JP5136108B2 - 三次元形状計測方法および三次元形状計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、光切断法による三次元形状計測方法および三次元形状計測装置に関する。

従来、非接触式の三次元形状計測の技術として、光切断法と呼ばれるものがある（例えば、特許文献１参照。）。かかる技術においては、測定対象物（以下「ワーク」という。）に対して、レーザ光等によるスリット状の光（以下「スリット光」という。）が照射される。スリット光が照射されたワークの表面には、その断面形状に応じて光切断線（反射光の輝線）が形成される。このワークの表面に形成された光切断線は、カメラ等の撮像手段によって受光され撮像される。この撮像された光切断線に基づいて、三角測量の原理が用いられてワークの表面上（光切断線上）の各点の三次元座標が計測される。こうした計測が、スリット光がワークに対して走査（スキャニング）されながら行われることで、ワークの三次元形状が計測される。

このような光切断法による三次元形状の計測は、従来、ワークに照射されるスリット光（レーザシート）が、理想的な平面（スリット光の断面が直線状）であるとの仮定のもとに行われている。つまり、従来の光切断法による三次元形状の計測に際しては、ワークに照射されるスリット光が理想的な平面であるとの仮定のもとに構築された計測理論が用いられ、ワークの三次元形状についてのデータ（三次元形状データ）の算出のための演算等が行われている。

しかし、ワークに照射されるスリット光は、例えばレーザ光がスリット状に変換されるために用いられるシリンドリカルレンズにおける収差等の光学系の問題により、実際には曲がった状態で投影されている。つまり、ワークに照射されるスリット光は、理想的な平面ではなく曲面状となっている。このため、スリット光の照射によってワークの表面に形成される光切断線は、スリット光が平面であると仮定される場合の二次元断面（平面断面）に乗っていないこととなる。結果として、その光切断線の平面断面からのずれの分、得られる三次元形状データについて実際の三次元形状に対する誤差が発生し、高精度な三次元形状データを得ることができない。したがって、スリット光が平面であると仮定されている従来の光切断法による三次元形状の計測のもとでは、ワークが、仮に平面であることが計測等により保証されている基準板（平面基準板）である場合であっても、その三次元形状が平面ではなく曲面であるという計測結果が得られることとなる。

こうした光学系の問題に起因するスリット光の曲がり等の形状歪みについては、光学系における機器や調整にかかるコストを上げることによって対応することは可能である。しかし、コスト面との兼ね合いから、スリット光の形状歪みを生じさせる光学系の問題を皆無にすることは、現状では不可能であると考えられる。そこで、このようなスリット光の形状歪みに起因する計測精度の低下を解消するための技術として、例えば特許文献２に開示されているものがある。

特許文献２に開示されている技術は、スリット光等の検出光をワークに照射する光投影法による非接触式の三次元形状の計測において、前述のスリット光の曲がりのような、検出光についての形状歪みの存在を認め、その検出光の形状歪みについての対策を講じるものである。すなわち、特許文献２に開示の技術においては、光切断線が撮像される撮像素子の撮像面が、複数の領域に区分されている。そして、ワークについての三次元座標の演算に際し、撮像面において区分された領域ごとに個別のパラメータが用いられている。

具体的には、図１１に示すように、撮像素子（イメージセンサ）の撮像面１１３が、複数（図示では９個）の領域１１３ａ〜１１３ｉに区分される。これら各領域について、予め実験的に求められた適切なパラメータが、その種類ごとに数値テーブルの形で記憶される。そして、ワークについての三次元座標の演算に際して用いられるパラメータとして、撮像面１１３における各領域に対応するパラメータが用いられる。

例えば、図１１（ａ）に示すように、平面であるワークが撮像された場合、スリット光が曲がっていることにより、撮像された光切断線として、実際には曲線状のスリット画像１２０が得られる。スリット光の形状歪みについての対策が講じられない場合、曲線状のスリット画像１２０が、破線で示す直線状のスリット画像１２０ａとして処理され、三次元座標の演算が行われることとなる。したがってこの場合、両スリット画像１２０、１２０ａ間の差が計測誤差となり、高い計測精度が得られない。

これに対し、特許文献２の技術では、図１１（ｂ）に示すように、区分された領域ごとに校正されたパラメータが用いられることにより、実際に得られる曲線状のスリット画像１２０（破線参照）に近似するスリット画像１２０ｂが得られる。そして、この近似するスリット画像１２０ｂに基づいて、三次元座標の演算が行われる。曲線状のスリット画像１２０に近似するスリット画像１２０ｂとしては、例えば図１１（ｂ）に示すように、曲線状のスリット画像１２０が領域ごとに直線に近似され、領域ごとの直線が連続するような画像が得られる。このように、実際に得られる曲線状のスリット画像１２０が、それに近似するスリット画像１２０ｂとされることで、スリット光の曲がり等の形状歪みが補正されている。

しかし、特許文献２の技術においては、次のような問題がある。まず、撮像面において区分された各領域について適切なパラメータが個別に求められることから、その各領域に対応するパラメータの取得が困難となる。すなわち、各領域に対応するパラメータの取得に際しては、個々の撮像手段（カメラ）について実測が行われ、各領域に最も適切なパラメータの数値が実験的に求められる。このため、パラメータの取得に際して必要となる作業に手間がかかり、パラメータの取得が困難となる。

また、前述のように、実際に得られるスリット画像が、区分された領域ごとに例えば直線として近似されるという方法では、実際に得られるスリット画像に対する誤差が十分に解消されない場合がある。この点、撮像面において区分される領域の数が多くされることにより、誤差を小さくすることができると考えられる。しかし、領域の区分数が多くなることは、前記のような各領域についてのパラメータの取得の困難性を増すこととなる。また、各領域についてのパラメータの取得や、そのパラメータによる三次元座標の演算に基づく三次元形状の計測に際しては、作業者によるバラツキが影響しやすいと考えられる。このように、特許文献２の技術は、各領域についてのパラメータの取得が困難であること等から、スリット光の形状歪みに対する処置がシステマチックではなく、計測の安定性や汎用性に欠ける面がある。

また、特許文献２の技術は、前記のとおり検出光についての形状歪みの存在を認めて対策を講じるものであるが、その検出光の形状歪みが、ワークに対してスリット光を照射する側のレンズ（シリンドリカルレンズ等の投光レンズ）の歪みによるものなのか、ワークからの反射光（光切断線）を受光する側のレンズ（計測用受光レンズ）の歪みによるものなのかを明確にせずに対応したものとなっている。
特開平８−３２７３３６号公報 特開２００５−３２１２７８号公報

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、光切断法による三次元形状計測において、測定対象物に照射されるスリット光について存在する曲がり等の形状歪みに対する処置をシステマチックにすることができるとともに、スリット光の形状歪みに起因する計測誤差を低減することができ、計測の安定性や汎用性を向上することができる三次元形状計測方法および三次元形状計測装置を提供することにある。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

すなわち、請求項１においては、測定対象物に対してスリット光を照射し、測定対象物の表面に形成される光切断線を撮像手段により撮像し、撮像した光切断線についての画像から計測される前記光切断線上の各点の三次元座標に基づいて測定対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測方法であって、前記撮像手段により、前記撮像手段のキャリブレーションプレートに備えられ平面であることが既知の基準平面を撮影し、当該撮影画像における前記基準平面の表面属性の、実際の前記基準平面における表面属性に対するずれ量を修正する、前記撮像手段のキャリブレーションを行うキャリブレーション工程と、前記キャリブレーションプレートを用い、前記基準平面に対して一定のスリット光を照射した状態で、前記基準平面に形成される光切断線である前記スリット光の断面線の前記撮像手段による撮像を、前記キャリブレーションプレートの複数の異なる位置姿勢について行うことにより、前記キャリブレーションプレートの各位置姿勢における前記基準平面についての前記スリット光の断面線を取得し、前記各位置姿勢における前記基準平面に対応する前記スリット光の断面線に基づき、これら複数の前記スリット光の断面線が近似的に適合する共通の曲面を導き、測定対象物に照射するスリット光のスリット面形状を、前記曲面としてモデル化する曲面モデル化工程と、前記三次元形状を計測するに際し、前記スリット光のスリット面形状を、モデル化した前記曲面として、前記三次元座標を計測する形状計測工程とを備え、前記キャリブレーション工程での前記キャリブレーションプレートの基準平面の撮影と、前記曲面モデル化工程での前記スリット光の断面線の撮像とが、前記キャリブレーションプレートの位置姿勢が変化させられるたびに交互に行われるものである。

請求項２においては、請求項１に記載の三次元形状計測方法において、前記曲面の形状を、円錐面または円筒面の一部形状とするものである。

請求項３においては、測定対象物に対してスリット光を照射する照射手段と、前記照射手段によって照射される前記スリット光により測定対象物の表面に形成される光切断線を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された光切断線についての画像から前記光切断線上の各点の三次元座標を計測し、この三次元座標に基づいて測定対象物の三次元形状を計測する演算手段と、を備える三次元形状計測装置であって、前記撮像手段のキャリブレーションプレートに備えられ平面であることが既知の基準平面に対して前記照射手段により一定のスリット光を照射した状態で、前記基準平面に形成される光切断線である前記スリット光の断面線の撮像を、前記撮像手段により前記キャリブレーションプレートの複数の異なる位置姿勢について行うことにより、前記キャリブレーションプレートの各位置姿勢における前記基準平面についての前記スリット光の断面線を取得するスリット断面取得手段と、前記照射手段により測定対象物に照射されるスリット光のスリット面形状を、前記スリット断面取得手段により取得された、前記各位置姿勢における前記基準平面に対応する前記スリット光の断面線に基づき、これら複数の前記スリット光の断面線が近似的に適合する共通の曲面としてモデル化するスリット面形状モデル化手段と、を備え、前記三次元形状を計測するに際して、前記撮像手段により前記キャリブレーションプレートの基準平面を撮影し、当該撮影画像における基準平面の表面属性の、実際の前記基準平面における表面属性に対するずれ量を修正する、前記撮像手段のキャリブレーションが行われ、前記キャリブレーションが行われる際の前記キャリブレーションプレートの基準平面の撮影と、前記スリット断面取得手段により前記スリット光の断面線を取得する際の前記スリット光の断面線の撮像とが、前記キャリブレーションプレートの位置姿勢が変化させられるたびに交互に行われ、前記演算手段は、前記三次元形状を計測するに際し、前記スリット光のスリット面形状を、前記スリット面形状モデル化手段によりモデル化された前記曲面として、前記三次元座標を計測するものである。

請求項４においては、請求項４に記載の三次元形状計測装置において、前記曲面の形状は、円錐面または円筒面の一部形状であるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
すなわち、本発明によれば、光切断法による三次元形状計測において、測定対象物に照射されるスリット光について存在する曲がり等の形状歪みに対する処置をシステマチックにすることができるとともに、スリット光の形状歪みに起因する計測誤差を低減することができ、計測の安定性や汎用性を向上することができる。

本発明は、光切断法による三次元形状の計測に際し、測定対象物（以下「ワーク」という。）に照射されるスリット状の光（以下「スリット光」という。）について、従来は理想的な平面であると仮定されているが光学系の問題により実際には曲面状となる（形状歪みが生じる）スリット面形状を、所定の曲面にモデル化するものである。

図１０に、スリット光の形状歪みの一例（計測例）を示す。図１０は、平面であることが計測等により保証されている基準板（平面基準板）の板面に対して照射されたスリット光の断面線（以下「スリット断面線」ともいう。）についての計測例である。本例に係る計測対象面は、前記のとおり平面であることが保証されていることから、そのスリット断面線は、理想的には直線となるはずである。しかし、図１０に示す計測結果からわかるように、本例の計測によって得られたスリット断面線については、形状歪みが生じている。具体的には、本計測例に係るスリット断面線は、視野幅が約７０ｍｍで、平面度が約０．２ｍｍ（約±０．１ｍｍ）の凹状に反った曲線状となっている。このように、スリット光が平面に対して照射された場合におけるスリット断面線に形状歪みが生じることは、前記のとおり光学系の問題、例えばスリット光を形成するレーザ光がスリット状に変換されるために用いられるシリンドリカルレンズにおける収差等による。

そこで、本発明は、光切断法による三次元形状の計測に際し、図１０に示すようなスリット光についての形状歪みの存在を認め、その曲面形状となるスリット面形状を陽に所定の曲面に近似的にモデル化するものである。以下、本発明の実施の形態を説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る三次元形状計測装置１は、照射手段としてのレーザ投光部２と、撮像手段としてのカメラ３と、演算手段としての演算制御部５を含む制御装置４とを備える。

レーザ投光部２は、ワーク１０に対してスリット光１１を照射する。レーザ投光部２は、例えば赤外半導体レーザ等のレーザ光の光源であるレーザ発信器やシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）等を有するレーザ出力ユニットとして構成される。すなわち、レーザ投光部２においては、レーザ発信器から発射されたレーザ光が、シリンドリカルレンズを透過することでスリット光（レーザシート）１１に変換される。そして、レーザ投光部２から投光されるスリット光１１が、ワーク１０に照射される。レーザ投光部２からのスリット光１１が照射されたワーク１０の表面には、その断面形状に応じて光切断線（反射光の輝線）１２が形成される。

カメラ３は、レーザ投光部２によって照射されるスリット光１１によりワーク１０の表面に形成される光切断線１２を撮像する。カメラ３は、光切断線１２、つまりワーク１０の表面にて反射するレーザ光（反射光）を受光する受光センサであり、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子により構成される。そして、カメラ３は、ワーク１０の表面に形成される光切断線１２を受光して撮像することにより、光切断線１２についての画像（以下「スリット画像」ともいう。）を、撮像素子の撮像面１３（図２参照）において二次元画像として取得する。カメラ３は、撮像面１３に対する光切断線１２の結像に際してワーク１０の表面からの反射光を受ける受光レンズ１４（図２参照）を有する。

また、カメラ３は、レーザ投光部２からのスリット光１１の照射方向（投光軸方向）に対して光軸（受光軸）が所定角度ずらされた状態で配置される。例えば、カメラ３は、ワーク１０における水平面の部分に形成される光切断線１２の部分が、画像上で水平方向となるような姿勢で配置される。カメラ３により撮像された光切断線１２についての画像データは、制御装置４に送られる。

制御装置４に備えられる演算制御部５は、カメラ３によって撮像されたスリット画像から光切断線１２上の各点の三次元座標を計測し、この三次元座標に基づいてワーク１０の三次元形状を計測する。すなわち、演算制御部５は、カメラ３によって撮像されたスリット画像の画像データに基づいて、レーザ投光部２の位置や、受光レンズ１４のレンズ中心Ｏ１の位置（図２参照）や、ワーク１０の表面からの反射光のカメラ３に対する入射角度などから、三角測量の原理により、ワーク１０の表面における光切断線１２上の各点（照射点）についての三次元座標を計測する。つまり、この光切断線１２上の各点の三次元座標が、演算制御部５による計測データ（ワーク１０の断面形状に対応する位置データ）となる。一つの光切断線１２についての計測データにより、ワーク１０の物体としての輪郭線が計測されることとなる。そして、ワーク１０に照射されるスリット光１１の位置が走査（スキャニング）され所定間隔ごとに更新されることで、演算制御部５は、ワーク１０に対するスリット光１１の各走査位置（照射位置）における計測データを連続的に求め、ワーク１０の三次元形状を計測する。

ワーク１０に対するスリット光１１の走査に際し、本実施形態の三次元形状計測装置１は、次のような構成を備える。すなわち、図１に示すように、本実施形態の三次元形状計測装置１においては、レーザ投光部２とカメラ３とが、互いに所定の位置関係となる状態で、ケース６内に収容される。ケース６は、レーザ投光部２から照射されるスリット光１１のワーク１０に対する走査方向に、図示せぬ移動手段によって移動可能に設けられる。

本実施形態では、図１に示すように、ワーク１０は、平面部１０ａとこの平面部１０ａ上に形成される直方体状の凸部１０ｂとを有する。かかるワーク１０に対して、レーザ投光部２からのスリット光１１は、そのスリット面方向（光切断線１２が形成される方向）が凸部１０ｂの短手方向となるように略鉛直下向きに照射され、凸部１０ｂの長手方向（図１における左右方向）に走査される。つまり、本実施形態では、凸部１０ｂの長手方向がワーク１０に対するスリット光１１の走査方向となり、かかる方向が、ケース６の移動方向となる（矢印Ａ１参照）。

なお、ワーク１０に対するスリット光１１の走査のための構成は、本実施形態に限定されるものではない。スリット光１１の走査に際しては、例えば、回動可能に設けられスリット光１１を反射させるミラーを備える構成が用いられてもよい。かかる構成においては、ミラーによるスリット光１１の反射方向が、ミラーの角度によって偏向されることで、スリット光１１がワーク１０に対して走査されることとなる。

制御装置４は、前記のとおりワーク１０の三次元形状を計測する演算制御部５に加え、入力部１６と、表示部１７とを備える。

演算制御部５は、三次元形状計測装置１の一連の動作を制御する。演算制御部５は、プログラム等を格納する格納部、プログラム等を展開する展開部、プログラム等に従って所定の演算を行う演算部、演算部による演算結果等を保管する保管部等を有する。前記格納部に格納されるプログラム等には、後述するスリット断面取得プログラムと、スリット面形状モデル化プログラムとが含まれる。

演算制御部５としては、具体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成や、ワンチップのＬＳＩ等からなる構成が用いられる。演算制御部５としては、専用品のほか、市販のパーソナルコンピュータやワークステーション等に上記プログラム等が格納されたものが用いられる。

入力部１６は、演算制御部５に接続され、演算制御部５に三次元形状計測装置１の動作に係る種々の情報・指示等を入力する。入力部１６としては、専用品のほか、市販のキーボード、マウス、ポインティングデバイス、ボタン、スイッチ等が用いられる。

表示部１７は、演算制御部５に接続され、三次元形状計測装置１の動作状況、入力部１６から演算制御部５への入力内容、三次元形状計測装置１による計測結果等を表示する。表示部１７による表示内容には、光切断線１２についての画像であるスリット画像２０が含まれる。具体的には、図１に示すように、前記のとおり平面部１０ａと凸部１０ｂとを有するワーク１０についてのスリット画像２０は、平面部１０ａに対応する直線部２０ａと、凸部１０ｂに対応する凸形状部２０ｂとを有することとなる。表示部１７としては、専用品のほか、市販のモニターや液晶ディスプレイ等が用いられる。

以上のような構成を備える三次元形状計測装置１が用いられて行われる本実施形態に係る三次元形状計測方法について説明する。本実施形態の三次元形状計測方法は、ワーク１０に対してスリット光１１を照射し、ワーク１０の表面に形成される光切断線１２を撮像し、撮像した光切断線１２についての画像（スリット画像）から計測される光切断線１２上の各点の三次元座標に基づいてワーク１０の三次元形状を計測するものである。

そして、このような光切断法による三次元形状計測方法において、ワーク１０に照射されるスリット光１１のスリット面形状（レーザシートのシート面形状）について、所定の曲面へのモデル化が行われる。そして、所定の曲面にモデル化されたスリット光１１が用いられ、ワーク１０についての三次元形状の計測が行われる。したがって、本実施形態の三次元形状計測方法は、ワーク１０に照射されるスリット光１１のスリット面形状の曲面へのモデル化（以下スリット光１１について「曲面モデル化」という。）が行われる曲面モデル化工程と、曲面モデル化されたスリット光１１が用いられてワーク１０の三次元形状の計測、つまりワーク１０の形状についての三次元データ化が行われる形状計測工程とを含む。

本実施形態の三次元形状計測方法における曲面モデル化工程について説明する。曲面モデル化工程におけるスリット光１１の曲面モデル化に際しては、図３に示すように、平面であることが既知の基準平面３１を有する基準物体である平面基準板３０が用いられる。

そして、平面基準板３０が用いられて行われる曲面モデル化工程では、平面基準板３０の基準平面３１に対して一定のスリット光１１が照射された状態で、基準平面３１に形成される光切断線であるスリット光１１の断面線（スリット断面線）２２の撮像が、平面基準板３０の複数の異なる位置姿勢について行われる。

すなわち、図３において（ａ）〜（ｅ）に示すように、平面基準板３０のレーザ投光部２およびカメラ３に対する様々な位置や姿勢から、平面基準板３０の基準平面３１についての計測（スリット光１１の照射およびスリット断面線２２の撮像）が行われる。レーザ投光部２およびカメラ３に対する平面基準板３０の位置は、平面基準板３０のレーザ投光部２およびカメラ３に対する相対的な距離に対応し、レーザ投光部２およびカメラ３に対する平面基準板３０の姿勢は、平面基準板３０の基準平面３１のスリット光１１に対する傾き度合いに対応する。

具体的には、例えば図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、レーザ投光部２およびカメラ３に対してスリット光１１の照射方向（図３において下方向）を含む直線方向（図３において上下方向）に平面基準板３０が移動させられることにより、平面基準板３０のレーザ投光部２およびカメラ３に対する相対的な距離が変化させられる。ここで、スリット光１１は、その照射方向側（図３において下側）にかけて略扇状に広がる形状を有するため、平面基準板３０がスリット光１１の照射方向側に位置するほど、スリット光１１によって基準平面３１上に形成されるスリット断面線２２の長さは長くなる。つまり、図３においては、同図（ａ）〜（ｃ）にかけて、平面基準板３０がスリット光１１の照射方向側に位置するので、各図におけるスリット断面線２２の長さは、同図（ａ）に示されるスリット断面線２２ａ、同図（ｂ）に示されるスリット断面線２２ｂ、同図（ｃ）に示されるスリット断面線２２ｃの順に長くなっている。また、図３（ｄ）、（ｅ）に示すように、平面基準板３０が回転させられること等により、平面基準板３０が有する基準平面３１のスリット光１１に対する傾き度合いが変化させられる。

また、平面基準板３０の各位置姿勢に対するスリット光１１の照射およびスリット断面線２２の撮像に際しては、レーザ投光部２から照射されるスリット光１１は一定とされる。つまり、強度や照射方向等の照射条件が一定とされて照射された共通のスリット光１１に対して、平面基準板３０の位置姿勢が変化させられることで、各位置姿勢に対応するスリット断面線２２の撮像が行われる。また、平面基準板３０の各位置姿勢についてのスリット断面線２２の撮像に際しては、前記のとおりレーザ投光部２とカメラ３とはケース６において所定の位置関係で収容されることから、レーザ投光部２（スリット光１１）に対するカメラ３の撮像位置も一定となる。

こうした平面基準板３０の各位置姿勢に対するスリット光１１の照射およびスリット断面線２２の撮像により、平面基準板３０の各位置姿勢における基準平面３１についてのスリット断面線２２（２２ａ〜２２ｅ）が取得される。すなわち、平面基準板３０の各位置姿勢についてのスリット断面線２２が、計測データとしてサンプリングされる。ここで取得される各スリット断面線２２は、基準平面３１が既知の平面であること、および基準平面３１に照射されるスリット光１１においては光学系の問題により形状歪みが生じることから、曲線状となる。

このような平面基準板３０の各位置姿勢に対応するスリット断面線２２の取得に際し、本実施形態の三次元形状計測装置１においては、図１に示すように、演算制御部５において、スリット断面取得部５１が備えられる。

すなわち、スリット断面取得部５１は、スリット断面取得手段の実施の一形態であり、基準平面３１に対してレーザ投光部２により一定のスリット光１１が照射された状態で、基準平面３１に形成されるスリット断面線２２の撮像が、カメラ３により平面基準板３０の複数の異なる位置姿勢について行われることにより、平面基準板３０の各位置姿勢における基準平面３１についてのスリット断面線２２（２２ａ〜２２ｅ）を取得する。実体的には、演算制御部５が、その格納部に格納されたスリット断面取得プログラムに従って所定の演算等を行うことにより、スリット断面取得部５１としての機能を果たす。

続いて、平面基準板３０の各位置姿勢における基準平面３１に対応するスリット断面線２２に基づき、これら複数のスリット断面線２２が近似的に適合する共通の曲面が導かれる。

すなわち、図４に示すように、平面基準板３０の各位置姿勢（図３（ａ）〜（ｅ）参照）についてのスリット断面線２２ａ〜２２ｅから、これらがベストフィットする曲面４０が導かれる。つまり、各スリット断面線２２ａ〜２２ｅは、レーザ投光部２から照射されるスリット光１１の異なる位置におけるスリット断面形状に対応するものである。そして、曲面４０は、複数のスリット断面線２２ａ〜２２ｅのそれぞれが近似的に適合する（沿う状態となる）共通の（一つの）曲面となる。したがって、曲面４０の形状は、スリット光１１のスリット面形状に近似する形状となる。図４に示すように、本実施形態では、複数のスリット断面線２２から導かれる曲面４０の形状は、円筒面の一部形状とされている。

そして、このように複数のスリット断面線２２から導かれた曲面４０が、スリット光１１についての曲面モデルとして用いられる。すなわち、ワーク１０に照射されるスリット光１１のスリット面形状が、曲面４０としてモデル化（数式化）される。

このようなスリット光１１の曲面モデル化に際し、本実施形態の三次元形状計測装置１においては、図１に示すように、演算制御部５において、スリット面形状モデル化部５２が備えられる。

すなわち、スリット面形状モデル化部５２は、スリット面形状モデル化手段の実施の一形態であり、レーザ投光部２によりワーク１０に照射されるスリット光１１のスリット面形状を、スリット断面取得部５１により取得された、平面基準板３０の各位置姿勢における基準平面３１に対応するスリット断面線２２に基づき、これら複数のスリット断面線２２が近似的に適合する共通の曲面４０としてモデル化する。実体的には、演算制御部５が、その格納部に格納されたスリット面形状モデル化プログラムに従って所定の演算等を行うことにより、スリット面形状モデル化部５２としての機能を果たす。

以上のようにして、本実施形態の三次元形状計測方法における曲面モデル化工程が行われる。

なお、本実施形態では、図３（ａ）〜（ｅ）および図４に示すように、スリット光１１の曲面モデル化に際し、取得されるスリット断面線２２の数が５本（スリット断面線２２ａ〜２２ｅ）とされている（スリット断面線２２が取得される平面基準板３０の異なる位置姿勢が５つとされている）が、スリット光１１の曲面モデル化に際して用いられるスリット断面線２２の数は、特に限定されるものではない。例えば、本実施形態のように、スリット光１１がモデル化される曲面４０の形状が円筒面の一部形状とされる場合等においては、スリット光１１の曲面モデル化に際して用いられるスリット断面線２２の数は、曲面モデル化についての精度や生産性等との兼ね合いから、１０〜２０本程度が好ましいことが実験等によりわかっている。

また、スリット光１１の曲面モデル化に際して用いられる曲面としては、本実施形態における曲面４０のような円筒面のほか、円錐面であってもよい。また、スリット光１１の曲面モデル化に際し、例えば円筒面や円錐面へのスリット光１１のフィッティングが困難な場合などにおいては、スリット光１１がフィッティングされる曲面として、ＮＵＲＢＳ曲面、Ｂスプライン曲面、Ｂｅｚｉｅｒ（ベツィエ）曲面、グレゴリ曲面などのパラメトリック曲面が用いられてもよい。

ただし、スリット光１１の曲面モデル化に際しては、曲面モデルとして用いられる曲面の形状は、円錐面または円筒面の一部形状であることが有利であると考えられる。すなわち、上記のようなＮＵＲＢＳ曲面などのパラメトリック曲面は、円錐面や円筒面といった初等関数で表せる曲面に比べて、幾何学的に複雑となる。このため、演算制御部５が有する演算処理能力によっては、スリット光１１の曲面モデル化やその後のワーク１０についての三次元形状の計測における演算処理がやや重たくなる場合がある。この点、円錐面や円筒面といった基本形態は、数式的に簡潔に表現できるため、演算制御部５における処理についての負担が比較的少なく、良好な作業性が得られると考えられる。一方で、スリット光１１の曲面モデル化に際しての汎用性の面からは、円錐面や円筒面に比べて形状自由度の高いＮＵＲＢＳ曲面などのパラメトリック曲面の方が、円錐面や円筒面よりも好ましいともいえる。

また、本実施形態では、スリット光１１の曲面モデル化に際して用いられる基準物体として、カメラ３についてのキャリブレーション用のキャリブレーションプレートが用いられる。つまり、基準物体として平面基準板３０が用いられる本実施形態では、平面基準板３０として、カメラ３のカメラキャリブレーション用のキャリブレーションプレートが用いられる。このように、本実施形態では、曲面モデル化工程においてスリット断面線２２の取得に際してスリット光１１が照射される基準平面３１が、カメラ３についてのキャリブレーション用のキャリブレーションプレートが有する被撮影面とされる。

通常、光切断法による三次元形状の計測のように、二次元画像から三次元形状への復元が行われるに際して用いられるカメラについては、キャリブレーション（校正）が行われる。カメラのキャリブレーションの手法には、キャリブレーションプレートが用いられるものがある。かかる手法は、公知の技術であるため、その詳細な説明は省略するが、概略的には次のようにして行われる。

すなわち、カメラのキャリブレーションは、カメラが配置された世界座標系における三次元空間の点と、二次元画像の点との間の射影を定める射影行列から、カメラが有する固有のパラメータ（変数）を求めるプロセスである。カメラの変数には、焦点距離や画素サイズ（縦横比）や画像中心やレンズ歪み等のような内部パラメータ（内部変数）と、カメラの位置や姿勢（向き）を表す外部パラメータ（外部変数）とがある。こうしたカメラのパラメータが求められるに際して、キャリブレーションプレートが用いられる。

キャリブレーションプレートとは、三次元形状や表面属性が既知の物体である。このキャリブレーションプレートが、例えばカメラに対して異なる距離や姿勢で複数回撮影される。これにより、キャリブレーションプレートにおける三次元位置と、キャリブレーションプレートのカメラ画像における二次元位置との両者の位置関係が計測される。そして、かかる位置関係から、前記のような射影行列が求められ、この射影行列により、カメラの各種パラメータが算出される。キャリブレーションプレートの表面属性としては、大きさや形状等が全て既知のマーカや格子状のパターン等が用いられる。

本実施形態では、ワーク１０の三次元形状の計測に際し、光切断線１２を撮像するための手段であるカメラ３についてのキャリブレーションが行われる。そして、カメラ３のキャリブレーションに用いられるキャリブレーションプレートとして、平面基準板３０が用いられる。キャリブレーションプレートとしての平面基準板３０は、矩形状の板状部材であり、その一側の板面が、平面であることが既知の基準平面３１となる。この平面基準板３０が有する基準平面３１が、カメラ３のキャリブレーションに際しての被撮影面となる。そして、このカメラ３のキャリブレーションに用いられる基準平面３１上には、キャリブレーションプレートが有する表面属性として、所定の間隔で格子状に並ぶドット（白丸）３２が、略全面にわたって描かれている（図３参照）。

このようなドット３２が描かれた平面基準板３０が用いられて行われるカメラ３のキャリブレーションの一例としては、基準平面３１が、カメラ３の撮像面１３と平行になるように撮影される。この撮影画像においては、基準平面３１上のドット３２が、カメラ３のレンズ（受光レンズ１４）のレンズ歪み（樽型歪みや糸巻型歪みなどの歪曲収差）によって本来写るべき位置からずれる。こうしたカメラ３におけるレンズ歪みによるずれ量が、画像処理によって計算され、カメラ３の内部パラメータであるレンズ歪みが求められる。このようなレンズ歪みに基づくドット３２のずれが、実際の平面基準板３０におけるドット３２の配置に対応するように、カメラ３における画像が修正される。この修正量は、演算制御部５における格納部などに予め格納される。

このように、本実施形態では、スリット光１１の曲面モデル化に際して用いられる平面基準板３０が、カメラ３のキャリブレーションプレートとして兼用される。これにより、スリット光１１の曲面モデル化に際して、平面基準板３０として機能する部材を別途用意する必要がなくなるとともに、スリット光１１の曲面モデル化を、カメラ３について行われるキャリブレーションと関連させて行うことが可能となり、作業性の向上を図ることができる。以下の説明では、平面基準板３０を指して「キャリブレーションプレート６０」という。

曲面モデル化工程の次に、ワーク１０の三次元形状の計測が行われる形状計測工程が行われる。つまり、曲面モデル化工程において曲面モデル化されたスリット光１１が用いられて、ワーク１０の三次元形状の計測が行われる。

具体的には、形状計測工程では、ワーク１０の三次元形状が計測されるに際し、ワーク１０に照射されるスリット光１１のスリット面形状が、モデル化された曲面４０とされ、ワーク１０の表面に形成される光切断線１２上の各点について三次元座標が計測される。なお、以下の説明では、曲面４０として曲面モデル化されたスリット光１１を、「スリット曲面モデル４１」とする。

ワーク１０の三次元形状の計測に際しては、前述したように、レーザ投光部２によりスリット光１１がワーク１０に照射され、カメラ３によって撮像されたスリット画像の画像データに基づいて、レーザ投光部２の位置などから、三角測量の原理により、ワーク１０の表面における光切断線１２上の各点についての三次元座標が計測される。この三次元座標が計測される光切断線１２上の各点は、スリット光１１のスリット面上の点となる。そこで、本実施形態の形状計測工程においては、図２に示すように、カメラ３における撮像面１３上のスリット画像２０（撮像された光切断線１２についての画像）上の各点からの、光切断線１２上の各点についての三次元座標の計測に際し、スリット曲面モデル４１が用いられる。

したがって、本実施形態では、演算制御部５は、ワーク１０の三次元形状を計測するに際し、スリット光１１のスリット面形状を、スリット面形状モデル化部５２によりモデル化された曲面４０として、ワーク１０の表面に形成される光切断線１２上の各点の三次元座標を計測する。

以上のように、曲面モデル化工程と形状計測工程とを含む本実施形態の三次元形状計測方法について、図５に示すフロー図を用いて説明する。

本実施形態の三次元形状計測方法においては、まず、カメラ３の（受光レンズ１４の）キャリブレーションが行われる（Ｓ１１０）。すなわち、カメラ３によってキャリブレーションプレート６０の被撮影面となる基準平面３１が撮影され、その撮影画像におけるドット３２等に基づいて、カメラ３の各種パラメータが求められる。カメラ３のキャリブレーションによって求められた各種パラメータは、演算制御部５における格納部等に予め格納される。

次に、スリット光１１の曲面モデル化が行われる（Ｓ１２０〜Ｓ１４０）。スリット光１１の曲面モデル化に際しては、まず、キャリブレーションプレート６０に対するスリット光１１の照射が行われる（Ｓ１２０）。すなわち、前記のとおりカメラ３のキャリブレーションに用いられるキャリブレーションプレート６０に対して、レーザ投光部２により、スリット光１１が照射される。

次に、キャリブレーションプレート６０を用いた複数のスリット断面線２２の取得が行われる（Ｓ１３０）。すなわち、図３（ａ）〜（ｅ）に示すように、スリット光１１の照射を受けるキャリブレーションプレート６０のレーザ投光部２およびカメラ３に対する位置姿勢が変化させられ、各位置姿勢についてのスリット断面線２２が取得される。

そして、複数のスリット断面線２２を用いたスリット曲面モデル４１の構築が行われる（Ｓ１４０）。すなわち、図４に示すように、キャリブレーションプレート６０の各位置姿勢について取得された複数のスリット断面線２２ａ〜２２ｅから、これらが近似的に適合する共通の曲面として、円筒面の一部形状を有する曲面４０が導かれる。そして、ワーク１０に照射されるスリット光１１のスリット面形状が、曲面４０としてモデル化（数式化）されることで、スリット曲面モデル４１が構築される（図２参照）。

このように、スリット光１１の曲面モデル化が行われる上記のステップＳ１２０〜Ｓ１４０が、本実施形態の三次元形状計測方法における曲面モデル化工程に対応する。ただし、スリット光１１の曲面モデル化は、カメラ３のキャリブレーションと関連して行われてもよい。スリット光１１の曲面モデル化がカメラ３のキャリブレーションと関連して行われるに際しては、本実施形態に係る方法は次のような態様となる。

すなわち、上記ステップＳ１１０におけるカメラ３のキャリブレーションに際しては、キャリブレーションプレート６０が、カメラ３に対して異なる位置姿勢で複数回撮影され、各位置姿勢についての撮影画像が用いられる場合がある。かかる場合、そのカメラ３のキャリブレーションに際して撮影されるキャリブレーションプレート６０の各位置姿勢について、スリット光１１の曲面モデル化に用いられるスリット断面線２２の取得が行われる。

つまり、レーザ投光部２およびカメラ３に対して、変化させられて異なるキャリブレーションプレート６０の各位置姿勢について、カメラ３のキャリブレーション用の撮影と、キャリブレーションプレート６０に対してレーザ投光部２からのスリット光１１の照射が行われた状態でのスリット断面線２２の取得とが行われる。したがって、この場合、キャリブレーションプレート６０の位置姿勢が変化させられるたびに、キャリブレーションプレート６０について、カメラ３による、スリット光１１が照射されていない状態での撮像（カメラ３のキャリブレーション用の撮影）と、スリット光１１が照射されている状態での撮像（スリット断面線２２の取得）とが、交互に（順序問わず）行われることとなる。なお、カメラ３のキャリブレーション用のキャリブレーションプレート６０の撮影は、スリット光１１が照射された状態で行われてもよい。

このように、本実施形態では、スリット光１１の曲面モデル化に際して用いられる平面基準板３０が、カメラ３のキャリブレーション用のキャリブレーションプレート６０として兼用されているため、スリット光１１の曲面モデル化を、カメラ３のキャリブレーションと関連して行うことができる。これにより、変化させられるキャリブレーションプレート６０の位置姿勢を、カメラ３のキャリブレーションとスリット光１１の曲面モデル化とで共用することができるので、作業の効率化が図れる。

つまりは、キャリブレーションプレート６０が用いられるスリット光１１の曲面モデル化（スリット断面線２２の取得）は、カメラ３のキャリブレーション工程の最中に（カメラ３のキャリブレーションと関連して）行われても、カメラ３のキャリブレーション工程の後に行われてもよい。

以上により、本実施形態の光切断法によるワーク１０の三次元形状の計測に際しての、スリット光１１の曲面モデル化を含むキャリブレーションが完了する。

続いて、スリット光１１の曲面モデル化によって構築されたスリット曲面モデル４１が用いられ、ワーク１０の三次元形状の計測が行われる。ワーク１０の三次元形状の計測に際しては、まず、ワーク１０に対するスリット光１１の照射が行われる（Ｓ２１０）。すなわち、ワーク１０に対して、レーザ投光部２により、スリット光１１が照射される（図１参照）。

次に、光切断線１２の撮像およびスリット画像２０の中心線（以下「スリット画像中心線」という。）の抽出が行われる（Ｓ２２０）。すなわち、カメラ３により、スリット光１１が照射されたワーク１０の表面に形成される光切断線１２が撮像される。これにより、カメラ３の撮像面１３にて光切断線１２についての画像であるスリット画像２０が得られる。そして、このスリット画像２０についてのスリット画像中心線の抽出が行われる。

具体的には、例えば図６（ａ）に示すように、スリット光１１の照射により形成される光切断線１２についての撮像画像であるスリット画像２０は、線状の画像となるが、撮像面１３において有限の幅（線の太さ）を有する。つまり、スリット画像２０の幅は、撮像面１３における一つの画素（ピクセル）の長さよりも長く、複数の画素にわたることとなる。そこで、撮像面１３におけるスリット画像２０の幅方向の輝度分布（撮像素子の出力レベルの分布）に基づいて、スリット画像中心線２０ｃが抽出される。

スリット画像２０について、ある位置におけるスリット画像２０の幅方向に沿う輝度Ｌの分布は、例えば図６（ｂ）に示すグラフＧ１ようになる。このようなスリット画像２０の幅方向（ｗ方向）についての輝度分布から、その幅方向についての中心位置（中心点）が求められる。スリット画像２０についての幅方向の中心位置としては、例えば、図６（ｂ）において幅方向を示すｗ軸とグラフＧ１とで囲まれる面積が等しくなる幅方向の位置や、グラフＧ１における輝度についての所定の閾値以上の部分の加重平均となる位置や、輝度Ｌの分布を正規分布に近似させた場合の平均の位置などが用いられる。このようにして求められるスリット画像２０についての幅方向の中心位置（中心点）の、スリット画像２０の長さ方向（線方向）に沿う集合が、スリット画像中心線２０ｃとして抽出される。

続いて、スリット画像中心線２０ｃ上の各点に対応するスリット曲面モデル４１上の点の算出が行われる（Ｓ２３０）。すなわち、スリット画像中心線２０ｃ上の各点について、これら各点と受光レンズ１４のレンズ中心Ｏ１とを結ぶ直線が算出され、この直線の、スリット曲面モデル４１に対する交点が求められる。

具体的に、図２に示すように、例えばスリット画像中心線２０ｃ上の点Ｐ１について説明する。撮像面１３において二次元座標で表される点Ｐ１の位置（ｘ１、ｙ１）や、受光レンズ１４のレンズ中心Ｏ１の位置や、レンズ中心Ｏ１に対する撮像面１３の位置などは、カメラ３のキャリブレーションによって求められたカメラ３のパラメータから測定される。また、スリット曲面モデル４１の世界座標系における位置は、スリット光１１の曲面モデル化に際して、実際のスリット光１１との関係から測定される。これらの測定値から、スリット画像中心線２０ｃ上の点Ｐ１と、受光レンズ１４のレンズ中心Ｏ１とを通る直線Ｌ１が算出され、この直線Ｌ１の、スリット曲面モデル４１に対する交点となる点Ｐ２が求められる。このスリット曲面モデル４１上の点Ｐ２が、二次元画像である撮像面１３のスリット画像中心線２０ｃ上における点Ｐ１に対応する、世界座標系における三次元空間における計測点となる。

つまり、撮像面１３上のスリット画像２０は、ワーク１０におけるスリット光１１の光切断線１２についての画像であり、また、スリット曲面モデル４１は、スリット光１１が曲面モデル化されたものである。したがって、スリット曲面モデル４１上には、スリット画像中心線２０ｃ上の個々の点に対応する点が存在することとなる。このスリット画像中心線２０ｃ上の個々の点に対応するスリット曲面モデル４１上の点が、三次元空間上の計測点となる。

次に、スリット曲面モデル４１上の点の三次元座標の計測が行われる（Ｓ２４０）。すなわち、スリット画像中心線２０ｃ上の各点に対応するスリット曲面モデル４１上の計測点の三次元座標が、レーザ投光部２の位置や、受光レンズ１４のレンズ中心Ｏ１の位置や、ワーク１０の表面からの反射光のカメラ３に対する入射角度などから、三角測量の原理により計測される。つまり、上記の例においては、スリット画像中心線２０ｃ上の点である点Ｐ１の位置（ｘ１、ｙ１）から、これに対応するスリット曲面モデル４１上の点Ｐ２についての三次元座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）が計測される。ここで、図２に示すように、カメラ３の撮像面１３における二次元座標で認識された点（スリット画像中心線２０ｃ上の点）は、円筒面の一部形状を有するスリット曲面モデル４１において存在する高さデータとして演算される。

そして、このような計測点についての三次元座標の計測が、ワーク１０について得られる全ての点群について行われる（Ｓ２５０）。すなわち、スリット画像中心線２０ｃ上の各点に対応する計測点についての三次元座標の計測が、ワーク１０に対するスリット光１１の全走査範囲について、所定間隔ごとに更新されるスリット光１１の各走査位置（照射位置）にて行われる。したがって、ここでのワーク１０について得られる全ての点群とは、ワーク１０に対するスリット光１１の走査範囲において、全ての走査位置にて得られるスリット画像中心線２０ｃ上の全ての点となる。このような点群における各点に対応する計測点についての三次元座標の計測値は、演算制御部５において随時記憶される。

このようにしてワーク１０について得られる全ての点群についての三次元座標の計測データから、ワーク１０の三次元形状が計測される。すなわち、前記のとおりスリット画像中心線２０ｃ上の点はスリット曲面モデル４１において高さデータとして演算されることから、スリット光１１のある走査位置（照射位置）に対応するスリット画像中心線２０ｃ上の点群についてのスリット断面モデル４１上の計測データ（計測点の集合）により、その走査位置におけるワーク１０の断面形状に対応する輪郭線４５が計測される（図２参照）。このようなワーク１０についての輪郭線４５が、スリット光１１の走査方向に連続的に取得されることで、これらの輪郭線４５の集合から、ワーク１０の三次元形状が計測される。

そして、ワーク１０についての全ての計測点の統合、および三次元点群としてのファイル保存が行われる（Ｓ２６０）。すなわち、三次元座標が計測されたワーク１０について得られる全ての点群についての計測点が、輪郭線４５およびこれらの集合として統合され、ワーク１０の三次元点群、つまりワーク１０の三次元形状として、演算制御部５において保存される。

このように、ワーク１０の三次元形状の計測が行われる上記のステップＳ２１０〜Ｓ２６０が、本実施形態の三次元形状計測方法における形状計測工程に対応する。形状計測工程によって計測されたワーク１０の三次元形状は、制御装置４における表示部１７において表示される。

以上のようにして計測されたワーク１０についての三次元形状が用いられ、図面等との比較による解析、品質検査が行われる（Ｓ２７０）。すなわち、前記のとおり表示部１７に表示されるワーク１０についての三次元形状について、ＣＡＤ図面等の設計図面や試作品等から選出されたマスターワーク等との比較が行われる。これにより、計測対象であるワーク１０についての三次元形状の解析や、品質の良否判定等の品質検査が行われる。

以上説明した本実施形態の三次元形状計測装置１および三次元形状計測方法によれば、光切断法による三次元形状計測において、ワーク１０に照射されるスリット光１１について存在する曲がり等の形状歪みに対する処置をシステマチックにすることができるとともに、スリット光１１の形状歪みに起因する計測誤差を低減することができ、計測の安定性や汎用性を向上することができる。

すなわち、本実施形態によって説明したように、光切断法による三次元形状計測において、光学系の問題により形状歪みを有し曲面となるスリット光１１を、陽に所定の曲面にモデル化することにより、従来のようにスリット光１１が平面としてモデル化される場合に比べて計測性能を向上することができる。

また、スリット光１１が、スリット曲面モデルとしてモデル化（数式化）されることから、そのスリット曲面モデルを表す数式についてのパラメータの調整により、カメラ３のパラメータ等の計測条件の変更等に対してパラメトリックに容易に対応することができるとともに、計測に必要となる必要となるデータ量を少なくすることができる。これにより、スリット光１１の形状歪みに対応した三次元形状の計測を行うに際し、従来技術のように光切断線が撮像される撮像面において区分された領域ごとに個別のパラメータが用いられる方式に比べ、計測がシステマチックで管理しやすくなり、計測について高い安定性や汎用性が得られる。

本実施形態の三次元形状計測装置１および三次元形状計測方法の適用例およびその効果について、図１、図７、図８および図９を用いて説明する。本適用例は、本実施形態の三次元形状計測が、機械加工部品の三次元形状についてのインライン検査に用いられる場合についてのものである。

まず、インラインでの直進スキャンによる検査の例について説明する。すなわち、図１に示すように、インライン検査の検査対象となる三次元形状の計測対象（ワーク１０）に対するスリット光１１の走査に際し、スリット光１１が直進移動させられる場合について説明する。また、本例に係るワーク１０は、反りのない機械加工部品である場合とする。この場合、前述したようにワーク１０における凸部１０ｂの長手方向がスキャン方向となり、かかる方向が、スリット光１１の直進移動方向となる。また、ワーク１０は、前記のとおり反りのない機械加工部品であるため、ワーク１０を形成する面がいずれも平面となる。

このようなワーク１０についての直進スキャンによる検査において、ワーク１０の三次元形状計測に際してスリット光１１についての曲面モデル化が行われない場合、つまりスリット光１１のスリット面形状について所定の曲面とする補正が行われずにスリット面形状が平面であるとして計測が行われる場合、計測されるワーク１０の三次元形状について生じる計測誤差が大きくなる。具体的には、例えば図７（ａ）に示すように、ワーク１０の三次元形状についての計測誤差が大きくなることにより、計測結果として表示部１７において表される三次元形状画像７０ａにおいて、三次元形状に反り（図示では凹状の反り）が生じた計測結果が得られる。つまりこの場合、計測結果に反映されることとなるスリット光１１が有する形状歪みとしての反りによる影響が大きくなり、十分な計測精度が得られない。

一方、ワーク１０についての直進スキャンによる検査において、ワーク１０の三次元形状計測に際してスリット光１１についての曲面モデル化が行われる場合、つまりスリット光１１のスリット面形状について所定の曲面とする補正が行われる場合、計測されるワーク１０の三次元形状について生じる計測誤差が低減される。具体的には、図７（ｂ）に示すように、ワーク１０の三次元形状についての計測誤差が低減されることにより、計測結果として表示部１７において表される三次元形状画像７０ｂにおいて、三次元形状における反りが補正された計測結果が得られる。つまりこの場合、計測結果に反映されることとなるスリット光１１が有する形状歪みとしての反りによる影響が低減され、十分な計測精度が得られる。

次に、インラインでの回転スキャンによる検査の例について説明する。図８に示すように、本例に係るワーク８０は、円筒形状を有する機械加工部品である。そして、このインライン検査の検査対象となる三次元形状の計測対象（ワーク８０）に対するスリット光１１の走査に際しては、ワーク８０の円筒面にスリット光１１が照射された状態で、ワーク８０が円筒形状の筒軸方向（軸心線Ｃ１参照）を回転軸方向として回転させられる。したがって、本例においては、ワーク８０の回転方向と反対の方向が、ワーク８０が有する円筒面に対するスキャン方向となる。

このようなワーク８０についての回転スキャンによる検査において、前述したワーク１０についての直進スキャンの場合と同様に、ワーク８０の三次元形状計測に際して、スリット光１１についての曲面モデル化が行われない場合と、曲面モデル化が行われる場合とのそれぞれについての計測結果例を図９に示す。

図９（ａ）に示すように、スリット光１１についての曲面モデル化が行われない場合、ワーク８０の三次元形状についての計測誤差が大きくなることにより、計測結果として表示部１７において表される三次元形状画像９０ａにおいて、例えば円筒形状が糸巻き状に反った計測結果が得られる。一方、図９（ｂ）に示すように、スリット光１１についての曲面モデル化が行われる場合、ワーク８０の三次元形状についての計測誤差が低減されることにより、計測結果として表示部１７において表される三次元形状画像９０ｂにおいて、三次元形状が円筒面形状として正しく計測された計測結果が得られる。

このように、機械加工部品の三次元形状についてのインライン検査において、本実施形態の三次元形状計測が適用されることにより、三次元形状の計測に際し、計測結果に反映されることとなるスリット光１１が有する形状歪みによる影響が低減され、十分な計測精度が得られる。

以上説明した本発明に係る三次元形状計測は、例えば自動車業界において、ボディパネル等の曲面が計測検査される場合において、従来方式に比べて正確な形状ディジタイズが可能になる。そして、その計測結果が、より厳密なボディのプレス成形の品質検査において適用できる可能性が出てくる。

また、本発明に係る三次元形状計測が用いられることで、自動車部品としての軸状やパイプ状の部品の検査に際して三次元形状が計測される場合、より正確に三次元形状（例えば直径など）を捕えることが可能となる。また、スリット光の曲面モデル化というシステマチックな手法が用いられることにより、前述したような部品のインライン検査における管理調整が容易となる。特に、インライン検査においては、ワークに照射されるスリット光の形状歪みに対する処置として、時間のかかる再キャリブレーションは実現しにくいため、本発明に係る三次元形状計測のように、スリット光の曲面モデル化に際してパラメトリックで効率的な校正を行うことができる手法が有効となる。

本発明の一実施形態に係る三次元形状計測装置の構成を示す図。 カメラの撮像面とスリット曲面モデルとの対応関係を示す図。 スリット光の曲面モデル化に際してのスリット断面線の取得ついての説明図。 複数のスリット断面線により導かれる曲面の一例を示す図。 本発明の一実施形態に係る三次元形状計測方法についてのフロー図。 スリット画像の中心線についての説明図。 インラインでの直進スキャンによる検査における計測結果例を示す図。 インラインでの回転スキャンによる検査の例を示す図。 インラインでの回転スキャンによる検査における計測結果例を示す図。 スリット光の形状歪みの一例（計測例）を示す図。 従来における光切断法による三次元形状計測の一例についての説明図。

１ 三次元形状計測装置
２ レーザ投光部（照射手段）
３ カメラ（撮像手段）
５ 演算制御部（演算手段）
１０ ワーク（測定対象物）
１１ スリット光
１２ 光切断線
２０ スリット画像
２２ スリット断面線
３０ 平面基準板（基準物体）
３１ 基準平面
４０ 曲面
４１ スリット曲面モデル
５１ スリット断面取得部
５２ スリット面形状モデル化部
６０ キャリブレーションプレート

Claims (4)

1. 測定対象物に対してスリット光を照射し、測定対象物の表面に形成される光切断線を撮像手段により撮像し、撮像した光切断線についての画像から計測される前記光切断線上の各点の三次元座標に基づいて測定対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測方法であって、
   前記撮像手段により、前記撮像手段のキャリブレーションプレートに備えられ平面であることが既知の基準平面を撮影し、当該撮影画像における前記基準平面の表面属性の、実際の前記基準平面における表面属性に対するずれ量を修正する、前記撮像手段のキャリブレーションを行うキャリブレーション工程と、
   前記キャリブレーションプレートを用い、
   前記基準平面に対して一定のスリット光を照射した状態で、前記基準平面に形成される光切断線である前記スリット光の断面線の前記撮像手段による撮像を、前記キャリブレーションプレートの複数の異なる位置姿勢について行うことにより、
   前記キャリブレーションプレートの各位置姿勢における前記基準平面についての前記スリット光の断面線を取得し、
   前記各位置姿勢における前記基準平面に対応する前記スリット光の断面線に基づき、これら複数の前記スリット光の断面線が近似的に適合する共通の曲面を導き、
   測定対象物に照射するスリット光のスリット面形状を、前記曲面としてモデル化する曲面モデル化工程と、
   前記三次元形状を計測するに際し、前記スリット光のスリット面形状を、モデル化した前記曲面として、前記三次元座標を計測する形状計測工程とを備え、
   前記キャリブレーション工程での前記キャリブレーションプレートの基準平面の撮影と、前記曲面モデル化工程での前記スリット光の断面線の撮像とが、前記キャリブレーションプレートの位置姿勢が変化させられるたびに交互に行われる、
   ことを特徴とする三次元形状計測方法。
2. 前記曲面の形状を、円錐面または円筒面の一部形状とすることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測方法。
3. 測定対象物に対してスリット光を照射する照射手段と、
   前記照射手段によって照射される前記スリット光により測定対象物の表面に形成される光切断線を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段によって撮像された光切断線についての画像から前記光切断線上の各点の三次元座標を計測し、この三次元座標に基づいて測定対象物の三次元形状を計測する演算手段と、を備える三次元形状計測装置であって、
   前記撮像手段のキャリブレーションプレートに備えられ平面であることが既知の基準平面に対して前記照射手段により一定のスリット光を照射した状態で、前記基準平面に形成される光切断線である前記スリット光の断面線の撮像を、前記撮像手段により前記キャリブレーションプレートの複数の異なる位置姿勢について行うことにより、前記キャリブレーションプレートの各位置姿勢における前記基準平面についての前記スリット光の断面線を取得するスリット断面取得手段と、
   前記照射手段により測定対象物に照射されるスリット光のスリット面形状を、前記スリット断面取得手段により取得された、前記各位置姿勢における前記基準平面に対応する前記スリット光の断面線に基づき、これら複数の前記スリット光の断面線が近似的に適合する共通の曲面としてモデル化するスリット面形状モデル化手段と、を備え、
   前記三次元形状を計測するに際して、前記撮像手段により前記キャリブレーションプレートの基準平面を撮影し、当該撮影画像における基準平面の表面属性の、実際の前記基準平面における表面属性に対するずれ量を修正する、前記撮像手段のキャリブレーションが行われ、
   前記キャリブレーションが行われる際の前記キャリブレーションプレートの基準平面の撮影と、前記スリット断面取得手段により前記スリット光の断面線を取得する際の前記スリット光の断面線の撮像とが、前記キャリブレーションプレートの位置姿勢が変化させられるたびに交互に行われ、
   前記演算手段は、前記三次元形状を計測するに際し、前記スリット光のスリット面形状を、前記スリット面形状モデル化手段によりモデル化された前記曲面として、前記三次元座標を計測することを特徴とする三次元形状計測装置。
4. 前記曲面の形状は、円錐面または円筒面の一部形状であることを特徴とする請求項３に記載の三次元形状計測装置。

Images