特許 7594264 ３次元形状計測装置

(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】2024-11-26

(45)【発行日】2024-12-04

(54)【発明の名称】３次元形状計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/25 20060101AFI20241127BHJP

【ＦＩ】

G01B11/25 H

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2024533205

(86)(22)【出願日】2023-12-04

(86)【国際出願番号】 JP2023043283

(87)【国際公開番号】W WO2024122494

(87)【国際公開日】2024-06-13

【審査請求日】2024-06-06

(31)【優先権主張番号】P 2022194894

(32)【優先日】2022-12-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】300074101

【氏名又は名称】株式会社レイマック

(74)【代理人】

【識別番号】100121337

【弁理士】

【氏名又は名称】藤河 恒生

(72)【発明者】

【氏名】畑辺 真也

(72)【発明者】

【氏名】永谷 弘之

(72)【発明者】

【氏名】上杉 真基

(72)【発明者】

【氏名】橋本 昭平

(72)【発明者】

【氏名】光藤 淳

【審査官】國田 正久

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－１８９４７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－５０１１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２５６２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－９３２３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／２５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

投影制御部と、
該投影制御部により各々の点灯及び光の放射強度が制御され一列に並んだ複数個の光源及びそれらからの光を縞パターンにして通過させる縞パターン形成光学素子を有し、前記複数個の光源の各々が順次点灯することにより順次所定角度ずつ位相がシフトした縞パターンを物品に投影する投影部と、
前記縞パターンの各々が投影された前記物品を撮影して１組の撮影画像を得る撮影部と、
前記１組の撮影画像の画像処理を行い、かつ、前記縞パターン形成光学素子の周辺部分における光源側に取り付けられた照度センサを有して、該照度センサが検出した照度から多数の前記物品の順次計測中に前記複数個の光源の各々の光の放射強度の変化を検知して該複数個の光源の各々の光の放射強度を基準範囲に入るように調整する３次元形状計測処理部と、
を備えて前記物品の３次元形状を計測する３次元計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、位相シフト法を用いた３次元形状計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

物品の３次元形状を非接触で計測するものとして、位相シフト法を用いた３次元形状計測装置が知られている。この３次元形状計測装置では、正弦波状に変化する縞パターンを物品の表面に投影部で投影しそれを撮影部で撮影するプロセスを、順次縞パターンの位相を所定角度（例えば、π／２或いは２π／３など）ずつシフトさせて１組（例えば、４枚或いは３枚など）の撮影画像を得る。そして、１組の撮影画像の画像処理を行うことにより、物品の３次元形状の計測が行われる。

【0003】

ここで、上記投影部には、例えば特許文献１に記載されているようなプロジェクタを用いるものや、例えば特許文献２に記載されているような一列に並んだ複数個の光源及びそれらからの光を縞パターンにして通過させる縞パターン形成光学素子を用いるものが知られている。後者は、前者に比べて、位相をシフトさせた縞パターンの高速な投影が可能であり低消費電力化や小型化も可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００８－２８１４９１号公報

【文献】特開２０１１－２４２１７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献２に記載されているような複数個の光源を用いるものは、使用環境の変化（例えば、多数の物品の順次計測中の温度変化など）によって、光源の特性変化に光源間で差異が生じる場合が少なくない。そのために光源の光の放射強度の変化に光源間で差異が生じると、３次元形状の計測の誤差が大きくなる。

【0006】

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、投影装置に一列に並んだ複数個の光源及びそれらからの光を縞パターンにして通過させる縞パターン形成光学素子を用いる３次元形状計測装置において、使用環境の変化によって光源の特性変化に光源間で差異が生じても、３次元形状の計測の誤差が大きくならないようにできるものを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る３次元形状計測装置は、投影制御部と、該投影制御部により各々の点灯及び光の放射強度が制御され一列に並んだ複数個の光源及びそれらからの光を縞パターンにして通過させる縞パターン形成光学素子を有し、前記複数個の光源の各々が順次点灯することにより順次所定角度ずつ位相がシフトした縞パターンを物品に投影する投影部と、前記縞パターンの各々が投影された前記物品を撮影して１組の撮影画像を得る撮影部と、前記１組の撮影画像の画像処理を行い、かつ、前記縞パターン形成光学素子の周辺部分における光源側に取り付けられた照度センサを有して、該照度センサが検出した照度から多数の前記物品の順次計測中に前記複数個の光源の各々の光の放射強度の変化を検知して該複数個の光源の各々の光の放射強度を基準範囲に入るように調整する３次元形状計測処理部と、を備えて前記物品の３次元形状を計測する。

【発明の効果】

【0008】

本発明の３次元形状計測装置によれば、使用環境の変化によって光源の特性変化に光源間で差異が生じても、３次元形状の計測の誤差が大きくならないようにすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る３次元形状計測装置の概略を示す平面図である。

【図2】同上の３次元形状計測装置の投影及び撮影のタイミングを簡略化して示す波形図である。

【図3】同上の３次元形状計測装置における投影部を構成する各部を示すものであって、（ａ）が複数個の光源の正面図、（ｂ）が複数個の光源及び縞パターン形成光学素子を収容した投影部ケースの正面図である。

【図4】同上の３次元形状計測装置における投影部の複数個の光源の回路図である。

【図5】同上の３次元形状計測装置における縞パターン形成光学素子の縦方向中央近傍を横方向に切断した平面視断面図であって、（ａ）が縞状に規則正しく複数個の透過部分が形成された例のもの、（ｂ）が規則正しく複数個のシリンドリカルレンズが形成された例のものである。

【図6】同上の３次元形状計測装置における１組の撮影画像の例の写真である。

【図7】同上の３次元形状計測装置の変形例の概略を示す平面図である。

【図8】同上の３次元形状計測装置の変形例における複数個の光源及び縞パターン形成光学素子を収容した投影部ケースの正面図である。

【図9】同上の３次元形状計測装置の３次元形状計測処理部をコンピュータによって実現したときのブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明を実施するための形態を説明する。本発明の実施形態に係る３次元形状計測装置１は、図１に示すように、投影制御部２と投影部３と撮影部４と３次元形状計測処理部５を備えている。３次元形状計測装置１は、位相シフト法を用いて物品Ｍの３次元形状を計測する。なお、図１（及び図７）における各部間などの矢印付き実線（及び破線）は、各制御信号等を模式的に示したものである。

【0011】

投影制御部２は、投影部３の後述する複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の点灯及び光の放射強度を制御するものである。なお、光源の個数は、特に限定されるものではないが、４個或いは３個などが可能である。本実施形態では、光源の個数は、特に言及しなければ４個としている。

【0012】

詳細には、図２に示すように、同期信号ＳＹに同期した投影期間Ｔａに、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの１個ずつに順次電流Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃ、Ｉ_Ｄ（図４参照）を供給して光を放射させる。投影期間Ｔａは、予め設定された長さである。電流の供給は、ＰＷＭのパルス電流を用いることができる。ＰＷＭの周期Ｔｂは、予め設定された長さである。ＰＷＭのパルス幅Ｔｃ_Ａ、Ｔｃ_Ｂ、Ｔｃ_Ｃ、Ｔｃ_Ｄは、光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々について制御され得、その幅を広くすると光の放射強度が高くなり、狭くすると光の放射強度が低くなる。なお、投影期間Ｔａは、撮影部４における露光期間Ｔｄ（図２において信号ＥＸは露光のタイミングを示すものである）と同期している。また、図２においては、上記の周期Ｔｂ及びパルス幅Ｔｃ_Ａ、Ｔｃ_Ｂ、Ｔｃ_Ｃ、Ｔｃ_Ｄは、理解し易いように、拡大して示している。

【0013】

投影部３は、複数個（本実施形態では４個）の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄと縞パターン形成光学素子３２を有している。複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄと縞パターン形成光学素子３２は、投影部ケース３３に収容することができる。

【0014】

複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄは、一列（横方向に一列）に並んでいる。複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々は、図３（ａ）に示すように、縦方向に一列に並んだ複数個（本実施形態では６個）の発光素子３１０で構成することができる。複数個の発光素子３１０は、回路的には、並列又は直列或いはそれらが組み合わせられて接続されており、例えば、図４に示すように、光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々について全てが直列に接続されるようにすることができる。

【0015】

なお、図４において、符号３１１で示すものは電流制限用の抵抗である。また、符号３１Ａａ、３１Ｂａ、３１Ｃａ、３１Ｄａで示すものは電流流入端子であり、符号３１Ａｂ、３１Ｂｂ、３１Ｃｂ、３１Ｄｂで示すものは電流流出端子である。電流流入端子３１Ａａ、３１Ｂａ、３１Ｃａ、３１Ｄａと電流流出端子３１Ａｂ、３１Ｂｂ、３１Ｃｂ、３１Ｄｂのどちらか一方は、複数個をまとめて共通に（１個に）することも可能である。

【0016】

縞パターン形成光学素子３２は、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄからの光を縞パターンにして通過させる。縞パターン形成光学素子３２は、図３（ｂ）及び図５（ａ）に示すように、縞状（格子状）に規則正しく複数個の透過部分３２ａが形成されている。複数個の透過部分３２ａにおいて、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄからの光を通過させる。複数個の透過部分３２ａ以外は、光を透過させない遮蔽部分３２ｂである。本実施形態では、縞パターン形成光学素子３２は、投影部ケース３３の前面の後方に接近して配置されており、また、投影部ケース３３の前面には、開口部３３ａが形成されている。縞パターン形成光学素子３２の複数個の透過部分３２ａを透過した光は、開口部３３ａを通って投影部３の外部に放射される。なお、図３（ｂ）及び図５（ａ）（及び図８）においては、縞パターン形成光学素子３２の遮蔽部分３２ｂは、理解を容易にするために黒で塗りつぶしている。

【0017】

縞パターン形成光学素子３２は、縞状に規則正しく複数個の透過部分３２ａが形成されているものの他に、図５（ｂ）に示すように、規則正しく複数個のシリンドリカルレンズ３２ｃが形成されているものを用いることも可能である。複数個のシリンドリカルレンズ３２ｃの各々は、凸レンズになっており、光を屈折させ集光して外部に放射する。それにより、この縞パターン形成光学素子３２を通過した光は、縞パターンになる。このようなシリンドリカルレンズ３２ｃが形成されている縞パターン形成光学素子３２では、光が全て透過するので放射される光の量を多くすることができる。

【0018】

このような投影部３では、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄが順次点灯することにより、順次所定角度ずつ位相がシフトした縞パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４を物品Ｍに投影する。投影部３から放射される縞パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は、光の放射強度が正弦波状に変化するものとなる。シフトする位相の所定角度は、本実施形態ではπ／２である。なお、光源の個数を３個とした場合は、２π／３となる。

【0019】

投影部３は、動作としては複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄが順次点灯するだけなので、位相をシフトさせた縞パターンの高速な投影が可能であり低消費電力化や小型化も可能である。この小型化により、投影部３は、次に述べる撮影部４とともに、図１に示すように、１個の筐体１ａ内に容易に収容することができる。なお、図１では、筐体１ａ内に収容しない投影制御部２と３次元形状計測処理部５は、ブロック図で示している。

【0020】

撮影部４は、縞パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の各々が投影された物品Ｍを撮影して、図６（ａ）～（ｄ）に示すような１組の撮影画像を得る。物品Ｍの背景（例えば、物品Ｍが置かれている台Ｍ’）が平坦であると、その背景に投影された縞パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の各々は一定の規則正しいものとなる。物品Ｍ（図６（ａ）～（ｄ）では切妻形状の物品）に投影された縞パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の各々は、歪みが生じる。１組の撮影画像は、本実施形態では４枚である。なお、光源の個数を３個とした場合は、３枚となる。

【0021】

３次元形状計測処理部５は、前記１組の撮影画像の画像処理を行う。３次元形状計測処理部５では、物品Ｍに投影された縞パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の各々の歪みが位相解析され、それにより、物品Ｍの３次元形状の計測が行われることになる。

【0022】

また、３次元形状計測処理部５は、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の光の放射強度の変化を検知する。

【0023】

詳細には、３次元形状計測処理部５は、１組の撮影画像のうちの各々の撮影画像の予め決められた位置部分の輝度から複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の光の放射強度の変化を検知することができる。例えば、予め決められた位置部分は、物品Ｍの背景（例えば、物品Ｍが置かれている台Ｍ’）において物品Ｍの影響を受けない（つまり、物品Ｍの有無によらない）一部（例えば、図６中、符号ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４で示す□で囲った部分）とすることができる。

【0024】

或いは、３次元形状計測処理部５は、図７及び図８に示すように、照度センサ５１を有し、照度センサ５１が検出した照度から複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の光の放射強度の変化を検知することができる。例えば、照度センサ５１は、特に限定されるものではないが、縞パターン形成光学素子３２の上部又は下部などの周辺部分（遮蔽部分３２ｂの一部）における光源側に取り付けられるようにすることができる（図７及び図８参照）。

【0025】

３次元形状計測処理部５は、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の放射強度の変化を検知すると、以下のようにして、物品Ｍの３次元形状の計測の誤差が大きくならないようにする。

【0026】

すなわち、３次元形状計測処理部５は、投影制御部２を介して、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の光の放射強度を調整する（図１及び図７においては、３次元形状計測処理部５から投影制御部２に向かう矢印付き破線を参照）。例えば、多数の物品Ｍの順次計測中に光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの光の放射強度が低下し、その低下の度合が光源間で差異が生じたとき、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の光の放射強度を基準範囲に入るように調整することができる。基準範囲は、キャリブレーション時などで予め決められた範囲であり、複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄについて同じであってもよいし、３次元形状計測処理部５での画像処理時に明るさの補正を行えば、違う範囲であってもよい。また、基準範囲は、絶対値で決めてもよいし光源間の相対値で決めてもよい。

【0027】

又は、３次元形状計測処理部５は、撮影部４における露光時間（図２の露光期間Ｔｄの長さ）、絞り値又はゲインを調整するようにすることも可能である（図１及び図７においては、３次元形状計測処理部５から撮影部４に向かう矢印付き破線を参照）。

【0028】

又は、３次元形状計測処理部５は、１組の撮影画像の明るさを調整（補正）するようにすることも可能である。

【0029】

３次元形状計測処理部５は、具体的には、例えば、図９に示すように、ＣＰＵ５ａ、プログラムメモリ５ｂ、ワークメモリ５ｃ、入出力インターフェイス５ｄ（図９では入出力端子を省略）などから構成されるコンピュータによって実現することができる。プログラムメモリ５ｂの中に、画像処理を行う画像処理プログラム５ｂａと複数個の光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの各々の放射強度の変化を検知し上記のように調整する検知調整プログラム５ｂｂが記憶されているようにすることができる。

【0030】

このように、３次元形状計測装置１は、使用環境の変化（例えば、多数の物品Ｍの順次計測中の温度変化など）によって、光源３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄの特性変化に光源間で差異が生じても、物品Ｍの３次元形状の計測の誤差が大きくならないようにできる。

【0031】

以上、本発明の実施形態に係る３次元形状計測装置について説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、請求の範囲に記載した事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。

【符号の説明】

【0032】

１ ３次元形状計測装置
１ａ 筐体
２ 投影制御部
３ 投影部
３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ 光源
３１Ａａ、３１Ｂａ、３１Ｃａ、３１Ｄａ 電流流入端子
３１Ａｂ、３１Ｂｂ、３１Ｃｂ、３１Ｄｂ 電流流出端子
３１０ 発光素子
３１１ 抵抗
３２ 縞パターン形成光学素子
３２ａ 透過部分
３２ｂ 遮蔽部分
３２ｃ シリンドリカルレンズ
３３ 投影部ケース
４ 撮影部
５ ３次元形状計測処理部
５ａ ＣＰＵ
５ｂ プログラムメモリ
５ｂａ 画像処理プログラム
５ｂｂ 検知調整プログラム
５ｃ ワークメモリ
５ｄ 入出力インターフェイス
５１ 照度センサ
ＥＸ 露光のタイミングを示す信号
Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃ、Ｉ_Ｄ 光源に流れる電流
Ｍ 物品
Ｍ’ 台
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ 縞パターン
ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４ 縞パターンが写った撮影画像の一部
ＳＹ 同期信号
Ｔａ 投影期間
Ｔｂ ＰＷＭの周期
Ｔｃ_Ａ、Ｔｃ_Ｂ、Ｔｃ_Ｃ、Ｔｃ_Ｄ ＰＷＭのパルス幅
Ｔｄ 露光期間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】