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    公开号:WO1991010111A1
    申请号:PCT/JP1990/001716
    申请日:1990-12-26
    公开日:1991-07-11
    发明作者:Osamu Ozeki；Kazunori Higuchi；Shin Yamamoto
    申请人:Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho；
    IPC主号:G01S7-00
    专利说明:
    [0001] 明細書
    [0002] 三次元座標測定装置
    [0003] 技術分野
    [0004] 本発明は三次元座標測定装置、 特に光切断線に沿って物理的な位置が変動す る、 例えば移動または振動する被測定物の三次元座標を高速で高精度に測定す る装置および被測定物の塗装色などのためその反射率が極めて異なるような被 測定物の三次元座標を高速、 高精度に測定する装置の改良に関する。 ' ' 背景技術
    [0005] .機械部品や製品の生産工程などにおいては、 その寸法計測や検査を行うため、 移動または振動する被測定物の三次元座標を高速に検出したいという要望が多 い。 特に被測定物が三次元形状をしている場合にはその形状的な特徴を把握す るため、 被測定物表面の多点における三次元座標を高速に検出し、 当該被測定 物の三次元形状を効率良く正確に測定したいという要望が強 、c 従来の測定手 段としては、 物体の表面にパルススリッ ト光を投射し、 かつ、 2値化スリッ ト 光像の近傍のみを演算処理することにより、 移動中の被測定物の形状を高速に 検出するものがある （特開昭 6 4— 7 8 1 0 9号） c
    [0006] 上記構成からなる従来の測定手段は、 光切断線の中心位置を 2値化後、 細線 化して求めているので、 光切断線中心位置の検出分解能力は 0 . 5画素となり、 形状検出精度が悪く、 また T Vカメラ信号を部分的に読みだすための特殊な力 メラコントローラや演算制御部が必要であり装置が高価となるなど、 実用上解 決すべき問題点を有する。
    [0007] また、 本発明者等が案出したものとして、 スリッ ト光源と T Vカメラとによ る光切断法において、 T Vカメラの水平走査毎に光切断線の重心位置を検出し、 テーブルを参照して三次元座標を実時間で検出する装置がある。
    [0008] しかしこの装置は、 スリッ ト光を連続投射し、 その反射光を 1ノ 3 0秒の間 T Vカメラで撮像するため、 1 Z 3 0秒間に被測定物が移動すると画像がぼけ、 三次元座標検出が適正でない。 また、 工場などで太陽光等の広い波長範囲を有する外乱光がある時は、.スリ ット光源の波長だけを透過させるバンドパスフィルターだけでは十分な s n比 (以下 s Znと記す） が得られない場合がある。
    [0009] 発明の開示
    [0010] 本発明の目的は、 上記従来の問題点を解消するもので、 高速に移動中の被測 定物の三次元座標を正しく検出し、 従来には見当たらない反射率の大きく異な る被測定物について良好な反射信号が得られるよう広範囲にスリット光の投射 強度を設定すると共に、 反射率の異なる被測定物について適切なスリット光投 射強度を自動設定し、 力、つ多重反射に対して正しく三次元座標測定を行うこと、 さらに太陽光などの外乱光の下でも正しい三次元座標測定の可能な三次元座標 測定装置を提供することにある。
    [0011] 本発明の第 1発明の三次元座標測定装置は、 被測定物表面に向けスリット光 を所定角度で投光するスリッ ト光源と、 このスリット^;により被測定物表面上 に形成される光切断線を撮影する T Vカメラと、 該 T Vカメラのフィールド信 号に同期して前記スリッ ト光源をパルス駆動するパルス発光指合を供給すると ともに、 演算期間設定信号を出力するパルス信号発生回路と、 T Vカメラの水 平走査に同期して T Vカメラから出力されるビデオ信号をデジタルビデオ信号 V iに変換する AZD変換回路と、 ビデオ信号から光切断線を抽出するための しきい値を設定するしきい値設定回路と、 デジタルビデオ信号 V iが前記しき い値を越えている間だけ光切断線抽出信号を出力する光切断線抽出回路と、 T Vカメラの映像素子の水平方向画素の位置を表す水平方向ァドレス iを発生 する水平ァドレス発生回路と、 光切断線抽出回路から光切断線抽出信号が出力 されている期間、 AZD変換回路を介して出力されるビデオ信号 V iを累積演 算する累積加算回路と、 光切断線抽出回路から光切断線抽出信号が出力されて いる期間、 AZD変換回路を介して出力されるビデオ信号 V iと、 水平アドレ ス発生回路から出力される水平方向ァドレス iとの積 V i X K iを累積演算 する累積乗算回路と、 前記累積乗算回路の出力∑V i X K iを前記累積加算回 路の出力∑V iで割り算し、 この演算値 K sを水平光切断位置として出力する 水平光切断位置検出回路と、 T Vカメラの水平同期信号をカウントし、 垂直光 切断位置 L sを検出する垂直光切断位置検出回路と、 予め水平光切断位置及び 垂直光切断位置と実際の被測定物表面の三次元座標値との対応関係が T Vカメ ラのレンズ歪を補正してテーブル化して記憶され、 検出された水平光切断位置 K sおよび垂直光切断位置 L sに基づき、 被測定物表面の三次元座標値を出力 するルックアップテーブルと、 ルックアップテーブルから出力される三次元座 標値を、 前記演算期間設定信号と同期して特定の期間だけ書き込み可能とする 記憶回路とにより構成される
    [0012] 上記構成からなる本第 1発明の三次元座標測定装置は、 物理的に位置が変動 (例えば、 移動または振動） する被測定物の表面に向け、 パルス信号発生回路 により設定された高さと幅のバルススリッ ト光を投射する： このパルススリッ ト光による光切断線像は、 そのパルスの短い期間だけ T Vカメラに入射するた め T Vカメラが得るスリツ ト光像はブレのないシャープな画像となる： その結 果スリッ ト光像の水平切断線位置が精度良く検出できるため、 三次元座標が正 しく検出できる：
    [0013] さらに、 パルススリ ッ ト光投射によりスリ ッ ト光の平均投射エネルギーを
    [0014] 1 : 50， 000以上 （光源の出力 （パルス高さに相当） 可変範囲 1 ： 5 0程度 Xパ ルス幅可変範囲 1 : 1, 000 以上） の範囲で安定に変えることが可能となるので、 自動車の塗装後ボディのように反射率の.違 、が非常に大き L、被測定物に対して も良好な反射信号の検出が可能となる。 また、 三次元座標値の記憶回路はルツ クアツプテーブルから出力される三次元座標値を、 ノ、°ルス信号発生回路から出 力される演算期間設定信号が出力されている特定期間 （この期間は、 使用する T Vカメラの特性で決められる- 例えば、 C C D方式の T Vカメラは、 一般に、 あるフィ一ルド期間内に撮像した画像をそのフィールドの直後のフレーム期間 内に映像信号どして出力するので、 このときは、 パルススリッ ト光が投射され たフィールドの直後の 1 フレーム期間が前述の特定期間となる） だけ書き込み 可能とするのでパルスが投射された瞬間の被測定物の三次元座標値が正しく計 測される =
    [0015] そして、 T Vカメラからは、 その水平走査に同期してビデオ信号が順次出力 され、 T Vカメラから 1本の水平走査ビデオ信号の出力力終了する毎に、 速や かにその水平走査ライン上にある光切断線の水平切断位置 K sおよび垂直切断 位置 sを検出する。 特に、 本発明は水平光切断位置 K sの検出に荷重平均法 を用い、 精度の良い位置検出を実現する- また、 本発明は、 各切断位置 K sおよび L sに対応してこの走査ライン上に 存在する光切断線測定ポイント Pの三次元座標値 （X， Υ, Z ) を、 K s、 L sの検出とほとんど同時にかつ実時間で光切断線に沿う多数点 P 0 ， P 1 , · • ·の三次元座標値を得ることを特徴とする：
    [0016] 本発明は、 水平光切断位置 K sおよび垂直光切断位置 L sと実際の被測定物 表面の三次元座標値 （X, Υ, Z ) との対応関係を、 T Vカメラに使用されて いるレンズの歪を含めて予め計測しその結果をルツクアツプテ一ブル内にテー ブル化して記憶しておく： そして、 検出された水平光切断位置 K sおよび垂直 光切断位置 L sに基づき、 特別な演算をすることなく、 かつ、 レンズ歪の影響 を受けることなく正確にかつ高速に被測定物表面の三次元座標値 （X, Y, Z ) を出力することを特徴とする：
    [0017] 図面の簡単な説明
    [0018] 第 1図および第 2図は本発明の第 1実施例をそれぞれ示すプロック線図およ びタイミングチヤ一卜図、 第 3図および第 4図は本発明の第 2実施例をそれぞ れ示すブロック線図およびフローチャート図、 第 5図および第 6図（a) は本発 明の第 3実施例をそれぞれ示すブロック線図およびフローチヤ一ト図、 第 6図 (b) は多重反射があるときの T Vカメラの映像信号の状態を示す図、 第 7図 (a) ，（b)は T Vカメラの映像信号の状態をそれぞれ示す図、 第 8図はスリット 光投射強度に対する T Vカメラの映像信号強度を示す図、 第 9図 (a), (b), ( c) はそれぞれ vmax ， W, ∑V i のスリッ ト光投射強度に対する変化を示す図、 第 10図はスリッ ト光および太陽光の T Vカメラへの入射エネルギー状況を示す 図、 第 11図および第 12図は本発明の第 4実施例をそれぞれ示す構成図および線 図、 第 13囟は本発明の第 5実施例を示す構成図である。
    [0019] 発明を実施するための最良の形態
    [0020] 本発明の第 2発明は、 前記パルス信号発生回路が、 スリツ ト光源にパルス駆 動の発光指合を出力したフィ一ルド期間の直後の 1フレーム期間内のみ演算期 間設定信号を記憶回路に出力することを特徴とする · C C D方式の T Vカメラ は、 一般に、 あるフィ一ルド期間内に撮像した画像をそのフィールドの直後の ' 1フレーム期間内に映像信号として出力するので、 これによりパルススリッ ト 光発^ ά時の座標値が記憶回路に正しく記憶される - このパルススリッ ト光投射に同期した演算により、 物体が高速移動あるいは 振動していても、 その三次元座標が正しくかつ実時間で検出できる。
    [0021] 本発明の第 3発明は前記パルス信号発生回路が被測定物の測定領域内におけ • る位置に応じて測定開始を指示するスタート信号を出力するスタート信号発生 回路を含み、 前記スタート信号が発生した直後に現れるフィールドに前記スリ ッ ト光源をパルス駆動する発光指合を出力することを特徴とする。
    [0022] 上記構成からなる本第 3発明の三次元座標測定装置は、 パルス信号発生回路 力 スタート信号発生回路により被測定物の測定領域内への位置に応じて測定 開始を指示するスタート信号を出力すると共に、 T Vカメラのフィールド信号 を入力し、 フィールドの奇数および偶数状態を検出することにより、 前記スタ 一ト信号が入力した直後に現れるフィールド期間中に前記スリッ ト光源をパル ス駆動する発光指合を出力するとともに、 前記パルス発光指合が出力されるフ ィールドの直後の 1フレームの期間、 演算期間設定信号を記憶回路に出力する:■ C C D方式の T Vカメラは、 あるフィ一ルド期間内に撮像した画像をそのフィ ールドの直後のフレーム期間内に映像信号として出力するので、 これによ.りパ ルススリッ ト光発光時の座標値が記憶回路に正しく記憶される このハ°ルスス リッ ト光投射に同期した演^:により、 物体が高速移動あるいは振動していても、 その三次元座標が正しくかつ実時間で検出できる。
    [0023] さらにこのパルススリッ ト光投射により、 投射スリッ ト光の平均強度 （エネ ルギ一） を極めて大きな範囲に変えることが出来る- スリット光源に半導体レ 一ザを用いると、 この出力の安定な可変範囲は 1 ： 5 0程度であるので、 スリ ット光を連続投射する時のスリット光の投射強度 （エネルギー） は 1 ： 5 0程 度となる。 自動車ボディの塗装は白から黒までの、 かつ光沢のある塗装がなさ れるので、 その光の反射率は極めて大きく変化し、 1 ： 1, 000以上に及ぶこと がある。 このためスリッ ト光の連続投射では白〜黒のボディ色によらず安定し たスリット光の反射光を得ることは不可能となる c ところ力 このパルス投射 を用いると、 パルス幅の大きさで光の平均出力を制御することができる： なぜならば、 C C Dカメラは 1 フィールド期間内に入力された光エネルギー を蓄積するので、 スリット光のパルス幅がて、 パルス高さが hの時は、 丁度、 h x て Z r f の強度の連続スリッ ト光力投射されたのと等価となる c ここで、 て f は 1 フレーム時間である。
    [0024] 今、 hの範囲は前述したレーザの可変範囲の 1 ： 5 0程度であり、 てん の範囲は 1 ： 1, 000 以上にすることは容易であるので、 結局平均強度 （ェネル ギー） の可変範囲は 1 ： 5 0 X I, 000 = 1 ： 50， 000以上にすることが可能とな るつ この結果、 光沢のある白色と黒色のように極めて反射率の異なった被測定 物でも良好な反射光が得られ、 正しい三次元座標測定が実現できる- 本発明の第 4発明は、 各水平走査毎に検出された光切断線幅および光切断線 の最大強度の少なくともいずれか一方の値に基づき、 スリッ ト光の投射強度を 制御する制御回路を含むことを特徴とする。
    [0025] 水平走査毎に検出された光切断線は、 投射されるスリット光の強度が一定で あっても、 被測定物の反射率が高いほどその幅または最大強度の少なくとも一 方が大きくなる。 従って、 水平走査毎に検出された光切断線の幅または最大強 度が予め設定した値となるように、 スリット光の投射強度を制御することによ り、 常に一定の反射光を得ることができる。 なお、 スリット光の投射強度 （ェ ネルギ一） は、 パルス光の幅および高さの少なくとも一方の変化により制御で' きる。 さらに、 水平走査毎の光切断線幅と'最大強度との積が予め設定された値 となるようにスリッ ト光の強度を決定してもよい。
    [0026] 本発明の第 5発明は、 前記累積加算回路の出力∑V iに基づきスリッ ト光投 射強度を制御する制御回路を含むことを特徴とする。
    [0027] 累積加算回路の出力∑V iは、 光切断線強度の積分値であるので、 単に光切 断線幅や光切断線強度最大値をスリッ ト光投射強度設定に用いるのに比べ、 以 下の理由により、 さらに精密な自動強度設定が行なえる。
    [0028] 第 7図 （a ) , ( b ) -にそれぞれ示すように、 T Vカメラにより光切断線を 観測したときの 1水平走査分の信号の強'度 Vは、 スリッ ト光源に半導体レーザ を用いて.いる場合、 概ね次式のガウス分布の形
    [0029] v = V 0 · exp ( -（K。― K i )/B )
    [0030] で表せる
    [0031] ここで、 K。 は強度 Vが最大 （V。 ：) となるときの T Vカメラの水平方向座 標である。
    [0032] 例えば、 スリッ ト光源としての半導体レーザの駆動電流を増加させて、 スリ ッ ト光投射強度を増加させると上式の V。 が増加する （Bも一般に増加する） ： この様子を示したのが第 8図で、 さらに、 駆動電流を増加しつづけると一般に T Vカメラの C C Dが飽和し信号強度 Vも第 8図のように飽和する。 このとき の投射強度 （または駆動電流） と最大信号出力 vmax 、 信号 Vがしきい値を横 切る幅 W、 およびしきい値を越える面積∑ V iの関係は第 9図のようになる。 この第 9図 （a ) に示すように、 vmax は、 強い投射強度では飽和し、 さら に、 ノイズが重畳するとその影響を受け易い。 また、 Wは飽和しにくいが、 T Vカメラの画素数によって第 9図 （b ) に示すように階段状に量子化される c これに対し、 ∑V iは積分値であるため投射強度に対する飽和が少なく、 その 変化も幅 Wに比べ滑らかになる。 このため、 面積∑V iを用いることで投射強 度の自動設定を広い範囲に精密に行える C 第 6発明は、 スリット光をパルスで投射するときに、 スリット光投射期間の 間のみ、 TVカメラのシャツタを開けるようにしたもので、 これにより以下に 説明するように太陽光等広 L、波長特性を持つ外乱光のもとで、 s nよく反射 光を検出できる。
    [0033] TVカメラは入射する光を 1フレーム時間て F (て F =33.3msec ) だけ積 分し、 その結果を映像信号として出力する。 いま、 パルススリット光 （パルス 幅て P とする） および太陽光の TVカメラへの単位時間当り入射エネルギーを、 それぞれ、 as l (joule/sec ) 、 a su ( joule/sec)とするとシャツ夕なしの場 合、 1フレーム時間におけるパルススリット光の入射エネルギー （Asl) と太 陽光の入射エネルギー （Asu) は、 それぞれ時間積分により、
    [0034] pて p
    [0035] Asl uoule)= I Q a dt = τ a s i .
    [0036] F
    [0037] Asu (joule) = J 0 asu dt =て F a su となり、 sZnは
    [0038] Asl /"Asu= r p asi/て F a su
    [0039] となる。
    [0040] つぎに、 バルス投射時間て P の期間の TVカメラのシャツタを開けた場合 は、 パルススリツ ト光の TVカメラへの入射エネルギー （Asl' ) と太陽光の 入射エネルギー （Asu' ) は、 それぞれ
    [0041] p p
    [0042] Asl' (joulej = J o a dt =て p a
    [0043] Asu' て p asu となり、 sZnは
    [0044] Asl' / Asu' =て p a s i/て p a su= a s ι/ a s u
    [0045] で表される。
    [0046] このことから、 例えばパルス発光時間て P 力 33.3/zsec のとき、 単位時間当 りの太陽エネルギー a suがパルススリット光の単位時間当りエネルギー a slの 1/1000倍の大きさでも、 TVカメラがシャツ夕 fj作しないときの sZnは、 33.3X10— 6x a slZ (33.3x 10_3 x a s ,/ΙΟΟΟ) = 1となる。 これに対し、 シ ャッ夕動作させると、 同じ条件で sZnは、 aslZ (as l/1000) =1000と大 きく改善される。 （第 1 0図参照） - 本発明の第 7発明は、 TVカメラの水平走査期間内の任意の範囲についてゥ ィンドを設定し、 このウインド内に存在している光切断線についてのみ座標演 算を実施させることを特徴とするものである c この目的は、 凹型の対象物など で生じるスリッ ト光の多重反射の影響を取りのぞくことである。 対象物の形状 が既知の場合、 多重反射の生じ方はあらかじめ予想をつけることができる場合 が多い c このような場合 1次反射信号が発生する部分にウインドをあらかじめ 設定しておくことで高次 （2次、 3次 · ·） 反射の影響を受けないで、 正確に 3次元座標を検出することができる c ·
    [0047] 第 1実施例
    [0048] 第 1図、 第 2図には本発明に係る三次元座標測定装置の好適な第 1実施例が 示されている c (第 1、 第 2発明相当） 。
    [0049] 第 1実施例の装置は、 スリッ ト光源 1 2と TVカメラ 1 4とを含む- そして第 1図に示すごとく、 スリッ ト光源 1 2から三次元被測定物に向けパ ルス信号発生回路 1より設定された該 TVカメラのフィールド信号に同期させ て、 パルス幅とパルス高さを有するパルススリッ ト光を所定角度で投光し、 被 測定物上に形成される光切断線.を TVカメラ 1 4を用いて撮影する。
    [0050] . CCDエリアセンサを用いた TVカメラを使用した時に、 パルススリッ 卜光 を投射して三次元座標を実時間演算する場合について説明する。 この場合、 ス リッ ト光をパルス投射して得た TVカメラの画像から正しく三次元座標を得る には、 パルス投射は、 演算を行う 1フレーム期間の直前のフィールド内で開始、 終了しなくてはいけない。 なぜならば、 C.CDカメラはあるフィールド期間に 入力された光のエネルギーを蓄積して検出した画像を、 そのフィールドの直後 の 1フレーム期間の間、 映像信号として出力するからである。 以下、 パルス発光を偶数フィールドで行い、 続く 1フレーム （奇数フィ一ル ド +偶数フィールド） で座標演算を行う場合について、 第 1図、 第 2図により 説明する。
    [0051] 第 2図に示すように、 今 T Vカメラの奇数フィールドにおいて、 スタート信 号発生回路 5 0からパルス信号発生回路 1におけるフィールド検出回路 5 1に スタート信号が入力されたとすると、 奇数フィールド検出回路 5 1は第 2 '図図 示のようにスタート信号が入力されてから始めての奇数フィールド終了時点 (. a i ) を検出し、 この検出信号を発光信号発生回路 5 2へ供給する。 発光信号 発生回路 5 2にはパルス幅設定回路 5 3から所定のパルス幅てが与えられてい るので、 前記 a , 時点に同期してパルス幅ての発光信号が発生される。 この発 光信号はドライブ回路 5 4に供給される。 ドライブ回路 5 4にはパルス高さ設 定回路 5 5から所定のパルス高さ hが与えられており、 これにより、 ドライブ 回路 5 4はパルス幅て、 ノ、。ルス高さ hのドライブ信号をスリッ ト光源に出力し、 これにより、 スタート信号が入った次の偶数フィールド （a 〜b i の間） 内 にパルススリッ ト光が投射される- このパルススリット光投射により振動して いる物でも静止したスリット画像が T Vカメラに撮像される： 一方前記発光信 号は同時に演算期間設定回路 5 6へも入力される。 演算期間設定回路 5 6には、 奇数フィールド検出回路 5 1のフィールド開始信号が供給されており、 これに より演算期間設定回路 5 6は、 発光信号が出てから最初の 1フレーム期間 （こ の場合 〜b 2 の間） 演算期間設定信号を記憶回路 4 8に供給する c
    [0052] 2 0〜4 6までの回路で構成される座標演算回路は、 実時間で座標演算を繰 り返しており、 演算した座標値を座標テーブルから記録回路 4 8に入力してい るので、 前記演算期間設定信号が記憶回路 4 8に入力されている期間の座標演 算結果が有効となり、 記憶回路 4 8に記憶される。 これによりパルススリッ ト 光発光のあとの最初の 1フレーム期間の間に演算された座標値が記憶回路 4 8 に正しく記憶される。
    [0053] このパルススリット光投射に同期した演算により、 物体が高速移動あるいは 振動していても、 その三次元座標が正しくかつ実時間で検出できる
    [0054] また、 光源のパルス発光を用いているので、 T Vカメラにシャツ夕一機能と C、う特殊機能を持つものを使用しなくても振動している物体の三次元座標の検 出が可能となる。
    [0055] さらにこのパルススリッ ト光投射により、 投射スリッ ト光の平均エネルギー を極めて大きな範囲に変えることが出来る。 スリツ ト光源 1 2に半導体レーザ を用いると、 この出力の安定な可変範囲は 1 ： 5 0禾 度であるので、 スリッ ト 光を連続投射する時のスリッ ト光の投射強度 （エネルギー） は 1 ： 5 0程度と なる。 自動車ボディの塗装は白から黒までの、 かつ光沢のある塗装がなされる ので、 その光の反射率は極めて大きく変化し、 1 ： 1, 000 以上に及ぶことがあ る このためスリッ ト光の連続投射では白〜黒のボディ色によらず安定したス リッ ト光の反射光を得ることは不可能となる。 ところ力 このパルス投射を用 いると、 パルス幅の大きさで光の平均出力を制御することができる。
    [0056] なぜならば、 C C Dカメラは 1フレーム期間内に入力ざれた光エネルギーを 蓄積するので、 スリッ ト光のパルス幅がて、 パルス高さが hの時は、 丁度、 h Χ τ / τ ！ の強度の連続スリッ ト光が投射されたのと等価となる：
    [0057] 今、 hの範囲は前述したレーザの可変範囲の 1 ： 5 0程度であり、 て Zて f. の範囲は 1 ： 1, 000 以上にすることは容易であるので、 結局平均エネルギーの 可変範囲は 1 ： 5 0 Χ Ι, ΟΟΟ = 1 ： 50， 000以上にすることが可能となる。 この 結果、 光沢のある白色と黒色のように極めて反射率の異なつた被測定物でも良 好な反射光が得られ、 正しい三次元座標測定が実現できる。
    [0058] なお、 上記実施例に限らず、 第 1図中の奇数フィールド検出回路 5 1、 発光 信号発生回路 5 2、 パルス幅設定回路 5 3、 パルス高さ設定回路 5 5、 演算期 間設定回路 5 6の一部または全部を外部に設けたホストコンピュータのソフ小 ウェアで実行することももちろん可能である。 ' · ' また、 上記の例は、 パルス発光を偶数フィールドで行い座標演算を続く 1フ レーム （奇数 +偶数フィールド） で行う場合を示した力 パルス発光を奇数フ ィールドで行い座標演算を続く 1フレーム （偶骛+奇数フィールド） で行って もよい。 さらに、 パルス発光のフィールドの偶数、 奇数を予め決めずに、 スタ 一ト信号が入った直後のフィールドで発光させ、 その直後の 1フレームで演算 するようにしてもよい。
    [0059] また、 本第 1実施例の水平アドレス発生回路 2 8は、 カウンタを用いて形成 され、 TVカメラ 1 4から出力されるクロック信号をカウントし、 このカウン ト値 K iを撮像素子の水平方向位置を表す水平方向ァドレスとして累積乗算回. 路 3 2へ向け出力する。
    [0060] 前記累積加算回路 3 0は、 ハードウェアの乗算累積器を用いて構成されてい- る.： そして光切断線抽出回路 2 2がしきい値設定回路 2 4で決められるしきい 値を越える映像信号を光切断線として抽出出力している間、 AZD変換回路 2 0の出力 V iと値 「1」 とを乗算して、 その累積値、
    [0061] ic
    [0062] ∑ i
    [0063] 1 = 1 S
    [0064] を順次演算出力する c
    [0065] この累積演算は、 T Vカメラ 1 4から水平同期信号が出力される毎に新たに 繰り返して行われる:：
    [0066] 従って、 この累積加算回路 3 0力、らは、 T Vカメラ 1 4が水平走査ビデオ信 号を出力する毎に、 前記演算値が出力されることになる。
    [0067] また、 前記累積乗算回路 3 2はハードウェアの乗算累積器を用いて構成され ている。 そして、 光切断線抽出回路 2 2が光切断線抽出信号を出力している間、 AZD変換回路 2 0から出力される信号 V iと水平ァドレス発生回路 2 8の出 力する水平方向ァドレス iとを乗算し、 その累積値
    [0068] ic
    [0069] ∑ V i X K i
    [0070] i=is
    [0071] を順次演算出力する。
    [0072] この累積演算は、 T Vカメラ 1 4から水平同期信号が出力される毎にあらた に繰り返しておこなわれる。
    [0073] 従って、 この累積乗算回路 32からは、 TVカメラ 1 4が水平走査ビデオ信 号を出力する毎に前記演算値が出力されることになる。
    [0074] そして、 前記 2つの累積演算値∑ V iおよび∑ V i X K iは、 割算器で構成 された水平光切断位置検出回路 38' に入力され、 ここで後者を前者で割算す る演算が行われ、 水平光切断位置 K sが求められる。
    [0075] また第 1実施例の垂直光切断位置検出回路 38は、 カウンタを用いて構成さ れ、 TVカメラ 1 4が現在走査している水平ラインの番号、 すなわち垂直光切 断位置 L sを検出する。 - 第 1実施例においては、 累積加算回路' 30、 累積乗算回路 3 2がハードゥエ ァで構成され、 その演算遅れ時間は数 lOnsecである。 したがって、 本第 1実 施例においては、 最も遅い場合でも水平走査の終了後数 lOnsecで、 ∑Vi、 ∑V i xK i、 L sを検出することができる。
    [0076] さらに、 本第 1実施例において、 水平光切断位置検出回路 38' として市販 の標準的ハ一ドウユア割算器を用いると、 割算時間は数; zsec であるため、 有 効水平走査終了後 5〜 6 /sec以内で水平光切断位置 Ksを検出することがで きる： そして、 このようにして検出された各ポイント Pの水平光切断位置 Ks および垂直光切断位置 Lsはルックアップテーブル 40へ入力される。 第 1実 施例のルックアップテーブル 4 0は、 水平光切断位置 Ksおよび垂直光切断位 置 Lsと、 実際の三次元被測定物 1 0の表面各点における三次元座標値 （X, Y, Z) との対応関係が TVカメラのレンズ歪を補正した上で予めテーブル化 して記憶されている。
    [0077] そして、 水平光切断位置 K sおよび垂直光切断位置 L sが入力される毎に、 対応する三次元座標値 （X, Ϋ, Z) が記憶回路 48に向け出力する。
    [0078] 従って、 本第 1実施例によれば、 水平および垂直光切断位置 Ks、 Lsが検 出されるごとに、 何ら特別な演算やソフトウェア処理を行うことなく、 被測定 物 1 0の測定点 Pにおける三次元座標 （Χ， Υ，. Ζ) をレンズ歪を補正した正 確な値として迅速に出力することができる。
    [0079] 本第 1実施例において、 このルックアップテーブル 4 0は X座標テーブル 4
    [0080] 2、 Y座標テーブル 4 4、 Z座標テーブル 4 6から構成される。 各テーブル 4
    [0081] 2、 4 4 4 6は、 それぞれ前記 K s、 L sと各三次元座標値 X、 Y、 Ζの対 応テーブルが予め記憶された R OMを用いて形成されている。 .
    [0082] そして各有効水平走査期間が終了すると同時に、 K s、 L sが各テーブル 4
    [0083] 2、 4 4、 4 6に入力されると、 これら各テーブル 4 2、 4 4、 4 6からは、 その後数 100 n sec後に対応した三次元座標 （Χ， Υ, Z ) が出力されこれが 前記パルス発生回路からの演算期間設定信号が入力される期間のみ記憶回路 4
    [0084] 8に書き込まれる。
    [0085] 第 1実施例において、 この記憶回路 4 8は、 T Vカメラ 1 4の水平ラインの 各番号と対応するァドレスをもった半導体メモリを用いて構成されている： そして、 垂直光切断位置回路 3 8から出力される垂直光切断位置 L s (T V カメラ' 1 4の水平ラインの番号） で指定されたアドレスに、 テーブル 4 2、 4
    [0086] 4、 4 6から出力される三次元座標 （X， Y， Ζ ) を順次記憶する： このよう にコンピュータを介さないでメモリアドレスを直接指定することを D Μ Α (ダ ィレクト ·メモリ ·アドレシング） という。
    [0087] なお、 このように半導体メモリに直接データを記憶させる場合には、 メモリ に座標値が入力されてから数 100 n sec でデータ記憶が終了する。 すなわち、 前記有効水平走査期間終了後約 1 sec以内で一点の三次元座標 （X, Y, Z ) の記憶が完了する。
    [0088] このようにして、 本第 1実施例の装置によれば、 水平ライン上の光切断線に 対応する一点の 次元座標値 （X， Y, Z ) の検出記憶動作を、 T Vカメラ 1 4の有効水平走査期間終了後、 約 6〜 7 z sec程度、 すなわちその帰線期間内 に完了することができる。
    [0089] この結果、 本第 1実施例によれば、 T Vカメラ 1 4の水平走査周期 （6 3 .
    [0090] 5 sec ) で一点の三次元座標値の検出が可能となり、 光切断線に沿った各点 の三次元座標値を実時間で測定することができる。
    [0091] また、 本第 1実施例においては、 水平光切断位置 K sの検出のための割算と、 X、 Υ、 Ζ座標値の半導体メモリへの書き込みに、 マイクロコンピュータによ るソフトウェア処理を利用することもできる。
    [0092] このときは、 割算に約 2 0 ^ sec 、 メモリへの書き込みに 2 0 /z sec必要な ため、 そのままでは帰線時間内にこれらの処理を行えな L、。
    [0093] し力、し、 まず∑ V iと∑ V i X K iをマイクロコンピュータに取込み、 割算 を行って水平光切断位置 K sを求め、 次にこの K sを別途設けられたラツチ回 路に 1水平走査期間だけ記憶させ、 そのラツチ出力をルックアップテーブル 4 0に入力する =
    [0094] このようにすれば、 ルックアップテーブル 4 0の出力は 1水平走査期間保持 される。 従って、 この保持期間の間に、 ルックアップテーブル 4 0から出力さ れる X、 Υ、 Ζ座標値を前記パルス発生回路からの演算斯間信号が入力される 期間のみマイクロコンピュータを用 、半導体メモリへ書き込めば良い。
    [0095] このような手法は、 当該水平ライン上に存在する測定点の座標データを、 次 の水平ライン走査期間中に記憶するものであり、 パイプライン処理の 1つであ る。 このような処理を行うことにより、 水平光切断位置 K sの演算と半導体メ モリへのデータの書き込みにマイクロコンピュータを用いた場合でも、 1水平 走査分の遅れはあるものの、 一点の三次元座標値の検出記憶を水平走査時間
    [0096] ( 6 3 . 5 u see ) 周期で行い、 光切断線に沿った各点の三次元座標値を実時 間で測定することができる。
    [0097] 第 2実施例 - 本発明の第 2実施例装置は、 第 3図図示のように第 1実施例とは異なり、 制 御回路 5力 累積光切断線強度記憶回路 6、 平均値計算回路 7、 比較器 8、 累 積光切断線強度設定器 9、 マイクロコンピュータ 1 0で構成されている。 マイ クロコンピュータ 1 0はパルス信号発生回路 1のパルス幅設定回路 5 3と、 パ ルス高さ設定回路 5 5に接続されている。 上記構成からなる第 2実施例装置は、 第 4図に示すように各水平走査ごとの 累積光切断線強度出力∑V iは累積光切断線強度記憶回路 6に記憶され、 その 1フレーム時間についての平均強度が平均値計算回路 7で計算される。 この値 、 比較器 8において累積光切断線強度設定器 9であらかじめ設定されている 上限および下限設定値と比較され、 それが設定値の範囲内になるように、 マイ クロコンピュータ 1 0によりスリット光のパルス幅とパルス高さが設定される c すなわち、 1フレーム時間当たりの平均強度力上限および下限設定値の範囲外 にあるとき、 スリッ ト光のパルス幅ておよびパルス高さ hの少なくとも一方を 所定量ずつ変化させて、 前記平均強度が設定値範囲内に収まるようにする： 例 えば、 パルス幅は一水平走査時間 （6 3 . 5 / sec ) を基本変化量として、 ま た、 パルス高さは 6ビットでは定格値の 1 / 6 4を基本変化量としてそれぞれ 微小変化させることができる。 従って、 平均強度が上限値よりも大きい場合は、 パルス発光毎にパルス幅またはパルス高さをそれぞれ、 6 3 . 5 sec または 1 / 6 4ずつ減少させて、 平均強度が上限設定値以下になったところでパルス 幅またはパルス高さの設定値を固定する：； 平均強度が下限設定値より小さい場 合も同様にして、 パルス幅またはパルス高さをそれぞれの基本変化量ずつ増加 させる。 ここで、 例えばパルス幅のみの可変範囲内で平均強度が設定値範囲内 に収まらない場合は、 次にパルス高さを順次変化させればよい。
    [0098] さらに、 平均強度が上限および下限設定値と大きく異なる場合には、 上述の ようにパルス発光毎にパルス幅または高さを変化させると、 平均強度が設定値 範囲内に収まるのに長時間必要となる。 この場合は、 各基本変化量に平均強度 と設定値との偏差量に比例した係数を乗算した量を変化量とすることで、 平均 強度の設定値範囲内への収束を早めることができ、 測定に要する時間を短縮す ることができる c .
    [0099] そして前記∑V iは、 光切断線強度の積分値であるので、 単に光切断線幅や 光切断線強度最大値をスリッ ト光投射強度設定に用いるのに比べ、 精密な自動 強度設定が行なえる実用上有意義な作用効果を実奏する。 第 3実施例
    [0100] 本発明の第 3実施例装置は、 第 5図図示のようにウィンド回路 1 5力 ウイ ンド設定回路 1 1とゲート回路 1 3で構成される。 T Vカメラの水平走査毎に 必要な範囲についてウィンドが設定される。 この範囲は、 被測定物にスリツ ト 光を投射したときにその 1次反射成分が撮像される範囲であり、 被測定物の形 状が既知の場合、 事前に決定できる。.このウィンド内にある光切断線だけがゲ ート回路 1 3で抽出され、 累積加算回路 3 0、 累積乗算回路 3 2に出力される。 このため第 3実施例装置は、 第 6図 （a ) 、 ( b ) 図示のようにウィンドが 2 次， 3次 · · ·の多重反射を取り除くようにあらかじめ設定されるので、 多重 反射の影響を受けないで三次元座標が検出できる前記各実施例では得られない 実用上有意義な作用効果を奏する。
    [0101] 第 4実施例
    [0102] 本発明の第 4実施例装置は、 第 1 1図および第 1 2図に示すように、 電子シ ャッタ機能を持つ T Vカメラ 1 4を使用し、 パルス発光のための発光信号発生 信号を T Vカメラのシャツ夕制御入力回路に入力する。 パルス発光期間のみシ ャッ夕を開放して、 太陽光など広い波長範囲の成分を持つ外乱光の下で s Z n よく、 振動 ·移動している反射率の大きく異なる物体の三次元座標を測定でき る点が、 上記各実施例とは相違し、 その他は同様の作用効果を奏する。
    [0103] 第 5実施例
    [0104] 本発明の第 5実施例は、 第 1 3図に示すように、 制御回路 1 0 5を光切断線 幅記憶回路 1 0 1、 最大信号強度検出回路 1 0 2、 最大信号強度記憶回路 1 0 . 3、 マイクロコンピュータ 1 0 0で構成する。
    [0105] 上記構成からなる第 5実施例は、 マイクロコンピュータ 1 0 0力パノレス信号 発生回路のパルス幅設定回路 5 3とパルス高さ設定回路 5 5に接続されている。 各水平走査毎の光切断線信号の最大強度が最大信号強度検出回路 1 0 2·で検出 され、 水平走査線数分の光切断線信号の最大強度値が最大信号強度記憶回路 1 0 3に記憶される- 一方、 光切断線抽出回路' 2 2の出力は光切断線幅に相当し ており、 この値が水平走査線数分だけ光切断線幅記憶回路 1 0 1に記憶される。 これら記憶された水平走査線数分の光切断線幅と最大信号強度はマイクロコン ピュータ 1 0 0に入力され、 あらかじめ決められた信号処理 （例えば、 光切断 線幅と最大信号強度それぞれの 1フレーム期間内の平均値計算、 光切断線幅と 最大信号強度の積の 1フレーム期間内の平均値計算など) が施され、 その結果 力予め決められた設定値に等しくなるように、 マイクロコンピュータ 1 0 0に よりスリツ ト光のパルス幅とパルス高さが設定される。 光切断線幅、 最大信号 . 強度のスリツ ト光投射強度 （パルス高さ） との関係は、 それぞれ第 9図 （a ) 、 ( b ) に示すようになる c さらに光切断線幅と最大信号強度の積については、 . 近似的に第 9図 （c ) のようになるので、 光切断線幅、 最大信号強度あるいは それらの積を用いて前記実施例とほぼ同様の精度で、 かつ、 より簡便にスリツ ト光投射強度を制御できる。
    [0106] ところで、 被測定物が高速に振動または移動する場合は、 スリッ 卜光のパル ス幅を狭く保ち、 パルス高さを変化させることに j りスリッ ト光投射エネルギ 一を制御して、 ブレのないシャープな画像を得ることができる。 例えば、 被測 定物が振幅士 I廳、 振動数が 1 0 Hzで振動する場合、 被測定物を士 0 . i mmの 精度で、 ブレのないように、 すなわち静止したものとして測定するためには、 測定誤差を ± 0 . 0 2 mraとした場合、 パルス幅は 5 0 0 sec程度必要である 一方、 被測定物の反射率が広範囲に変化する場合は、 前述のようにパルス高 さの可変範囲が比較的狭いため、 パルス幅を主に変化させることにより、 スリ ット光投射エネルギーを広範囲に亙って制御できるので、 如何なる反射率の被 測定物に対しても測定可能になる。 この場合、 パルス高さとパルス幅との積を 用いれば更に広範囲に互る制御が可能になる。
    [0107] 産業上の利用可能性
    [0108] 本発明においては、 被測定物が高速に移動 ·振動しても、 さらに被測定物の 反射率が大きく変化しても、 被測定物表面の三次元座標植をリアルタイムでか つ精密に検出できるので、 機械部品や製品の生産工程において、 その寸法測定 や検査がインラインで可能になる。 従って、 生産工程の自動化を促進するばか ' りでなく、 作業者による場合よりも検査精度が大きく向上する。
    权利要求:
    Claims' 請求の範囲
    1 . 被測定物表面に向けてスリット光を所定角度で投光するスリット光源と、 このスリット光により被測定物表面上に形成される光切断線を撮影する T V カメラと、
    該 T Vカメラのフィールド信号に同期して前記スリット光源をパルス駆動す るパルス発光指合を供給するとともに、 演算期間設定信号を出力するパルス信 号発生回路と、
    T Vカメラの水平走査に同期して T Vカメラから出力されるビデオ信号をデ ジ夕ルビデオ信号 V iに変換する AZD変換回路と、 - ビデオ信号から光切断線を抽出するためのしきい値を設定するしきい値設定 回路と、
    デジタルビデオ信号 V iが前記しきい値を越えている間だけ光切断線抽出信 号を出力する光切断線抽出回路と、
    T Vカメラの映像素子の水平方向画素の位置を表す水平方向ァドレス iを 発生する水平ァドレス発生回路と、
    光切断線抽出回路から光切断線抽出信号が出力されている期間、 AZD変換 回路を介して出力されるビデオ信号 V iを累積演算する累積加算回路と、 光切断線抽出回路から光切断線抽出信号が出力されている期間、 AZD変換 回路を介して出力されるビデオ信号 V iと、 水平ァドレス発生回路から出力さ れる 7 平方向ァドレス iとの積 V i X K iを累積演算する累積乗算回路と、 前記累積乗算回路の出力∑V i X K iを前記累積加算回路の出力∑V iで割 り算し、 この演算値 K sを水平光切断位置として出力する水平光切断位置検出 回路と、
    TVカメラの水平同期信号をカウントし、 垂直光切断位置 L sを検出する垂 直光切断位置検出回路と、
    予め水平光切断位置及び垂直光切断位置と実際の被測定物表面の三次元座標 値との対応関係が T Vカメラのレンズ歪を補正してテーブル化して記憶され、 検出された水平光切断位置 K sおよび 直光切断位置 L sに基づき、 被測定物 表面の三次元座標値を出力するルックアツプテーブルと、
    ルックァップテーブルから出力される三次元座標値を、 前記演算期間設定信 号と同期して特定の期間だけ書き込み可能とする記憶回路と '
    を含み、 光切断線に沿って被測定物表面の三次元座標を実時間で測定するこ とを特徴とする三次元座標測定装置。 '
    2 . 前記パルス信号発生回路が、 スリッ ト光源にパルス駆動の発光指合を出 力したフィールド期間の直後のフレーム期間内のみ演算期間設定信号を出力す. ることを特徴とする請求項 1に記載の三次元座標測定装置:.
    3 . 前記パルス信号発生回路が、 被測定物の測定領域内における位置に応じ て測定開始を指示するスタート信号を出力するスタート信号発生回路を含み、 前記スタート信号が発生した直後に現れるフィールドに前記スリッ ト光源をパ ルス駆動する発光指令を出力することを特徴とする請求項 1に記載の三次元座
    4 . 各水平走査毎に検出された光切断線幅および光切断線の最大強度の少な くともいずれか一方の値に基づき、 スリッ ト光の投射強度を制御する制御回路 を含むことを特徴とする請求項 1に記載の三次元座標測定装置：
    5 . 前記累積加算回路の出力∑V iに基づきスリッ ト光投射強度を制御する 制御回路を含むことを特徴とする請求項 1に記載の三次元座標測定装置：
    6 . 前記 T Vカメラ力 前記パルス発生回路からパルス発光指合が発生され ている期間のみ、 開放状態となる電子シャッター機能を有することを特徴とす る請求項 1に記載の三次元座標測定装置。
    7 . T Vカメラの水平走査毎にウィンドを設置し、 このウィンド内にある光 切断線のみを抽出するウィンド回路を含むことを特徴とする請求項 1に記載の 三次元座標測定装置。
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP34086689||1989-12-28||
    JP1/340866||1989-12-28||DE69013899T| DE69013899T2|1989-12-28|1990-12-26|Gerät zur messung dreidimensionaler koordinaten.|
    EP91901636A| EP0462289B1|1989-12-28|1990-12-26|Apparatus for measuring three-dimensional coordinates|
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