WO1991010111A1

WO1991010111A1 - Apparatus for measuring three-dimensional coordinate

Info

Publication number: WO1991010111A1
Application number: PCT/JP1990/001716
Authority: WO
Inventors: Osamu Ozeki; Kazunori Higuchi; Shin Yamamoto
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1990-12-26
Publication date: 1991-07-11
Also published as: EP0462289B1; EP0462289A1; DE69013899D1; DE69013899T2; EP0462289A4; US5280542A

Description

明細書

三次元座標測定装置

技術分野

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

.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

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。

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。

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。

発明の開示

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。

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

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：

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

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 =

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：

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：

図面の簡単な説明

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。

発明を実施するための最良の形態

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

v = V ₀ · exp ( -（K。― K i )/B )

で表せる

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。

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。

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、 a_{s 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、

pて p

Asl uoule)= I Q a dt = τ a _s i .

F

Asu (joule) = J ₀ a_su dt =て _F a _su となり、 sZnは

Asl /"Asu= r p a_si/て F a _su

となる。

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

p p

Asl' (joulej = J o a dt =て p a

Asu' て p a_su となり、 sZnは

Asl' / Asu' =て p a _s i/て p a _su= a s ι/ a s u

で表される。

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、 a_slZ (a_{s 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 ·

第 1実施例

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）。

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。

. 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。

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

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。

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

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。

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。

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：

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。

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。

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。

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、

ic

∑ i

1 = 1 S

を順次演算出力する _c

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:：

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。

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

ic

∑ V i X K i

i=is

を順次演算出力する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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

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。 .

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

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

8に書き込まれる。

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

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。

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。

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。

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 .

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。

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。

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、。

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 =

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。

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

( 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。

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。

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 .

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

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。

第 4実施例

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。

第 5実施例

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。

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。

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。

産業上の利用可能性

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。

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。