JP2006337286A - 形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定物体方面から戻る反射光から距離決定を行う際に、照射パターンを簡単に実現でき、背景光量変動に対する安定性を向上させる形状測定装置を提供する。
【解決手段】 測定物体に照射パターンを照射する照射手段２１と、測定物体２０の表面で反射された撮像パターンを得る撮像手段２２とを備え、撮像パターンから測定物体２０の表面形状を得る形状測定装置において、測定物体２０は照射手段２１からの距離が第１の距離Ｌ１と第２の距離Ｌ２（Ｌ２＞Ｌ１とする）の範囲に存在し、照射パターンは第１の距離Ｌ１と第２の距離Ｌ２の遅延時間を周期とした正弦波の位相が異なる複数のアナログ変調光列であり、撮像手段２２は第２の距離Ｌ２にある測定物体２０からの反射光が撮像手段２２に戻る時間のタイミングで撮像パターンの光強度を計測し、かつ計測された光強度から計算する測定物体２０の測度により、測定物体２０の距離を求めるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、測定物体に照射パターンを照射し、測定物体表面で反射された撮像パターンを得、撮像パターンから測定物体の表面形状を得るようになされる非接触型の形状計測装置に関するものである。

従来では、人物や商品などを撮像する際に、背景抜き出しや測定物体の表面形状を計測する形状測定装置において、測定物体に光パターン照射し、測定物体表面で反射された光パターンを得、この光パターンから測定物体の表面形状を計算することが知られている（例えば、特許文献１、２および非特許文献１参照）。
人物や商品などを撮像する際に、背景抜き出しや測定物体の表面形状を計測する形状測定装置では、非特許文献１に開示されるように、通常は、光切断法と呼ばれる、光スリットを測定物体表面に照射しながら、その変形をカメラで観測することでカメラから測定物体までの距離、つまり表面形状を計測する。
また、ステレオ法と呼ばれる複数のカメラから視差情報を用いて測定物体の表面形状測定することが多い。これらの方法は三角測量の原理を用いているため、光源とカメラの間、あるいはカメラ同士の間に距離を必要とする。それらの視差により互いに見えない部分が生じる（いわゆる「隠れ」）ことがある。見えない部分は形状データが得られないので、近傍点から類推するか、測定位置を変えて再測定することで回避するが、表面形状が複雑だと隠れをなくすことが不可能な場合もある。
隠れが生じない測定方法にＴＯＦ（タイム・オブ・フライト）法がある。この方法は、距離計測装置から光を発し、測定物体上で反射して戻る光の時間をなんらかの方法で計測するものである。
これには特許文献１に開示されるような周波数変調したレーザ光源を照射し、反射光とビートを取ることで距離に相当する位相ずれを測定する方法、または特許文献２に開示されるような時間方向に増加する光パルスと減少する光パルスを照射し、これら２つのパルスに対して各々計測した反射光強度の比を測定することで距離を計測する方法が知られている。

図５は特許文献１に開示の従来例を示すブロック図である。この形状計測装置には、変調回路１、半導体レーザ２、コリメータレンズ３、ビームスプリッタ４、ミラー５、光検出器６、集光レンズ７、スキャナ８、モータ９、周期／周波数計測回路１０、距離演算回路１１、障害物検知回路１２、および被計測物体１３が示されている。
かかる形状計測装置（特許文献１の技術）は、比較的精度よく距離計測できるが、位相ずれを２次元的に検知できる素子がないため、１度に１点しか距離計測できない短所を持ち、形状測定にはあまり向いていない。
図６は特許文献２に開示の従来例を示すブロック図である。この形状計測装置には、信号発生部１５、信号処理部１６、投光部１７、および撮像部１８が示されている。信号発生部１５からは、投光部１７へ照明光変調信号Ｓ１、撮像部１８へ撮像利得変調信号Ｓ２、そして信号処理部１６へ制御信号Ｓ３が送られる。
投光部１７からは被写体へ照明光Ｓ６が照射され、被写体からの反射光Ｓ７は撮像部１８へ入る。撮像部１８から映像信号Ｓ４１、Ｓ４２が信号処理部１６へ送られる。信号処理部１６からは処理された信号が立体情報信号Ｓ５として出力される。
かかる形状計測装置（特許文献２の技術）は、１ｎｓ以下のごく狭い時間帯で光量の測定を行うことで、数ｃｍきざみの距離分解能を持たせることができ、また短時間のシャッタ機能を備えた２次元受光素子を利用することで、一括で画像の画素ごとに距離計測を行える。
図７は光強度を三角形状に変調した光パターンを２つの場合で示す概略図である。図５および図６で示した形状計測装置は、図７（ａが図５に、ｂが図６に対応）に示すように、光強度を三角形状に変調した光パターンでなければならず、同じ周期の正弦波で変調した場合に比べ変調時に高い周波数特性が要求される。
また、図６では、上りの三角形と下りの三角形の強度の比を用いて、測定物体の反射率をキャンセルしているため、計測時に信号以外の外乱光が混入するとこの比がずれてしまうため、背景光除去に注意を払う必要がある。
特開平７−１０３７１４号公報 特開２０００−１２１３３９公報 「光三次元計測」、吉澤徹、新技術コミュニケーションズ、ページ２８−３７、１９９３

しかしながら、従来の、ＴＯＦ法に基づいて一括で画像の画素ごとに距離を計測する方法では、測定物体方面から戻る反射パルスの距離決定を背景光が無視できることを前提に行っており、光量変動などの光の外乱に弱い問題がある。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、測定物体方面から戻る反射光から距離決定を行う際に、照射パターンを簡単に実現でき、背景光量変動に対する安定性を向上させる形状測定装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、測定物体に照射パターンを照射する照射手段と、前記測定物体の表面で反射された撮像パターンを得る撮像手段とを備え、前記撮像パターンから測定物体の表面形状を得る形状測定装置において、前記測定物体は前記照射手段からの距離が第１の距離Ｌ１と第２の距離Ｌ２（Ｌ２＞Ｌ１とする）の範囲に存在し、前記照射パターンは前記第１の距離Ｌ１と前記第２の距離Ｌ２の遅延時間を周期とした正弦波の位相が異なる複数のアナログ変調光列であり、前記撮像手段は前記第２の距離Ｌ２にある前記測定物体からの反射光が前記撮像手段に戻る時間のタイミングで前記撮像パターンの光強度を計測し、かつ計測された光強度から計算する前記測定物体の測度により、前記測定物体の距離を求めることを特徴とする。
また請求項２に記載の発明は、前記照射パターンはＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（ωｔ＋φｏ）の形の正弦波であり、φｏ＝０、π／２、π、３π／２である４枚の繰り返しパターンから得られた前記撮像パターンの光量分布をＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃ、Ｐｐｓとすると、測度関数φ＝ａｔａｎ（（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ））から測度φを求め、測定物体の距離Ｌを、Ｌ＝Ｌ２−（Ｌ２−Ｌ１）φ／（２π）から求める請求項１の形状測定装置を特徴とする。
また請求項３に記載の発明は、前記照射パターンはＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（ωｔ＋φｏ）の形の正弦波であり、φｏ＝０、π／２、πである３枚の繰り返しパターンから得られた前記撮像パターンの光量分布をＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃ、Ｐｐｓとすると、測度関数ａｔａｎ（（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／（Ｐｎｓ−Ｐｎｃ））−π／４から測度φを求め、前記測定物体の距離Ｌを、Ｌ＝Ｌ２−（Ｌ２−Ｌ１）φ／（２π）から求める請求項１の形状測定装置を特徴とする。
また請求項４に記載の発明は、前記照射パターンは第１の距離Ｌ１と前記第２の距離Ｌ２の遅延時間の間にｎ周期（ｎは整数）の正弦波の光強度をとる周期とした複数のアナログ変調光列である請求項１の形状測定装置を特徴とする。

また請求項５に記載の発明は、前記照射手段の前方の距離Ｌｏに反射板を設け、該反射板から戻る反射光の測度φｒ、前記測定物体での反射光から得られた検知測度をφｄとし、真の測度φをφ＝φｄ＋（（Ｌ２−Ｌｏ）／（２π（Ｌ２−Ｌ１））−φｒ）から求める請求項１の形状測定装置を特徴とする。
また請求項６に記載の発明は、前記撮像手段から一定の光量を照射して計測した撮像光の光強度をＰｍａｘ、前記撮像手段から光照射を行わずに計測した背景光の光強度をＰｍｉｎ、計測した光強度をＰ、規格化光強度をＰｎｏｒｍ＝Ｋ（Ｐ−Ｐｍｉｎ）／（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）で求め、定数ＫをＰｎｏｒｍの最大値を１とするように決め、Ｐｎｏｒｍを用いて形状を求める請求項１の形状測定装置を特徴とする。
また請求項７に記載の発明は、前記照射手段はレーザダイオードや発光ダイオードなどの半導体光源であり、前記撮像手段は光シャッタ付きのＣＣＣＤ素子、またはＣＭＯＳ素子である請求項１の形状測定装置を特徴とする。
また請求項８に記載の発明は、前記照射手段はレーザダイオードや発光ダイオードなどの半導体光源であり、前記撮像手段は電子増倍作用を持ったイメージインテンシファイアである請求項１の形状測定装置を特徴とする。
また請求項９に記載の発明は、前記照射手段の光源を赤外光源とし、前記撮像手段に可視光を除去する光フィルタを設ける請求項１の形状測定装置を特徴とする。
また請求項１０に記載の発明は、前記照射手段の光源を赤外光源とし、前記撮像手段に赤外光と可視光を分離するミラーを設け、分離した赤外光から形状を測定し、可視光から形状に貼り付けるテキスチャデータを得る請求項９記載の形状測定装置を特徴とする。

本発明によれば、形状測定装置では、光強度を正弦波状に変調した複数の光列から測度を観測して距離を決定するので、パルス光量変動に対する安定性が向上し、背景光量変動などの外乱に強くなる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明による形状測定装置の第１の実施形態を示す概略図である。図１において、形状測定装置Ａは、測定物体２０に光パターン（照射パターン）を照射する照射手段（レーザダイオード）２１と、測定物体２０表面で反射された光パターン（撮像パターン）を得る、上記照射手段２１と光学的に同じ位置にある撮像手段２２と、撮像パターンから測定物体２０の表面形状を計算する計算手段（図示せず）から構成されている。
測定物体２０は照射手段２１から距離Ｌ１からＬ２（Ｌ２＞Ｌ１とする）の範囲に存在し、照射パターンはＬ１とＬ２の遅延時間ｔｐ（＝２（Ｌ２−Ｌ１）／ｃ）（ｃは光速を意味する）の間に正弦波状の光強度を採るｔｐを周期とした複数のアナログ変調光列である。
各変調光列は正弦波の位相が異なり、撮像手段２２は距離Ｌ２にある測定物体２０からの反射光が撮像手段２２に戻る時間ｔ２（＝２Ｌ／ｃ）のタイミングで撮像パターンの光強度を計測し、かつ計測された光強度から計算する測定物体２０の測度により、測定物体の距離を求めるようにしている。
具体的に述べれば、照明手段２１はレーザダイオードからなり、レーザの出力光を変調して照射パターンを生成する。撮像手段２２はレンズ２３とＣＭＯＳフォトダイオードが２次元状に配列された受光素子アレイ２２とレンズ２３の直前に配した光シャッタ２４からなる。
ハーフミラー２５を利用してレンズ２３の光学中心とレーザダイオード２１の発光中心を光学的に同じ位置に合わせてあるため、測定物体２０から見ると、照明手段２１と撮像手段２２は同じ場所にあるように見える。そのため、通常の光切断法と異なり、照明と撮像の間に視差がない。
照明手段（レーザダイオード）２１から照射された光パルスは、ハーフミラー２５で折り曲げられて測定物体２０上に照射される。この測定物体２０上で散乱された光の一部は、照射と同じ経路を逆にたどって、ハーフミラー２５を透過し、光シャッタ２４を抜けて受光素子アレイ２２上に結像する。レンズ２３の焦点距離をｆとすると、レンズ２３と受光素子アレイ２２との距離は概ねｆとなる。

レンズ２３の光学中心から測定物体２０までの距離をＬ、光速をｃとすると、レーザダイオード２１から照射されたパルス列は、測定物体２０上で反射されて、２Ｌだけ伝播し、時間ｔ後に光シャッタ２４に戻ってくる。
ｔ＝２Ｌ／ｃ
測定物体２０がＬ１からＬ２（Ｌ１＜Ｌ２）の間にあるとして、Ｌ１の距離から一番速くパルスが受光素子アレイ２２に戻る時間ｔ１と、Ｌ２の距離から一番遅くパルスが戻る時間ｔ２は、
ｔ１＝２Ｌ１／ｃ
ｔ２＝２Ｌ２／ｃ
である。
レーザダイオード２１の照射する変調周期をｔｐ
ｔｐ＝２（Ｌ２−Ｌ１）／ｃ
とし、光強度がＩｐ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（ωｔ＋φｏ）となる正弦波状の変調パターンを照射する。ここでω＝２π／ｔｐ、φｏは初期位相である。
測定物体２０で反射された反射光の光量は、測定物体表面の反射率と表面の距離の２乗に反比例するが、どちらも不明なのでＩｄ＝Ａ’＋Ｂ’ｃｏｓ（ωｔ＋φｏ＋φｓ）の形で撮像される。Ａ’、Ｂ’、φｓは測定物体表面の場所ごとに異なる。
位相ずれφｓが生じるのは、測定物体２０の距離に応じて反射に遅延が生じるためで、距離Ｌ１で反射される場合が最も位相が進み、距離Ｌ２で反射される場合は最も位相が遅れる。
ｔｐを周期に正弦波状に変調された光は、距離Ｌ２反射される光が撮像素子に戻る時間を基準にすると、Ｌ２位置でφｓ＝０、Ｌ１位置でφｓ＝２π、その中間の反射位置ではＬ２からの距離に比例して位相φｓが割り振られる。上述した測度というのはここで言う距離に対応した位相値φｓのことである。
撮像された変調パターンＩｄから何等かの方法で測度が分れば、次の式から距離Ｌが求められる。
Ｌ＝Ｌ２−（Ｌ２−Ｌ１）φ／（２π）
例えば、φｏ＝０とφｏ＝πのパターンを用いると、Ｉｄ１＝Ａ’＋Ｂ’ｃｏｓ（ωｔ＋φｓ）とＩｄ２＝Ａ’＋Ｂ’ｓｉｎ（ωｔ＋π＋φｓ）が得られ、変調なしの背景光からＩｄ３＝Ａ’が得られる。
Ｉｄ１、Ｉｄ２、Ｉｄ３を測定時間ｔ２の一瞬で計測した光量とし、測度関数φ＝ａｔａｎ（（Ｉｄ２−Ｉｄ３）／（Ｉｄ１−Ｉｄ３））から測度φを求めると、φ＝φｓとして測度が得られる。この例では測度の判別に３回の測定が必要である。
光シャッタ２４が開いている時間ｔｓが測度の分解能を決めることになる。例えば、１００ＭＨｚで変調している場合は１周期が３ｍになるので、Ｌ２−Ｌ１＝１．５ｍの間、ちょうど変調パターンの１周期分が収まる。光シャッタ２４が開くゲート時間が１周期の１／１０に相当する１ｎｓであれば、距離分解能は０．１５ｍとなる。
この装置で高速動作しなくてはならないのは、レーザダイオード２１と光シャッタ２４だけであり、高価になり易い高速変調素子の数を２個に抑えられることが利点である。高速変調素子の個数が少なければ、相互の時間同期も取り易い。受光素子アレイ２２を用いているため、アレイの各画素からレンズ２３の光学中心を通して見た方向ごとに、測定物体表面の距離が同時に求められる。
受光素子アレイ２２は通常のＣＣＤやＣＭＯＳ受光素子アレイで十分であるが、測度を正しく検知するには入射光量に対する信号の線形性が必要である。工業用のＣＣＤでは通常１％程度の線形性が得られているので、光シャッタ２４のゲート時間を周期の１／１００まで短縮できれば、変調の１周期に相当するＬ２−Ｌ１に対して１％の精度が得られる。

図２は本発明による形状測定装置の第２の実施形態を示す概略図である。
図２の形状測定装置Ａでは、追加的に、照射パターンは、Ｉ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（ωｔ＋φｏ）の形の正弦波である。
図２において、形状測定装置Ａは、測定物体２０に光パターン（照射パターン）を照射する照射手段（レーザダイオード）２１と、測定物体２０表面で反射された光パターン（撮像パターン）を得る、照射手段２１と光学的に同じ位置にある撮像手段２２と、撮像パターンから測定物体２０の表面形状を計算する計算手段（図示せず）から構成されている。
具体的に述べれば、照明手段２１はレーザダイオードからなり、レーザの出力光を変調して照射パターンを生成する。撮像手段はレンズ２３とＣＭＯＳフォトダイオードが２次元状に配列された受光素子アレイ２２とレンズ２３の直前に配した光シャッタ２４からなる。
ハーフミラー２５を利用してレンズ２３の光学中心とレーザダイオード２１の発光中心を光学的に同じ位置に合わせてあるため、測定物体２０から見ると、照明手段２１と撮像手段は同じ場所にあるように見える。測定物体２０とハーフミラー２５の間には参照ミラー２６が配置されている。
φｏ＝０、π／２、π、３π／２である４枚の繰り返しパターンから得られた撮像パターンの光量分布をＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃ、Ｐｐｓとすると、測度関数φ＝ａｔａｎ（（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ））から測度φを求め、測定物体の距離Ｌを、Ｌ＝Ｌ２−（Ｌ２−Ｌ１）φ／（２π）から求めるようにしている。
照射パターンとして、通常の位相シフト法でよく用いられる、π／２ずつずれた正弦波を４種類用いた例である。第１の実施形態に比べてパターンの枚数が増えているが、位相を安定して検知できる点で実績のある測度関数である。
第１の実施形態で背景光を求めたＩｄ３は、変調のない言わば「直流」パターンであるが、第２の実施形態は４枚のパターンとも空間周波数が同じであり、撮像レンズの結像特性に空間周波数依存性がある場合は、このようなパターンが望ましい。
この形状測定装置Ａでは、照射パターンを、位相がπ／４だけ異なる４種類の正弦波が繰り返される光列とすることで、パターンが実装し易くなっているため、照射や観測を簡単に実現できる。

第２の実施形態の第１の変形例の形状測定装置では、第１の実施形態に加え、照射パターンが、Ｉ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（ωｔ＋φｏ）の形の正弦波である。φｏ＝０、π／２、πである４枚の繰り返しパターンから得られた撮像パターンの光量分布をＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃ、Ｐｐｓとすると、測度関数φ＝ａｔａｎ（（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／（Ｐｎｓ−Ｐｎｃ））から測度φを求め、測定物体２０の距離Ｌを、Ｌ＝Ｌ２−（Ｌ２−Ｌ１）φ／（２π）から求めるようにしている。
第２の実施形態より１枚だけ照射パターンを減らし、測度関数を変更したものである。３回撮像すればよいので、検知の手間を第２の実施形態より減らせるのが利点である。理論上は第２の実施形態と同じ測度が得られるはずであるが、変調が正弦波からずれると第２の実施形態の４枚パターンに比べて測度誤差が大きくなる。ただし、３枚のパターンとも空間周波数が同じであり、撮像レンズの結像特性に空間周波数依存性がある場合は、このようなパターンが望ましい。
第２の実施形態の第１の変形例の形状測定装置では、照射パターンを、位相がπ／４だけ異なる３種類の正弦波が繰り返される光列とすることで、パターンが実装し易くなっているため、照射や観測を簡単に実現できる。
第２の実施形態の第２の変形例の形状測定装置では、第１の実施形態に加え、照射パターンがＬ１とＬ２の遅延時間ｔｐの間にｎ周期（ｎは整数）の正弦波の光強度を取るｔｐ／ｎを周期とした複数のアナログ変調光列であるようにしている。
ｔｐにｎ周期の正弦波を配置すると、０・・・２πの測度が０・・・２πｎまでｎ倍増加するため、同じ測度誤差の場合、距離精度がｎ倍改善される。例えばｎ＝１０、つまり変調周波数を１０倍にし、１０周期分の正弦波とすれば、距離精度が１０倍改善される。
このとき問題になるのは、測度は、実際には２πの範囲に折り畳まれているため、Ｌ１からＬ２の距離に対応する測度値がｎ個所生じることである。ｎ＝１０の例では、Ｌ１からＬ２の間が１０等分に分割され、各々の分割領域に対して０から２πの値の測度が対応するため、或る測度値を与えた場合、１０個の分割領域のどれに対応しているか判断できないことになる。ここでは、照射パターンの周期をｎ倍短縮することで、照射パターンの測度検知精度をｎ倍向上しているので、距離分解能を高めることができる。
この問題を解決する現実的な解決策としては、測定物体２０の上の或る点の測度を与え、その点の周辺の測度が連続することを仮定して撮像領域全域で位相を特定する方法が知られている。
また、ｎの値を１とする場合は、精度は低いが曖昧さなく測度を決定できるので、これを概算値として、ｎを増加させて精度を上げたとき、最も概算値に近い測度を選択する方法を採ってもよい。

第２の実施形態の第３の変形例の形状測定装置では、第１の実施形態に加え、照射手段２１の前方の距離Ｌｏに反射板（参照ミラー）２６を設け、この反射板から戻る反射光の測度φｒ、測定物体２０での反射光から得られた検知測度をφｄとし、真の測度φをφ＝φｄ＋（（Ｌ２−Ｌｏ）／（２π（Ｌ２−Ｌ１））−φｒ）から求めるようにしている。
図２のように、レンズ２３の光学中心からＬｏの距離に距離の参照面となる反射板（参照ミラー）２６を設けておく。レーザパルスの変調に対して光シャッタ２４の変調の基準時間がずれている場合、計測される測度φｄが真の位相φからずれる。
測定物体２０の位置に光を吸収する吸収板（図示せず）を設けておくと、距離Ｌｏにある参照ミラー２６で観察されるずれを含む測度をφｒ’とすると、真のφｒは
Ｌ＝Ｌ２−（Ｌ２−Ｌ１）φｒ／（２π）
でなくてはならない。この測度ずれ（φｒ−φｒ’）を用いると、計測測度φｄを次式で補正できる。
φ＝φｄ＋（φｒ−φｒ’）
計測時には参照ミラー２６を外し、吸収板の代りに測定物体２０を置いて測定すればよい。
ここでは、半透明の反射板を設け、この反射板から戻る反射光の戻り時間から撮像に対する照射の測度ずれを計測することで、照射と撮像の変調タイミングずれを予測しているので、距離測定の誤差を低減できる。

図３は本発明による形状測定装置の第３の実施形態を示す概略図である。
図３において、形状測定装置は、測定物体２０に光パターン（照射パターン）を照射する照射手段（レーザダイオード）２１と、測定物体２０表面で反射された光パターン（撮像パターン）を得る、照射手段２１と光学的に同じ位置にある撮像手段２２と、撮像パターンから測定物体２０の表面形状を計算する計算手段（図示せず）から構成されている。
具体的に述べれば、照明手段２１はレーザダイオードからなり、レーザの出力光を変調して照射パターンを生成する。撮像手段はレンズ２３とＣＭＯＳフォトダイオードが２次元状に配列された受光素子アレイ２２とレンズ２３の直前に配した光シャッタ２４からなる。
ハーフミラー２５を利用してレンズ２３の光学中心とレーザダイオード２１の発光中心を光学的に同じ位置に合わせてあるため、測定物体２０から見ると、照明手段２１と撮像手段２２は同じ場所にあるように見える。この場合、レーザダイオード２１は赤外レーザダイオードであり、光シャッタ２４の下に赤外線フィルタ２７が配置されている。
図３の第３の実施形態の形状測定装置Ａでは、図１の第１の実施形態に加えて、撮像手段２２から一定の光量を照射して計測した撮像光の光強度をＰｍａｘ、撮像手段２２から光照射を行わずに計測した背景光の光強度をＰｍｉｎ、計測した光強度をＰ、規格化光強度をＰｎｏｒｍ＝Ｋ（Ｐ−Ｐｍｉｎ）／（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）で求め、定数ＫをＰｎｏｒｍの最大値を１とするように決め、Ｐｎｏｒｍを用いて形状を求めるようにしている。

撮像手段２２で計測される光強度Ｐは、照射強度Ｐｓと測定物体表面の反射率σに比例する。このときの比例係数をＣとすると、背景光をＰｂとして
Ｐ＝ＣＰｓσ＋Ｐｂ
となる。
一定の光強度Ｐｓ１で照射した場合の計測光強度をＰｍａｘ、光強度０とした場合の計測光強度をＰｍｉｎとすると、
Ｐｍａｘ＝ＣＰｓ１σ＋Ｐｂ
Ｐｍｉｎ＝Ｐｂ
背景光を除いた真の計測光強度をＰｘとし、規格化光強度Ｐｎｏｒｍ＝（Ｋ Ｐ−Ｐｍｉｎ）／（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）を求めると、
Ｐ＝ＣＰｘσ＋Ｐｂ
Ｐｎｏｒｍ＝Ｋ（Ｐ−Ｐｍｉｎ）／（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）＝ＫＰｘ／Ｐｓ１
Ｐｘの最大値をＰｘｍａｘとすると、
Ｋ＝Ｐｓ１／Ｐｘｍａｘ
とすればＰｎｏｒｍを０から１に規格化できる。
ここでは、一定光量の撮像光強度と背景光の光強度で、計測した光強度を規格化することで、撮像される光強度が測定物体の反射率に依存しにくいため、測定物体２０の反射率に依存した距離誤差を低減できる。
改めてＰｎｏｒｍを計測光強度として距離判定に用いれば、測定物体２０の反射率や背景光の影響なしに形状計測できる。Ｋの値は、撮像手段で得られた画素ごとに異なる値を取る。
第１の実施形態の具体例および第２の実施形態、およびその第１の変形例の照射パターンを用いると、理論上は測定物体表面の反射率をキャンセルできるのであるが、照射パターンが厳密な正弦波からずれると測度誤差が生じる。

第３の実施形態の前処理を施してから測度を求めると、正弦波からのずれをある程度吸収し、測度誤差を低減できる。第２の実施形態を例に示すと、計測されたＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃ、ＰｐｓをＰと見て規格化し、得られたＰｐｃ’、Ｐｎｓ’、Ｐｎｃ’、Ｐｐｓ’を改めてＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃ、Ｐｐｓと解釈して測度関数の代入することで測度を求める。
第３実施形態の形状測定装置Ａでは、第１実施形態に加え、照射手段２１はレーザダイオードや発光ダイオードなどの半導体光源であり、撮像手段２２は光シャッタ２４付きのＣＣＣＤ素子、またはＣＭＯＳ素子であるように構成している。
照明手段２１や撮像手段２２は、なるべく入手し易く低コストの部品で作れることが望ましい。照射手段２１を、レーザダイオードや発光ダイオードなどの半導体光源、撮像手段２２を、光シャッタ２４付きのＣＣＣＤ素子、またはＣＭＯＳ素子とすれば、容易に第３の実施形態の装置を構成することができる。
レーザダイオードと外部に光シャッタ２４を設けたＣＣＤまたはＣＭＯＳアレイによる構成は第１の実施形態の具体例で既に述べた。最近のＬＳＩは簡単な回路であれば１０ＧＨｚを越すクロックでも動作するので、光シャッタ２４をＣＭＯＳ基板に内蔵した光電流のシャッタ回路としてもよい。
第３の実施形態の形状測定装置では、照射手段２１を半導体光源、撮像手段２２を光シャッタ付きのＣＣＣＤ素子、またはＣＭＯＳ素子とすることで、入手し易く、高速応答可能な素子で装置を構成できるので、システムコストを低減できる。

第３の実施形態の第１の変形例の形状測定装置では、第１の実施形態に加え、照射手段２１はレーザダイオードや発光ダイオードなどの半導体光源であり、撮像手段２２は電子増倍作用を持ったイメージ増強装置（インテンシファイア）であることを特徴とする。
撮像手段２２で光量を測定する場合、計測周期数を増やすことで光量を確保することは第１の実施形態の説明で述べたが、受光素子自体を高速高感度にする方法もある。第３の実施形態のこの第１の変形例では受光素子として電子増倍作用を持ったイメージ増強装置（製造元は浜松ホトニクス社など）を用いる。
この素子は高速のゲート機能を持つため、光シャッタを兼用できる点もメリットである。高感度に光強度を計測できるため、計測周期数を増やす必要もなく、全体の形状計測時間を低減することに繋がる。
また、照射手段２１を半導体光源、撮像手段２２を、電子増倍作用を有するイメージ増強装置とすることによって、撮像手段２２を高速・高感度化しているので、距離誤差を低減できる。
第３の実施形態の第２の変形例の形状測定装置では、第１の実施形態に加え、照射手段２１の光源を赤外光源（赤外線レーザダイオード）とし、撮像手段２２には可視光を除去する光フィルタ（赤外線フィルタ）２７を設けている。
図３に示すように、光源として赤外レーザダイオード２１を用い、光シャッタ２４に赤外線を透過する赤外線フィルタ２７を設けることで、ノイズになる外部からレンズに入射する可視光（外乱光）を除去し、光強度計測の光量誤差に起因する距離誤差を低減できる。

図４は本発明による形状測定装置の第４の実施形態を示す概略図である。照射手段の光源を赤外光源（赤外レーザダイオード）２１とし、撮像手段に赤外光と可視光を分離するミラーを設け、分離した赤外光から形状を測定し、可視光から形状に貼り付けるテキスチャデータを得るようにしている。
第３の実施形態の第２の変形例の光フィルタとして、第２のハーフミラー２８を新たに設け、この第２のハーフミラー２８は可視光を反射するようにする。反射した可視光は第２のレンズ２９で受光素子アレイ２２に結像され、可視のテキスチャ画像として撮像する。
赤外レーザダイオード２１とレンズ２３と光シャッタ２４と受光素子アレイ２２により形状計測を行う点は、第３の実施形態の第２の変形例と同じである。レンズ２３と第２のレンズ２９の光学中心は、ハーフミラー２５および第２のハーフミラー２８で折り曲げられているだけで、光学的に同じ位置にあるため、受光素子アレイ２２および第２の受光素子アレイ３０の画素ごとにテキスチャ画像と距離画像の対応を付けることができる。
第４の実施形態の形状測定装置では、赤外光・可視光の分離ミラーを利用して赤外光から形状を測定し、可視光から形状に貼り付けるテキスチャデータを得る。これによって、形状測定とテキスチャ画像取得を異なる波長の光で行うので、形状測定とテキスチャ画像取得を同時に行える。

本発明による形状測定装置の第１の実施形態を示す概略図。 本発明による形状測定装置の第２の実施形態を示す概略図。 本発明による形状測定装置の第３の実施形態を示す概略図。 本発明による形状測定装置の第４の実施形態を示す概略図。 特許文献１に開示の従来例を示すブロック図。 特許文献２に開示の従来例を示すブロック図。 光強度を三角形状に変調した光パターンを２つの場合で示す概略図。

符号の説明

２０ 測定物体、２１ 照射手段（レーザダイオード）、２２ 撮像手段（受光素子アレイ）、２３ 撮像手段（レンズ）、２４ 撮像手段（光シャッタ）、２５ ハーフミラー、２６ 反射板（参照ミラー）、２７ 赤外線フィルタ、２８ 第２のハーフミラー、２９ 第２のレンズ、３０ 第２の受光素子アレイ

Claims (10)

1. 測定物体に照射パターンを照射する照射手段と、前記測定物体の表面で反射された撮像パターンを得る撮像手段とを備え、前記撮像パターンから測定物体の表面形状を得る形状測定装置において、前記測定物体は前記照射手段からの距離が第１の距離Ｌ１と第２の距離Ｌ２（Ｌ２＞Ｌ１とする）の範囲に存在し、前記照射パターンは前記第１の距離Ｌ１と前記第２の距離Ｌ２の遅延時間を周期とした正弦波の位相が異なる複数のアナログ変調光列であり、前記撮像手段は前記第２の距離Ｌ２にある前記測定物体からの反射光が前記撮像手段に戻る時間のタイミングで前記撮像パターンの光強度を計測し、かつ計測された光強度から計算する前記測定物体の測度により、前記測定物体の距離を求めることを特徴とする形状測定装置。
2. 前記照射パターンはＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（ωｔ＋φｏ）の形の正弦波であり、φｏ＝０、π／２、π、３π／２である４枚の繰り返しパターンから得られた前記撮像パターンの光量分布をＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃ、Ｐｐｓとすると、測度関数φ＝ａｔａｎ（（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ））から測度φを求め、測定物体の距離Ｌを、Ｌ＝Ｌ２−（Ｌ２−Ｌ１）φ／（２π）から求めることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
3. 前記照射パターンはＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（ωｔ＋φｏ）の形の正弦波であり、φｏ＝０、π／２、πである３枚の繰り返しパターンから得られた前記撮像パターンの光量分布をＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃ、Ｐｐｓとすると、測度関数ａｔａｎ（（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／（Ｐｎｓ−Ｐｎｃ））−π／４から測度φを求め、前記測定物体の距離Ｌを、Ｌ＝Ｌ２−（Ｌ２−Ｌ１）φ／（２π）から求めることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
4. 前記照射パターンは第１の距離Ｌ１と前記第２の距離Ｌ２の遅延時間の間にｎ周期（ｎは整数）の正弦波の光強度をとる周期とした複数のアナログ変調光列であることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
5. 前記照射手段の前方の距離Ｌｏに反射板を設け、該反射板から戻る反射光の測度φｒ、前記測定物体での反射光から得られた検知測度をφｄとし、真の測度φをφ＝φｄ＋（（Ｌ２−Ｌｏ）／（２π（Ｌ２−Ｌ１））−φｒ）から求めることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
6. 前記撮像手段から一定の光量を照射して計測した撮像光の光強度をＰｍａｘ、前記撮像手段から光照射を行わずに計測した背景光の光強度をＰｍｉｎ、計測した光強度をＰ、規格化光強度をＰｎｏｒｍ＝Ｋ（Ｐ−Ｐｍｉｎ）／（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）で求め、定数ＫをＰｎｏｒｍの最大値を１とするように決め、Ｐｎｏｒｍを用いて形状を求めることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
7. 前記照射手段はレーザダイオードや発光ダイオードなどの半導体光源であり、前記撮像手段は光シャッタ付きのＣＣＣＤ素子、またはＣＭＯＳ素子であることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
8. 前記照射手段はレーザダイオードや発光ダイオードなどの半導体光源であり、前記撮像手段は電子増倍作用を持ったイメージインテンシファイアであることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
9. 前記照射手段の光源を赤外光源とし、前記撮像手段に可視光を除去する光フィルタを設けることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
10. 前記照射手段の光源を赤外光源とし、前記撮像手段に赤外光と可視光を分離するミラーを設け、分離した赤外光から形状を測定し、可視光から形状に貼り付けるテキスチャデータを得ることを特徴とする請求項９記載の形状測定装置。

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