JPH04232580A - ３次元カラーイメージ化方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【技術分野】本発明は目標物外面の３次元（３Ｄ）のカ
ラーイメージ化に関する。 【０００２】 【発明の背景】物体のモノクロ３Ｄイメージ化はよく知
られており、物体（品物、場面および／または人物）の
形状および外面に関する詳細データの蓄積、物品の自動
検査または自動組立、ロボット工学、および、種々の医
療に応用されている。 【０００３】 【従来技術】三角測量法は目標物の距離範囲を正確に知
ることができ、それ故に、目標物の外見を正確に知るこ
とができる。代表的な公知技術である三角測量原理の実
現について述べられた米国特許は、第３，９８６，７７
４号（ローリーら（Ｌｏｗｒｅｙ　ｅｔ　ａｌ））、１
９７９年１０月２３日付第４，１７１，９１７号（パー
レット（Ｐｉｒｌｅｔ））、１９８２年９月１４日付第
４，３４９，２７７号（マンディ（Ｍｕｎｄｙ）ら）、
１９８６年１２月９日付第４，６２７，７３４号（リュ
ー（Ｒｉｏｕｘ））および１９８７年１０月２０日付第
４，７０１，０４９号（ベックマンら（Ｂｅｃｋｍａｎ
　ｅｔ　ａｌ））がある。 【０００４】パーレットおよびリューに与えられた特許
は、物体表面を光線で走査する三角測量法である。同期
走査線受光器は、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）のよう
な位置検知器上に反射光をイメージ化し、基準面からの
目標物表面における偏差範囲を示す電気信号を発生させ
る。 【０００５】ベックマンらもまた三角測量原理を用いた
測定方法を開示した。この特許は測定用光線断面を変化
させることにより解像度を上げる技術であり、真の反射
とそうでない反射とを見分けるために目標物表面に異な
る２つの角度で光線を当てその光点を観察するという特
徴を備えている。 【０００６】マンディらは、カラーパターンを目標物表
面に投影して、波長帯の変移を分離した検知器アレイで
検知し、これらの変移が表面の形状を示すことになる光
学視差三角測量原理を用いている。 【０００７】１９８７年２月２４日付米国特許第４，６
４５，３４７号（リュー）は外観測定の別の方法を提案
している。これは開口を２カ所備えたマスクで覆われた
集光レンズを用いるものである。検知器でのイメージ間
隔は、例えば集光レンズの焦点面のような基準面からの
目標物表面における偏差範囲をあらわしている。 【０００８】また、三角測量法とは別の方法、例えば、
レーダー測定方法によって距離範囲データを検知するこ
とが可能である。光学的距離範囲測定の種々の方法に関
する集大成は、「アクティブ、オプティカル・レンジ・
イメージング・センサーズ（Ａｃｔｉｖｅ，　Ｏｐｔｉ
ｃａｌ　Ｒａｎｇｅ　Ｉｍａｇｉｎｇ　Ｓｅｎｓｏｒｓ
）」（ポール・ジェイ・ベスル（Ｐａｕｌ　Ｊ．Ｂｅｓ
ｌ）著、マシーン・ヴィジョン・アンド・アプリケーシ
ョン社、１９８８年、１章１２７〜１５２）に示されて
いる。 【０００９】しかし、これらの公知のシステムも、目標
物表面の色に関するデータを収集することはできない。 【００１０】一方では、カラービデオカメラに関する数
多くの先願がある。例えば、１９７８年２月７日付米国
特許第４，０７２，４０５号（オゼキ）は、３原色に分
解するためにビデオカメラにおいてカラーフィルターを
プリズムと組合わせている。３原色それぞれに対応する
３つの検知器は、カラーテレビ信号に処理される赤、緑
および青の信号を発生させる。完全な色分解が必要であ
るので、それぞれ独立の検知器が必要である。 【００１１】 【発明の概要】本発明の第１の目的は、既に用いられて
いる公知のモノクロ３Ｄカメラにほんの少しの改良を施
すだけの簡単な方法で、３Ｄデータとともにカラーデー
タの優れた収集が可能な方法を提供することである。 【００１２】より特別には、本発明の目的は、複数の検
知器、または、複数のカラーフィルタの複雑さをできる
限り無くすこと、または、３Ｄカメラの必要構成に対し
て根本的な変更を避けることである。 【００１３】本発明は、少なくとも一つは既知の値の波
長を含んだ複数の波長からなる入射光線で目標物表面を
走査する方法および装置を提供することで、上記の目的
を達成する。目標物表面からの反射光線は、位置検知器
により受光される複数の戻り光線に分解され、目標物表
面の色を示す信号を発生させる。 【００１４】本発明においては位置検知器信号だけが必
要である。さらには、位置検知器はモノクロ機能のもの
で十分である。即ち、カラーフィルタや他のカラー検知
素子は必要ない。 【００１５】結果的に、本発明は、既にあるモノクロ３
Ｄカメラをカラーデータ処理可能に改良することが可能
になる。光源の種類を変更し、戻り光線の色分解デバイ
スを用意し、さらに、カメラの検知器からの出力信号の
処理を変更するだけでよい。他のあらゆる点については
カメラに関する変更はない。 【００１６】本発明の一つの形態においては、入射光線
は既知の３つの波長、すなわち、青、緑および赤の波長
からなる。本発明のこの形態は、デジタル形状データと
ともにデジタル色データを記録し、このデータから人間
の目に見えるように表示させるのに都合がよい。 【００１７】本発明の今一つの形態においては、可視領
域の連続光と、これと明確に区別するために、好ましく
は可視スペクトル領域外の例えば赤外領域の一つの既知
波長とを混合した入射光線を用いる。光線の連続可視ス
ペクトル領域から検知器に入力される信号は、詳細な解
析のために比較的多数の波長に分解されるので、この形
態は非常に正確な測色を必要とする場合に適している。 【００１８】 【好ましい実施例の詳細な説明】 図１は同期光学三角測量走査システムを模式的に示すも
のであり、これは、リューの米国特許第４，６２７，７
３４号における開示に従って動作し、該特許公報の第１
２図に記載された実施例と基本的に構造が同じである。 【００１９】例えばＲＧＢレーザのような光源２は、赤
緑青の既知波長からなる光線６を出す。固定ミラー１０
と回転両面ミラー４の一面は光線６をＸ方向に走査して
物体８に向って発射する。物体８の目標面上の一点Ｐか
らの反射光７は、今一つの固定ミラー１０により方向を
変えられ、回転ミラー４の他面によってレンズ１４に反
射される。反射光７はレンズ１４を通って戻り光線１２
となって、例えばＣＣＤのような位置検知器１８の上に
投影される。また戻り光線１２を３原色１２Ｂ，１２Ｇ
および１２Ｒに分解する装置１６がレンズ１４と位置検
知器１８の間に置かれる。色分解装置１６が単純なくさ
び型でもよいが、少なくとも１色の光線、好ましくは緑
光線について共線効果（ｃｏｌｌｉｎｅａｒ　ｅｆｆｅ
ｃｔ）を達成する２重くさび型や他の装置を用いてもよ
い。換言すれば、光線１２Ｇは光線１２の連続スペクト
ルのうちの一つの波長である。しかし、本発明にとって
、この共線性は重要ではない。 【００２０】検知器１８は、光線１２Ｂ，１２Ｇおよび
１２Ｒそれぞれの振幅Ａおよび位置Ｄを測定し、図２に
示す信号１７Ｂ，１７Ｇおよび１７Ｒを発生させる。こ
れらの信号はいずれも点Ｐの距離範囲、すなわち、光線
１２の光軸に対して垂直な基準面（Ｚ＝０）からのＺ方
向における点Ｐの偏差を示す。検知器１８は、焦点面が
ある程度の範囲をもっているため、光線１２の光軸に対
して傾けられる。信号１７Ｒ，１７Ｇおよび１７Ｂの位
置は互いに変化しないので、これらの信号の一つ、二つ
あるいは全てをＺ方向における偏差の測定に用いること
ができる。通常、最大振幅の信号がこの目的に用いられ
る。これらの信号の一つが検知されなかったり、測定の
ためにあまりにも小さすぎるような物体の色であれば、
残る２信号の色は、それぞれの間隔によって認識されう
る。 【００２１】検知器１８が、２次元であれば、すなわち
、Ｘ方向と同様にＹ方向（Ｘ，Ｚ方向それぞれに対して
垂直である）に沿って受光部を備えていれば、ミラーを
さらにＸ方向に延びる軸廻りに回転させることにより、
必要なＹ方向の光線の走査は容易に行える（上記の米国
特許公報第４，６２７，７３４号第１２図のミラーＭ６
参照）。　　　　　　 【００２２】ミラーを回転させることは好ましい走査方
である一方、物体８および図１の構成要素が示す３Ｄカ
メラ全体を相対的に移動させても同様の効果が得られる
。 【００２３】従来、マイクロコンピュータ２０は、接続
線１３によりミラー４（もし複数のミラーで構成されて
いるなら、そのミラー郡）の走査系、または、物体８お
よびカメラ１９の相対移動を制御している一方、接続線
１５の信号１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒを受信しデジタル化
して、３Ｄカラーデータを生成して蓄積する。このデー
タは、物体を識別するのに使用されたり、あるいは、フ
ァクシミリ化されたり、またディスプレイ２１にも表示
される。 【００２４】より基本的な三角測量構成が図３に示され
ている。図３において、ＲＧＢレーザからの光線３２は
あるメカニズム（図示せず）によりＹ方向に走査され、
物体３４の表面の一点Ｐに投射される。作像レンズ３５
、および、戻り光線３３を３原色に分解する分解装置３
８を通過した後、戻り光線３３は１次元位置検知器３６
上の点Ｍで受光される。物体３４がない場合に基準面Ｚ
＝０から受光される光線３３’に対する基準点Ｎと点Ｍ
との偏差Ｑが、基準面に対する点Ｐの高さＨを示す。 同様に、物体表面の色が、３原色光線の相対強度から測
定できる。Ｂは、三角測量角であり、図に破線で示すよ
うに、レンズ３５の横断中心面の延長が入射光線３２と
交わる点から伸びた直線上の検知器３６の傾斜角でもあ
る。 【００２５】図４は、光源２２が、可視領域連続光線と
既知波長、好ましくは、可視スペクトル外の赤外波長レ
ーザー光との混合である光線６’を出す点を除いては、
図１と同様の実施例を示す。また、検知信号が可視光の
検知信号と区別されるならば、レーザー光の波長は可視
スペクトル内であってもよい。検知器１８に受光される
分解戻り光線１２Ｖおよび１２Ｉはそれぞれ信号１７Ｖ
および１７Ｉを発生させる（図５参照）。信号１７Ｉは
Ｚ方向における点Ｐの偏差を決定するのに用いられる一
方、信号１７Ｖはマイクロコンピュータ２０によって比
較的多数の波長に分解され、３原色を用いるよりも簡単
に正確な測色を行うことができる。従って、このシステ
ムは、測色時における物体表面のかすかな変化、例えば
、表面がきれいになったり、その他の理由による変化を
検知可能である。 【００２６】図６は、リューの米国特許第４，６４５，
３４７号公報に示された光学的構成を用いた簡略化した
実施例を示す。レーザー４８はいわゆるラミナ（ｌａｍ
ｉｎａｒ）またはプレーナ（ｐｌａｎａｒ）構造の多重
波長光線４９、すなわち、実質的にＹ方向に伸び、Ｘ方
向に対しては非常に幅の狭い光線を発生し、それによっ
て物体８表面に帯状光を投射する。開口マスク４４によ
って、レンズ４２は、目標物からの光４５を例えばＣＣ
Ｄアレイのような２次元位置検知器５２上の離れた２点
に合焦する。この離れた２点間の距離が基準面からの点
ＰにおけるＺ方向偏差を示す。光線４５は色分解装置５
０を通るため、各光線は光線４５Ｂ，４５Ｇおよび４５
Ｒに分解され、信号は図７における３組の波線６２Ｂ，
６２Ｇおよび６２Ｒとなって、マイクロコンピュータ２
０によって処理される。該波線の振幅は処理され目標物
表面の色データを発生する一方、選択された一組の波線
、例えば、波線６２Ｇ間のＹ方向の異なった位置間隔Ｄ
１，Ｄ２等はＺ方向のデータ、すなわち、偏差を示す。 上記の実施例と同様に、装置は、物体に関して光線をＸ
方向に走査する手段を有している。 【００２７】図８は図７と同様の実施例を示しているが
、図４に示すような既知波長レーザ光と連続可視光とが
混合したラミナ光線７１を発生させる光源７０を用いる
ように変更している。結果的に、検知器５２は、図９に
示す形状の光線７２Ｖおよび７２Ｉを受光する。図７と
同様に、間隔Ｄ１，Ｄ２はＺ方向データを示す一方、ス
ペクトル７４の特性は物体表面の色を示す。 【００２８】図１０は、距離範囲を測定する三角測量法
に改良を施したものを示し、このレーダーシステムによ
り物体表面の外観は得られる。ハーフミラー８０は戻り
光線、例えば、光線１２Ｇの一部をマイクロコンピュー
タ２０に接続された検知器８１に偏向させる。入射光線
はパルス化されていて、発射から戻りまでのパルス飛行
時間をもとにしてマイクロコンピュータは距離範囲を測
定し、デジタル化する。検知器１８は、物体の距離範囲
（外観）を測定には用いられないので、光軸に対して傾
斜している必要はないが、図１０において傾いて示され
ているのは、これが３Ｄカメラにおける一般的な使われ
方であり、本発明の特徴の一つはカメラに対する変更を
最小限にすることであるからである。検知器１８は距離
範囲を検知する必要はないため、三角測量角はほぼ０に
まで減じることができる。すなわち、入射光線はその戻
り光線とほぼ平行な光軸を有しており、特に目標物表面
がカメラからかなり離れている場合に有効である。従っ
て、図１０の実施例は、検知器８１を追加する必要があ
るという点で図１〜図９の方法よりもさらにカメラの変
更を必要とするが、代償として、入射光線と戻り光線の
光軸間の角度を０に、あるいは、非常に小さくすること
ができる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の第１実施例の模式図である。

【図２】　　図１の実施例により発生する信号を示す図
である。

【図３】　　本発明の第２実施例の模式図である。

【図４】　　図１の実施例の改良を示す模式図である。

【図５】　　図４の実施例により発生する信号を示す図
である。

【図６】　　本発明のさらに別の実施例の模式図である
。

【図７】　　図６の実施例により発生する信号を示す図
である。

【図８】　　図６の実施例の改良を示す模式図である。

【図９】　　図８の実施例により発生する信号を示す図
である。

【図１０】　　図１のシステムの改良の簡易模式図であ
る。

【符号の説明】

２　　光源 ４　　回転両面ミラー ６　　光線 ７　　反射光 ８　　物体 １０　　固定ミラー １２　　戻り光線 １２Ｇ　　戻り光線（緑） １２Ｂ　　戻り光線（青） １２Ｒ　　戻り光線（赤） １３　　接続線 １４　　レンズ １５　　接続線 １６　　色分解装置 １８　　位置検知器 ２０　　マイクロコンピュータ ２１　　ディスプレイ Ｐ　　物体表面上の点 Ｘ　　方向 Ｚ　　方向

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　入射光線による物体表面の走査と、物
   体表面外観を表す信号発生のための検知手段（１８，３
   ６，５２，８１）上での物体表面からの戻り光線のイメ
   ージ化とを含む、目標物表面の色および外観を決定する
   光学的方法であって、該検知手段は、 （ａ）　　入射光線（６，６’，３２，４９，７１）は
   、少なくとも一つの既知波長を含む複数の波長からなっ
   ており、 （ｂ）　　戻り光線（１２，３３，４５）は、その波長
   によって、複数の戻り光線（１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒ；
   １２Ｖ，１２Ｉ；４５Ｂ，４５Ｇ，４５Ｒ；７２Ｖ，７
   ２Ｉ）に分解され、該戻り光線は位置検知手段（１８，
   ３６，５２，８１）上にイメージ化され、物体表面の色
   を表す信号を発生させることを特徴とする３次元カラー
   イメージ化方法。
2. 【請求項２】　　入射光は３原色に対応する３つの既知
   波長からなっていることを特徴とする請求項１に記載の
   ３次元カラーイメージ化方法。
3. 【請求項３】　　３波長のそれぞれの戻り光線の相対強
   度を表す信号から色が算出されることを特徴とする請求
   項２に記載の３次元カラーイメージ化方法。
4. 【請求項４】　　入射光線は、可視領域の連続光および
   好ましくは可視領域外の例えば赤外領域の既知波長光か
   らなっていることを特徴とする請求項１に記載の３次元
   カラーイメージ化方法。
5. 【請求項５】　　連続光である戻り光線の異なる波長部
   の相対強度を表す信号から色が算出されることを特徴と
   する請求項４に記載の３次元カラーイメージ化方法。
6. 【請求項６】　　基準位置に対する、既知波長の戻り光
   線の検知手段上の位置をそれぞれ表す信号から外観が算
   出されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一
   に記載の３次元カラーイメージ化方法。
7. 【請求項７】　　戻り光線は複数の部分に分解され、こ
   の複数の部分はそれぞれ波長に応じて複数の戻り光線に
   分解され、検知手段上で該戻り光線の複数部分のそれぞ
   れに応じた既知波長の戻り光線の間隔を表す信号から外
   観が算出されることを特徴とする請求項１から５のいず
   れか一に記載の３次元カラーイメージ化方法。
8. 【請求項８】　　入射光線の発射から戻り光線の受光ま
   での時間を表す信号から外観が算出されることを特徴と
   する請求項１から５のいずれか一に記載の３次元カラー
   イメージ化方法。
9. 【請求項９】　　入射光線（２，２２，４８，７０）を
   発射する光源（２，２２，４８，７０）と、マイクロコ
   ンピュータ（２０）に接続される位置検知手段からなる
   検知手段（１８，３６，５２，８１）と、物体表面から
   の反射光を戻り光線（１２，３３，４５）として検知手
   段上にイメージ化する光学系とを有し、戻り光線は物体
   表面の距離範囲を示すが故に物体表面の外観を示し、光
   源は少なくとも一つの既知波長を含む複数の波長を発射
   することを特徴とし、戻り光線をその波長に従って複数
   の戻り光線（１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒ；１２Ｖ，１２Ｉ
   ；４５Ｂ，４５Ｇ，４５Ｒ；７２Ｖ，７２Ｉ）に分解し
   、該複数の戻り光線のそれぞれに対応する位置検知手段
   からの信号の相対強度（Ａ）を測定するマイクロコンピ
   ュータにより物体表面の色を決定可能にする手段（１６
   ，５０）を有することをさらに特徴とする請求項１から
   ８のいずれか一に記載の３次元カラーイメージ化方法に
   よる装置。
10. 【請求項１０】　　光源は、三原色のそれぞれに対応す
    る３つの既知波長、または、可視領域の連続光および連
    続光と区別可能な既知波長との混合を発射することを特
    徴とする請求項９に記載の装置。