JP3689720B2 - 3D shape measuring device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元形状測定装置に関し、特に対象領域内の物体や人物の高さや姿勢の変化を監視するための三次元形状測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
病院の病室内あるいはトイレ内の患者等のプライバシーを損なわずに、異常を知るための監視装置として、従来から、監視対象領域に格子状に配列された輝点を投影してその画像を撮影し、撮影された画像中の輝点の基準位置からの位置変化によって対象領域の高さ変化を検出し、対象領域内の物体や人物の有無や高さ変化、姿勢変化を監視する装置が提案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の装置では、監視対象領域内に物体などが存在しない状態における輝点の位置からの、物体が存在するときの輝点の移動量を調べて物体の高さを計算する。しかしながら、その高さは、物体が存在するときの輝点が、物体が存在しないときの隣の輝点の位置まで移動してしまうところで輝点同士の区別が困難となり、それ以上の測定ができなかった。図7(a)に監視対象領域に物体が存在しない場合の輝点画像の様子を、また図7(b)に物体の存在により、ある場所の輝点が隣の輝点まで移動してしまう様子を示す。図7(b)では、輝点111c、111dが移動して隣の輝点111a、111bの図7(a)での位置まで移動してしまっており、これ以上の輝点の移動を生じさせる高さの物体は測定できない。例えば、図7(b)での111c、111dが更に左に移動してしまうと、その輝点が111a、111bと区別できなくなってしまう。
【0004】
そこで本発明は、監視対象物の高さ測定範囲が広い、輝点を用いた三次元形状測定装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明による三次元形状測定装置10は、例えば図1に示すように、撮像対象物1を置く撮像領域2に、第1の方向(y’軸方向(図2))に一定の間隔a、第1の方向(y’軸方向)に直角な第2の方向(x’軸方向)に間隔aよりも大なる一定の間隔bで格子状に配列された複数の輝点13aを投影する投影手段12と;投影手段12から見て所定の方向(y軸方向)に設置された、撮像対象物1の置かれた撮像領域2に投影された複数の輝点13aを撮像する撮像手段11と;撮像手段11で撮像された輝点画像1a’と、基準画像2a’とを比較して、撮像対象物1の三次元形状を演算する形状演算手段14とを備え;所定の方向(y軸方向)と前記第1の方向(y’軸方向)とのなす角度θは、nを自然数とするとき、arctan(b/(a・n))にほぼ等しく、且つ輝点の直径をcとするとき、前記角度はarcsin(c/a)より大であるように構成されている。
【0006】
基準画像は、典型的には、撮像対象物が置かれていない撮像領域に投影された輝点を撮像した画像である。ここで輝点画像と基準画像、はイメージ画像に限らず、輝点の位置を特定する座標によるものであってもよい。
【0007】
このように構成すると、第1の方向(y’軸方向(図2))に一定の間隔a、第1の方向に直角な第2の方向に間隔aよりも大なる一定の間隔bで格子状に配列された複数の輝点を投影する投影手段と、投影手段から見て所定の方向に設置された、撮像対象物1の置かれた撮像領域2に投影された複数の輝点を撮像する撮像手段とを備える。また所定の方向と第1の方向とのなす角度は、nを自然数とするとき、arctan(b/(a・n))にほぼ等しく、且つ輝点の直径をcとするとき、前記角度はarcsin(c/a)より大であるように構成されているので、撮像対象物の測定範囲をさらに拡大することができる。
【0008】
さらに請求項2に記載のように、また例えば図2に示すように、請求項1に記載の三次元形状測定装置10では、投影手段12が、コヒーレント光L1を発生する光源Lと;光源Lで発生されたコヒーレント光L1を通過させる2枚の回折格子13とを備え;2枚の回折格子13は、それぞれの回折方向がほぼ直交するように配置されている。
【0009】
また請求項3に記載のように、回折格子13は、ファイバーグレーティングとするとよい。回折格子を通過したコヒーレント光は干渉によりパターンを生成する。回折格子は、ファイバーグレーティングの他、例えば複数のスリットを平行に切ったスリット板、シリンドリカルレンズアレイであってもよい。また2枚のシリンドリカルレンズアレイの代わりに、マイクロレンズアレイを用いてもよい。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似符号を付し、重複した説明は省略する。
【0011】
図1は、本発明の実施の形態である三次元形状測定装置10の全体像を示す概念的斜視図である。図中測定対象物ないしは撮像対象物としての直方体形状をした物体1が、測定対象領域ないしは撮像対象領域としての平面2上に載置されている。XY軸を平面2内に置くように、直交座標系XYZがとられており、物体1はXY座標系の第1象限に置かれている。物体の代わりに人物を撮像対象物としてもよい。
【0012】
一方、図中Z軸上で平面2の上方には撮像手段としての撮像光学系11が配置されている。ここでは便宜上撮像光学系は撮像レンズとしての1つの凸レンズ11aで構成されているものとして図示してある。撮像光学系11の撮像レンズ11aは、その光軸がZ軸に一致するように配置されている。撮像レンズ11aが、平面2あるいは物体1の像を結像する結像面(イメージプレーン)15は、Z軸に直交する面である。結像面15内にxy直交座標系をとり、Z軸が、xy座標系の原点を通るようにする。
【0013】
平面2から撮像レンズ11aと等距離で、撮像レンズ11aからY軸の負の方向に距離dだけ離れたところに、ファイバーグレーティング(FG)素子13が配置されている。FG素子13を含んで、投影手段としての輝点投影光学系12が構成されている。ここで結像面15の中心とFG素子の中心とを結ぶ線を基線と呼ぶ。基線はy軸方向に向いており、dは基線方向の距離(基線長)である。図2を参照して後で説明するように、FG素子13には光源Lの発生するレーザー光L1がZ軸方向に入射して、格子状に点が配列されたパターン13aが平面2に照射される。即ち、物体1と平面2は、パターン状照明光で照明される。撮像光学系11には、画像処理手段としてのコンピュータ14が電気的に接続されている。形状演算手段はコンピュータ14内に内臓されている。即ち、ハードディスクやRAM等の記憶部にインストールされた例えば演算プログラムである。
【0014】
さらに図1を参照して、三次元形状測定の原理を説明する。後で詳しく説明するFG素子13により平面2に投影された輝点パターン13aは、物体1が存在する部分は、物体1に遮られ平面2には到達しない。ここで物体1が存在しなければ、平面2上の点2a(X,Y,Z)に投射されるべき輝点は、物体1上の点1a(X1,Y1,Z1)に投射される。輝点が点2aから点1aに移動したことにより、また撮像レンズ11aとFG素子13とが距離dだけ離れているところから、結像面15上では、点2a’(x,y)に結像すべきところが点1a’(x,y+δ)に結像する。即ち、y軸方向に距離δだけ移動する。実際は、点1a’は、y軸上の点でなければx軸方向にもδxだけ移動するが、ここではその表示は省略してある。
【0015】
このδを計測することにより、物体1上の点1aの位置が三次元的に特定できる。このように、ある輝点が、物体1が存在しなければ、結像面15上に結像すべき点と、結像面15上の実際の結像位置との差を測定することにより、物体1の三次元形状が計測できる。あるいは物体1の三次元座標が計測できるといってもよい。輝点の対応関係が不明にならない程度に、パターン13aのピッチ、即ち輝点のピッチを細かくすれば、物体1の三次元形状はそれだけ詳細に計測できることになる。
【0016】
FG素子13の中心と撮像レンズ11aの中心とは、平面2に平行に距離dだけ離して配置されており、撮像レンズ11aから結像面15までの距離はl(エル)(撮像レンズとしての凸レンズ11aの焦点とほぼ等しい)、撮像レンズ11aから平面2までの距離はh、撮像対象物1の点1aの平面2からの高さはZ(図1ではZ1と図示)である。撮像対象物1が平面2上に置かれた結果、結像面15上の点2a’はδだけ離れた点1a’に移動した。
このような関係において、Zは次の式1のようにδを含む式で表される。この式を用いれば、トイレ内の人物などの姿勢を三次元的に知ることができる。
Z=(h2・δ)/(d・l+h・δ) …式1
【0017】
図2を参照して、FG素子13を説明する。FG素子13は、直径が数十ミクロン、長さ10mm程度の光ファイバを100本程度シート状に並べて、それを2枚ファイバーが直交するように重ね合わせたものである。FG素子は、シートが平面2に平行に(Z軸に直角に)配置される。このFG素子13に、レーザー光源Lが発生したレーザー光L1を、Z軸方向に入射させる。するとレーザー光L1は、個々の光ファイバーの焦点で集光したのち、球面波となって広がって行き、干渉して、測定領域ないしは撮像領域としての投影面である平面2に、正方格子状に輝点マトリクスである輝点パターン13aが投影される。言いかえれば、平面2またはその上の物体1は、輝点パターン13aが投影されることによって、いわば輝点パターン状照明光で照明される。
【0018】
このようなFG素子13によれば、光の回折効果により、グレーティングからの距離に依らずに点状光(輝点)のコントラストの良いシャープな照明パターンを得ることができ、パターンの撮像に好適である。またこのようなFG素子を用いるときは、輝点の移動量を測定して演算するだけで三次元形状が測定できるので、三次元形状の測定が比較的簡単な演算手段で実現できる。また、光量を集中できるので周囲が明るい状態でも照明パターン(ここでは輝点)の撮像が簡単にでき好適である。
【0019】
FG素子13の光ファイバは、基線方向(図中y軸方向)を向いているとは限らず、xy平面に平行に、FG素子13の中心を通るZ軸方向に平行な軸を回転軸とし、θだけ回転させてある。図中、直交する光ファイバに平行な座標をx’y’座標とすれば、y’軸はy軸に対し、x’軸はx軸に対し角度θだけ傾いている。即ち、一つの格子方向と基線との成す角がθである。
【0020】
ここで平面2上の格子状輝点パターンのy’軸に平行な方向の間隔をa、x’軸に平行な方向の間隔をbとする。また直交する光ファイバの直径は、両者ほぼ等しいが、y’軸方向の光ファイバの直径をx’軸方向の光ファイバの直径よりも太くすると、輝点パターンの輝点同士の間隔は、a<bの関係となる。なお、図1の輝点パターンは、θ=0の場合を示している。
【0021】
図3は、輝点間隔がa、b(a<b)になるようなFG素子を用いた場合の輝点画像である。このような輝点画像は図2を参照して説明したようにFG素子の縦と横のファイバー径即ちファイバーピッチが違うような素子を用いることによって実現できる。レーザ及びFG素子による輝点の位置の計算式は、次の式2に示すような多重スリットによる干渉による干渉縞の式と同様に考えられるので、スリット間隔p即ちファイバーピッチを変更すれば、干渉縞の間隔を変えることができる。ここで、ymは周期的な鋭い極大を与えるy軸方向位置、mは自然数、λは光の波長、hはFG素子から照明面(撮像領域の平面)までの距離、pはスリット間隔とする。
ym=m・λ・h/p …式2
【0022】
輝点アレイの輝点間隔の短い(図3では間隔がaの)格子方向と基線との成す角は、θ0、θ1、θ2、・・・θnのように置くことができる。図3では説明のためθ4まで表記し、θ5以上は図示を省略してある。このように基線の方向を設定することにより、ある輝点とその基線方向の隣接輝点の間隔を大きくすることができ、物体1の高さ測定範囲を広げることができる。輝点の大きさを無視すると隣接輝点との距離は、下式のように表される。
θ0の場合・・・・・ a
θ1の場合・・・・・(a2+b2)1/2
θ2の場合・・・・・((2・a)2+b2)1/2
θ3の場合・・・・・((3・a)2+b2)1/2
θ4の場合・・・・・((4・a)2+b2)1/2
【0023】
このように、格子を基線に対して傾けた場合は、傾けない場合に比較して隣接輝点間距離が大きくなる。ここで、輝点が十分に小さい場合でも、実際にはθnのnは無限大ではなく、輝点のスポット径やゆらぎなどにより制限される。ここでθを一般式で表すと次式のようになる。θをこのような値にほぼ等しくすると、隣接輝点との距離を大きくとることができる。
θ=arctan(b/(a・n)) …式3
【0024】
このような構成にすれば、輝点アレイの縦横同時に輝点間隔を大きくして、高さ測定範囲を拡大する方法よりも、単位面積当りの輝点の個数の減少を少なくすることができ、物体の高さ測定地点を疎にすることが少なくなるので、より正確な物体の三次元測定が可能になる。また、基線長dは変えないので低い高さの感度を低下させることなく、高さ測定範囲を拡大することができる。
【0025】
またa<bとすると、図4を参照して以下説明するように、輝点格子方向を基線に対して傾けて基線方向の隣接輝点間隔を拡げる場合でも、物体により輝点位置が移動するとき、隣接輝点以外の輝点にぶつかってしまうのを避けることが可能になる。
【0026】
図4を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図中、輝点間隔にはa<bの関係があり、間隔aの方向と基線との角度はθ=arctan(b/(3・a))にとられている。このような基線と輝点格子の配置の場合、図中左下隅の輝点0は物体の高さに伴い、図中下から2行左から4列の位置の輝点1の方向に移動するが、この途中で図中下から1行左から2列の輝点2(または図中下から2行左から3列の輝点3)のすぐ脇に位置する可能性が発生する。輝点格子間隔を図のように、a、bと定義し、輝点の直径をc、nを自然数とすると、輝点0が輝点2に最も近い位置ある時の輝点同士の隙間sは、次式で表される。
s=a・b/((a・n)2+b2)1/2−c …式4
【0027】
例えば、a=b=5mm、c=1mmとすると、s及び輝点の大きさを差引いた輝点0−1間の距離l01(エル)は、図5(a)の表1に示す通りとなり、n=5以上とすると、輝点同士が重なって見分けが難しくなることがわかる。これを避けるためには、式4においてs>0とすればよい。即ち、次式を満たすようにすればよい。
θ>arcsin(c/a) …式5
【0028】
またここで、b=8mm(>a=5mm)に変更すると、(b)の表2に示すように、ノイズなどの影響がなければ、n=7の角度まで浅くすることができる。このときは、l01の値も大きくなっており、高さ測定範囲が拡大していることがわかる。このように、縦横で違う輝点間隔の輝点画像を用いることにより、基線方向の隣接輝点を伸ばすことができ、高さ測定範囲を拡大することが可能になる。
【0029】
以上、図3で説明したように、θ1、θ2、θ3・・・・と角度を浅くしていくと(但し0度ではない)、基線方向の隣接輝点間隔が拡がり、高さ測定範囲を拡大することができるが、実際には輝点の大きさなどの影響でこの角度はあまり浅くできない。そこで、図4で説明したような輝点の配置にすることによって、角度を浅くすることができるのである。
【0030】
ここまでで説明した実施の形態では、縦と横でファイバー径の違うFG(ファイバーグレーティング)素子を用いて、格子間隔の違う輝点アレイを実現したが、他の手段として一般的な透過型一次元回折格子を2枚、格子が直交するように重ねあわせることによっても実現可能である。この場合回折格子のピッチの違うものを使用して輝点の格子間隔を縦横で違うようにする。回折格子やFG素子を用いて作った輝点は、呆けが少なく、また素子と物体との距離の影響を受けにくいので好適である。またFG素子の場合、遮光される場所がなくFG素子に入射した光のほとんどを輝点の生成に利用することができるので、エネルギー効率的が高く、好適である。
【0031】
更に図6(a)の平面図とA−A断面図で示したマイクロレンズアレイ模式構成図に示すように、小さなレンズが縦横に隙間無く敷詰められたマイクロレンズアレイ(MLA)を用いても実現できる。この場合も、縦横でレンズピッチの違う素子を用いて輝点の格子間隔を縦横で違うようにすることができる。このようなMLAは、材料として合成樹脂を用いて、金型によるプレス加工で簡単に製作することができるので好適である。また図示のような、各レンズ間に隙間のないMLAを使用すれば、入射してきた光束のほとんどを輝点の生成に利用することができ、エネルギー効率が高く好適である。
【0032】
更に図6(b)の平面図とB−B断面図で示したマイクロシリンドリカルレンズアレイ模式構成図に示すように、FG素子と類似の構成で、小さなシリンドリカレンズが隙間無く並んだマイクロシリンドリカルレンズアレイを2枚重ねてもよい。このとき2枚のアレイ間では、屈折力のある方向同士をほぼ直交するようにするとよい。すなわちそれぞれの回折方向がほぼ直交するように配置する。この場合も、重ねる2枚のアレイとして、互いにレンズピッチの違うものを使用して、輝点の格子間隔を縦横で違うようにする。
【0033】
以上説明した本発明の実施の形態である三次元形状測定装置は、例えば老人介護施設のトイレなどに用いと、トイレで何か異常が生じたような場合に、プライバシーを損なうことなく、その異常を検知することができる。
【0034】
また、光源の使用波長を可視光以外の波長としてもよい。このように構成すると、撮像対象物が人であるときなどに、対象となる人物に気づかれずに撮像することができる。
【0035】
なお撮像素子の例としては、CCDの他にCMOS構造の素子を使用してもよい。特にこれらの中には、素子自体にフレーム間差算や二値化の機能を備えたものがあり、これらの素子の使用は好適である。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第1の方向に一定の間隔a、第1の方向に直角な第2の方向に間隔aよりも大なる一定の間隔bで格子状に配列された複数の輝点を投影する投影手段と、投影手段から見て所定の方向に設置された、撮像対象物1の置かれた撮像領域に投影された複数の輝点を撮像する撮像手段を備え、所定の方向と第1の方向とのなす角度は、nを自然数とするとき、arctan(b/(a・n))にほぼ等しく、且つ輝点の直径をcとするとき、前記角度はarcsin(c/a)より大であるように構成されているので、撮像対象物の測定範囲を拡大した三次元形状測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態である三次元形状測定装置の概念的斜視図である。
【図2】図1の実施の形態で用いるFG素子を説明する概念的斜視図である。
【図3】輝点群と基線とのなす角度を示す平面図である。
【図4】図3のθ3を抜き出して説明する平面図である。
【図5】本発明の実施例における輝点間隔と2つの輝点間の距離の表を示す図である。
【図6】本発明の実施の形態で用いることのできる回折格子のうち、マイクロレンズアレイとマイクロシリンドリカルレンズアレイを示す模式図である。
【図7】物体が無いときの輝点画像と物体により隣の輝点まで移動する輝点のある画像を示す平面図である。
【符号の説明】
1 撮像対象物
2 撮像領域
10 三次元形状測定装置
11 撮像光学系
11a 撮像レンズ
12 投影光学系
13 FG素子
15 結像面
14 画像処理装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus, and more particularly to a three-dimensional shape measuring apparatus for monitoring changes in the height and posture of an object or person in a target area.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a monitoring device for knowing abnormalities without impairing the privacy of patients in hospital hospitals or toilets, a bright spot arranged in a grid pattern is projected on the monitored area, and the image is taken. , A device that detects the height change of the target area based on the change in position of the bright spot in the captured image from the reference position and monitors the presence / absence, height change, and posture change of objects and people in the target area has been proposed. ing.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In such a conventional apparatus, the height of an object is calculated by examining the amount of movement of a bright spot when an object is present from the position of the bright spot when no object or the like is present in the monitoring target area. However, the height of the bright spot when the object is present moves to the position of the adjacent bright spot when the object is not present, making it difficult to distinguish the bright spots from each other, and further measurement is possible. There wasn't. FIG. 7A shows the state of the bright spot image when no object is present in the monitoring target area, and FIG. 7B shows that the bright spot at a certain location moves to the adjacent bright spot due to the presence of the object. Show the state. In FIG. 7 (b), the
[0004]
Therefore, an object of the present invention is to provide a three-dimensional shape measuring apparatus using a bright spot with a wide height measurement range of a monitoring object.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a three-dimensional
[0006]
The reference image is typically an image obtained by imaging a bright spot projected on an imaging area where an imaging object is not placed. Here, the bright spot image and the reference image are not limited to image images, and may be based on coordinates that specify the position of the bright spot.
[0007]
With this configuration, a lattice is formed at a constant interval a in the first direction (y′-axis direction (FIG. 2)) and at a constant interval b greater than the interval a in a second direction perpendicular to the first direction. And projecting a plurality of bright spots projected on the
[0008]
Further, as described in
[0009]
Further, as described in
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol or a similar code | symbol is attached | subjected to the mutually same or equivalent member, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[0011]
FIG. 1 is a conceptual perspective view showing an overall image of a three-dimensional
[0012]
On the other hand, an imaging
[0013]
A fiber grating (FG)
[0014]
Further, the principle of three-dimensional shape measurement will be described with reference to FIG. In the
[0015]
By measuring this δ, the position of the point 1a on the
[0016]
The center of the
In such a relationship, Z is expressed by an expression including δ as in
Z = (h 2 · δ) / (d · l + h · δ)
[0017]
The
[0018]
According to such an
[0019]
The optical fiber of the
[0020]
Here, the interval in the direction parallel to the y ′ axis of the lattice-like bright spot pattern on the
[0021]
FIG. 3 is a bright spot image when an FG element having bright spot intervals of a and b (a <b) is used. Such a bright spot image can be realized by using elements having different fiber diameters, that is, fiber pitches in the vertical and horizontal directions of the FG element as described with reference to FIG. Since the calculation formula of the position of the bright spot by the laser and the FG element can be considered similarly to the formula of interference fringes due to interference by multiple slits as shown in the following
y m = m · λ · h /
[0022]
The angles formed by the lattice direction having a short luminescent spot interval in the luminescent spot array (the interval is a in FIG. 3) and the base line can be set as θ0, θ1, θ2,. In FIG. 3, for the sake of explanation, up to θ4 is shown, and illustration of θ5 and above is omitted. By setting the direction of the base line in this way, the interval between a certain bright spot and the adjacent bright spot in the base line direction can be increased, and the height measurement range of the
For θ0: a
In the case of θ1 (a 2 + b 2 ) 1/2
In the case of θ2 ((2 · a) 2 + b 2 ) 1/2
In the case of θ3: ((3 · a) 2 + b 2 ) 1/2
In the case of θ4: ((4 · a) 2 + b 2 ) 1/2
[0023]
As described above, when the grid is tilted with respect to the base line, the distance between adjacent bright spots is larger than when the grid is not tilted. Here, even when the luminescent spot is sufficiently small, n of θn is not actually infinite, but is limited by the spot diameter of the luminescent spot, fluctuation, or the like. Here, θ is expressed by a general formula as follows. When θ is substantially equal to such a value, the distance from the adjacent bright spot can be increased.
θ = arctan (b / (a · n))
[0024]
With such a configuration, the decrease in the number of bright spots per unit area can be reduced compared to the method of expanding the height measurement range by simultaneously increasing the bright spot interval in the vertical and horizontal directions of the bright spot array, Since the object height measurement points are less sparse, more accurate three-dimensional measurement of the object becomes possible. Further, since the baseline length d is not changed, the height measurement range can be expanded without lowering the sensitivity of the low height.
[0025]
When a <b, as described below with reference to FIG. 4, even when the bright spot lattice direction is tilted with respect to the base line and the interval between adjacent bright spots in the base line direction is increased, the bright spot position is moved by the object. Sometimes it is possible to avoid hitting a bright spot other than the adjacent bright spot.
[0026]
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the figure, the bright spot interval has a relationship of a <b, and the angle between the direction of the interval a and the base line is θ = arctan (b / (3 · a)). In the case of such an arrangement of the base line and the bright spot grid, the
s = a · b / ((a · n) 2 + b 2 ) 1/2 −
[0027]
For example, when a = b = 5 mm and c = 1 mm, the distance l 01 (el) between the bright spots 0-1 obtained by subtracting the size of s and the bright spots is as shown in Table 1 of FIG. Thus, when n = 5 or more, it can be seen that the bright spots overlap and it is difficult to distinguish. In order to avoid this, s> 0 may be set in
θ> arcsin (c / a)
[0028]
Here, if b is changed to 8 mm (> a = 5 mm), as shown in Table 2 of (b), if there is no influence of noise or the like, the angle can be reduced to an angle of n = 7. At this time, the value of l 01 is also increased, indicating that the height measurement range is expanded. Thus, by using bright spot images with different bright spot intervals in the vertical and horizontal directions, adjacent bright spots in the baseline direction can be extended, and the height measurement range can be expanded.
[0029]
As described above with reference to FIG. 3, when the angles are made shallower with θ1, θ2, θ3,... (But not 0 degrees), the distance between adjacent bright spots in the base line direction increases, and the height measurement range is increased. Although it can be magnified, this angle cannot actually be made too shallow due to the size of the bright spot. Therefore, the angle can be made shallow by arranging the bright spots as described in FIG.
[0030]
In the embodiments described so far, FG (fiber grating) elements having different fiber diameters in the vertical and horizontal directions are used to realize the bright spot array having different lattice spacings. This can also be realized by stacking two original diffraction gratings so that the gratings are orthogonal to each other. In this case, different diffraction grating pitches are used so that the lattice spacing of the bright spots is different vertically and horizontally. A bright spot made using a diffraction grating or an FG element is suitable because it has less blur and is hardly affected by the distance between the element and the object. In the case of an FG element, since there is no place to be shielded and most of the light incident on the FG element can be used for generating a bright spot, it is highly energy efficient and suitable.
[0031]
Furthermore, as shown in the plan view of FIG. 6A and the schematic configuration diagram of the microlens array shown in the AA sectional view, a microlens array (MLA) in which small lenses are laid vertically and horizontally without gaps may be used. realizable. In this case as well, the lattice spacing of the bright spots can be made different vertically and horizontally by using elements having different lens pitches in the vertical and horizontal directions. Such an MLA is suitable because it can be easily manufactured by pressing with a mold using a synthetic resin as a material. If an MLA having no gap between the lenses as shown in the figure is used, most of the incident light beam can be used for generating a bright spot, which is preferable because of high energy efficiency.
[0032]
Further, as shown in the plan view of FIG. 6B and the schematic configuration diagram of the micro cylindrical lens array shown in the BB cross-sectional view, a micro cylindrical lens having a configuration similar to the FG element and in which small cylindrical lenses are arranged without gaps. Two arrays may be stacked. At this time, between the two arrays, it is preferable that the directions having refractive power are substantially orthogonal to each other. That is, it arrange | positions so that each diffraction direction may cross substantially orthogonally. In this case, too, two overlapping arrays having different lens pitches are used so that the lattice spacing of the bright spots is different vertically and horizontally.
[0033]
The above-described three-dimensional shape measuring apparatus according to the embodiment of the present invention is used in, for example, a toilet in an elderly care facility, and when an abnormality occurs in the toilet, the abnormality is not impaired without compromising privacy. Can be detected.
[0034]
Moreover, it is good also considering the use wavelength of a light source as wavelengths other than visible light. If comprised in this way, when the imaging target object is a person, it can image without being noticed by the person who becomes object.
[0035]
As an example of the image sensor, a CMOS structure element may be used in addition to the CCD. In particular, some of the elements themselves have inter-frame difference calculation and binarization functions, and it is preferable to use these elements.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the data are arranged in a lattice pattern at a constant interval a in the first direction and at a constant interval b larger than the interval a in the second direction perpendicular to the first direction. Projection means for projecting a plurality of bright spots, and imaging means for imaging a plurality of bright spots projected in an imaging area on which the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual perspective view of a three-dimensional shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual perspective view illustrating an FG element used in the embodiment of FIG.
FIG. 3 is a plan view showing an angle formed between a bright spot group and a base line.
4 is a plan view for explaining by extracting θ3 of FIG. 3; FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a table of bright spot intervals and distances between two bright spots in an example of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a microlens array and a microcylindrical lens array among diffraction gratings that can be used in the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan view showing a bright spot image when there is no object and an image with a bright spot that moves to an adjacent bright spot by the object.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記投影手段から見て所定の方向に設置された、前記撮像対象物の置かれた撮像領域に投影された複数の輝点を撮像する撮像手段と;
前記撮像手段で撮像された輝点画像と、基準画像とを比較して、前記撮像対象物の三次元形状を演算する形状演算手段とを備え;
前記所定の方向と前記第1の方向とのなす角度は、nを自然数とするとき、arctan(b/(a・n))にほぼ等しく、且つ輝点の直径をcとするとき、前記角度はarcsin(c/a)より大であることを特徴とする;
三次元形状測定装置。In the imaging area where the imaging object is placed, the pixels are arranged in a grid pattern at a constant interval a in the first direction and at a constant interval b larger than the interval a in a second direction perpendicular to the first direction. Projection means for projecting a plurality of bright spots;
Imaging means for imaging a plurality of bright spots projected on an imaging area where the imaging object is placed, which is installed in a predetermined direction when viewed from the projection means;
Comprising a shape calculation means for calculating a three-dimensional shape of the imaging object by comparing a bright spot image captured by the imaging means with a reference image;
The angle formed between the predetermined direction and the first direction is substantially equal to arctan (b / (a · n)), where n is a natural number, and when the diameter of the bright spot is c, the angle Is greater than arcsin (c / a);
Three-dimensional shape measuring device.
前記光源で発生されたコヒーレント光を通過させる2枚の回折格子とを備え;
前記2枚の回折格子は、それぞれの回折方向がほぼ直交するように配置されている;
請求項1に記載の三次元形状測定装置。A light source for generating coherent light;
Two diffraction gratings for passing coherent light generated by the light source;
The two diffraction gratings are arranged such that their diffraction directions are substantially orthogonal;
The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1.
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JP2010048553A (en) * | 2006-12-19 | 2010-03-04 | Panasonic Corp | Inspecting method of compound-eye distance measuring device and chart used for same |
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US8493496B2 (en) | 2007-04-02 | 2013-07-23 | Primesense Ltd. | Depth mapping using projected patterns |
US8150142B2 (en) | 2007-04-02 | 2012-04-03 | Prime Sense Ltd. | Depth mapping using projected patterns |
WO2008155770A2 (en) | 2007-06-19 | 2008-12-24 | Prime Sense Ltd. | Distance-varying illumination and imaging techniques for depth mapping |
US8456517B2 (en) | 2008-07-09 | 2013-06-04 | Primesense Ltd. | Integrated processor for 3D mapping |
US8462207B2 (en) | 2009-02-12 | 2013-06-11 | Primesense Ltd. | Depth ranging with Moiré patterns |
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US8830227B2 (en) | 2009-12-06 | 2014-09-09 | Primesense Ltd. | Depth-based gain control |
US8982182B2 (en) | 2010-03-01 | 2015-03-17 | Apple Inc. | Non-uniform spatial resource allocation for depth mapping |
JP5849954B2 (en) | 2010-08-06 | 2016-02-03 | 旭硝子株式会社 | Diffractive optical element and measuring device |
JP5834602B2 (en) * | 2010-08-10 | 2015-12-24 | 旭硝子株式会社 | Diffractive optical element and measuring device |
CN103053167B (en) | 2010-08-11 | 2016-01-20 | 苹果公司 | Scanning projector and the image capture module mapped for 3D |
JP5760391B2 (en) | 2010-11-02 | 2015-08-12 | 旭硝子株式会社 | Diffractive optical element and measuring device |
EP2643659B1 (en) | 2010-11-19 | 2019-12-25 | Apple Inc. | Depth mapping using time-coded illumination |
US9131136B2 (en) | 2010-12-06 | 2015-09-08 | Apple Inc. | Lens arrays for pattern projection and imaging |
JP5948949B2 (en) * | 2011-06-28 | 2016-07-06 | 旭硝子株式会社 | Diffractive optical element and measuring device |
US9052512B2 (en) * | 2011-03-03 | 2015-06-09 | Asahi Glass Company, Limited | Diffractive optical element and measuring apparatus |
CN106154563B (en) * | 2011-03-03 | 2019-02-15 | Agc株式会社 | Diffraction optical element and measuring device |
JP5948948B2 (en) * | 2011-03-03 | 2016-07-06 | 旭硝子株式会社 | Diffractive optical element and measuring device |
US9030528B2 (en) | 2011-04-04 | 2015-05-12 | Apple Inc. | Multi-zone imaging sensor and lens array |
JP6069847B2 (en) * | 2011-06-28 | 2017-02-01 | 旭硝子株式会社 | Diffractive optical element and measuring device |
JP2014238259A (en) * | 2011-09-28 | 2014-12-18 | 三洋電機株式会社 | Information acquisition apparatus and object detector |
JP2014238262A (en) * | 2011-09-29 | 2014-12-18 | 三洋電機株式会社 | Information acquisition apparatus and object detector |
US9651417B2 (en) | 2012-02-15 | 2017-05-16 | Apple Inc. | Scanning depth engine |
JP6119232B2 (en) | 2012-12-19 | 2017-04-26 | 株式会社ソシオネクスト | Distance measuring device and distance measuring method |
JP6337677B2 (en) * | 2014-07-31 | 2018-06-06 | アルプス電気株式会社 | 3D measuring device |
DE112021007116T5 (en) * | 2021-02-16 | 2023-12-21 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | OPTICAL MODULE AND DISTANCE MEASUREMENT DEVICE |
-
2000
- 2000-10-16 JP JP2000315211A patent/JP3689720B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7630537B2 (en) | 2003-06-09 | 2009-12-08 | Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. | Three-dimensional shape-measuring device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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