JP2000055632A

JP2000055632A - 三次元形状計測法および装置

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Publication number: JP2000055632A
Application number: JP10241121A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Yamaguchi; 義紀山口
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 2000-02-25
Anticipated expiration: 2018-08-12
Also published as: JP3840813B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高速かつ高分解能の計測を可能とする三次元
形状計測法および装置を提供する。【解決手段】三次元形状計測装置は、測定対象３に平
面光を射出する光射出装置１と、測定対象３の反射像を
取り込む撮像装置４とを備え、光射出装置１による平面
光の射出から撮像装置４による反射像の取り込みまでの
時間を用いて、測定対象３までの距離を計測する。その
際、光射出装置１の平面光の射出時刻と撮像装置４の反
射像の取り込み時刻の時間間隔を可変とし、測定対象の
存在する領域については極め細かな計測を行うようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は三次元形状計測法お
よび装置に係り、特に計測の高速化及び高分解能化に好
適な三次元形状計測法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】非接触で測定対象物の三次元情報を得る
方法は、受動的方法と能動的方法に大別できる。受動的
方法には、ステレオ画像を用いた両眼視法やＳｈａｐｅ
ｆｒｏｍＸと総称される単眼視法がある。ステレオ
画像法とは、視点を変えた左右２枚の対象物画像を取り
込み、両画像の対応点を抽出することにより視差を算出
し、三角測量の原理により対象物までの距離を求める方
式である。この方式は、左右２枚の画像に特徴的な画像
情報がない場合、対応点の決定にあいまいさが残り計測
精度が低くなる。また、ＳｈａｐｅｆｒｏｍＸは一
つの画像から三次元情報を得ることができるものであ
る。ＳｈａｐｅｆｒｏｍＸの中の一つであるＳｈａ
ｐｅｆｒｏｍＳｈａｄｉｎｇは、物体の反射光の傾
きからその物体の面の傾きを求め、得られた複数の面を
繋ぎあわせて三次元形状を再構成する方式である。この
方式は、対象物の反射率が一様でないと計測精度が低く
なる。このようなことから、この種の受動的方法は実用
的なレベルに至ってない。

【０００３】一方、能動的方法は、何らかのエネルギー
を対象物に照射し、その反射エネルギーを検出して距離
を求めるものである。この方法では、測定精度の点で光
を用いた方式が主流であり、受動的方法に比べて測定精
度が高いが、受動的方法のようにシーン全体の距離画像
を一括に取り込むことはできない。そのため光線等を対
象物全体に照射して走査しなければならず、計測時間が
長くかかるといった問題がある。

【０００４】計測時間の短縮を目的として工夫された方
式として、空間コード化法がある。これは光切断法の改
良である。光切断法においても、光源をスポット光から
スリット光にすることにより照射領域を点から線に変更
し、計測時間の短縮を計っている。測定原理は、いずれ
も光源と撮像面を幾何学的に既知の配置にしておき、射
出部と撮像面からなる線（基線）に対する光源から射出
された光の角度と撮像面上の反射像と対象物上の像を結
ぶ線と基線がなす角度から、三角測量の原理に基づいて
対象物までの距離を求めるものである。

【０００５】光切断法をさらに改良したのが空間コード
化法である。光切断法のスリット光がちょうど空間を１
進数でコード化しているのに対し、空間コード化法は、
２進数のようなコードで符号化することにより、少ない
撮像回数で距離画像を得ようとするものである。この方
式では、グレーコードパターンと呼ばれる２進符号で明
暗をつけられた光パターンが順番に投影される。ｎビッ
トの２進数で符号化された光パターンを用いれば、測定
空間は２ⁿ−１本のスリット光を投影しているのと等価
になる。例えば４ビットのグレーコードでは、４回の投
影で１５本のスリット光を投影したのと等価になる。

【０００６】これらの方式とは発想を異にしたものが、
米国特許第４１９９２５３号明細書に提案されている。
この方式は、先に示した方式の照射光であるスポット光
あるいはスリット光が形成する光線あるいは光の面が距
離方向に対して平行であるのに対し、距離方向に垂直な
面を持つ平面光を複数形成し、それらの平面光をコード
化し順番に測定対象に照射するものである。この方式
は、いわば距離方向における空間コード化法と言える。
測定対象までの距離は、平面光の射出から反射像を取り
込むまでの時間と光速とで求まる。コード化しているた
め、撮像回数を少なくすることができる。同じような方
式として、「フェムト秒パルス光による形状計測」、計
測・制御・システム工学部会シンポジウム、３次元形状
計測の最新動向、１７頁−２８頁、１９９７には、一つ
のパルス光の先頭から末尾にかけて、色が時間とともに
連続的に変化する光パルス（チャープした光パルス）を
照射し、反射光をあるタイミングで高速光シャッタを用
いて切り出し、一括で三次元形状を計測するものが提案
されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし上述の距離方向
における空間コード化法では、測定対象がない領域にお
いても撮像を何回も繰り返すことになり無駄が多い。距
離方向の分解能を高分解能化する場合において、この撮
像の無駄は顕著となり、計測の高速化ばかりか光源およ
び撮像系制御装置の低コスト化にも弊害となる。これ
は、光源から測定対象までの空間において何も存在しな
い領域があることに他ならないが、一般のシーンではこ
のような環境は数多く存在し、この方式を採用する限
り、この意味の無い撮像は解消されない。またチャープ
した光パルスを用いる方式でも、測定対象が無い領域に
おける無駄な撮像はなくならず、また分解能が一定なた
め、高分解能を希望する領域とそうでない領域との選択
ができないという問題もある。

【０００８】従って本発明の目的は、高速かつ高分解能
の計測を可能とする三次元形状計測法および装置を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、測定対象に
光が射出されてから反射像が取り込まれるまでの時間を
用いて距離を計測する三次元形状計測法において、光の
射出時刻と取り込み時刻の時間間隔を変えて距離を計測
することによって、達成される。例えば、光の射出時刻
と取り込み時刻の時間間隔は、測定対象の存在する領域
において短くされる。また、測定者の希望する領域にお
いて、この時間間隔は長く又は短くされる。ここで、測
定対象に射出される光は、平面光あるいは略平面光を用
いる。平面光とは、波面が伝搬方向に垂直な平面である
光をいう。

【００１０】本発明に係る三次元形状計測装置は、測定
対象に光を射出する光射出装置と、測定対象の反射像を
取り込む撮像装置とを備え、光射出装置による光の射出
から撮像装置による反射像の取り込みまでの時間を用い
て測定対象までの距離を計測するものであって、光射出
装置の光の射出時刻と撮像装置の反射像の取り込み時刻
の時間間隔を可変する手段を有する。ここで、光射出装
置は平面光又は略平面光を出射するよう構成される。ま
た、撮像装置はアイ・シー・シー・ディー（ＩＣＣＤ）
を用いて構成される。ＩＣＣＤは、イメージインテンシ
ファイア（Ｉｍａｇｅｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ）と電
荷結合素子（ＣＣＤ）を組み合わせたものである。この
撮像装置はまた、光シャッタとして使用される光学素子
と画像をストアする感光性フィルムとの組み合せで構成
することもできる。この光学素子としては、例えばカー
セルあるいはポッケルスセルが用いられる。

【００１１】このように構成することにより、高速かつ
高分解能で計測可能な三次元形状計測法および装置を得
ることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る三次元形状
計測法の一実施例を示す図である。本実施例は、図のよ
うに、光射出装置１から射出されたパルス状で垂直な面
状の光（平面光）２を測定対象３に向かって進行させ、
その反射像を高速撮像装置４にて撮像するものである。
測定対象３上で形成される複数の像は、１つの像内では
光射出装置１からいずれも等距離であり、あたかも等高
線を示すようなイメージが得られる。光射出装置１から
測定対象３上の夫々の等高線イメージまでの距離は、平
面光の射出時刻と撮像を行う時刻から光の到達時間を計
測することにより求める。

【００１３】光射出装置１は、半導体レーザ５、エクス
パンダー６、およびコリメータ７を備える。平面光２は
コリメータ７により形成する以外に、測定精度は低下す
るが点光源や面発光光源からの光をそのまま略平面光と
して用いても良い。

【００１４】撮像系には、高速な撮像が可能な高速撮像
装置４を用意する。例えば、イメージインテンシファイ
ア（Ｉｍａｇｅｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ）と電荷結合
素子（ＣＣＤ）を組み合わせたアイ・シー・シー・ディ
ー（ＩＣＣＤ）は、ｎｓｅｃオーダーの高速なシャッタ
ー動作を可能としており、この高速撮像装置４として適
用できる。また、カーセル（Ｋｅｒｒｃｅｌｌ）やポ
ッケルスセル（Ｐｏｃｋｅｌｓｃｅｌｌ）等の光学素
子を光シャッターとして使うこともできる。これらは動
作周波数が１ＧＨｚ以上であり、ｐｓｅｃオーダーの像
の取り込みが可能となり、さらなる高分解能化を達成で
きる。これら光学素子と高感度な感光性フィルムを組み
合わせれば、反射像を時系列的に記憶できる。

【００１５】光射出装置１の間近に測定対象３があると
は限らないので、最初から撮像するタイミング（距離方
向の分解能に相当）を細かくすると大変無駄の多い撮像
を繰り返すことになる。そこで本発明では、段階的に分
解能を上げていく方式を採用する。まず、最初のステッ
プとして大まかな間隔で撮像を行い、これを一つのサイ
クルとして、そのサイクルで測定対象３がある領域（反
射像が得られる領域）における撮像タイミングの情報を
受け、その領域のみに限定して、撮像タイミングを次第
に細かくしていく。これにより、撮像対象領域のみに限
定した高分解能な距離画像を得ることが可能となる。ま
た測定者が希望する領域を限定して、高分解能化するこ
とも可能である。この場合も同様に、大まかな撮像サイ
クル時に得られた希望する測定対象領域の撮像タイミン
グの情報を受け、その領域に限定して高分解能化してい
く。

【００１６】本実施例では、平面光２の進行方向におけ
る幅は狭い方が望ましいので、光源には５０ｐｓｅｃ以
下の超短パルスの射出が可能な半導体レーザ５を用い
た。パルス幅が５０ｐｓｅｃ以下の半導体レーザ５を用
いれば、１５ｍｍ以下の狭い幅の平面光２を形成するこ
とができる。また、図示していないが、カーセルやポッ
ケルスセルのような光学素子と光源を組み合わせ、光学
素子を光シャッタとして用いれば、動作周波数が１ＧＨ
ｚ以上であるため、光源が連続射出であっても短パルス
の光源と同様な平面光を形成することができる。

【００１７】半導体レーザ５により射出された光は、エ
クスパンダー６およびコリメーター７により一旦拡大さ
れ平面光に形成される。厳密に言うとエクスパンダー６
からコリメーター７までの光路長が中心と端で異なるた
め完全な平面光ではないが、この光路差を距離方向の分
解能に対して十分小さく取っておけば平面光として扱う
ことができる。また、より厳密な測定をする場合は、あ
とで光路差分を補正する。これにより図示のような平面
光２を形成することができる。この平面光２を測定対象
３に向けて進行させ、測定対象３上に像（等高線イメー
ジ）を形成させる。その反射像を高速撮像装置４で取り
込む。

【００１８】高速撮像装置４には、高速な撮像を可能に
するＩＣＣＤカメラを用いた。ＩＣＣＤは、前述のとお
り、イメージインテンシファイアとＣＣＤを組み合わせ
たものである。高速な撮像を行おうとすると、必然的に
入射光量が減少するため高感度の撮像デバイスが必要と
なるが、このイメージインテンシファイアに組み込まれ
ているマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）は、高感度
を保有しており、高速な撮像が可能となる。本実施例で
は、ｎｓｅｃオーダーのシャッタ速度を持つＩＣＣＤを
用いた。これにより反射像を撮像する。平面光および撮
像面上の反射像は距離方向に幅を持つので、その反射像
のエッジ、中心地、あるいはピーク値を検出して、反射
像の測定対象３上での位置を確定する。

【００１９】図２は、本発明に係る三次元形状計測装置
の一実施例を示す図である。また、図３は本実施例にお
けるタイミングチャートを示す図である。図２におい
て、半導体レーザ５およびＩＣＣＤ４０の動作は高精度
パルスジェネレータ８により制御される。パルスジェネ
レータ８は、時間分解能が５ｐｓｅｃ、レンジが０〜１
０００ｓｅｃ、周期（Ｔｃｙｃｌｅ）が１ＭＨｚのもの
を用いた。スタートトリガ信号（ＳｔａｒｔＴｒｉｇ
ｇｅｒＳｉｇｎａｌ）２０が入力されると、パルスジ
ェネレータ８から、ある遅延時間を持って二つのパルス
信号２１、２２が出力される。パルス信号２１は半導体
レーザ５に入力され、パルス信号２２はＩＣＣＤ４０に
入力される。

【００２０】図３に示すように、二つのパルス間のタイ
ミング（ｔ２ｎｔ１１）が、ある時間間隔ΔＴ〜ｎΔＴ
となるように、コンピュータ１０によりパルスジェネレ
ータ８を予め設定しておく。この時間分解能ΔＴにより
距離分解能ΔＲが決まる（ΔＲ＝ΔＴ×Ｃ）。測定対象
３までの距離Ｄは、Ｄ＝ｎΔＴ／２×Ｃにより求められ
る。ここでＣは光速３×１０⁸ｍ／ｓｅｃである。時間
分解能ΔＴに従ってダイナミックレンジの範囲内で撮像
を繰り返し、得られたイメージを画像メモリ１１に順番
にストアする。これらのイメージは後で順番が分かるよ
うに番地をつけておく。これにより測定対象３上の等高
線イメージとその距離との対応付けが可能となる。

【００２１】ダイナミックレンジ分の撮像が終了した
後、ストアされた画像メモリ１１内のデータの内、画像
情報が得られた番地を抽出し、その前後の番地に相当す
る時間ａΔＴ〜ｂΔＴ（ａ、ｂは１〜ｎの間の整数）に
おいて、さらに時間分解能を上げ、撮像を繰り返す。本
実施例では、以下のように時間分解能ΔＴを段階的に設
定した。（１）第一ステップ低分解能 ΔＴ＝Ｔｍａｘ／１０（２）第二ステップ中分解能 ΔＴ＝Ｔｍａｘ／１００（３）第三ステップ高分解能 ΔＴ＝Ｔｍａｘ／１０００（Ｔｍａｘ＝ダイナミックレンジ／Ｃ）ダイナミックレンジが３０ｍの場合は、時間分解能ΔＴ
を低分解能から順番にそれぞれ１０ｎｓｅｃ、１ｎｓｅ
ｃ、０．１ｎｓｅｃに設定する。これによりダイナミッ
クレンジ３０ｍにおいて最小分解能３ｃｍの距離画像が
得られる。測定者が希望する測定領域に限定して分解能
を上げたい場合には、予め低分解能の撮像で得られた時
間情報を基に、希望する測定領域に対応した時刻から希
望の時間分解能により測定を行う。

【００２２】このように１回のレーザパルスの発光につ
き、１回の撮像を繰り返す方法に対して、タイミングチ
ャートの図には示していないが、１回のレーザパルスの
発光に対してＩＣＣＤ４０による撮像を繰り返し行って
もよい。撮像間隔は上記と同様に、所望の時間分解能に
より決定する。

【００２３】図４は、本発明で用いる高速撮像装置の他
の構成例を示す図である。本例では、カーセルやポッケ
ルスセルのような光学素子を光シャッタ１２として用
い、像をストアする媒体として感光性フィルム１３を用
いて高速撮像装置４を構成している。感光性フィルム１
３のようなアナログフィルムであると、撮像した反射像
のアドレッシングができないため、本例は、予め形状が
予測される測定対象３の精密な形状計測に適している。
光シャッタ１２の動作は、図２に示した高精度パルスジ
ェネレータ８により制御される。本例では、３つの光シ
ャッタを配置しているため、３種類の距離分解能で形状
を計測することができる。

【００２４】図５は、本発明で用いる高精度パルスジェ
ネレータの機能をマルチプレクサにより一部ＩＣ化した
場合の構成例である。マルチプレクサ（ＭＵＸ）５１〜
５４は、それぞれコントローラ５５により制御される。
ＭＵＸ５１はＩＣＣＤ４０に接続され、ＭＵＸ５２〜５
４には遅延素子であるデイレイライン５６〜５８がそれ
ぞれ所望の時間遅延分接続されている。本例では、マル
チプレクサ５２に１０ｎｓｅｃきざみのデイレイライン
５６が、マルチプレクサ５３には１ｎｓｅｃきざみのデ
イレイライン５７が、マルチプレクサ５４には０．１ｎ
ｓｅｃきざみのデイレイライン５８がそれぞれ接続され
ている。本例では、レーザ光源の発光タイミングからト
リガー信号（ＴｒｉｇｇｅｒＳｉｇｎａｌ）５９を受
け、コントローラ５５にて先の実施例のアルゴリズムと
同様にして、測定対象３の存在する領域あるいは測定者
が希望する領域に基づいてマルチプレクサ５１〜５４を
適宜選択して、撮像のタイミングを制御する。

【００２５】このように本発明では、平面光の射出時刻
から像を取り込む時刻までの時間設定を可変とすること
により、距離方向の分解能を任意に設定でき、測定対象
が存在する領域あるいは測定者が希望する領域に限定し
て高分解能化していくので、計測の高速化と高分解能化
を両立させ、さらに無駄な撮像を無くすことにより制御
システムのコストアップを防ぐことができる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、高速かつ高分解能の計
測を可能とする三次元形状計測法および装置を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る三次元形状計測法の一実施例を示
す図である。

【図２】本発明に係る三次元形状計測装置の一実施例を
示す図である。

【図３】本実施例におけるタイミングチャートを示す図
である。

【図４】本発明で用いる高速撮像装置の構成例を示す図
である。

【図５】本発明で用いるパルスジェネレータの構成例を
示す図である。

【符号の説明】

１光射出装置２平面光３測定対象４高速撮像装置５半導体レーザ６エクスパンダー７コリメーター８高精度パルスジェネレータ１０コンピュータ１１画像メモリ４０ＩＣＣＤ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象に光が射出されてから反射像が
取り込まれるまでの時間を用いて測定対象までの距離を
計測する三次元形状計測法であって、前記光の射出時刻
と取り込み時刻の時間間隔を変えて距離を計測するよう
にしたことを特徴とする三次元形状計測法。
【請求項２】前記測定対象に射出される光が平面光又
は略平面光であることを特徴とする請求項１記載の三次
元形状計測法。
【請求項３】前記光の射出時刻と取り込み時刻の時間
間隔が前記測定対象の存在する領域において短くされる
ことを特徴とする請求項１又は２記載の三次元形状計測
法。
【請求項４】前記光の射出時刻と取り込み時刻の時間
間隔が測定者の希望する領域において長く又は短くされ
ることを特徴とする請求項１又は２記載の三次元形状計
測法。
【請求項５】測定対象に光を射出する光射出装置と、
前記測定対象の反射像を取り込む撮像装置とを備え、前
記光射出装置による光の射出から前記撮像装置による反
射像の取り込みまでの時間を用いて測定対象までの距離
を計測する三次元形状計測装置であって、前記光射出装
置の光の射出時刻と前記撮像装置の反射像の取り込み時
刻の時間間隔を可変する手段を有することを特徴とする
三次元形状計測装置。
【請求項６】前記光射出装置が平面光又は略平面光を
出射するよう構成されたことを特徴とする請求項５記載
の三次元形状計測装置。
【請求項７】前記撮像装置がアイ・シー・シー・ディ
ーを用いて構成されたことを特徴とする請求項５又は６
記載の三次元形状計測装置。
【請求項８】前記撮像装置が光シャッタとして使用さ
れる光学素子と画像をストアする感光性フィルムとの組
み合せで構成されたことを特徴とする請求項５又は６記
載の三次元形状計測装置。
【請求項９】前記光学素子がカーセル又はポッケルス
セルであることを特徴とする請求項８記載の三次元形状
計測装置。