JP2004108950A - 光学式形状測定システム - Google Patents
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Abstract
【課題】パターン照射法だけを用いながら、繰り返しパターンの各領域を信頼性良く特定できるようにする。
【解決手段】プロジェクタ1から、各々π/4だけ位相のずれた正弦波パターンを3枚照射し、位相シフト法の原理によって、各反射画像から画素毎に相対位相ψrを求める。相対位相ψrから周期2πの不定性を除いた絶対位相ψaは照射角度に対応し、三角測量の原理から画素ごとに距離を計算できる。次にプロジェクタ1は、階段状のパターン3種と白色の平坦状パターンとを照射する。この階段状パターンは赤青緑(RGB)の3色の各々で分布がずれている。この合計4パターンの反射画像から3色の平坦状パターンに対する強度比を取ると、サブパターンごとに3色の強度比が異なるので、繰り返しパターンのサブパターン番号を特定でき、相対位相ψから絶対位相が求められる。
【選択図】 図1
【解決手段】プロジェクタ1から、各々π/4だけ位相のずれた正弦波パターンを3枚照射し、位相シフト法の原理によって、各反射画像から画素毎に相対位相ψrを求める。相対位相ψrから周期2πの不定性を除いた絶対位相ψaは照射角度に対応し、三角測量の原理から画素ごとに距離を計算できる。次にプロジェクタ1は、階段状のパターン3種と白色の平坦状パターンとを照射する。この階段状パターンは赤青緑(RGB)の3色の各々で分布がずれている。この合計4パターンの反射画像から3色の平坦状パターンに対する強度比を取ると、サブパターンごとに3色の強度比が異なるので、繰り返しパターンのサブパターン番号を特定でき、相対位相ψから絶対位相が求められる。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばWeb等の3Dコンテンツ作成、3Dモデリングのためのデータ入力、物体認識、物体選別、顔認識、ジェスチャ認識などに用いられて、物体の形状と距離計測を行なう光学式形状測定システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、物体の3次元の形状測定を行なう光学式形状測定システムとして、測定物体(測定対象)に繰り返しパターンを照射し、その反射光を照射方向と異なる視野から撮像し、得られた画像で生じる物体形状に応じたパターンの変形量から、3角測量の原理を用いて形状測定するシステムがある。
【0003】
こうした従来の光学式形状測定装置として、例えば、特開2000−9444号公報(特許文献1)がある。
いわゆる光切断法のように光のスリットを走査するのではなく、スリットを敷き詰めたパターン光を一括で照射するパターン照射法の一種であるが、パターン光のどの位置がどのスリットに相当するか分からないため、あらかじめ何らかの方法でスリット番号との対応、つまりスリット光源からどの照射角度で照射されたかの情報を、照射されたパターン光自体に付加しておく。繰り返しパターンを照射する形状測定装置とは、このパターン光が繰り返し構造をもっているものをさす。
【0004】
繰り返しパターンは繰り返しの1周期分(以下、サブパターンと呼ぶ)の内部では、光量や波長が異なるなどの光情報の差を利用して相互にスリットを区別できるが、同じサブパターンが何度も繰り返されるため、撮像された光量の情報からは別のサブパターンとは区別がつかない。一方、繰り返しがないパターンであればスリット番号を一意に決められるが、一般に繰り返さしのないパターンは測定精度が低い。これは光量のアナログ値を一括検知するための撮像素子、例えばCCDなど、の光量分解能に制限があるためである。撮像素子の光量分解能が低いと、撮像したパターンの変形画像の受光セル毎の光量差が分離できないが、繰り返しパターンはこの状況を緩和できる。照射パターンが同じダイナミックレンジで照射された場合、パターンに繰り返しがあると、繰り返し数だけ視差方向に対する光量変化が大きくなるため、隣接する受光セル間の光量変化を大きくすることができ、その結果形状精度があがるためである。
【0005】
上記した特開2000−9444号公報は、図6に示すように、位相のずれた正弦波を投影し、正弦波の位相を検知する方法である(位相シフト法)。
この手法では、サブパターンは正弦波の光量分布をとる(パターンマスク3の像が照射される)。光切断法のスリット番号に相当する絶対位相が分かれば、つまりサブパターンの番号が分かれば、三角測量の原理から測定物の距離が求められるが、実際に計測できるのは2π周期で折りたたまれた位相(相対位相)である。一般には、位相の連続性を仮定して、絶対位相の分かった基準点から位相の飛びがあったら2πだけ位相を増減させることで絶対位相を求める処理(アンラッピング)を行う。
この方法では孤立した測定領域は位相を接続できないため、絶対座標が求まらない問題がある。特開2000−9444号公報では、物体の像のコントラストがカメラの焦点位置に測定物体が場合に最大になることを利用した焦点法を併用することで位相の曖昧さを除き、絶対位相との対応づけを行っている。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−9444号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、繰り返しパターンは形状精度が高い利点があるが、同じパターンが繰り返されるため、繰り返される領域間の判別をする必要がある。
上記した特開2000−9444号公報は、位相シフト法の絶対位相を特定する、つまりサブパターンの番号を特定するため焦点法を併用しているが、2つの異なる手法を測定装置内(測定システム内)に設ける必要があるので、コストがかさむ原因となり、パターン照射法だけで周期番号を特定できるのが望ましい。
【0008】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、パターン照射法だけを用いながら、繰り返しパターンの各領域を信頼性良く特定することができる光学式形状測定システムを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は以下の特徴を有する。
請求項1記載の発明は、繰り返しパターンを照射する照射装置と、該照射装置が照射した対象を異なる位置から撮像する撮像装置と、該撮像装置が撮像した画像中に生じる繰り返しパターンの変形を用いて形状計測を行う計算手段とを備えてなる光学式形状測定システムであって、照射装置が、繰り返しパターン中で繰り返しの1周期分であるサブパターンが現れる位置にサブパターンごとに異なるパターンからなる分離パターンを照射するよう構成され、計算手段は、分離パターンを用いてサブパターンを特定することを特徴とする。
【0010】
繰り返しパターンを照射するパターン照射法では、サブパターン内でのスリット番号に相当する量(位相シフト法を用いる場合は位相、強度比法を用いる場合は強度比)は容易に求められるが、どのサブパターンに属するかを決めるサブパターン番号はそのままでは求まらない。上記技術的手段では、別パターンを照射し、サブパターン番号を特定する方式をとっている。この時、必要なのはサブパターン番号だけを信頼性よく求めればよいので、サブパターンごとに異なる、容易に区別できるパターンを設けたパターン(分離パターン)を照射すればよい。
【0011】
請求項2記載の発明は、上記した分離パターンが、サブパターン内で光量が一定であり、サブパターン間で異なる離散化された光量値であることを特徴とする。
【0012】
照射されたパターンの光量分布を撮像するための2次元撮像素子は、一般的にCCDやCMOSが使われているが、光量のダイナミックレンジも光量の分解能も広いとはいえず、光量の誤差が大きい。上記技術的手段によれば、各サブパターンに対応する分離パターンの光量が離散化しているので、サブパターン境界が明確となり、光量誤差が大きな撮像素子を用いても、信頼性よくサブパターンを分離することができる。
たとえば、光量をm値に多値化しておき、個々のサブパターンに各々異なる光量を照射する分離パターンを用いることで、m個のサブパターンを分離することができる。
【0013】
請求項3記載の発明は、照射装置の照射する分離パターンが複数であり、各々の分離パターンの光量の組み合わせがサブパターンごとに一意化されており、計算手段は該光量の組み合わせからサブパターンを特定することを特徴とする。
【0014】
上記技術的手段は、サブパターン番号を特定するために、各サブパターンに照射する光量の組み合わせでサブパターンをコード化するので、空間コード化法の一般化とも考えられる。しかし、空間コード化法では白黒の2値を用いており、照射すべき分離パターンの数が容易に増加するのに対し、上記技術的手段では光量が2値である制限をおいていないため、光量を多値化することで分離パターンの数を必要最小限で済ませることができる。
特定すべきサブパターン数をpとすると、空間コード化法でサブパターンを特定するためには、少なくともlog(p)/log(2)枚の分離パターンが必要になる。ここでlogは対数を意味する。例えばサブパターン数が20なら5枚、100なら7枚必要となる。上記技術的手段ではm値に多値化した分離パターンを用いる。1枚の分離パターンを構成するパターン種の数をm(つまりm値の離散化光量)とすると、必要なブロック数はlog(p)/log(m)となり、空間コード化法より分離パターン数を減らせる。
【0015】
請求項4記載の発明は、照射装置の照射する分離パターンが2種類(A、B)であり、該2種類の分離パターンの強度比(A/B)がサブパターンごとに一意化されており、上記した計算手段は強度比からサブパターンを特定することを特徴とする。
【0016】
強度比法の原理により、光量そのものではなく強度比を用いることで、測定物の反射率のキャンセルすることができる。つまり、照射光源と撮像素子と測定物体の空間的配置が変わらない条件で、背景光Xのもとで、光量AおよびBで照射したときの反射光量は、各々K・A+X、K・B+X、となる。ここでKは、照射光源と撮像素子と測定物体の空間的配置に依存した係数で、測定物体の反射率に比例する。撮像側で両者の比率である強度比Rを取れば、R=(K・A+X)/(K・B+X)となる。背景光Xが無視できる場合はA/Bとなって、照射側の強度比がそのまま観察され、測定物体の反射率や光学系の空間配置に依存しない。上記技術的手段によれば、強度比Rがサブパターンごとに異なる値をとるので、測定物体の反射率に依存せずに各サブパターンを特定できる。
【0017】
背景光Xが無視できる条件は、背景光の存在しない環境で測定するか、あるいは分離パターンA、Bの輝度が背景光にくらべて十分高い場合である。請求項2記載の技術的手段に比べて分離パターンの枚数が1枚増えるが、測定物体の反射率に依存しないで精度良くサブパターンの分離ができる。
例えば、分離パターンAは視差方向に対して、サブパターンごとの光量が順次増加するパターン、分離パターンBは視差方向に対して、サブパターンごとの光量が順次減少するパターンなどを選択しうるが、各サブパターンごとに強度比が異なればよいので、必ずしも順次変化しなくてもよい。
【0018】
請求項5記載の発明は、上記した分離パターンBの光量が、場所によらず一定であることを特徴とする。
【0019】
繰り返しパターンや分離パターンを照射するには、光源と光量を変調する装置が必要である。いちばん簡単な構造は、透過率を変調したマスクを光源で背面から照射する方法である。この時本請求項のような全面を場所によらずに照明しようとすると、このマスクなしで照明すればよいことになり、分離マスクとして必要なのは分離パターンAのためのマスクだけで済む。その結果、上記技術的手段によれば照明系を簡単な構成にできる。
【0020】
請求項6記載の発明は、照射装置の照射する分離パターンが3種類(A、B、C)であり、該3種類の分離パターンの強度比((A−C)/(B−C))がサブパターンごとに一意化されており、計算手段は強度比からサブパターンを特定することを特徴とする。
【0021】
上述した請求項4記載の技術的手段では、背景光Xが無視できる状況を考えたが、上記技術的手段によれば、もう分離パターン数をもう一枚増やすことで背景光の影響を減らすことができる。
光量A、BおよびCで照射したときの反射光量は、各々K・A+X、K・B+X、K ・C+Xとなる。ここでKは、照射光源と撮像素子と測定物体の空間的配置に依存した係数で、測定物体の反射率に比例する。撮像側で上記の強度比R’をとると、R’=((K・A+X)−(K・C+X))/((K・B+X)−(K・C+X))=(A−C)/(B−C)となり、測定物体の反射率と背景光に依存せずに、照射側の強度比R’を得られる。本請求項では、強度比Rがサブパターンごとに異なる値をとるので、測定物体の反射率と背景光に依存せずに各サブパターンを特定できる。
【0022】
請求項7記載の発明は、上記した分離パターンB及びCの光量が、場所によらず一定で、互いに異なる光量であることを特徴とする。
【0023】
分離パターンBとCが場所によらず一定であれば、請求項5記載の技術的手段で説明したような、透過率を変調したマスクと光源の組み合わせによる照明装置を簡単化することができる。BとCの差は、光源の照射強度を変えるだけでよいので、分離マスクとして必要なのは分離パターンAのためのマスクだけで済む。
【0024】
請求項8記載の発明は、照射装置が照射する分離パターンの光量に周波数変調をかけ、サブパターンごとに該変調周波数スペクトルが一意化されており、計算手段は変調周波数スペクトルからサブパターンを特定することを特徴とする。
【0025】
上記技術的手段の分離パターンでは、サブパターンごとに周波数の異なる正弦波を重畳した光量パターンを用いる。特定の周波数で変調した部分は画像をバンドパスフィルタに通することで求められる。変調をかける方向は、例えば視差方向と視差に垂直方向に対してかけることで、各方向に対して独立に変調情報を付加することができる。変調周波数だけが意味を持つので、照射パターンの光量のダイナミックレンジは全面でほぼ一定にできるため、撮像素子のダイナミックレンジが狭くとも検知が容易である。
【0026】
請求項9記載の発明は、照射装置の照射する分離パターンがn個(nは整数)であり、該n個の分離パターンを各々n色の色に割り当てたことを特徴とする。
【0027】
例えば赤、緑、青の3色の照射パターンに各々独立なパターンを割り当て、撮像素子としてカラーカメラを用いると、赤緑青の3色の色情報を独立に検知できるので、白色物体などの色依存性がない測定物体の場合、分離できるサブパターン数を3倍にふやせる。照射部と撮像部で分離できる色数を増やせば、同時に照射できる分離パターン数をさらに増やすことができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る光学式形状測定システムを、図1から図5を用いて詳細に説明する。
【0029】
本発明の第1の実施形態としての光学式形状測定システムは、図1に示すように、繰り返しパターンを照射するプロジェクタ(照射装置)1と、照射された測定対象を異なる位置から撮像するカメラ2(撮像装置)と、撮像された画像中に生じる繰り返しパターンの変形を用いて形状計測を行うPC(計算手段)3とを備え、そのプロジェクタ1とカメラ2とがPC3に接続されて構成される。
【0030】
上記のプロジェクタ1は、光源と、カラー液晶パネルと、結像レンズとを備えてなり、光源から発した光は液晶パネルで光量が変調され、その透過光量を結像レンズで測定物体(測定対象)上に照射する。
撮像するカメラ2は、結像レンズとカラーCCDとを備えてなり、測定物体の反射光分布を撮像する。この反射物体(測定対象)上に照射された光パターンは上記カラーCCDで2次元的に検知(撮像)される。
【0031】
また、PC3は、CPUなどの主制御部とHDDなどの記憶部とキーボードやマウスなどの入力部とを備え、その記憶部に記憶されたプログラムにより動作し、プロジェクタ1による照射を制御すると共にカメラ2により撮像された画像を用いて後述する計算方法などでサブパターンの特定を行い、対象までの距離を算出し、測定物体の形状を測定する。
本実施形態としての光学式形状測定システムのプロジェクタ1とカメラ2とは測定物体を含めて暗箱で覆われており、このことにより背景光の影響は無視できる。
【0032】
プロジェクタ1が照射するパターンのX方向の光量分布を図2(a)に示す。本実施形態の照射系ではプロジェクタ1から、各々π/4だけ位相のずれた正弦波パターンP1、P2、P3を3枚照射し、位相シフト法の原理によって、
ψr−π/4=tan((P3−P2)/(P1−P2))
の関係式を用い、各反射画像から画素毎に相対位相ψrを求める。相対位相ψrから周期2πの不定性を除いた絶対位相ψaは、図1に示すプロジェクタ1からの照射角度に対応する。
図1に示す画素ごとの受光角度は、撮像した反射像の画素位置から決定できるので、絶対位相ψaが分かれば、三角測量の原理から画素ごとに距離を計算できる。ここまでは従来の手法をそのまま用いる。
【0033】
次にプロジェクタ1は、図2(b)に示す階段状のパターンBr、Bg、Bbを照射する。このパターンは赤青緑(RGB)の3色の各々で分布がずれており、各色の階段状パターンは、正弦波P1、P2、P3の3周期(サブパターン)内では光量が一定で、連続する3つのサブパターンを1グループとして、異なるグループでは光量値が異なる離散的な光量分布をとる。
【0034】
プロジェクタ1が照射するもう一つのパターンは、図2(c)に示す白色の平坦状パターンCである。パターンBr、Bg、Bb、Cの反射画像から3色に対する強度比Br/C、Bg/C、Bb/Cを取ると、サブパターンごとに3色の強度比が異なるので、繰り返しパターンのサブパターン番号を特定でき、相対位相ψから絶対位相が求められる。
【0035】
本実施形態では強度比をもとにサブパターンを分離するので、各色の階段状パターンと白色平坦パターンを組にして1つの分離パターンを構成する。例えば、各色ごとの階段状パターンが8レベルとすると、3色全部で24種類のサブパターンまで分離できる。パターンBr、Bg、Bbは色が異なっており同時に照射できるので、分離パターンを構成するパターン数は4パターンだが、照射と撮像はパターンBr、Bg、Bbをまとめた1回と、パターンCの1回、合計2回の追加となる。
【0036】
本実施形態のプロジェクタ1では照射パターンを動的に変えられる液晶パネルを用いているので、繰り返しパターンも分離パターンの照射も、単に液晶パネルの分布を変えるだけで照射できる。このため、このプロジェクタ1による照射は、ユーザがPC3の入力手段から操作することにより切り替えることもできる。
【0037】
次に、本発明の第2の実施形態としての光学式形状測定システムについて説明する。この第2の実施形態は、各装置の基本構成としては上述した第1の実施形態と同じであるが、分離パターンを構成するのに、図2(c)の白色平坦パターンDを追加したものである。
このパターンDはパターンCと同じく白色の平坦な分布だが、光量レベルが異なる。
【0038】
パターンBr、Bg、Bb、C、Dの反射画像から3色に対する強度比(Br−C)/(D−C)、(Bg−C)/(D−C)、(Bb−C)/(D−C)を取ると、サブパターンごとに3色の強度比が異なるので、繰り返しパターンのサブパターン番号を特定でき、相対位相ψから絶対位相が求められる。プロジェクタ1による照射とカメラ2による撮像の手間はパターンDの1回分が追加されるが、このパターンDを追加したことで、背景光の影響を除去できるので、この第2の実施形態によれば上述した第1の実施形態と異なり、PC3以外のシステム全体を暗箱で覆う必要がなくなることとなる。
【0039】
次に、本発明の第3の実施形態としての光学式形状測定システムについて説明する。この第3の実施形態は、各装置の基本構成としては上述した第1の実施形態と同じであるが、繰り返しパターンのサブパターンを判別する分離パターンを構成するのに、図3(a)に示すパターンA、B、Cと、図3(b)に示すパターンDとの4パターンを用いている。ここでY方向は、図1の紙面に対して垂直方向である。
【0040】
本実施形態での繰り返しパターンの繰り返し数は32(サブパターン数が32)であり、これを分離パターンで分離する。図3(a)のAはサブパターン4つごとに光量が変化する階段状パターンで、Bは隣接するサブパターンごとに光量が変化する、サブパターン4つごとに繰り返し構造を持つ階段状パターンである。Cは平坦パターンである。DはX方向を2グループに分割する。各グループは8個のサブパターンを含む。グループ1はY方向は変調がなく一定で、グループ2が一定光量にY方向へ空間周波数fの正弦波を重畳したパターンを照射する。
【0041】
カメラ2のCCDで受光したパターンDの反射光量分布とパターンCの分布の強度比C/DをY方向にフーリエ変換し、周波数fのピーク周辺を取り出して逆フーリエ変換すれば周波数fで変調されたグループ2だけを抜き出すことができる。ここでは、パターンDの反射光量をそのまま用いるのではなく、平坦パターンCとの強度比を取ることで、測定物体の反射率依存性をキャンセルしている。
【0042】
このパターンDにより32のサブパターンのうち2つのグループのどちらに属すかは判別できる。さらに1つのグループに含まれる16のサブパターンは、強度比A/C、B/Cから判別できるため、パターンA、B、C、Dからなる分離パターンによりすべてのサブパターンを判別することができる。
【0043】
本実施形態では、サブパターンの分類には色情報を用いず強度比と空間周波数による分類だけを用いているため、測定物体の色依存性をなくすことができる。また強度比の分類をAとC及びBとCの2つの分離パターンに分けているので、上述した第1の実施形態に比べて分離パターンあたりの強度比のレベル数が減ることとなり、形状測定の確実性をより増大させることができる。
【0044】
次に、本発明の第4の実施形態としての光学式形状測定システムについて説明する。この第4の実施形態は、上述した第1の実施形態に対してプロジェクタ1の構成を変更したものである。
【0045】
この第4の実施形態におけるプロジェクタ1の照射光学系は、2系統で構成される。まず、図4(a)に示すように、第1の光学系は分布が固定の濃度マスクMa、Mbを背面から光源La、Lbで照射し、2つハーフミラーで合成する。また図4(b)に示すように、第2の光学系は、濃度マスクなしで光源Lcだけを用いてパターンを照射する。この両者の照射光学系は図4(c)のように、Y方向に積み重なってプロジェクタ1を構成する。
【0046】
第1の光学系の濃度マスクMa、Mbで照射するパターンをA、Bとし、第2の光学系の光源Lcで照射されたパターンをCとすると、各々の分布は図5(a)、(b)のようになる。図5(a)に示すように、パターンAのX方向の光量分布は6回の繰り返しをもつピラミッド型で、頂点の左右がサブパターンに相当し、全部で12のサブパターンをもつ。また、図5(b)に示すように、パターンBr、Bg、Bbは3色の階段状パターンである。これらは、図5(b)に示す分布のように、連続する3つのサブパターンを1グループとして、異なるグループでは光量値が異なる離散的な光量分布をとる。パターンCは、図5(a)に示すように平坦状である。
【0047】
実施形態1と同様に、パターンBr、Bg、Bb、Cの反射画像から3色に対する強度比Br/C、Bg/C、Bb/Cを取ると、サブパターンごとに3色の強度比が異なるので、繰り返しパターンのサブパターン番号を特定できる。その結果、各サブパターンごとに、パターンAとパターンCの強度比A/Cから詳細な照射角度情報、つまり測定物体の距離情報をサブパターンの曖昧さなしに決定できる。
【0048】
プロジェクタ1による照射とカメラ2による撮像とは、パターンAの照射、パターンBr、Bg、Bbの一括照射、パターンCの照射の合わせて3回である。本実施形態は濃度マスクの1枚で繰り返しパターンを照射し、分離パターンの1枚を赤緑青のカラー濃度マスクで、強度比の基準をパターンCで照射するので、プロジェクタの構成を非常に簡単にすることができる。
【0049】
次に、本発明の第5の実施形態としての光学式形状測定システムについて説明する。この第5の実施形態は、各装置の基本構成としては上述した第4の実施形態と同じであるが、分離パターンを構成するのに、図5(a)の平坦パターンDを追加したものである。
パターンDは図5(a)のパターンCと同じく平坦な分布で、光源Lcの光量レベルを変えて撮像する。
【0050】
パターンBr、Bg、Bb、C、Dの反射画像から3色に対する強度比(Br−C)/(D−C)、(Bg−C)/(D−C)、(Bb−C)/(D−C)を取ると、サブパターンごとに3色の強度比が異なるので、繰り返しパターンであるパターンAのサブパターン番号を特定できる。照射と撮像の手間はパターンDの1回分が追加されるが、パターンDを追加したことで、背景光の影響を除去できる。
【0051】
なお、上述した各実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することが可能である。
例えば、計算する計算手段をプロジェクタ1とカメラ2とに接続されたPC3として説明したが、この計算手段は計算可能であればこのものに限定されず、カメラ2に内蔵されたCPUなどであってもよい。この場合、本発明に係る光学式形状測定システムは、プロジェクタ1とカメラ2とが接続されたものとなり、ユーザはカメラ2により計算指示などの操作を行うこととなる。
【0052】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、照射装置が繰り返しパターン中で繰り返されるサブパターンごとに異なるパターンからなる分離パターンを照射することで、計算手段は画素ごとにサブパターンを特定するので、形状に対する何らの推定なしに絶対位置を求めることができる。
【0053】
また、サブパターンを特定する分離パターンが、ブロックごとに光量を離散化しているので、撮像素子の光量検知誤差によるサブパターン番号の判定誤りを抑えることができる。こうしてサブパターンを特定することにより、測定対象の形状を精度よく測定することができる。
【0054】
また、複数の分離パターンの光量の組み合わせからサブパターンを特定することにより、光量検知だけでサブパターンを特定でき、画素ごとにサブパターン番号を特定することができる。こうしてサブパターンを特定することにより、測定対象の形状を精度よく測定することができる。
【0055】
また、サブパターンの特定に2種類の分離パターンの強度比を用いることにより、測定物体の反射率に依存せずにサブパターンの特定ができる。こうしてサブパターンを確実に特定することにより、測定対象の形状を精度よく測定することができる。
【0056】
また、サブパターンのうち1つを単なる平坦分布とすることにより、パターン照射系(照射装置)の構造を簡単化することができる。
【0057】
また、サブパターンの特定に3種類の分離パターンの差と強度比を用いることにより、測定物体の反射率と背景光に依存せずにサブパターンを特定することができる。こうしてサブパターンを確実に特定することにより、測定対象の形状を精度よく測定することができる。
【0058】
また、サブパターンのうち2つが単なる平坦分布とすることにより、パターン照射系(照射装置)の構造を簡単化することができる。
【0059】
また、サブパターンの特定に周波数変調を用いることにより、測定物体の反射率と背景光に依存せずにサブパターンを特定することができる。こうしてサブパターンを確実に特定することにより、測定対象の形状を精度よく測定することができる。
【0060】
また、多色の分離パターンを用いることにより、特定できるサブパターン数を容易に増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態としての光学式形状測定システムの構成例とその動作例とを示す図である。
【図2】第1の実施形態におけるプロジェクタ1が照射するパターンを例示する波形図である。
【図3】第3の実施形態におけるプロジェクタ1が照射するパターンを例示する波形図である。
【図4】第4の実施形態におけるプロジェクタ1の構成例を示す図であり、(a)第1の光学系における横断面図、(b)第2の光学系における横断面図、(c)プロジェクタ1の概要を示す正面図、である。
【図5】第4の実施形態におけるプロジェクタ1が照射するパターンを例示する波形図である。
【図6】位相シフト法を用いる従来の光学式形状測定装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
1 プロジェクタ(照射装置)
2 カメラ(撮像装置)
3 PC(計算手段)
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばWeb等の3Dコンテンツ作成、3Dモデリングのためのデータ入力、物体認識、物体選別、顔認識、ジェスチャ認識などに用いられて、物体の形状と距離計測を行なう光学式形状測定システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、物体の3次元の形状測定を行なう光学式形状測定システムとして、測定物体(測定対象)に繰り返しパターンを照射し、その反射光を照射方向と異なる視野から撮像し、得られた画像で生じる物体形状に応じたパターンの変形量から、3角測量の原理を用いて形状測定するシステムがある。
【0003】
こうした従来の光学式形状測定装置として、例えば、特開2000−9444号公報(特許文献1)がある。
いわゆる光切断法のように光のスリットを走査するのではなく、スリットを敷き詰めたパターン光を一括で照射するパターン照射法の一種であるが、パターン光のどの位置がどのスリットに相当するか分からないため、あらかじめ何らかの方法でスリット番号との対応、つまりスリット光源からどの照射角度で照射されたかの情報を、照射されたパターン光自体に付加しておく。繰り返しパターンを照射する形状測定装置とは、このパターン光が繰り返し構造をもっているものをさす。
【0004】
繰り返しパターンは繰り返しの1周期分(以下、サブパターンと呼ぶ)の内部では、光量や波長が異なるなどの光情報の差を利用して相互にスリットを区別できるが、同じサブパターンが何度も繰り返されるため、撮像された光量の情報からは別のサブパターンとは区別がつかない。一方、繰り返しがないパターンであればスリット番号を一意に決められるが、一般に繰り返さしのないパターンは測定精度が低い。これは光量のアナログ値を一括検知するための撮像素子、例えばCCDなど、の光量分解能に制限があるためである。撮像素子の光量分解能が低いと、撮像したパターンの変形画像の受光セル毎の光量差が分離できないが、繰り返しパターンはこの状況を緩和できる。照射パターンが同じダイナミックレンジで照射された場合、パターンに繰り返しがあると、繰り返し数だけ視差方向に対する光量変化が大きくなるため、隣接する受光セル間の光量変化を大きくすることができ、その結果形状精度があがるためである。
【0005】
上記した特開2000−9444号公報は、図6に示すように、位相のずれた正弦波を投影し、正弦波の位相を検知する方法である(位相シフト法)。
この手法では、サブパターンは正弦波の光量分布をとる(パターンマスク3の像が照射される)。光切断法のスリット番号に相当する絶対位相が分かれば、つまりサブパターンの番号が分かれば、三角測量の原理から測定物の距離が求められるが、実際に計測できるのは2π周期で折りたたまれた位相(相対位相)である。一般には、位相の連続性を仮定して、絶対位相の分かった基準点から位相の飛びがあったら2πだけ位相を増減させることで絶対位相を求める処理(アンラッピング)を行う。
この方法では孤立した測定領域は位相を接続できないため、絶対座標が求まらない問題がある。特開2000−9444号公報では、物体の像のコントラストがカメラの焦点位置に測定物体が場合に最大になることを利用した焦点法を併用することで位相の曖昧さを除き、絶対位相との対応づけを行っている。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−9444号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、繰り返しパターンは形状精度が高い利点があるが、同じパターンが繰り返されるため、繰り返される領域間の判別をする必要がある。
上記した特開2000−9444号公報は、位相シフト法の絶対位相を特定する、つまりサブパターンの番号を特定するため焦点法を併用しているが、2つの異なる手法を測定装置内(測定システム内)に設ける必要があるので、コストがかさむ原因となり、パターン照射法だけで周期番号を特定できるのが望ましい。
【0008】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、パターン照射法だけを用いながら、繰り返しパターンの各領域を信頼性良く特定することができる光学式形状測定システムを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は以下の特徴を有する。
請求項1記載の発明は、繰り返しパターンを照射する照射装置と、該照射装置が照射した対象を異なる位置から撮像する撮像装置と、該撮像装置が撮像した画像中に生じる繰り返しパターンの変形を用いて形状計測を行う計算手段とを備えてなる光学式形状測定システムであって、照射装置が、繰り返しパターン中で繰り返しの1周期分であるサブパターンが現れる位置にサブパターンごとに異なるパターンからなる分離パターンを照射するよう構成され、計算手段は、分離パターンを用いてサブパターンを特定することを特徴とする。
【0010】
繰り返しパターンを照射するパターン照射法では、サブパターン内でのスリット番号に相当する量(位相シフト法を用いる場合は位相、強度比法を用いる場合は強度比)は容易に求められるが、どのサブパターンに属するかを決めるサブパターン番号はそのままでは求まらない。上記技術的手段では、別パターンを照射し、サブパターン番号を特定する方式をとっている。この時、必要なのはサブパターン番号だけを信頼性よく求めればよいので、サブパターンごとに異なる、容易に区別できるパターンを設けたパターン(分離パターン)を照射すればよい。
【0011】
請求項2記載の発明は、上記した分離パターンが、サブパターン内で光量が一定であり、サブパターン間で異なる離散化された光量値であることを特徴とする。
【0012】
照射されたパターンの光量分布を撮像するための2次元撮像素子は、一般的にCCDやCMOSが使われているが、光量のダイナミックレンジも光量の分解能も広いとはいえず、光量の誤差が大きい。上記技術的手段によれば、各サブパターンに対応する分離パターンの光量が離散化しているので、サブパターン境界が明確となり、光量誤差が大きな撮像素子を用いても、信頼性よくサブパターンを分離することができる。
たとえば、光量をm値に多値化しておき、個々のサブパターンに各々異なる光量を照射する分離パターンを用いることで、m個のサブパターンを分離することができる。
【0013】
請求項3記載の発明は、照射装置の照射する分離パターンが複数であり、各々の分離パターンの光量の組み合わせがサブパターンごとに一意化されており、計算手段は該光量の組み合わせからサブパターンを特定することを特徴とする。
【0014】
上記技術的手段は、サブパターン番号を特定するために、各サブパターンに照射する光量の組み合わせでサブパターンをコード化するので、空間コード化法の一般化とも考えられる。しかし、空間コード化法では白黒の2値を用いており、照射すべき分離パターンの数が容易に増加するのに対し、上記技術的手段では光量が2値である制限をおいていないため、光量を多値化することで分離パターンの数を必要最小限で済ませることができる。
特定すべきサブパターン数をpとすると、空間コード化法でサブパターンを特定するためには、少なくともlog(p)/log(2)枚の分離パターンが必要になる。ここでlogは対数を意味する。例えばサブパターン数が20なら5枚、100なら7枚必要となる。上記技術的手段ではm値に多値化した分離パターンを用いる。1枚の分離パターンを構成するパターン種の数をm(つまりm値の離散化光量)とすると、必要なブロック数はlog(p)/log(m)となり、空間コード化法より分離パターン数を減らせる。
【0015】
請求項4記載の発明は、照射装置の照射する分離パターンが2種類(A、B)であり、該2種類の分離パターンの強度比(A/B)がサブパターンごとに一意化されており、上記した計算手段は強度比からサブパターンを特定することを特徴とする。
【0016】
強度比法の原理により、光量そのものではなく強度比を用いることで、測定物の反射率のキャンセルすることができる。つまり、照射光源と撮像素子と測定物体の空間的配置が変わらない条件で、背景光Xのもとで、光量AおよびBで照射したときの反射光量は、各々K・A+X、K・B+X、となる。ここでKは、照射光源と撮像素子と測定物体の空間的配置に依存した係数で、測定物体の反射率に比例する。撮像側で両者の比率である強度比Rを取れば、R=(K・A+X)/(K・B+X)となる。背景光Xが無視できる場合はA/Bとなって、照射側の強度比がそのまま観察され、測定物体の反射率や光学系の空間配置に依存しない。上記技術的手段によれば、強度比Rがサブパターンごとに異なる値をとるので、測定物体の反射率に依存せずに各サブパターンを特定できる。
【0017】
背景光Xが無視できる条件は、背景光の存在しない環境で測定するか、あるいは分離パターンA、Bの輝度が背景光にくらべて十分高い場合である。請求項2記載の技術的手段に比べて分離パターンの枚数が1枚増えるが、測定物体の反射率に依存しないで精度良くサブパターンの分離ができる。
例えば、分離パターンAは視差方向に対して、サブパターンごとの光量が順次増加するパターン、分離パターンBは視差方向に対して、サブパターンごとの光量が順次減少するパターンなどを選択しうるが、各サブパターンごとに強度比が異なればよいので、必ずしも順次変化しなくてもよい。
【0018】
請求項5記載の発明は、上記した分離パターンBの光量が、場所によらず一定であることを特徴とする。
【0019】
繰り返しパターンや分離パターンを照射するには、光源と光量を変調する装置が必要である。いちばん簡単な構造は、透過率を変調したマスクを光源で背面から照射する方法である。この時本請求項のような全面を場所によらずに照明しようとすると、このマスクなしで照明すればよいことになり、分離マスクとして必要なのは分離パターンAのためのマスクだけで済む。その結果、上記技術的手段によれば照明系を簡単な構成にできる。
【0020】
請求項6記載の発明は、照射装置の照射する分離パターンが3種類(A、B、C)であり、該3種類の分離パターンの強度比((A−C)/(B−C))がサブパターンごとに一意化されており、計算手段は強度比からサブパターンを特定することを特徴とする。
【0021】
上述した請求項4記載の技術的手段では、背景光Xが無視できる状況を考えたが、上記技術的手段によれば、もう分離パターン数をもう一枚増やすことで背景光の影響を減らすことができる。
光量A、BおよびCで照射したときの反射光量は、各々K・A+X、K・B+X、K ・C+Xとなる。ここでKは、照射光源と撮像素子と測定物体の空間的配置に依存した係数で、測定物体の反射率に比例する。撮像側で上記の強度比R’をとると、R’=((K・A+X)−(K・C+X))/((K・B+X)−(K・C+X))=(A−C)/(B−C)となり、測定物体の反射率と背景光に依存せずに、照射側の強度比R’を得られる。本請求項では、強度比Rがサブパターンごとに異なる値をとるので、測定物体の反射率と背景光に依存せずに各サブパターンを特定できる。
【0022】
請求項7記載の発明は、上記した分離パターンB及びCの光量が、場所によらず一定で、互いに異なる光量であることを特徴とする。
【0023】
分離パターンBとCが場所によらず一定であれば、請求項5記載の技術的手段で説明したような、透過率を変調したマスクと光源の組み合わせによる照明装置を簡単化することができる。BとCの差は、光源の照射強度を変えるだけでよいので、分離マスクとして必要なのは分離パターンAのためのマスクだけで済む。
【0024】
請求項8記載の発明は、照射装置が照射する分離パターンの光量に周波数変調をかけ、サブパターンごとに該変調周波数スペクトルが一意化されており、計算手段は変調周波数スペクトルからサブパターンを特定することを特徴とする。
【0025】
上記技術的手段の分離パターンでは、サブパターンごとに周波数の異なる正弦波を重畳した光量パターンを用いる。特定の周波数で変調した部分は画像をバンドパスフィルタに通することで求められる。変調をかける方向は、例えば視差方向と視差に垂直方向に対してかけることで、各方向に対して独立に変調情報を付加することができる。変調周波数だけが意味を持つので、照射パターンの光量のダイナミックレンジは全面でほぼ一定にできるため、撮像素子のダイナミックレンジが狭くとも検知が容易である。
【0026】
請求項9記載の発明は、照射装置の照射する分離パターンがn個(nは整数)であり、該n個の分離パターンを各々n色の色に割り当てたことを特徴とする。
【0027】
例えば赤、緑、青の3色の照射パターンに各々独立なパターンを割り当て、撮像素子としてカラーカメラを用いると、赤緑青の3色の色情報を独立に検知できるので、白色物体などの色依存性がない測定物体の場合、分離できるサブパターン数を3倍にふやせる。照射部と撮像部で分離できる色数を増やせば、同時に照射できる分離パターン数をさらに増やすことができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る光学式形状測定システムを、図1から図5を用いて詳細に説明する。
【0029】
本発明の第1の実施形態としての光学式形状測定システムは、図1に示すように、繰り返しパターンを照射するプロジェクタ(照射装置)1と、照射された測定対象を異なる位置から撮像するカメラ2(撮像装置)と、撮像された画像中に生じる繰り返しパターンの変形を用いて形状計測を行うPC(計算手段)3とを備え、そのプロジェクタ1とカメラ2とがPC3に接続されて構成される。
【0030】
上記のプロジェクタ1は、光源と、カラー液晶パネルと、結像レンズとを備えてなり、光源から発した光は液晶パネルで光量が変調され、その透過光量を結像レンズで測定物体(測定対象)上に照射する。
撮像するカメラ2は、結像レンズとカラーCCDとを備えてなり、測定物体の反射光分布を撮像する。この反射物体(測定対象)上に照射された光パターンは上記カラーCCDで2次元的に検知(撮像)される。
【0031】
また、PC3は、CPUなどの主制御部とHDDなどの記憶部とキーボードやマウスなどの入力部とを備え、その記憶部に記憶されたプログラムにより動作し、プロジェクタ1による照射を制御すると共にカメラ2により撮像された画像を用いて後述する計算方法などでサブパターンの特定を行い、対象までの距離を算出し、測定物体の形状を測定する。
本実施形態としての光学式形状測定システムのプロジェクタ1とカメラ2とは測定物体を含めて暗箱で覆われており、このことにより背景光の影響は無視できる。
【0032】
プロジェクタ1が照射するパターンのX方向の光量分布を図2(a)に示す。本実施形態の照射系ではプロジェクタ1から、各々π/4だけ位相のずれた正弦波パターンP1、P2、P3を3枚照射し、位相シフト法の原理によって、
ψr−π/4=tan((P3−P2)/(P1−P2))
の関係式を用い、各反射画像から画素毎に相対位相ψrを求める。相対位相ψrから周期2πの不定性を除いた絶対位相ψaは、図1に示すプロジェクタ1からの照射角度に対応する。
図1に示す画素ごとの受光角度は、撮像した反射像の画素位置から決定できるので、絶対位相ψaが分かれば、三角測量の原理から画素ごとに距離を計算できる。ここまでは従来の手法をそのまま用いる。
【0033】
次にプロジェクタ1は、図2(b)に示す階段状のパターンBr、Bg、Bbを照射する。このパターンは赤青緑(RGB)の3色の各々で分布がずれており、各色の階段状パターンは、正弦波P1、P2、P3の3周期(サブパターン)内では光量が一定で、連続する3つのサブパターンを1グループとして、異なるグループでは光量値が異なる離散的な光量分布をとる。
【0034】
プロジェクタ1が照射するもう一つのパターンは、図2(c)に示す白色の平坦状パターンCである。パターンBr、Bg、Bb、Cの反射画像から3色に対する強度比Br/C、Bg/C、Bb/Cを取ると、サブパターンごとに3色の強度比が異なるので、繰り返しパターンのサブパターン番号を特定でき、相対位相ψから絶対位相が求められる。
【0035】
本実施形態では強度比をもとにサブパターンを分離するので、各色の階段状パターンと白色平坦パターンを組にして1つの分離パターンを構成する。例えば、各色ごとの階段状パターンが8レベルとすると、3色全部で24種類のサブパターンまで分離できる。パターンBr、Bg、Bbは色が異なっており同時に照射できるので、分離パターンを構成するパターン数は4パターンだが、照射と撮像はパターンBr、Bg、Bbをまとめた1回と、パターンCの1回、合計2回の追加となる。
【0036】
本実施形態のプロジェクタ1では照射パターンを動的に変えられる液晶パネルを用いているので、繰り返しパターンも分離パターンの照射も、単に液晶パネルの分布を変えるだけで照射できる。このため、このプロジェクタ1による照射は、ユーザがPC3の入力手段から操作することにより切り替えることもできる。
【0037】
次に、本発明の第2の実施形態としての光学式形状測定システムについて説明する。この第2の実施形態は、各装置の基本構成としては上述した第1の実施形態と同じであるが、分離パターンを構成するのに、図2(c)の白色平坦パターンDを追加したものである。
このパターンDはパターンCと同じく白色の平坦な分布だが、光量レベルが異なる。
【0038】
パターンBr、Bg、Bb、C、Dの反射画像から3色に対する強度比(Br−C)/(D−C)、(Bg−C)/(D−C)、(Bb−C)/(D−C)を取ると、サブパターンごとに3色の強度比が異なるので、繰り返しパターンのサブパターン番号を特定でき、相対位相ψから絶対位相が求められる。プロジェクタ1による照射とカメラ2による撮像の手間はパターンDの1回分が追加されるが、このパターンDを追加したことで、背景光の影響を除去できるので、この第2の実施形態によれば上述した第1の実施形態と異なり、PC3以外のシステム全体を暗箱で覆う必要がなくなることとなる。
【0039】
次に、本発明の第3の実施形態としての光学式形状測定システムについて説明する。この第3の実施形態は、各装置の基本構成としては上述した第1の実施形態と同じであるが、繰り返しパターンのサブパターンを判別する分離パターンを構成するのに、図3(a)に示すパターンA、B、Cと、図3(b)に示すパターンDとの4パターンを用いている。ここでY方向は、図1の紙面に対して垂直方向である。
【0040】
本実施形態での繰り返しパターンの繰り返し数は32(サブパターン数が32)であり、これを分離パターンで分離する。図3(a)のAはサブパターン4つごとに光量が変化する階段状パターンで、Bは隣接するサブパターンごとに光量が変化する、サブパターン4つごとに繰り返し構造を持つ階段状パターンである。Cは平坦パターンである。DはX方向を2グループに分割する。各グループは8個のサブパターンを含む。グループ1はY方向は変調がなく一定で、グループ2が一定光量にY方向へ空間周波数fの正弦波を重畳したパターンを照射する。
【0041】
カメラ2のCCDで受光したパターンDの反射光量分布とパターンCの分布の強度比C/DをY方向にフーリエ変換し、周波数fのピーク周辺を取り出して逆フーリエ変換すれば周波数fで変調されたグループ2だけを抜き出すことができる。ここでは、パターンDの反射光量をそのまま用いるのではなく、平坦パターンCとの強度比を取ることで、測定物体の反射率依存性をキャンセルしている。
【0042】
このパターンDにより32のサブパターンのうち2つのグループのどちらに属すかは判別できる。さらに1つのグループに含まれる16のサブパターンは、強度比A/C、B/Cから判別できるため、パターンA、B、C、Dからなる分離パターンによりすべてのサブパターンを判別することができる。
【0043】
本実施形態では、サブパターンの分類には色情報を用いず強度比と空間周波数による分類だけを用いているため、測定物体の色依存性をなくすことができる。また強度比の分類をAとC及びBとCの2つの分離パターンに分けているので、上述した第1の実施形態に比べて分離パターンあたりの強度比のレベル数が減ることとなり、形状測定の確実性をより増大させることができる。
【0044】
次に、本発明の第4の実施形態としての光学式形状測定システムについて説明する。この第4の実施形態は、上述した第1の実施形態に対してプロジェクタ1の構成を変更したものである。
【0045】
この第4の実施形態におけるプロジェクタ1の照射光学系は、2系統で構成される。まず、図4(a)に示すように、第1の光学系は分布が固定の濃度マスクMa、Mbを背面から光源La、Lbで照射し、2つハーフミラーで合成する。また図4(b)に示すように、第2の光学系は、濃度マスクなしで光源Lcだけを用いてパターンを照射する。この両者の照射光学系は図4(c)のように、Y方向に積み重なってプロジェクタ1を構成する。
【0046】
第1の光学系の濃度マスクMa、Mbで照射するパターンをA、Bとし、第2の光学系の光源Lcで照射されたパターンをCとすると、各々の分布は図5(a)、(b)のようになる。図5(a)に示すように、パターンAのX方向の光量分布は6回の繰り返しをもつピラミッド型で、頂点の左右がサブパターンに相当し、全部で12のサブパターンをもつ。また、図5(b)に示すように、パターンBr、Bg、Bbは3色の階段状パターンである。これらは、図5(b)に示す分布のように、連続する3つのサブパターンを1グループとして、異なるグループでは光量値が異なる離散的な光量分布をとる。パターンCは、図5(a)に示すように平坦状である。
【0047】
実施形態1と同様に、パターンBr、Bg、Bb、Cの反射画像から3色に対する強度比Br/C、Bg/C、Bb/Cを取ると、サブパターンごとに3色の強度比が異なるので、繰り返しパターンのサブパターン番号を特定できる。その結果、各サブパターンごとに、パターンAとパターンCの強度比A/Cから詳細な照射角度情報、つまり測定物体の距離情報をサブパターンの曖昧さなしに決定できる。
【0048】
プロジェクタ1による照射とカメラ2による撮像とは、パターンAの照射、パターンBr、Bg、Bbの一括照射、パターンCの照射の合わせて3回である。本実施形態は濃度マスクの1枚で繰り返しパターンを照射し、分離パターンの1枚を赤緑青のカラー濃度マスクで、強度比の基準をパターンCで照射するので、プロジェクタの構成を非常に簡単にすることができる。
【0049】
次に、本発明の第5の実施形態としての光学式形状測定システムについて説明する。この第5の実施形態は、各装置の基本構成としては上述した第4の実施形態と同じであるが、分離パターンを構成するのに、図5(a)の平坦パターンDを追加したものである。
パターンDは図5(a)のパターンCと同じく平坦な分布で、光源Lcの光量レベルを変えて撮像する。
【0050】
パターンBr、Bg、Bb、C、Dの反射画像から3色に対する強度比(Br−C)/(D−C)、(Bg−C)/(D−C)、(Bb−C)/(D−C)を取ると、サブパターンごとに3色の強度比が異なるので、繰り返しパターンであるパターンAのサブパターン番号を特定できる。照射と撮像の手間はパターンDの1回分が追加されるが、パターンDを追加したことで、背景光の影響を除去できる。
【0051】
なお、上述した各実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することが可能である。
例えば、計算する計算手段をプロジェクタ1とカメラ2とに接続されたPC3として説明したが、この計算手段は計算可能であればこのものに限定されず、カメラ2に内蔵されたCPUなどであってもよい。この場合、本発明に係る光学式形状測定システムは、プロジェクタ1とカメラ2とが接続されたものとなり、ユーザはカメラ2により計算指示などの操作を行うこととなる。
【0052】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、照射装置が繰り返しパターン中で繰り返されるサブパターンごとに異なるパターンからなる分離パターンを照射することで、計算手段は画素ごとにサブパターンを特定するので、形状に対する何らの推定なしに絶対位置を求めることができる。
【0053】
また、サブパターンを特定する分離パターンが、ブロックごとに光量を離散化しているので、撮像素子の光量検知誤差によるサブパターン番号の判定誤りを抑えることができる。こうしてサブパターンを特定することにより、測定対象の形状を精度よく測定することができる。
【0054】
また、複数の分離パターンの光量の組み合わせからサブパターンを特定することにより、光量検知だけでサブパターンを特定でき、画素ごとにサブパターン番号を特定することができる。こうしてサブパターンを特定することにより、測定対象の形状を精度よく測定することができる。
【0055】
また、サブパターンの特定に2種類の分離パターンの強度比を用いることにより、測定物体の反射率に依存せずにサブパターンの特定ができる。こうしてサブパターンを確実に特定することにより、測定対象の形状を精度よく測定することができる。
【0056】
また、サブパターンのうち1つを単なる平坦分布とすることにより、パターン照射系(照射装置)の構造を簡単化することができる。
【0057】
また、サブパターンの特定に3種類の分離パターンの差と強度比を用いることにより、測定物体の反射率と背景光に依存せずにサブパターンを特定することができる。こうしてサブパターンを確実に特定することにより、測定対象の形状を精度よく測定することができる。
【0058】
また、サブパターンのうち2つが単なる平坦分布とすることにより、パターン照射系(照射装置)の構造を簡単化することができる。
【0059】
また、サブパターンの特定に周波数変調を用いることにより、測定物体の反射率と背景光に依存せずにサブパターンを特定することができる。こうしてサブパターンを確実に特定することにより、測定対象の形状を精度よく測定することができる。
【0060】
また、多色の分離パターンを用いることにより、特定できるサブパターン数を容易に増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態としての光学式形状測定システムの構成例とその動作例とを示す図である。
【図2】第1の実施形態におけるプロジェクタ1が照射するパターンを例示する波形図である。
【図3】第3の実施形態におけるプロジェクタ1が照射するパターンを例示する波形図である。
【図4】第4の実施形態におけるプロジェクタ1の構成例を示す図であり、(a)第1の光学系における横断面図、(b)第2の光学系における横断面図、(c)プロジェクタ1の概要を示す正面図、である。
【図5】第4の実施形態におけるプロジェクタ1が照射するパターンを例示する波形図である。
【図6】位相シフト法を用いる従来の光学式形状測定装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
1 プロジェクタ(照射装置)
2 カメラ(撮像装置)
3 PC(計算手段)
Claims (9)
- 繰り返しパターンを照射する照射装置と、該照射装置が照射した対象を異なる位置から撮像する撮像装置と、該撮像装置が撮像した画像中に生じる繰り返しパターンの変形を用いて形状計測を行う計算手段とを備えてなる光学式形状測定システムであって、
前記照射装置が、前記繰り返しパターン中で繰り返しの1周期分であるサブパターンが現れる位置にサブパターンごとに異なるパターンからなる分離パターンを照射するよう構成され、
前記計算手段は、前記撮像装置により撮像された前記分離パターンを用いてサブパターンを特定することを特徴とする光学式形状測定システム。 - 前記分離パターンが、サブパターン内で光量が一定であり、サブパターン間で異なる離散化された光量値であることを特徴とする請求項1記載の光学式形状測定システム。
- 前記照射装置の照射する分離パターンが複数であり、各々の分離パターンの光量の組み合わせがサブパターンごとに一意化されており、前記計算手段は該光量の組み合わせからサブパターンを特定することを特徴とする請求項1又は2記載の光学式形状測定システム。
- 前記照射装置の照射する分離パターンが2種類(A、B)であり、該2種類の分離パターンの強度比(A/B)がサブパターンごとに一意化されており、前記計算手段は前記強度比からサブパターンを特定することを特徴とする請求項1又は2記載の光学式形状測定システム。
- 前記分離パターンBの光量が、場所によらず一定であることを特徴とする請求項4記載の光学式形状測定システム。
- 前記照射装置の照射する分離パターンが3種類(A、B、C)であり、該3種類の分離パターンの強度比((A−C)/(B−C))がサブパターンごとに一意化されており、前記計算手段は前記強度比からサブパターンを特定することを特徴とする請求項1又は2記載の光学式形状測定システム。
- 前記分離パターンB及びCの光量が、場所によらず一定で、互いに異なる光量であることを特徴とする請求項6記載の光学式形状測定システム。
- 前記照射装置が照射する分離パターンの光量に周波数変調をかけ、サブパターンごとに該変調周波数スペクトルが一意化されており、前記計算手段は前記変調周波数スペクトルからサブパターンを特定することを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載の光学式形状測定システム。
- 前記照射装置の照射する分離パターンがn個(nは整数)であり、該n個の分離パターンを各々n色の色に割り当てたことを特徴とする請求項1から8の何れか1項に記載の光学式形状測定システム。
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