JP2021076531A - ３次元計測装置及び３次元計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】物体の３次元形状の情報を得るまでの時間を短縮すること。
【解決手段】３次元計測装置は、物体に対してパターン光を照射する投影装置と、パターン光が照射された物体の全領域を撮像するように配置され、それぞれが物体の部分的な領域を撮像する複数の撮像装置と、複数の撮像装置のそれぞれから物体の部分的な領域の画像データを取得するとともに、複数の画像データに対応する物体の部分的な領域の３次元形状を算出し、算出された複数の物体の部分的な領域の３次元形状を合成して物体の全体的な形状を特定する制御装置と、を備える。
【選択図】図１

Description

本開示は、３次元計測装置及び３次元計測方法に関する。

特許文献１に開示されているように、複数の方向から物体にパターン光を照射して、物体の３次元形状を計測する技術が知られている。

特開２００３−２０２２９６号公報

物体は、撮像装置で撮像される。撮像装置は、パターン光を照射する照射装置とともにヘッドに配置され、物体上を走査しながら物体を撮像する。そのため、撮像装置が物体の全体を撮像するまでに時間が掛かってしまう可能性がある。

本開示は、物体の３次元形状の情報を得るまでの時間を短縮することを目的とする。

本開示に従えば、物体に対してパターン光を照射する投影装置と、前記パターン光が照射された前記物体の全領域を撮像するように配置され、それぞれが前記物体の部分的な領域を撮像する複数の撮像装置と、複数の前記撮像装置のそれぞれから前記物体の部分的な領域の画像データを取得するとともに、複数の前記画像データに対応する前記物体の部分的な領域の３次元形状を算出し、算出された複数の前記物体の部分的な領域の３次元形状を合成して前記物体の全体的な３次元形状を特定する制御装置と、を備える、３次元計測装置が提供される。

本開示によれば、物体の３次元形状の情報を得るまでの時間を短縮することを目的とする。

図１は、第１実施形態に係る３次元計測装置の一例を示す模式図である。 図２は、照射装置の構成の一例を示す図である。 図３は、撮像装置の構成の一例を示す図である。 図４は、第１実施形態に係る３次元計測装置の撮像装置の配置の一例を示す模式図である。 図５は、第１実施形態に係る３次元計測装置の撮像装置の撮像範囲の一例を示す図である。 図６は、第１実施形態に係る３次元計測装置の制御装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。 図７は、第１実施形態に係る３次元計測方法の一例を示すフローチャートである。 図８は、第１実施形態に係る縞パターンの一例を示す図である。 図９は、第１実施形態に係るパターンが投影された物体の画像データの一例を示す図である。 図１０は、第１実施形態に係る画像データの画素の輝度の一例を示す図である。 図１１は、第１実施形態に係る相対位相値及び絶対位相値の一例を模式的に示す図である。 図１２は、第１実施形態に係るグレイコードパターンの一例を示す図である。 図１３は、第１実施形態に係るグレイコードパターンが投影された物体の画像データの一例を示す図である。 図１４は、第１実施形態に係る第１画像データの輝度変化と、第２画像データの輝度変化と、複数のグレイコードパターンを合成することにより生成される縞次数コードと、縞次数との関係を示す図である。 図１５は、第２実施形態に係る３次元計測装置の一例を示す図である。 図１６は、第２実施形態に係る３次元計測装置の撮像装置の撮像範囲の一例を示す図である。 図１７は、第２実施形態に係る３次元計測装置の制御装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。 図１８は、第２実施形態に係る３次元計測方法の一例を示すフローチャートである。 図１９は、各実施形態に係るコンピュータシステムを示すブロック図である。

以下、本開示に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本開示はこれに限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。所定面のＸ軸と平行な方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸と直交する所定面のＹ軸と平行な方向をＹ軸方向とし、所定面と直交するＺ軸と平行な方向をＺ軸方向とする。また、Ｘ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＸ方向とし、Ｙ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＹ方向とし、Ｚ軸を中心とする回転又は傾斜方向をθＺ方向とする。ＸＹ平面は所定面である。

［第１実施形態］
＜３次元計測装置＞
図１を用いて、第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る３次元計測装置の一例を示す模式図である。

図１に示すように、第１実施形態に係る３次元計測装置１は、検査対象物である物体Ｓに対してパターン光ＰＬを照射する複数の投影装置３と、パターン光ＰＬが照射された物体Ｓを撮像し、撮像範囲Ａにおける物体Ｓの部分的な画像データを取得する複数の撮像装置４と、撮像装置４により取得された物体Ｓの画像データに基づいて物体Ｓの３次元形状を算出する制御装置５とを備える。複数の撮像装置４は、物体Ｓの＋Ｚ方向側において、支持部材２により支持されている。第１実施形態において、物体Ｓは、例えば、電子部品Ｅ１、電子部品Ｅ２、および電子部品Ｅ３などが搭載された実装基板である。この場合、３次元計測装置１は、電子部品Ｅ１〜Ｅ３などが搭載された実装基板の表面の３次元形状を計測する。なお、本実施形態において、物体Ｓは、実装基板に限定されない。

図２と、図３とを用いて、投影装置３および撮像装置４の構成について説明する。図２は、投影装置３の構成の一例を示す模式図である。図３は、撮像装置４の構成の一例を示す模式図である。

投影装置３は、光を発生する光源３１と、光源３１から射出された光を光変調してパターン光ＰＬを生成する光変調素子３２と、光変調素子３２で生成されたパターン光ＰＬを物体Ｓに投影する投影光学系３３とを有する。

光変調素子３２は、デジタルミラーデバイス(Digital Mirror Device：ＤＭＤ)を含む。なお、光変調素子３２は、透過型の液晶パネルを含んでもよいし、反射型の液晶パネルを含んでもよい。光変調素子３２は、制御装置５から出力されるパターンデータに基づいてパターン光ＰＬを生成する。投影装置３は、パターンデータに基づいてパターン化されたパターン光ＰＬを物体Ｓに照射する。

撮像装置４は、物体Ｓで反射したパターン光ＰＬを結像する結像光学系４１と、結像光学系４１を介して物体Ｓの画像データを取得する撮像素子４２とを有する。撮像素子４２は、ＣＭＯＳイメージセンサ（Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor）又はＣＣＤイメージセンサ（Charge Coupled Device Image Sensor）を含む固体撮像素子である。撮像素子４２は、入射面４１Ｓを介して入射した外部からの光を受光する。

撮像装置４は、比較的安価なカメラおよびレンズで構成することができる。撮像装置４として、例えば、スマートフォンに搭載されるような汎用的なカメラを用いてよい。撮像装置４のレンズとして、汎用的な非テレセントリックなレンズを用いてよい。

図４を用いて、３次元計測装置１の投影装置３および撮像装置４の配置について説明する。図４は、３次元計測装置１の投影装置３および撮像装置４の配置の一例を示す模式図である。

投影装置３の位置は、固定される。投影装置３は、物体Ｓの＋Ｚ方向側に配置される。投影装置３は、物体Ｓの表面の全領域にパターン光ＰＬを照射できる位置に配置される。投影装置３は、例えば、矩形の物体Ｓの４辺のそれぞれに対向する位置に１台ずつの計４台が配置される。投影装置３は、物体Ｓの表面の全領域にパターン光ＰＬを配置できるのであれば、配置する場所や、配置する数に特に制限はない。例えば、投影装置３は、物体Ｓと対向する位置に配置されてもよい。投影装置３は、物体Ｓの表面の全領域にパターン光ＰＬを配置できるのであれば、１台であってもよい。

複数の撮像装置４のそれぞれの位置は、固定される。複数の撮像装置４は、物体Ｓの＋Ｚ方向側に配置される。複数の撮像装置４は、ＸＹ平面上に２次元的に配置される。撮像装置４は、例えば、ＸＹ平面上でマトリックス状に配置される。この場合、撮像装置４は、例えば、Ｘ方向にＮ台配置され、Ｙ方向にＭ台配置される。ＮとＭは、数〜数十の整数であるが、これに限定されない。ＮとＭは同じでもよいし、異なっていてもよい。複数の撮像装置４の結像光学系４１の入射面４１Ｓは、物体Ｓと対向する。複数の撮像装置４の結像光学系４１の入射面４１Ｓは、物体Ｓに対して傾いていてもよい。複数の撮像装置４の結像光学系４１の入射面４１Ｓの物体Ｓに対する角度は、それぞれ、同じでもよいし、異なっていてもよい。各撮像装置４の結像光学系４１の入射面４１Ｓと、物体Ｓの表面との間の距離は、それぞれ同じであってもよいし、異なっていてもよい。なお、複数の撮像装置４の配置方法はこれらに限定されず、物体Ｓの表面の全領域を撮影できるように物体Ｓの＋Ｚ方向側に配置されていればよい。

複数の撮像装置４は、それぞれ、例えば物体Ｓがベルトコンベアなどで運ばれ、各撮像装置４の−Ｚ方向側に位置した物体Ｓを撮像する。複数の撮像装置４は、それぞれ、例えば作業者によって各撮像装置４の−Ｚ方向側に配置された物体Ｓを撮像する。

図５を用いて、物体Ｓにおける撮像装置４の撮像範囲について説明する。図５は撮像装置の撮像範囲を説明するための図である。

図５では、撮像装置４は、物体Ｓに対向してマトリックス状にＮ×Ｍ台配置されている場合の、各撮像装置４の撮像範囲を示している。撮像範囲Ａ_１１は１行１列目の撮像装置４の撮像範囲であり、撮像範囲Ａ_ＮＭはＮ行Ｍ列目の撮像装置４の撮像範囲である。図５に示すように、３次元計測装置１は、複数の撮像装置４を用いることで、物体Ｓの表面を隙間なく撮像する。隣接する撮像装置４間の撮像範囲は、一部が重複してもよい。例えば、撮像範囲Ａ１１は、撮像範囲Ａ１２と、撮像範囲Ａ２１と、撮像範囲Ａ２２と、一部が重複してもよい。

制御装置５は、コンピュータシステムを含み、投影装置３及び撮像装置４を制御する。制御装置５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサを含む演算処理装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）又はＲＡＭ（Random Access Memory）のようなメモリ及びストレージを含む記憶装置とを有する。演算処理装置は、記憶装置に記憶されているコンピュータプログラムに従って演算処理を実施する。また、制御装置５は、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の集積回路により実現されてもよい。

３次元計測装置１は、パターン投影法に基づいて、物体Ｓの３次元形状を計測する。投影装置３は、パターン光ＰＬとして、例えば、正弦波状の明度分布の縞パターン光を位相シフトさせながら物体Ｓに照射する。投影装置３は、パターン光ＰＬをダイレクトに物体Ｓに照射する。また、投影装置３は、空間コード法に基づいて、空間コードパターンの一種であるグレイコードパターンを物体Ｓに投影してもよい。

撮像装置４は、パターン光ＰＬが照射された物体Ｓの画像データを取得する。具体的には、撮像装置４は、自身の撮像範囲に対応する範囲の物体Ｓの部分的な画像データを取得する。

＜制御装置＞
図６を用いて、第１実施形態に係る制御装置５の構成の一例について説明する。図６は、第１実施形態に係る制御装置５の構成の一例を示す機能ブロック図である。

図６に示すように、制御装置５は、入出力部５１と、パターン生成部５２と、画像データ取得部５３と、相対位相値算出部５４と、縞次数算出部５５と、絶対位相値算出部５６と、３次元形状算出部５７と、３次元形状特定部５８とを備える。本実施形態において、制御装置５は、複数の撮像装置４のそれぞれから物体Ｓの部分的な領域の画像データを取得する。制御装置５は、複数の画像データに対応する物体Ｓの部分的な領域の３次元形状を算出する。制御装置５は、算出された複数の物体Ｓの部分的な領域の３次元形状を合成して物体Ｓの全体的な形状を特定する。

パターン生成部５２は、パターンデータを生成する。パターン生成部５２で生成されたパターンデータは、入出力部５１を介して光変調素子３２に出力される。光変調素子３２は、パターン生成部５２で生成されたパターンデータに基づいて、パターン光を生成する。本実施形態において、パターン生成部５２は、パターンデータとして、縞パターンデータを生成する。パターン生成部５２は、パターンデータとして、グレイコードパターンデータを生成してもよい。光変調素子３２は、パターン生成部５２で生成された縞パターンデータに基づいて、縞パターン光を生成する。光変調素子３２は、パターン生成部５２で生成されたグレイコードパターンデータに基づいて、グレイコードパターン光を生成する。

画像データ取得部５３は、入出力部５１を介して、各撮像装置４の撮像素子４２から画像データを取得する。画像データ取得部５３は、パターン光が照射された物体Ｓの画像データを取得する。具体的には、画像データ取得部５３は、各撮像装置４の撮像素子４２からそれぞれの撮像範囲に対応する物体Ｓの部分的な画像データを複数取得する。

相対位相値算出部５４は、複数の画像データＭの輝度に基づいて、画像データＭの複数の画素ｐそれぞれの相対位相値θｐを算出する。相対位相値算出部５４は、位相シフトされた縞パターンＰＢのそれぞれが投影された物体Ｓの画像を示す複数の画像データＭの同一の点の輝度に基づいて、その点に対応する画像データＭの画素ｐの相対位相値θｐを算出する。相対位相値算出部５４は、画像データＭの複数の点それぞれの輝度に基づいて、画像データＭの複数の画素ｐそれぞれの相対位相値θｐを算出する。相対位相値算出部５４は、各撮像装置４の撮像素子４２から取得された画像データについて、相対位相値を算出する。

縞次数算出部５５は、複数の画像データＭに基づいて、画像データＭの複数の画素ｐそれぞれの縞パターンＰＢの縞次数ｎを算出する。縞次数ｎとは、物体Ｓに１度に投影される縞パターンＰＢの複数の縞のうち、特定の縞を基準として付される複数の縞それぞれの番号である。換言すれば、縞次数ｎとは、物体Ｓに１度に投影される縞パターンＰＢの複数の縞のうち、基準の縞から数えてｎ番目の縞であることを示す値である。縞次数算出部５５は、各撮像装置４の撮像素子４２から取得された画像データについて、縞次数を算出する。

絶対位相値算出部５６は、相対位相値θと縞次数ｎとに基づいて、画像データＭの複数の画素ｐそれぞれの絶対位相値θａを算出する。絶対位相値算出部５６は、各撮像装置４の撮像素子４２から取得された画像データについて、絶対位相値を算出する。

３次元形状算出部５７は、画像データＭの複数の画素ｐそれぞれの絶対位相値θａに基づいて、画像データＭの複数の画素ｐそれぞれに対応する物体Ｓの複数の点それぞれの高さデータを算出して、物体Ｓの部分的な３次元形状を算出する。３次元形状算出部５７は、各撮像装置４の撮像素子４２から取得された画像データについて、物体Ｓの部分的な３次元形状を算出する。

３次元形状特定部５８は、物体Ｓの部分的な３次元形状に基づいて、物体Ｓの全体的な３次元形状を特定する。３次元形状特定部５８は、物体Ｓの部分的な３次元形状の算出結果を合成することで、物体Ｓの全体的な３次元形状を算出する。

＜３次元計測方法＞
次に、図７を用いて、第１実施形態に係る３次元計測方法について説明する。図７は、第１実施形態に係る３次元計測方法の一例を示すフローチャートである。

パターン生成部５２は、縞パターンデータを生成する。縞パターンデータは、投影装置３の光変調素子３２に出力される。投影装置３は、パターン光を位相シフトさせながら物体Ｓに照射する（ステップＳ１０）。撮像装置４は、パターン光が照射された物体Ｓの部分的な画像データを複数取得する（ステップＳ１１）。

図８は、第１実施形態に係る縞パターンＰＢの一例を示す図である。図８に示すように、縞パターンＰＢは、位相シフト量が０［°］である縞パターンＰＢ１と、位相シフト量が９０［°］である縞パターンＰＢ２と、位相シフト量が１８０［°］である縞パターンＰＢ３と、位相シフト量が２７０［°］である縞パターンＰＢ４とを含む。投影装置３は、縞パターンＰＢ１、縞パターンＰＢ２、縞パターンＰＢ２、及び縞パターンＰＢ４のそれぞれを物体Ｓに順次投影する。

図９は、本実施形態に係る縞パターンＰＢが投影された物体Ｓの部分的な画像データＭの一例を示す図である。図９に示すように、画像データＭは、縞パターンＰＢ１が投影された物体Ｓの画像データＭ１、縞パターンＰＢ２が投影された物体Ｓの画像データＭ２、縞パターンＰＢ３が投影された物体Ｓの画像データＭ３、及び縞パターンＰＢ４が投影された物体Ｓの画像データＭ４を含む。画像データ取得部５３は、複数の画像データＭ（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）を取得する。

図１０は、本実施形態に係る画像データＭ１の画素ｐ（ｘ，ｙ）の輝度ａ_１、画像データＭ２の画素ｐ（ｘ，ｙ）の輝度ａ_２、画像データＭ３の画素ｐ（ｘ，ｙ）の輝度ａ_３、及び画像データＭ４の画素ｐ（ｘ，ｙ）の輝度ａ_４の一例を示す図である。４つの画像データＭ（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）において、画素ｐ（ｘ，ｙ）は、物体Ｓの同一の点からの光が入射した画素である。図１０に示すように、相対的な輝度は、縞パターンＰＢの位相シフト量だけ変化する。

相対位相値算出部５４は、複数の画像データＭ（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）の輝度に基づいて、画像データＭの複数の画素ｐそれぞれの相対位相値θｐを算出する（ステップＳ１２）。

縞パターンＰＢが投影された物体Ｓの複数の点それぞれの相対位相値θｐと、画像データＭの複数の画素ｐそれぞれの相対位相値θｐとは、１対１で対応する。相対位相値算出部５４は、画像データＭの複数の画素ｐそれぞれの相対位相値θｐを算出して、縞パターンＰＢが投影された物体Ｓの複数の点それぞれの相対位相値θｐを算出する。

相対位相値算出部５４は、（１）式に基づいて、画素ｐ（ｘ，ｙ）の相対位相値θｐ（ｘ，ｙ）を算出する。

相対位相値算出部５４は、全ての画素ｐについて相対位相値θｐを算出する。全ての画素ｐについての相対位相値θｐが算出されることにより、縞パターンＰＢが投影された物体Ｓの全ての点についての相対位相値θｐが算出される。

図１１は、本実施形態に係る相対位相値θｐ及び絶対位相値θａの一例を模式的に示す図である。図１１に示すように、相対位相値θｐは、縞パターンＰＢの１位相毎に算出される。（１）式は逆正接関数であるため、図１１に示すように、各画素ｐの相対位相値θｐは、縞パターンＰＢの１位相毎の値（−π〜πの間の値）となる。

相対位相値θｐから物体Ｓの３次元形状を算出するために、物体Ｓの各点における絶対位相値θａを算出する位相接続が実施される。本実施形態においては、位相接続のために、物体Ｓにグレイコードパターンを投影する空間コード化法が使用される。本実施形態においては、空間コード化法に基づいて縞パターンＰＢの縞次数ｎが算出される。図１１に示すように、相対位相値θｐと縞次数ｎとに基づいて、絶対位相値θａ（＝θｐ＋２ｎπ）が算出される。

図１２は、本実施形態に係るグレイコードパターンＰＲの一例を示す図である。グレイコードパターンＰＲは、明暗のコードが所定の周期で反転するパターンである。図１２に示すように、グレイコードパターンＰＲは、縞パターンＰＢの周期よりも短い周期でコードが変化するグレイコードパターンＰＲ１と、グレイコードパターンＰＲ１の周期とは異なる周期でコードが変化するグレイコードパターンＰＲ２と、グレイコードパターンＰＲ１，ＰＲ２の周期とは異なる周期でコードが変化するグレイコードパターンＰＲ３と、グレイコードパターンＰＲ１，ＰＲ２，ＰＲ３の周期とは異なる周期でコードが変化するグレイコードパターンＰＲ４とを含む。投影装置３は、グレイコードパターンＰＲ１、グレイコードパターンＰＲ２、グレイコードパターンＰＲ３、及びグレイコードパターンＰＲ４のそれぞれを物体Ｓに順次投影する。

図１３は、本実施形態に係るグレイコードパターンＰＲが投影された物体Ｓの画像データＮの一例を示す図である。画像データＮは、グレイコードパターンＰＲ１が投影された物体Ｓの画像データＮ１と、グレイコードパターンＰＲ２が投影された物体Ｓの画像データＮ２と、グレイコードパターンＰＲ３が投影された物体Ｓの画像データＮ３と、グレイコードパターンＰＲ４が投影された物体Ｓの画像データＮ４とを含む。画像データ取得部５３は、複数の画像データＮ（Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４）を取得する。

縞次数算出部５５は、複数の画像データＮに基づいて、画像データＭの複数の画素ｐそれぞれの縞パターンの縞次数ｎを算出する（ステップＳ１３）。

縞次数算出部５５は、空間コーディングの手法を用いて画像データＭにおける縞パターンＰＢの縞次数ｎを算出する。

図１４は、本実施形態に係る縞パターンＰＢを投影して撮像された画像データＭの輝度変化と、グレイコードパターンＰＲを投影して撮像された画像データＮの輝度変化と、複数のグレイコードパターンＰＲを合成することにより生成されるグレイコードＧＣ（縞次数コード）と、縞次数ｎとの関係を示す図である。

縞次数算出部５５は、画像データＭの複数の画素のそれぞれについて、複数のグレイコードパターンＰＲの合成値であるグレイコードＧＣを生成する。グレイコードＧＣは、同一の縞次数コードによって構成されるコードである。グレイコードＧＣは、所定の周期で生成される。本実施形態において、グレイコードＧＣの周期は、縞パターンＰＢの周期よりも短い。

縞次数コードは、複数のグレイコードパターンＰＲが物体Ｓに投影されたときの明暗コードの組み合わせに基づいて規定される。グレイコードパターンＰＲは、明暗コードが交互に反転するパターンを含む。本実施形態においては、４つのグレイコードパターンＰＲ（ＰＲ１，ＰＲ２，ＰＲ３，ＰＲ４）が物体Ｓのある点に投影されたとき、それら４つのグレイコードパターンＰＲの明コードと暗コードとの組み合わせにより、２進数に基づいて縞次数コードが規定される。図１０に示す例では、縞次数コードとして、「０ｘ００００」、「０ｘ０００１」、「０ｘ００１０」、「０ｘ００１１」、「０ｘ０１００」、「０ｘ０１０１」、「０ｘ０１１０」、「０ｘ０１１１」が規定される。

本実施形態において、１回目に投影されるグレイコードパターンＰＲの明暗コードの周期Ｌｒは、縞パターンＰＢの周期Ｌｂよりも短い。２回目に投影されるグレイコードパターンＰＲの明暗コードの周期Ｌｒは、１回目に投影されるグレイコードパターンＰＲの明暗コードの周期Ｌｒの２倍である。３回目に投影されるグレイコードパターンＰＲの明暗コードの周期Ｌｒは、２回目に投影されるグレイコードパターンＰＲの明暗コードの周期Ｌｒの２倍である。４回目に投影されるグレイコードパターンＰＲの明暗コードの周期Ｌｒは、３回目に投影されるグレイコードパターンＰＲの明暗のコードの周期Ｌｒの２倍である。

１つのグレイコードＧＣは、１つの縞次数コードによって規定される。すなわち、グレイコードＧＣと縞次数コードとは、１対１で対応する。本実施形態においては、グレイコードＧＣの周期は、縞パターンＰＢの周期よりも短い。本実施形態において、グレイコードＧＣの周期は、縞パターンＰＢの周期の３／４である。すなわち、縞パターンＰＢの３周期分の長さとグレイコードＧＣの４周期分の長さとが等しい。

縞パターンＰＢの周期をＬｂ、グレイコードパターンの周期をＬｒ、０．５以上１未満の数をＴ、０以上の整数をｉ、としたとき、本実施形態においては、（２）式の条件を満足する。

図１４に示す例では、数Ｔは、３／４である。すなわち、グレイコードパターンＰＲ１の周期Ｌｒは、（３／４）×Ｌｂである。グレイコードパターンＰＲ２の周期Ｌｒは、（６／４）×Ｌｂである。グレイコードパターンＰＲ３の周期Ｌｒは、（１２／４）×Ｌｂである。グレイコードパターンＰＲ４の周期Ｌｒは、（２４／４）×Ｌｂである。

このように、複数のグレイコードパターンＰＲの合成値から縞次数コード及び縞次数コードに１対１で対応するグレイコードＧＣが算出され、縞次数ｎが算出される。

絶対位相値算出部５６は、相対位相値θｐと縞次数ｎとに基づいて、画像データＭの複数の画素ｐそれぞれの絶対位相値θａを算出する（ステップＳ１４）。

３次元形状算出部５７は、画像データＭの複数の画素ｐそれぞれの絶対位相値θａに基づいて、物体Ｓの部分的な３次元形状を算出する（ステップＳ１５）。

３次元形状算出部５７は、絶対位相値θａに基づいて、三角測量の原理により、画像データＭの各画素ｐにおける高さデータを算出する。画像データＭの各画素ｐにおける高さデータと物体Ｓの表面の各点における高さデータとは１対１で対応する。物体Ｓの表面の各点における高さデータは、３次元空間における各点の座標値を示す。３次元形状算出部５７は、各点における高さデータに基づいて、物体Ｓの３次元形状データを算出する。

制御装置５は、物体Ｓを撮像する全ての撮像装置から取得した画像データに基づいて、物体Ｓの部分的な３次元形状を算出したか否かを判定する（ステップＳ１６）。算出したと判定された場合（ステップＳ１６：Ｙｅｓ）、ステップＳ１７に進む。一方、算出したと判定されない場合（ステップＳ１６：Ｎｏ）、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ１６でＹｅｓと判定された場合、３次元形状特定部５８は、３次元形状算出部５７によって算出された物体Ｓの部分的な３次元形状に基づいて、物体Ｓの全体的な３次元形状を特定する（ステップＳ１７）。３次元形状特定部５８は、物体Ｓの部分的な３次元形状データを物体Ｓの全領域に渡って合成して、物体Ｓの全体的な３次元形状データを算出する。

上述のとおり、第１実施形態では、物体Ｓを撮像する撮像装置４を移動させることなく、物体Ｓの３次元形状を特定することができる。これにより、３次元計測装置１は、物体Ｓまたは撮像装置４の走査時間を省略することができるため、物体Ｓの全体の３次元形状を特定するまでの時間を短縮することができる。

また、第１実施形態では、物体Ｓを撮像する撮像装置４を移動させる必要がないので、物体Ｓを撮像する際のブレを少なくすることができる。これにより、３次元計測装置１は、物体Ｓの全体の３次元形状をより精度よく特定することができる。

また、第１実施形態では、撮像装置４を汎用的なカメラで構成することができる。これにより、３次元計測装置１は、物体Ｓの全体の３次元形状を低コストで特定することができる。

［第２実施形態］
図１５を用いて、第２実施形態について説明する。図１５は、第２実施形態に係る３次元計測装置１Ａの一例を示す模式図である。

図１５に示すように、第２実施形態に係る３次元計測装置１Ａは、通常画角の撮像装置４（第１カメラ）に加えて、パターン光ＰＬが照射された物体Ｓを撮像し、撮像範囲Ｂにおける物体Ｓの部分的な画像データを取得する複数の撮像装置４Ａ（第２カメラ）を備える点で、図１に図示の３次元計測装置１と異なっている。撮像装置４Ａの撮像範囲Ｂは、撮像装置４の撮像範囲Ａよりも広い。すなわち、撮像装置４Ａは、撮像装置４よりも広角な範囲を撮像可能な撮像装置である。

撮像装置４Ａは、例えば、Ｘ方向にＱ台配置され、Ｙ方向にＲ台配置される。Ｑは、撮像装置４のＸ方向における台数であるＮよりも小さい。Ｒは、撮像装置４のＹ方向における台数であるＭよりも小さい。

図１６を用いて、物体Ｓにおける撮像装置４Ａの撮像範囲について説明する。図１６は、撮像装置４Ａの撮像範囲を説明するための図である。

図１６では、撮像装置４Ａが物体Ｓに対向してマトリックス状にＱ×Ｒ台配置されている場合の、各撮像装置４Ａの撮像範囲を示している。撮像範囲Ｂ_１１は１行１列目の撮像装置４Ａの撮像範囲であり、撮像範囲Ｂ_ＱＲはＱ行Ｒ列目の撮像装置４Ａの撮像範囲である。図１６に示すように、３次元計測装置１Ａは、複数の撮像装置４を用いることで、物体Ｓの表面を隙間なく撮像する。撮像装置４Ａの撮像範囲Ｂ_１１〜Ｂ_ＱＲは、撮像装置４の撮像範囲Ａ_１１〜Ａ_ＮＭよりも広い。そのため、３次元計測装置１Ａは、３次元計測装置１よりも少ない撮像回数で物体Ｓの表面を隙間なく撮像することができる。

図１７を用いて、第２実施形態に係る制御装置５Ａの構成について説明する。図１７は、第２実施形態に係る制御装置５Ａの構成の一例を示す機能ブロック図である。

図１７に示すように、制御装置５Ａは、設定部５９を備える点で、図６に図示の制御装置５と異なっている。

設定部５９は、物体Ｓを撮像するための撮像装置を判定する。設定部５９は、判定結果に基づいて、物体Ｓを撮像する撮像装置として、撮像装置４または撮像装置４Ａを設定する。

設定部５９は、物体Ｓを撮像する撮像装置として、物体Ｓそのものに応じて、撮像装置４または撮像装置４Ａを設定する。設定部５９は、物体Ｓを撮像する撮像装置として、ユーザからの指示に基づいて、撮像装置４または撮像装置４Ａを設定する。設定部５９は、物体Ｓの形状をより精度よく算出する場合には、物体Ｓを撮像する撮像装置を撮像装置４に設定する。設定部５９は、物体Ｓの形状をより短時間で算出する場合には、物体Ｓを撮像する撮像装置を撮像装置４Ａに設定する。

図１８を用いて、第２実施形態に係る３次元計測方法について説明する。図１８は、第２実施形態に係る３次元計測方法の一例を示すフローチャートである。

まず、制御装置５Ａは、物体Ｓを撮像する撮像装置を広角へ切り替えるか否かを判定する（ステップＳ２０）。広角に切り替えると判定された場合（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）、ステップＳ２１に進む。一方、広角に切り替えると判定されなかった場合（ステップＳ２０：Ｎｏ）、ステップＳ２２に進む。

ステップＳ２０でＹｅｓと判定された場合、設定部５９は、物体Ｓを撮像する撮像する撮像装置として広角の撮像装置４Ａを設定する（ステップＳ２１）。そして、ステップＳ２３に進む。一方、ステップＳ２０でＮｏと判定された場合、設定部５９は、物体Ｓを撮像する撮像装置として通常画角の撮像装置４を設定する（ステップＳ２２）。そして、ステップＳ２３に進む。

ステップＳ２３〜ステップＳ３０の処理は、図７に図示のステップＳ１０〜ステップＳ１７の処理と同一なので、説明を省略する。

上述のとおり、第２実施形態では、３次元形状の検査対象である物体Ｓに応じて、通常の撮像装置から広角の撮像装置に切り替えることができる。これにより、第２実施形態では、物体Ｓのおおよその形状を把握したい場合には、撮像装置４Ａを用いることで、より短時間で、物体Ｓのおおよその形状を算出することができる。

［コンピュータシステム］
図１９は、各実施形態に係るコンピュータシステム１０００を示すブロック図である。上述の制御装置５，５Ａは、コンピュータシステム１０００を含む。コンピュータシステム１０００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサ１００１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような不揮発性メモリ及びＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性メモリを含むメインメモリ１００２と、ストレージ１００３と、入出力回路を含むインターフェース１００４とを有する。制御装置５，５Ａの機能は、プログラムとしてストレージ１００３に記憶されている。プロセッサ１００１は、プログラムをストレージ１００３から読み出してメインメモリ１００２に展開し、プログラムに従って上述の処理を実行する。なお、プログラムは、ネットワークを介してコンピュータシステム１０００に配信されてもよい。

プログラムは、上述の実施形態に従って、コンピュータシステム１０００に、物体Ｓに対してパターン光を照射することと、パターン光が照射された物体Ｓの全領域を撮像するように、物体Ｓの複数の部分的な領域を撮像することと、物体Ｓの複数の部分的な領域の画像データを取得するとともに、複数の画像データに対応する物体Ｓの部分的な領域の３次元形状を算出し、算出された物体Ｓの複数の部分的な領域の３次元形状を合成して物体Ｓの全体的な３次元形状を特定することと、を実行させることができる。

１，１Ａ…３次元計測装置、２…支持部材、３…投影装置、３１…光源、３２…光変調素子、３３…投影光学系、４，４Ａ…撮像装置、４１…結像光学系、４２…撮像素子、５，５Ａ…制御装置、５１…入出力部、５２…パターン生成部、５３…画像データ取得部、５４…相対位相値算出部、５５…縞次数算出部、５６…絶対位相値算出部、５７…３次元形状算出部、５８…３次元形状特定部、５９…設定部

Claims (6)

1. 物体に対してパターン光を照射する投影装置と、
   前記パターン光が照射された前記物体の全領域を撮像するように配置され、それぞれが前記物体の部分的な領域を撮像する複数の撮像装置と、
   複数の前記撮像装置のそれぞれから前記物体の部分的な領域の画像データを取得するとともに、複数の前記画像データに対応する前記物体の部分的な領域の３次元形状を算出し、算出された複数の前記物体の部分的な領域の３次元形状を合成して前記物体の全体的な３次元形状を特定する制御装置と、
   を備える、３次元計測装置。
2. 複数の前記撮像装置は、前記物体に対向して２次元に配置されている、
   請求項１に記載の３次元計測装置。
3. 複数の前記撮像装置は、マトリックス状に配置されている、
   請求項２に記載の３次元計測装置。
4. 前記投影装置は、正弦波状の明度分布の縞パターン光を位相シフトさせながら前記物体に照射する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の３次元計測装置。
5. 複数の撮像装置は、通常画角で前記物体を撮像する第１カメラと、通常画角に対して広角で前記物体を撮像する第２カメラとを含み、
   前記制御装置は、前記物体に応じて前記物体を撮像するために前記第１カメラと前記第２カメラとを設定する、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の３次元計測装置。
6. 物体に対してパターン光を照射することと、
   前記パターン光が照射された前記物体の全領域を撮像するように、前記物体の複数の部分的な領域を撮像することと、
   前記物体の複数の部分的な領域の画像データを取得するとともに、複数の前記画像データに対応する前記物体の部分的な領域の３次元形状を算出し、算出された前記物体の複数の部分的な領域の３次元形状を合成して前記物体の全体的な３次元形状を特定することと、
   を含む、３次元計測方法。

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