る三次元形状計測方法は、三次元座標により示される所定の計測空間内の座標位置と、計測空間で撮像カメラの奥行方向に並ぶ複数の基準面のそれぞれに投影された光パターンが基準面上の座標位置で示す位相との対応関係を示すデータを、座標位置毎に有する第１位相座標テーブルから抽出したデータを、第１位相座標テーブルを記憶する第１記憶部から第２記憶部に転送して、第２記憶部に第２位相座標テーブルとして格納する工程と、 計測対象物に投影された光パターンを撮像カメラにより撮像した画像が示す位相に対応付けられた座標位置と第２位相座標テーブルとの対比に基づき、計測対象物の三次元形状を求める工程とを備え、第２記憶部には、計測空間のうち、計測対象物の表面を含んで計測空間より狭い領域内の座標位置に対応するデータが第１位相座標テーブルから抽出されて第２位相座標テーブルとして格納される。

【0009】

このように構成された本発明（三次元形状計測装置、三次元形状計測方法）では、第１位相座標テーブルが第１記憶部に記憶される。この第１位相座標テーブルは、三次元座標により示される所定の計測空間内の座標位置と、計測空間で撮像カメラの奥行方向に並ぶ複数の基準面のそれぞれに投影された光パターンが基準面上の座標位置で示す位相との対応関係を示すデータを、座標位置毎に有する。さらに、第２記憶部が設けられており、第２記憶部は、計測空間のうち、計測対象物の表面を含んで計測空間より狭い領域内の座標位置に対応するデータを第１位相座標テーブルから抽出した第２位相座標テーブルを格納する。そして、計測対象物に投影された光パターンを撮像カメラにより撮像した画像が示す位相に対応付けられた座標位置と第２位相座標テーブルとの対比に基づき、計測対象物の三次元形状が求められる。

【0010】

つまり、計測対象物の存在範囲が計測空間の一部であることから、計測対象物の三次元形状の計測は、計測空間に対して設けられた第１位相座標テーブルの全データを必要としない。そこで、計測対象物の表面を含んで計測空間より狭い領域内の座標位置に対応するデータを有する第２位相座標テーブルが、第１位相座標テーブルから抽出されて第２記憶部に格納される。そして、計測対象物に投影された光パターンを撮像カメラにより撮像した画像が示す位相に対応付けられた座標位置と第２位相座標テーブルとの対比に基づき、計測対象物の三次元形状が求められる。かかる第２位相座標テーブルは、第１位相座標テーブルよりも少ないデータ量を有するため、第２位相座標テーブルと位相との対比に要する時間は、第１位相座標テーブルと位相との対比に要する時間と比較して短縮することができる。こうして、位相と位相座標テーブルとの対比に要する時間を抑えて、計測対象物の三次元形状を効率的に計測することが可能となっている。

【0011】

また、第２記憶部は、第１記憶部より小さい容量を有するとともに、第１記憶部よりも高速で動作するように、三次元形状計測装置を構成しても良い。このように高速で動作する第２記憶部に第２位相座標テーブルを格納しておくことで、第２位相座標テーブルと位相との対比に要する時間をより短縮して、計測対象物の三次元形状をさらに効率的に計測できるとともに、第２記憶部の容量を小さく抑えることで、第２記憶部に要するコストを抑えることができる。

【0012】

また、第２記憶部は、計測対象物の表面うち、撮像カメラに撮像されない死角部分の座標位置に対応するデータは第１位相座標テーブルから抽出しないように、三次元形状計測装置を構成してもよい。つまり、撮像カメラの死角部分は、三次元形状の計測の対象から外れるため、死角部分に対応するデータが無くても、精度を損なうことなく三次元形状の計測を実行できる。そこで、死角部分に対応するデータを第１位相座標テーブルから抽出しないことで、第２位相座標テーブルのデータ量をさらに少なくできる。その結果、位相と位相座標テーブルとの対比に要する時間を効果的に抑えて、計測対象物の三次元形状をさらに効率的に計測することができる。

【0013】

なお、死角部分の具体例は種々想定できる。例えば、死角部分は奥行方向への段差であってもよい。このような段差は、撮像カメラで撮像されないため、段差に対応するデータが無くても、精度を損なうことなく三次元形状の計測を実行できる。そこで、段差に対応するデータを第１位相座標テーブルから抽出しないことで、第２位相座標テーブルのデータ量をさらに少なくできる。その結果、位相と位相座標テーブルとの対比に要する時間を効果的に抑えて、計測対象物の三次元形状をさらに効率的に計測することができる。

【0014】

また、第２記憶部は、計測対象物のうち、奥行方向から見て、段差を境界に隣接する２個の表面のうち、一方の表面を含む領域内の座標位置に対応するデータである一方データと、他方の表面を含む領域内の座標位置に対応するデータである他方データとをそれぞれ抽出し、奥行方向から見て、一方データが示す座標位置が分布する領域の端と、他方データが示す座標位置が分布する領域の端とが、重複領域で重複し、重複領域は、段差を含むように設けられているように、三次元形状計測装置を構成しても良い。このように、段差を境界に隣接する２個の表面にそれぞれ対応する各データの分布領域を部分的に重複させておくことで、計測対象物の配置場所がばらついて、段差の位置がぶれても、段差を境界に隣接する２個の表面の形状を的確に求めることができる。

【発明の効果】

【0015】

以上のように、本発明によれば、位相と位相座標テーブルとの対比に要する時間を抑えて、計測対象物の三次元形状を効率的に計測することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明に係る三次元形状計測装置の電気的構成を示すブロック図。

【図2】本発明に係る三次元形状計測装置の機械的構成を示す模式図。

【図3】三次元形状の計測のために撮像される撮像画像を模式的に示す図。

【図4】全空間テーブルの取得方法の一例を示すフローチャート。

【図5】図４のフローチャートに従って実行される動作の一例を模式的に示す図。

【図6】三次元形状の計測方法の一例を示すフローチャート。

【図7】図６のフローチャートで実行される抽出領域の決定方法の一例を示すフローチャート。

【図8】図６のフローチャートに従って実行される動作の一例を模式的に示す図。

【図9】全空間テーブルおよび部分空間テーブルでのＺ座標の管理方法の変形例を模式的に示す図。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１は本発明に係る三次元形状計測装置の電気的構成を示すブロック図であり、図２は本発明に係る三次元形状計測装置の機械的構成を示す模式図であり、図３は三次元形状の計測のために撮像される撮像画像を模式的に示す図である。この三次元形状計測装置１は、位相シフト法によってワークＷの三次元形状を計測する。なお、図２では、Ｚ軸方向を鉛直方向とし、Ｘ軸方向およびＹ軸方向をそれぞれ水平方向とするＸＹＺ直交座標系が示されている。

【0018】

図２に示すように、三次元形状計測装置１は、支持テーブル１１（ワーク支持部材）を備え、支持テーブル１１に支持されるワークＷ（計測対象物）の三次元形状を計測する。ワークＷの具体例としては、スパナ等の工具や、コネクティングロッド等のエンジンの部品が挙げられる。ワークＷが鉄等を含んで磁力により保持できる場合には、支持テーブル１１として電磁石テーブルを用いることができる。ワークＷが樹脂等の磁力により保持できないものである場合には、エアー吸着あるいはチャック機構によってワークＷを支持するテーブルを支持テーブル１１として用いることができる。なお、ワークＷの保持機構はテーブルに限られず、ロボットハンドでもよい。

【0019】

三次元形状計測装置１は、プロジェクタ２、撮像カメラ３および撮像制御部４を備え、撮像制御部４がプロジェクタ２および撮像カメラ３を制御することで、支持テーブル１１に支持されたワークＷにプロジェクタ２から投影した光パターンＰを撮像カメラ３によって撮像する。撮像制御部４は例えばプロセッサであり、ＣＰＵ(Central Processing Unit)およびＲＡＭ(Random Access Memory)等で構成することができる。

【0020】

プロジェクタ２は、Ｍ個の光源Ｌ（１）～Ｌ（４）と、格子２３とを有する。Ｍは３以上の整数であり、ここの例では、Ｍ＝４である。なお、Ｍ個の光源Ｌ（１）～Ｌ（４）を区別しない場合には、光源Ｌと適宜称する。Ｍ個の光源Ｌ（１）～Ｌ（４）は、複数のＬＥＤ(Light Emitting Diode)が直線状に配列されたライン光源であり、互いに平行に配置されている。格子２３は、４個の光源Ｌ（１）～Ｌ（４）と、支持テーブル１１上のワークＷとの間に配置され、光源Ｌ（１）～Ｌ（４）のうちから選択された１個の光源Ｌが点灯すると、当該光源Ｌから射出されて格子２３を通過した光が光パターンＰとしてワークＷに投影される。

【0021】

この光パターンＰは、点灯する光源Ｌと格子２３との位置関係によって決まる光の投影パターンであり、Ｍ個の光源Ｌ（１）～Ｌ（４）の間で点灯させる光源Ｌを切り換えることで、ワークＷに投影される光パターンＰを切り換えることができる。具体的には、Ｍ個の光源Ｌ（１）～Ｌ（４）は互いに異なる位相（例えば、０度、９０度、１８０度、２７０度）に対応しており、点灯させる光源Ｌを切り換えることで、光パターンＰの位相を切り換えることができる。

【0022】

撮像カメラ３は、レンズ３１と、撮像素子３２とを有する。レンズ３１は、支持テーブル１１に支持されるワークＷに対向して、ワークＷに投影された光パターンＰを撮像素子３２に結像する。撮像素子３２は、ＣＣＤ(Charge-Coupled Device)イメージサンサあるいはＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子であり、レンズ３１により結像された光パターンＰを撮像する。レンズ３１はＺ軸方向からワークＷに対向し、撮像カメラ３はＺ軸方向からワークＷを撮像する。つまり、Ｚ軸方向が撮像カメラ３の奥行方向である。

【0023】

図３に示すように、撮像素子３２により撮像された撮像画像ＩＭは、撮像素子３２において二次元的に配列された複数の画素ＰＸのそれぞれが示す画像データＤｉにより構成される。なお、図３に示す画素ＰＸの配列態様は一例であり、画素ＰＸの配列態様は縦・横のそれぞれに直線的に画素ＰＸを配列する図３の態様に限られない。また、図３では、１個の画素ＰＸが示す画像データＤｉがハッチングにより示されているが、撮像画像ＩＭでは、複数の画素ＰＸのそれぞれが画像データＤｉを示す。この画像データＤｉは、撮像素子３２の対応する画素ＰＸに入射した光の輝度を多階調で示す。

【0024】

なお、図３では、Ｘ軸方向に対応するＸｃ軸方向と、Ｙ軸方向に対応するＹｃ軸方向とが示されている。これは、実空間に対して設定された図１の座標系ＸＹＺと、撮像カメラ３に対して設定された図３の座標系ＸｃＹｃＺとを区別したものである。これらの座標系の関係については、図５を用いて後に説明する。

【0025】

図２に示すように、撮像カメラ３は、中空のカメラ筐体３９を有する。このカメラ筐体３９は、支持テーブル１１に支持されるワークＷに対向する開口を有し、この開口にレンズ３１が取り付けられており、カメラ筐体３９の内部に撮像素子３２が配置されている。

【0026】

さらに、図１に示すように、三次元形状計測装置１は、演算部５、主記憶部７および副記憶部８を備える。演算部５は、例えばＦＰＧＡ(Field-Programmable Gate Array)で構成され、三次元形状の計測に必要な演算を実行する。主記憶部７は、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)で構成され、全空間テーブルＴｔを格納し、副記憶部８は、ＳＳＤ(Solid State Drive)で構成され、全空間テーブルＴｔの一部を抽出した部分空間テーブルＴｐを格納する。全空間テーブルＴｔおよび部分空間テーブルＴｐの詳細は後述する。主記憶部７の動作速度（アクセス速度）に比べて、副記憶部８の動作速度は速く、主記憶部７の容量に比べて副記憶部８の容量は小さい。そして、演算部５は、撮像素子３２から受信した撮像画像ＩＭと、部分空間テーブルＴｐとに基づき、ワークＷの三次元形状を算出する。

【0027】

図４は全空間テーブルの取得方法の一例を示すフローチャートであり、図５は図４のフローチャートに従って実行される動作の一例を模式的に示す図である。図４のフローチャートは、撮像制御部４および演算部５の協働制御によって実行される。このフローチャートでは、特許第４８７３４８５号公報と同様に、水平に保持された基準平面Ｒに投影された光パターンが示す位相を、基準平面Ｒの高さを微小量ずつ変更しつつ求めた結果に基づき、全空間テーブルＴｔが取得される。

【0028】

図４のフローチャートが開始されると、基準平面Ｒの高さ変更回数ｎを管理する撮像制御部４は、ステップＳ１０１で変更回数ｎをゼロにリセットしてから、ステップＳ１０２で高さ変更回数ｎをインクリメントする（「１」増加させる）。そして、ステップＳ１０３で、基準平面Ｒが高さＺ（ｎ）に移動する。

【0029】

ステップＳ１０４で、互いに異なる位相を有するＭ個の光パターンＰを識別する位相識別番号ｍをゼロにリセットしてから、ステップＳ１０５で位相識別番号ｍをインクリメントする（「１」増加させる）。そして、Ｍ個の光源Ｌ（１）～Ｌ（４）のうち一の対象光源Ｌ（ｍ）を点灯させることで、Ｍ個の光源Ｌ（１）～Ｌ（４）が投影可能なＭ個の光パターンＰ（１）～Ｐ（４）のうち、一の対象パターンＰ（ｍ）をワークＷに投影する（ステップＳ１０６）。

【0030】

ステップＳ１０７では、ワークＷに投影された対象パターンＰ（ｍ）が撮像カメラ３の撮像素子３２により撮像されて、撮像画像ＩＭ（ｍ）が取得され、ステップＳ１０８では、撮像画像ＩＭ（ｍ）が演算部５に転送される。ステップＳ１０９では、位相識別番号ｍが「Ｍ」に到達したかが判断される。ここでは、位相識別番号ｍ＝１であるため、ステップＳ１０９で「ＮＯ」と判断され、ステップＳ１０５に進む。そして、位相識別番号ｍがインクリメントされて「２」となり、ステップＳ１０６～Ｓ１０８が実行される。かかる動作が、位相識別番号ｍが「Ｍ」に到達するまで繰り返されることで、互いに異なる位相を有するＭ個の光パターンＰ（ｍ）をそれぞれ示すＭ個の撮像画像ＩＭ（ｍ）が取得される。

【0031】

位相識別番号ｍが「Ｍ」に到達して、ステップＳ１０９で「ＹＥＳ」と判断されると、ステップＳ１１０において、高さＺ（ｎ）に位置する基準平面Ｒ上で二次元的かつ離散的に配列された複数のＸＹ座標位置Ｒｘｙそれぞれでの位相が、Ｍ個の撮像画像ＩＭ（ｍ）に基づき演算部５によって算出される。これによって、高さＺ（ｎ）の各ＸＹ座標位置Ｒｘｙにおける位相が算出されて、ＸＹＺ座標位置と位相とを対応付けた位相座標データが取得される。そして、この位相座標データは、演算部５から主記憶部７に転送される（ステップＳ１１１）。

【0032】

ステップＳ１１２では、高さ変更回数ｎがＮに到達したかが判断される。ここでは、高さ変更回数ｎがＮ未満であると判断され（ステップＳ１１２で「ＮＯ」）、ステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では高さ変更回数ｎがインクリメントされ、ステップＳ１０３で基準平面Ｒが高さＺ（ｎ）に移動する。これによって、所定の上昇ピッチΔＲだけ基準平面Ｒが上昇する。そして、Ｚ（ｎ）に上昇した基準平面Ｒに対して、ステップＳ１０４～Ｓ１１１が実行される。

【0033】

高さ変更回数ｎがＮに到達するまで（ステップＳ１１２で「ＹＥＳ」と判断されるまで）、ステップＳ１０２～Ｓ１１１が繰り返される。つまり、高さＺ（ｎ）の各ＸＹ座標位置Ｒｘｙにおける位相を算出して、ＸＹＺ座標位置と位相とを対応付けた位相座標データを取得する動作が、高さＺ（ｎ）を上昇ピッチΔＲずつ（Ｎ－１）回上昇させながら実行される。これによって、計測空間ＳｍにおいてＺ軸方向に並ぶ複数の高さＺ（１）～Ｚ（Ｎ）のそれぞれついて各ＸＹ座標位置Ｒｘｙにおける位相を示す全空間テーブルＴｔが取得され、この全空間テーブルＴｔが主記憶部７に格納される。

【0034】

ところで、図５の「実座標」の欄では、それぞれ角度が異なる複数の主光線Ｃが示されている。この際、同一の主光線Ｃ上に位置する複数の点（同図の黒丸の点）は撮像素子３２の同一の画素に結像される。そのため、これら複数の点は、実座標（Ｘ、Ｙ）において異なるＸＹ座標位置に対応するとしても、カメラ座標（Ｘｃ、Ｙｃ）では同一のＸＹ座標位置に対応する。全空間テーブルＴｔは、実座標（Ｘ、Ｙ）およびカメラ座標（Ｘｃ、Ｙｃ）のいずれの形式によっても格納でき、ここでは後者のカメラ座標の形式で全空間テーブルＴｔを格納しているとして説明を行う。

【0035】

こうして、本実施形態では、三次元座標（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚ）で示される座標位置と、当該座標位置での位相とを対応付けた位相座標データが算出される。そして、計測空間Ｓｍの全域に対して三次元的かつ離散的に配列された複数の座標位置（複数の点）のそれぞれについて位相座標データが算出されて、座標位置と位相との対応関係を各座標位置について示す全空間テーブルＴｔが取得・格納される。

【0036】

図６は三次元形状の計測方法の一例を示すフローチャートであり、図７は図６のフローチャートで実行される抽出領域の決定方法の一例を示すフローチャートであり、図８は図６のフローチャートに従って実行される動作の一例を模式的に示す図である。図６のフローチャートは、撮像制御部４および演算部５の協働制御によって実行される。図６の三次元形状の計測方法では、ワークＷのうちの計測対象部分に応じた位相座標データが部分空間テーブルＴｐとして全空間テーブルＴｔから抽出されて用いられる。

【0037】

ステップＳ２０１では、部分空間テーブルＴｐの抽出が必要であるかが判断される。具体的には、部分空間テーブルＴｐを構成する複数の位相座標データにそれぞれ対応する複数の座標位置の分布領域が、ワークＷの計測対象部分を含むかが判断される。この計測対象部分は、撮像カメラ３によって撮像されるワークＷの上側（撮像カメラ３側）の表面に相当する。例えば、前回の三次元形状計測と今回の三次元形状計測とでワークＷの種類が変更されているような場合には、前回の計測対象部分に対応する部分空間テーブルＴｐの各座標位置の分布領域から今回の計測対象部分がずれる。そのため、テーブル抽出が必要（ステップＳ２０１で「ＹＥＳ」）と判断され、ステップＳ２０２が実行される。

【0038】

このステップＳ２０２では、位相座標データの抽出領域が、ワークＷの計測対象部分を含むように決定される。具体的には図７に示すように、ステップＳ３０１において、ＣＡＤ(Computer-Aided Design)データが例えば主記憶部７に格納されているかが判断される。図８の「ワークＷ」の欄に示すワークＷを例に挙げて説明する。撮像カメラ３から見た平面視（すなわち、Ｚ軸方向からの平面視）では、ワークＷの上面Ｗａ１、Ｗａ２および斜面Ｗｂが表れて、これらが撮像カメラ３により撮像される。一方、ワークＷの側面Ｗｃおよび底面Ｗｄは、撮像カメラ３から見てワークＷに隠れるため、撮像カメラ３の死角部分となる。さらに、上面Ｗａ１、Ｗａ２の間でＺ軸方向に平行に設けられたワークＷの段差Ｗｅも、撮像カメラ３が撮像できない死角部分となる。

【0039】

そこで、ステップＳ３０２では、ワークＷのうちから死角部分Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅを除いた上面Ｗａ１、Ｗａ２および斜面Ｗｂが計測対象部分に決定される。図８の「Ｓ３０２」の欄では、死角部分Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅが破線で示される一方、計測対象部分Ｗａ１、Ｗａ２、Ｗｂが実線で示されている。ステップＳ３０３では、ワークＷのうち、計測対象部分Ｗａ１、Ｗａ２、Ｗｂを含むように、抽出領域Ａａ１、Ａａ２、Ａｂがそれぞれ設定される（図８の「Ｓ３０３」の欄）。ステップＳ３０４では、実座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）における支持テーブル１１のワークＷの支持位置にワークＷの抽出領域Ａａ１、Ａａ２、Ａｂを設定する座標変換が実行される。この座標変換は、ＣＡＤ座標の原点、実座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の原点およびこれらの座標間の回転角度等に基づき実行できる。さらに、抽出領域Ａａ１、Ａａ２、Ａｂを示す座標位置を、実座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）からカメラ座標（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚ）に変換して（ステップＳ３０５）、図６のフローチャートに戻る。

【0040】

一方、ステップＳ３０１でＣＡＤデータが存在しないと判断されると（「ＮＯ」と判断されると）、三次元形状計測装置１は、特許第４８７３４８５号公報で提案されている手法により、全空間テーブルＴｔを用いてワークＷの三次元形状を計測する（ステップＳ３０６）。ステップＳ３０７では、こうしてワークＷの三次元形状を実際に計測した結果に基づき、抽出領域Ａａ１、Ａａ２、Ａｂが設定される。そして、上述と同様にカメラ座標への変換を行って（ステップＳ３０５）、図６のフローチャートに戻る。

【0041】

ちなみに、図７の抽出領域の決定では、抽出領域Ａａ１、Ａａ２、Ａｂは、対応する計測対象部分Ｗａ１、Ｗａ２、Ｗｂの位置が、ワークＷの形状公差あるいは支持テーブル１１のワークＷの支持位置のばらつきによって変動する幅を含むように設定される。また、段差Ｗｅを境界として挟んで隣接する２個の計測対象部分Ｗａ１、Ｗａ２に対応して２個の抽出領域Ａａ１、Ａａ２が設定されている。撮像カメラ３から見た平面視において、これら抽出領域Ａａ１、Ａａ２の端が互いに重複して重複領域Ｏを形成し、段差Ｗｅは重複領域Ｏ内に位置する。この重複領域Ｏは、上記の要因による段差Ｗｅの変動幅を含むように設定される。

【0042】

抽出領域の決定（ステップＳ２０２）が完了すると、データ抽出が実行される（ステップＳ２０３）。具体的には、主記憶部７内の全空間テーブルＴｔに含まれる全ての位相座標データのうち、対応する座標位置が抽出領域Ａａ１、Ａａ２、Ａｂに含まれる位相座標データが抽出されて、部分空間テーブルＴｐとして副記憶部８に転送・格納される。

【0043】

こうして、今回の計測で用いる部分空間テーブルＴｐの準備が完了し（ステップＳ２０２、Ｓ２０３）、あるいはステップＳ２０１でテーブル抽出が不要（ＮＯ）と判断されると、ステップＳ２０４～Ｓ２１３が実行される。

【0044】

ステップＳ２０４で、位相識別番号ｍをゼロにリセットしてから、ステップＳ２０５で位相識別番号ｍをインクリメントする。そして、Ｍ個の光源Ｌ（１）～Ｌ（４）のうち一の対象光源Ｌ（ｍ）を点灯させることで、互いに異なる位相を有するＭ個の光パターンＰ（１）～Ｐ（４）のうち、一の対象パターンＰ（ｍ）をワークＷに投影する（ステップＳ２０６）。

【0045】

ステップＳ２０７では、ワークＷに投影された対象パターンＰ（ｍ）が撮像カメラ３の撮像素子３２により撮像されて、撮像画像ＩＭ（ｍ）が取得され、ステップＳ２０８では、撮像画像ＩＭ（ｍ）が演算部５に転送される。ステップＳ２０９では、位相識別番号ｍが「Ｍ」に到達したかが判断される。そして、位相識別番号ｍが「Ｍ」に到達するまで（ステップＳ２０９で「ＹＥＳ」と判段されるまで）、ステップＳ２０５～Ｓ２０８が繰り返されることで、互いに異なる位相を有するＭ個の光パターンＰ（ｍ）をそれぞれ示すＭ個の撮像画像ＩＭ（ｍ）が取得される。

【0046】

ステップＳ２１０では、ワークＷの検査対象部分内のＸｃＹｃ座標位置での位相θｃ（算出位相）がＭ個の光パターンＰ（ｍ）に基づき算出される。そして、ステップＳ２１１では、算出位相θｃに対応する位相座標データが部分空間テーブルＴｐに含まれる位相座標データのうちから探索される。かかる探索は、対象のＸｃＹｃ座標位置を有する複数の位相座標データ（換言すれば、ＸｃＹｃ座標位置に対応する一の主光線Ｃに属する複数の位相座標データ）に対して実行すればよい。算出位相θｃと一致する位相θｐｅを有する位相座標データが部分空間テーブルＴｐに存在する場合には、当該位相座標データが探索結果として取得される。一方、算出位相θｃと一致する位相θｐを有する位相座標データが部分空間テーブルＴｐに存在しない場合には、次の条件
θｐｓ：θｃより小さい位相のうち最も大きい位相
θｐｌ：θｃより大きい位相のうち最も小さい位相
を満たす２個の位相θｐｓ、θｐｌに対応する位相座標データが探索結果として取得される。

【0047】

ステップＳ２１２では、ステップＳ２１１での探索結果に基づき、対象のＸｃＹｃ座標位置でのＺ座標（高さ）が決定される。算出位相θｃと一致する位相θｐｅが探索された場合には、位相θｐｅを有する位相座標データが示すＺ座標が、対象のＸｃＹｃ座標位置でのＺ座標であると決定される。算出位相を挟む２個の位相θｐｓ、θｐｌが探索された場合には、位相θｐｓ、θｐｌをそれぞれ有する２個の位相座標データに基づく補間により算出される算出位相θｃに対応するＺ座標が、対象のＸｃＹｃ座標位置でのＺ座標であると決定される。

【0048】

ステップＳ２１３では、抽出領域Ａａ１、Ａａ２、Ａｂ内の全てのＸｃＹｃ座標位置についてステップＳ２０１～Ｓ２１２を実行したかが判断される。そして、抽出領域Ａａ１、Ａａ２、Ａｂ内の全てのＸｃＹｃ座標位置についてＺ座標が決定されると（ステップＳ２１３で「ＹＥＳ」）、カメラ座標（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚ）におけるワークＷの計測対象部分の三次元形状が計測されたこととなる。そして、ステップＳ２１４で、ワークＷの三次元形状をカメラ座標（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚ）から実座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に変換して、図６のフローチャートを終了する。

【0049】

以上に説明した実施形態では、全空間テーブルＴｔ（第１位相座標テーブル）が主記憶部７（第１記憶部）に記憶される。この全空間テーブルＴｔは、三次元座標（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚ）により示される所定の計測空間Ｓｍ内の座標位置と、計測空間Ｓｍで撮像カメラ３の奥行方向Ｚに並ぶ複数の基準平面Ｒ（基準面）のそれぞれに投影された光パターンＰが基準平面Ｒ上の座標位置で示す位相との対応関係を示す位相座標データを、座標位置毎に有する。さらに、副記憶部８（第２記憶部）が設けられており、副記憶部８は、計測空間Ｓｍのうち、ワークＷ（計測対象物）の表面Ｗａ１、Ｗａ２、Ｗｂを含んで計測空間Ｓｍより狭い領域Ａａ１、Ａａ２、Ａｂ内の座標位置に対応する位相座標データを全空間テーブルＴｔから抽出した部分空間テーブルＴｐ（第２位相座標テーブル）を格納する（ステップＳ２０２、Ｓ２０３）。そして、ワークＷに投影された光パターンＰを撮像カメラ３により撮像した撮像画像ＩＭが示す位相に対応付けられた座標位置と部分空間テーブルＴｐとの対比（ステップＳ２１０、Ｓ２１１）に基づき、ワークＷの三次元形状が求められる（ステップＳ２１０～Ｓ２１３）。

【0050】

つまり、ワークＷの存在範囲が計測空間Ｓｍの一部であることから、ワークＷの三次元形状の計測は、計測空間Ｓｍの全域に対して設けられた全空間テーブルＴｔの全位相座標データを必要としない。そこで、ワークＷの表面Ｗａ１、Ｗａ２、Ｗｂを含んで計測空間Ｓｍより狭い領域Ａａ１、Ａａ２、Ａｂ内の座標位置に対応する位相座標データを有する部分空間テーブルＴｐが、全空間テーブルＴｔから抽出されて主記憶部７に格納される（ステップＳ２０３）。そして、ワークＷに投影された光パターンＰを撮像カメラ３により撮像した撮像画像ＩＭが示す位相に対応付けられた座標位置と部分空間テーブルＴｐとの対比（ステップＳ２１０、Ｓ２１１）に基づき、ワークＷの三次元形状が求められる（ステップＳ２１０～Ｓ２１３）。かかる部分空間テーブルＴｐは、全空間テーブルＴｔよりも少ないデータ量を有するため、部分空間テーブルＴｐと位相との対比に要する時間は、全空間テーブルＴｔと位相との対比に要する時間と比較して短縮することができる。こうして、位相と位相座標テーブルとの対比に要する時間を抑えて、ワークＷの三次元形状を効率的に計測することが可能となっている。

【0051】

また、副記憶部８は、主記憶部７より小さい容量を有するとともに、主記憶部７よりも高速で動作する。このように高速で動作する副記憶部８に部分空間テーブルＴｐを格納しておくことで、ステップＳ２１１において位相座標データを高速で探索でき、部分空間テーブルＴｐと位相との対比に要する時間をより短縮して、ワークＷの三次元形状をさらに効率的に計測できる。さらに、部分空間テーブルＴｐのデータ量が少ない点を利用して副記憶部８の容量を小さく抑えることで、高速で動作する副記憶部８に要するコストを抑えることができる。

【0052】

また、ステップＳ２０３において、副記憶部８は、ワークＷのＷａ１、Ｗａ２、Ｗｂ、Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅ表面うち、撮像カメラ３に撮像されない死角部分Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅの座標位置に対応する位相座標データは全空間テーブルＴｔから抽出しない（すなわち、部分空間テーブルＴｐに含めない）。つまり、撮像カメラ３の死角部分Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅは、三次元形状の計測の対象から外れるため、死角部分Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅに対応する位相座標データが無くても、精度を損なうことなく三次元形状の計測を実行できる。そこで、死角部分Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅに対応する位相座標データを全空間テーブルＴｔから抽出しないことで、部分空間テーブルＴｐのデータ量をさらに少なくできる。その結果、位相と位相座標テーブルとの対比に要する時間を効果的に抑えて、ワークＷの三次元形状をさらに効率的に計測することができる。

【0053】

なお、上記に示すように、死角部分Ｗｃ、Ｗｄ、Ｗｅの具体例（側面Ｗｃ、底面Ｗｄあるいは段差Ｗｓ）は種々想定できる。例えば、撮像カメラ３の奥行方向Ｚへの段差Ｗｅは、撮像カメラ３で撮像されないため、段差Ｗｅに対応する位相座標データが無くても、精度を損なうことなく三次元形状の計測を実行できる。そこで、ステップＳ２０３では、段差Ｗｅに対応する位相座標データを全空間テーブルＴｔから抽出しないことで、部分空間テーブルＴｐのデータ量をさらに少なくしている。その結果、位相と位相座標テーブルとの対比に要する時間を効果的に抑えて、ワークＷの三次元形状をさらに効率的に計測することができる。

【0054】

また、副記憶部８は、ワークＷのうち、撮像カメラ３の奥行方向Ｚから見て、段差Ｗｅを境界に隣接する２個の表面Ｗａ１、Ｗａ２のうち、一方の表面Ｗａ１を含む抽出領域Ａａ１内の座標位置に対応する位相座標データ（一方データ）と、他方の表面Ｗａ２を含む抽出領域Ａａ２内の座標位置に対応する位相座標データ（他方データ）とをそれぞれ抽出する（ステップＳ２０２、Ｓ２０３）。この際、撮像カメラ３の奥行方向Ｚから見て、一方データが示す座標位置が分布する抽出領域Ａａ１の端と、他方データが示す座標位置が分布する抽出領域Ａａ２の端とが重複領域Ｏで重複し、この重複領域Ｏは段差Ｗｅを含む。このように、段差Ｗｅを境界に隣接する２個の表面Ｗａ１、Ｗａ２にそれぞれ対応する各位相座標データの分布領域（抽出領域Ａａ１、Ａａ２）を部分的に重複させておくことで、ワークＷの配置場所がばらついて、段差Ｗｅの位置がぶれても、段差Ｗｅを境界に隣接する２個の表面Ｗａ１、Ｗａ２の三次元形状を的確に求めることができる。

【0055】

以上に説明した実施形態では、三次元形状計測装置１が本発明の「三次元形状計測装置」の一例に相当し、支持テーブル１１が本発明の「保持部材」の一例に相当し、プロジェクタ２が本発明の「プロジェクタ」の一例に相当し、撮像カメラ３が本発明の「撮像カメラ」の一例に相当し、演算部５が本発明の「演算部」の一例に相当し、主記憶部７が本発明の「第１記憶部」の一例に相当し、副記憶部８が本発明の「第２記憶部」の一例に相当し、重複領域Ｏが本発明の「重複領域」の一例に相当し、光パターンＰが本発明の「光パターン」の一例に相当し、全空間テーブルＴｔが本発明の「第１位相座標テーブル」の一例に相当し、部分空間テーブルＴｐが本発明の「第２位相座標テーブル」の一例に相当し、ワークＷが本発明の「計測対象物」の一例に相当し、表面Ｗａ１、Ｗａ２、Ｗｂが本発明の「表面」の一例に相当し、段差Ｗｅが本発明の「段差」の一例に相当し、Ｚ軸方向が本発明の「奥行方向」の一例に相当する。

【0056】

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記の例では、全空間テーブルＴｔおよび部分空間テーブルＴｐのそれぞれは、Ｚ座標（高さ）の実際の値を示す。しかしながら、図４の全空間テーブルＴｔの取得の際に変更される基準平面Ｒの各高さＺ（ｎ）をその変更回数ｎでラベリングして、番号ｎでＺ座標を管理するようにしてもよい。

【0057】

図９は全空間テーブルおよび部分空間テーブルでのＺ座標の管理方法の変形例を模式的に示す図である。図９の例では、全空間テーブルＴｔにおいて、Ｚ座標が基準平面Ｒの変更回数ｎで管理されている。そして、全空間テーブルＴｔのうちから一点鎖線で囲った抽出範囲Ａの位相座標データを抽出した部分空間テーブルＴｐが格納されている。図９の例では、Ｘｃ座標がＸｃ１を有する位相座標データからは、（ｎ＋１）～（ｎ+３）番までの位相座標データが抽出され、Ｘｃ座標がＸｃ２を有する位相座標データからは、（ｎ＋１）～（ｎ+３）番までの位相座標データが抽出され、Ｘｃ座標がＸｃ３を有する位相座標データからは、ｎ～（ｎ+５）番までの位相座標データが抽出されている。

【0058】

これに対して、部分空間テーブルＴｐにおいては、同一のＸｃＹｃ座標位置を有する位相座標データは、高さ変更回数ｎの昇順で、段数ｑ（ｑ＝１、２、３、…）により再ラベリングされる。そのため、同一の段数ｑに属していても、ＸｃＹｃ座標位置が異なる位相座標データが示すＺ座標は異なる場合がある。図９の例では、段数ｑが「１」である位相座標データのうち、Ｘｃ座標がＸｃ１、Ｘｃ２である位相座標データは、変更回数（ｎ＋１）に対応する高さＺ（ｎ＋１）を示すのに対して、Ｘｃ座標がＸｃ３である位相座標データは変更回数ｎに対応する高さＺ（ｎ）を示す。

【0059】

このように、部分空間テーブルＴｐにおいては、段数ｑが１（すなわち、初段）の位相座標データが示すＺ座標（「オフセットＺoff」と称する）がＸｃＹｃ座標位置によって個別に設定される。かかる部分空間テーブルＴｐを用いた場合、三次元形状計測のステップＳ２１１～Ｓ２１２は次のように実行される。ステップＳ２１１では、算出位相θｃに対応する位相座標データが対象のＸｃＸｙ座標に属する位相座標データのうちから探索される。そして、ステップＳ２１２では、探索された位相座標データが示す段数ｑについて次式
Ｚ＝ΔＲ×（ｑ－１）＋Ｚoff
を用いることで、段数ｑを高さＺに変換しつつ、Ｚ座標が決定される。

【0060】

また、図９に示したＺ座標の管理方法以外の構成についても適宜変更が可能である。例えば、上記の説明では、基準平面Ｒを上昇させつつ全空間テーブルＴｔを取得したが、基準平面Ｒを加工させつつ全空間テーブルＴｔを取得しても構わない。

【0061】

また、撮像カメラ３の奥行方向はＺ軸方向と平行である必要はなく、Ｚ軸方向に対して傾いていてもよい。

【0062】

また、プロジェクタ２の個数は１個に限られず、複数のプロジェクタ２を設けても良い。

【産業上の利用可能性】

【0063】

本発明は、計測対象物の三次元形状を計測する技術の全般に適用可能であり、特に計測対象物の外観の良否を判定する外観検査技術に好適に適用可能である。

【符号の説明】

【0064】

１…三次元形状計測装置
１１…支持テーブル（保持部材）
２…プロジェクタ
３…撮像カメラ
５…演算部
７…主記憶部（第１記憶部）
８…副記憶部（第２記憶部）
Ｏ…重複領域
Ｐ…光パターン
Ｔｔ…全空間テーブル（第１位相座標テーブル）
Ｔｐ…部分空間テーブル（第２位相座標テーブル）
Ｗ…ワーク（計測対象物）
Ｗａ１、Ｗａ２、Ｗｂ…表面
Ｗｅ…段差
Ｚ…Ｚ軸方向（奥行方向）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】