JP2000275019A - 能動共焦点撮像装置とそれを用いた三次元計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マルチビーム型共焦点撮像系を用いた三次元
計測において、一視野の中に高反射率の部分と低反射率
の部分が混在しても、その両方を精度良く計測できるよ
うにする。 【解決手段】 ピンホールアレイの各ピンホールに液晶
ディスプレーの各画素が１対１で対応するするように配
置して、対象物の反射率に応じて液晶ディスプレーの透
過率を画素単位で変化させることにより照明強度を画素
単位で制御し、画像内の検出強度を均一化するようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に共焦点画像を
得て三次元計測を行う光学装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】共焦点光学系を用いると物体の光軸方向
（以下Ｚ方向と呼ぶ）の位置（以下高さと呼ぶ）を精度
良く計測することが可能である。従来技術の説明に先立
ち共焦点光学系による高さ計測の原理を解説する。共焦
点光学系の基本構成を図１０に示す。点光源１０１から
でた光は対物レンズ１０３により集光され物体に投影さ
れる。物体から反射して再び対物レンズ１０３に入射し
た光はハーフミラー１０２を介して点光源１０１と光学
的に同じ位置にあるピンホール１０４に入射し、ピンホ
ール１０４を通過した光の量が検出器１０５により計測
される。これが共焦点光学系の基本的な構造である。こ
のような光学系を用いると物体表面上の点の高さが次の
ようにして計測できる。物体表面が点光源１０１に共役
な位置にある場合、反射光は同じく共役な位置であるピ
ンホール１０４面に収束し多くの反射光がピンホール１
０４を通過する。しかし図１０中の点線のように物体表
面が点光源に共役な位置から離れるとピンホール１０４
を通過する光量は急速に減少する。このことから物体と
対物レンズ１０３との距離を変化（以下ではＺ走査と呼
ぶ）させて検出器１０５が最大出力を示す点を見つけれ
ば物体表面の高さがわかることになる。以上が共焦点光
学系による高さ計測の原理である。

【０００３】共焦点光学系は基本的に物体表面上の１点
のみを計測対象としているので、三次元計測のためには
ＸＹの走査が必要である。しかし、上で述べたＺ走査を
含む１高さ計測毎にＸＹ移動するような計測方法では非
常に時間がかかってしまう。そこで、Ｚ走査をしない状
態（物体と対物レンズの距離を固定した状態）でレーザ
ー走査あるいはＮｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋと呼ばれる回転
円盤を用いて高速にＸＹ走査を行い２次元の共焦点デー
タをとる（以下２次元の共焦点データを共焦点画像と呼
び、共焦点画像を得る光学系を共焦点撮像系と呼ぶこと
にする）ようにして、Ｚ走査は画像単位で行う手法が一
般的である。もうすこし具体的に述べれば、まず共焦点
画像をとり、つぎにＺ方向へ移動し、また共焦点画像を
とる、またＺ方向へ移動するという処理を繰り返してデ
ータ入力を行い、得られたＺ位置の異なる複数の共焦点
画像から、各画素毎に（各画像の同一座標の画素の値を
比較して）最大値を与えるＺ位置を求めることで三次元
計測を行う方法が一般的である

【０００４】この計測でもっとも重要なのは共焦点撮像
系である。以下従来技術として共焦点撮像系について説
明する。共焦点撮像系にはレーザー走査型、Ｎｉｐｋｏ
ｗｄｉｓｋ走査型、テーブル走査型などのＸＹ走査型
と、共焦点光学系をＸＹ方向に並列に並べた非走査型と
があるが、物体上に同時に投射されるスポットが１点
（シングルビーム型）かまたは多点（マルチビーム型）
かで分けると、前者がレーザー走査型、テーブル走査型
であり後者がＮｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋ走査型および非走
査型である。本発明は後者のマルチビーム型に関しての
ものであるのでこれらに限定して原理を述べる。

【０００５】図１１（ａ）にＮｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋ走
査型の共焦点撮像系の構造を、図１１（ｂ）にＮｉｐｋ
ｏｗ ｄｉｓｋの概要を示す。レンズ８ａ、レンズ８
ｂ、絞り９よりなる対物レンズ８の像面にＮｉｐｋｏｗ
ｄｉｓｋ１１１と呼ばれる円盤が配置されており、モ
ータ１１２によって回転するようになっている。Ｎｉｐ
ｋｏｗ ｄｉｓｋ１１１は螺旋状に配列されたピンホー
ルを持つもので、一回転するとそのピンホールの像が物
体面上でラスタスキャンをするようになっている。もと
もとＮｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋ１１１はテレビのラスタス
キャンを行うために開発されたものである。

【０００６】このＮｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋ１１１を、光
源１、ピンホール２、コリメータレンズ４からなる照明
装置により上部から照明すると、螺旋状の多点のスポッ
トが物体Ａに投影されその反射光が同じピンホールを通
過することで共焦点の効果が生まれるようになってい
る。ピンホールを通過した反射光はビームスプリッタ１
１３を通って再結像レンズ１１４によって検出器アレイ
１１上にピンホールの像を結像するようになっており、
Ｎｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋ１１１を回転させることで検出
器アレイ１１全体をピンホールの像が通過し、共焦点画
像が得られるものである。このＮｉｐｋｏｗ ｄｉｓｋ
１１１を利用した共焦点撮像系を従来技術Ａとする。

【０００７】次に非走査型の共焦点撮像系について説明
する。非走査型はあまり一般的ではないがこれまでに特
開平４−２６５９１８号公報および特開平７−１８１０
２３号公報および特開平９−２５７４４０号公報として
開示されており、また、論文Ｈ．Ｊ．Ｔｉｚｉａｎｉ他
著：“Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ａｎａｌ
ｙｓｉｓ ｂｙ ａ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ−ａｒｒａｙ
ｃｏｎｆｏｃａｌａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ”，Ａｐｐ
ｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．４，ｐ
ｐ．５６７−５７２（１９９４）にも発表されている。
ここでは特開平４−２６５９１８号公報に開示された装
置と、本発明者と同一発明者により特開平９−２５７４
４０号公報に開示された装置とを非走査型の例として解
説する。

【０００８】まず、特開平４−２６５９１８号公報によ
る装置を図１２を用いて説明する。光源１からでた光を
コリメートレンズ４により平行光として、ピンホールア
レイ部７に照射する。ここにピンホールアレイ部７はピ
ンホールを多数同一平面に配列したものである。ピンホ
ールアレイ部７の各ピンホールを通過した光は個々が点
光源とみなされ、点光源が配列されているのと同等であ
る。ピンホールを通過した光はハーフミラー１２１を透
過して後、レンズ８ａと８ｂとテレセントリック絞り９
とで構成された対物レンズ８により物体Ａに投影され
る。物体Ａから反射してきた光は対物レンズ８で集光さ
れ、ハーフミラー１２１により光路を偏向させられてピ
ンホールアレイ部７の各ピンホールと一対一に光学的に
同一位置に正確に位置あわせされたピンホールをもつ検
出器ピンホールアレイ１０上に到達し検出器ピンホール
アレイ１０の各ピンホールに各検出器が一対一で結びつ
いた検出器アレイ１１で各ピンホールを通過した光量が
検出される。以上の構成はちょうど共焦点光学系を並列
に配列したのと同等である。この公報では、検出器部分
に一般的には必要となる検出器ピンホールアレイ部を開
口率の低い（画素に対する光電変換素子の比率が小さ
い）ＣＣＤセンサを用いることで不要としているが、よ
り一般的な上記の構成を従来技術Ｂとする。

【０００９】次に特開平９−２５７４４０号公報による
装置を図１３を用いて説明する。光源１よりでた照明光
はピンホール２で点光源となりコリメートレンズ４によ
り平行光となって射出される。光路分岐光学素子１３１
は偏光ビームスプリッターであり照明光は直線偏光とな
って通過する。光路分岐光学素子１３１を通過した照明
光はマイクロレンズアレイ部１３２に入射し各マイクロ
レンズの焦点に集光される。マイクロレンズアレイ部１
３２の焦点位置にはピンホールアレイ部７が設置され、
各マイクロレンズにより集光された照明光の焦点の位置
に各ピンホールが存在する形となっている。ピンホール
を通過した照明光は対物レンズ８に入射し、対物レンズ
８内部に設けた１／４位相差板１３３により円偏光とな
って、ピンホールの像を物体Ａに投影する。対物レンズ
８は、内部にテレセントリック絞り９とレンズ８ａと８
ｂとをもつ両側テレセントリックなレンズであり、物体
Ａあるいは光学系を光軸方向に移動させても倍率変化が
発生しないようになっている。物体Ａからの反射光は、
再び対物レンズ８に入射して、１／４位相差板１３３に
より照明光と直交する直線偏光となり、集光されて再び
ピンホールアレイ部７に到達する。ピンホールアレイ部
７のピンホールを通過した反射光は、マイクロレンズア
レイ部１３２により平行光束となって射出される。反射
光は照明光とは直交する直線偏光光であるから偏光ビー
ムスプリッターである光路分岐光学素子１３１により偏
向されて結像光学部１３４に入射する。結像光学部１３
４に入射した反射光は、マイクロレンズアレイ部１３２
の面を検出器アレイ１１上に結像させるように集光さ
れ、検出器アレイ１１上に到達するようになっている。
これにより検出器アレイ１１上には共焦点画像が得ら
れ、検出器アレイ１１により光電変換されて電気信号と
して出力される。この装置を従来技術Ｃとする。

【００１０】従来技術Ｂとの大きな違いは照明側のピン
ホールアレイ部と検出器側のピンホールアレイ部が分か
れておらず、一つのピンホールアレイ部が両方を兼ねて
いる点である。この意味で特開平７−１８１０２３号公
報に開示されている装置および論文Ｈ．Ｊ．Ｔｉｚｉａ
ｎｉ他著：“Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌａｎ
ａｌｙｓｉｓ ｂｙ ａ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ−ａｒｒ
ａｙ ｃｏｎｆｏｃａｌ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ”，
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．
４，ｐｐ．５６７−５７２（１９９４）に記載の装置も
この従来技術Ｃに含まれるとして、以下説明を続ける。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】これらの従来技術に共
通するのは二次元検出器を用いて同時並列的に多数の点
の検出を行うところである。このような共焦点撮像系を
用いて三次元計測を行う場合、一視野の中に高反射率の
部分と低反射率の部分が混在する、または正反射部分と
散乱反射部分が混在すると、その両方を同時に計測する
ことが難しいという問題がある。

【００１２】先に述べたように共焦点三次元計測では検
出器の出力のピークを求める必要がある。そのため検出
器の出力が飽和してしまうとピークが分からなくなるた
め計測不可能となってしまう。また、ピークが小さすぎ
て、検出器の雑音と変わらないレベルとなってしまって
も計測ができない。

【００１３】計測視野のなかの明るさが一様であるなら
ば、照明光の強さあるいは検出器のシャッター時間を調
整することで検出器出力が飽和もせず、かつ雑音にうも
れることもないようにすることができるが、上記のよう
に著しく反射率の異なる対象物が視野中に混在すると、
反射率の高い部分が飽和する、または反射率の低い部分
が雑音に埋もれてしまう結果となる。

【００１４】反射率の高い部分と低い部分との強度比は
極端な場合１０の５乗以上にもなる。しかし、一般的な
２次元検出器であるＣＣＤカメラなどではせいぜい１０
の３乗程度しかダイナミックレンジが取れないのでどう
しても上記の問題が発生してしまう。

【００１５】この問題は、ダイナミックレンジだけの問
題ではない。マルチビーム型の共焦点撮像系の場合、多
数の照明スポットが同時に対象物に投影されているた
め、あるスポットから得られる検出器出力に、他のスポ
ットからの反射光の影響が幾分かは混じってしまう。図
１４のビーム３のようにピントが合っておらず、共焦点
ピンホールからはずれた位置で焦点を結んだビームは他
のピンホールへ入射してしまう。

【００１６】あるスポットの周辺がほぼ同じ反射率であ
る場合、周辺のスポットのぼけた光が入射しても、ピン
トが合っているときの光量との間に圧倒的に差があるた
め特に問題はない。しかし、隣あうスポット間で物体の
反射率に著しい違いがある場合は問題が発生する。つま
り、反射率の高い点のぼけた光が、反射率の低い点のピ
ンホールに入射すると、反射率の低い点のピントが合っ
たときの光量より大きくなってしまい、本来のピント位
置以外の位置に検出器出力のピークがでてしまうことに
なり、明らかな誤計測となる。

【００１７】またマルチビーム型共焦点撮像系に限られ
ることではないが他にも解決すべき課題がある。光学シ
ステム内の色々な要因で発生するムラである。例えば精
度が高く傷や汚れ等のないミラーを共焦点撮像系で観察
した場合、完全なシステムであればミラーに共焦点撮像
系のピントが合っている位置（対物レンズには像面湾曲
があるのでピントの合う位置は各検出器毎に異なる）で
の検出器の出力は、全ての検出器で同じ大きさのはずで
ある。ところが実際には完全にはそのようにならない。

【００１８】例えば照明としてレーザーを用いた場合、
単純にビームを拡大してピンホールを照明すると、レー
ザービームは一般的にガウス分布の強度分布を持つの
で、ビームの中心（画像の中心部）とビームの周辺（画
像の周辺部）とでは照明強度が異なることになる。

【００１９】また、各ピンホールが完全に同じ大きさで
ない場合もある。製作時の不良によりカケやバリ等があ
ることもある。また、従来技術Ｃのようにマイクロレン
ズアレイを有するシステムではマイクロレンズアレイの
製造品質も影響することになる。検出器の感度も一様で
はない。対物レンズの製造誤差や光線の画角の違いなど
によってもムラがでる可能性はある。

【００２０】本発明は以上のような問題を解決すること
を目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のために本
発明は、共焦点撮像系の内部に、同時並列に共焦点検出
する多数の検出器の各検出器に対応するスポット光ある
いはスリット光毎に投射強度を調節可能な画素単位調光
機構を備える。

【００２２】または、同時並列に共焦点検出する多数の
検出器の各検出器毎に入射光量を調節可能な画素単位調
光機構を備える。

【００２３】そして好ましくは、画素単位調光機構を液
晶ディスプレイ素子の調光部分（以下液晶ディスプレイ
とする）で構成する。

【００２４】画素単位で照明光の強さあるいは検出器へ
の入射光量を制御することで、高反射率部と低反射率部
とを含むような対象物であっても、各部分毎に最適な照
明光量とすることが可能となり、精度良く計測データを
得ることができる。光学システム内のムラも同時に補正
することができる。

【００２５】また、視野内の明るさをほぼ均一にするこ
とができるので、検出器のダイナミックレンジは大きく
なくてもよく、データ処理が簡単になり小型化、高速化
ができるなどのメリットがある。

【００２６】さらに好ましくは、三次元計測のために、
共焦点撮像系の物体側ピント位置を、前記共焦点撮像系
の対物レンズの光軸方向に移動させるピント位置変化機
構と、得られた共焦点画像を処理するとともに画素単位
調光機構を制御する演算機構とを備える。

【００２７】このようなシステム化を施すことにより、
汎用的な三次元計測システムとして共焦点撮像系を利用
でき、後に述べる計測方法により信頼性の高い計測が可
能となる。

【００２８】以上のような構造の新しい共焦点撮像系を
能動共焦点撮像装置とよぶことにする。この装置によ
り、全ての検出器への入射光量を小さく設定する低入射
光量設定処理と、低入射光量設定処理により全検出器へ
の入射光量を小さくした状態でピント位置変化機構によ
りピント面を移動させて複数枚のピント位置の異なる共
焦点画像を得るピント移動共焦点画像入力処理と、得ら
れた複数枚の共焦点画像の各共通座標の画素どうしの濃
度値を比較して、各座標毎に最大濃度を決定する超焦点
画像作成処理と、この超焦点画像作成処理により得られ
た超焦点画像の各画素の濃度情報を用いて、全検出器へ
の入射光量ができるだけ均一になるように画素単位調光
機構の調光情報を決定する調光情報演算処理と、得られ
た調光情報により前記画素単位調光機構により画素単位
で調光し計測を行う共焦点計測処理とを備えたことを特
徴とする。

【００２９】または、全ての検出器への入射光量を大き
く設定する高入射光量設定処理と、高入射光量設定処理
により全検出器への入射光量を大きくした状態で、ピン
ト位置が明らかに物体からはずれた位置で共焦点画像を
得るボケ画像入力処理と、このボケ画像の各画素の濃度
情報を用いて、全検出器への入射光量ができるだけ均一
になるように画素単位調光機構の調光情報を決定する調
光情報演算処理と、得られた調光情報により前記画素単
位調光機構により画素単位で調光し計測を行う共焦点計
測処理とを備えたことを特徴とする。

【００３０】能動共焦点撮像装置を用いて、このように
計測することで精度が良く、信頼性の高い三次元計測が
可能となる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１に本発明の第一の実施
の形態を示す。この例の非走査型共焦点撮像系の基本構
造は従来技術Ｂと同じものである。重複する説明は避け
て、異なる部分についてのみ説明する。光学系部分で異
なるのはピンホールアレイ部７の図中上側に設置された
画素単位調光機構６である。この画素単位調光機構６は
液晶ディスプレイ６ａおよびＬＣＤ駆動機構６ｂで構成
され、ピンホールアレイ部７の個々のピンホールと液晶
ディスプレイ６ａの個々の画素とが一致するように設置
されている。また、検出器アレイ１１からの信号は共焦
点画像データとして演算機構１３に入力されるようにな
っている。そしてピント位置変化機構１２としてＺテー
ブル１２ａおよびコントローラ１２ｂが配置されてお
り、演算機構１３の制御により物体と共焦点撮像系との
位置関係を変化させることができるようになっている。

【００３２】まず、画素単位調光機構６についてその構
造と働きを説明する。画素単位調光機構６を構成する液
晶ディスプレイ６ａの構造を図２に示す。この例は薄膜
トランジスタ（以下ＴＦＴとよぶ）を用いたアクティブ
マトリクスディスプレイである。ＴＦＴアクティブマト
リクスディスプレイは図２に示すように、上から順に偏
光板２１、ガラス基板２２、透明電極２３、液晶２４、
Ｘ、Ｙ透明マトリクス電極２５、ＴＦＴ２６、ガラス基
板２７、偏光板２８で構成される。動作を説明する。Ｘ
電極２５ａに電圧を加えるとＴＦＴ２６が導通状態とな
り同時にＹ電極２５ｂに信号電圧を加えるとこれらの電
極の交点の画素の静電容量（コンデンサ成分）がＴＦＴ
２６を通って流れる電流により充電されその画素の液晶
２４に電界が加わる。充電が終わるとＴＦＴ２６は非導
通となり充電された電荷は次に選択されるまで保持され
る。つまり次にその画素が選択されて充電されるまでそ
の画素の液晶２４に一定の電界がかけられ続けることに
なる。１画素ずつ順番にこれを行って（これを走査とい
う）全画素について個々に充電すれば、全液晶画素を独
立に任意の電界をかけることができる。

【００３３】液晶ディスプレイ６ａの個々の画素の動き
を図３を用いて説明する。偏光板２１で直線偏光となっ
た光は液晶部分に入射する。液晶はツイストネマティッ
ク液晶（以下ＴＮ液晶とする）であり、ＴＮ液晶は液晶
２４の対向する透明電極間２３、２５の電界の強さに応
じて液晶２４のねじれ量が変化する。液晶２４に入射し
た光は液晶２４のねじれ量に応じて旋光する（直線偏光
の偏光方向が回転する）。偏光板２８は偏光板２１と直
交ニコルとなるように設置されており、電界が液晶２４
にかかっていないときに、入射直線偏光が９０度旋光し
て偏光板２８を通過するようになっている。対向する透
明電極間２３、２５の電界の強さによって偏光板２８に
入射する光の偏光方向が変化することにより偏光板２８
を通過する光量を自由に制御することができる。

【００３４】以上のような動作により液晶ディスプレイ
６ａを用いて画素単位で透過光量を制御することができ
る。つまり液晶ディスプレイ６ａにより画素単位調光機
構６が実現できる。液晶ディスプレイ６ａの各液晶画素
は、ピンホールアレイ部７のピンホールと一致している
から、結局ピンホールからの射出強度を各ピンホール毎
に調整することができることになる。

【００３５】液晶ディスプレイ６ａはＬＣＤ駆動機構６
ｂにより駆動される。演算機構１３から２次元の調光デ
ータ（液晶ディスプレイ６ａ各画素の電圧値をしめす一
種の画像データ）がＬＣＤ駆動機構６ｂに送られその信
号に基づいて液晶ディスプレイ６ａが駆動される。

【００３６】図４に本発明の実施の形態の第２の例を示
す。この例は画素単位調光機構６の液晶ディスプレイ６
ａが検出器側ピンホールアレイ部１０にとりつけられて
いるという違い以外は第一の例と全く同じである。迷光
をできるだけ減らすという意味からすれば第一の例の方
がより好ましいが、基本的にほぼ同様の効果を得ること
ができる。

【００３７】図５に本発明の実施の形態の第３の例を示
す。この例は従来技術Ｃに画素単位調光機構６を取り付
けたものである。この場合は照明側ピンホールアレイと
検出器側ピンホールアレイとが共通なのでいわば両方に
画素単位調光機構６をとりつけた場合といえる。検出器
アレイ１１に到達する光量は画素単位調光機構６の透過
率の２乗に比例することになる。

【００３８】図６に本発明の実施の形態の第４の例を示
す。この例は従来技術Ａに画素単位調光機構６を取り付
けたものである。第３の例と同様に検出器アレイ１１に
到達する光量は画素単位調光機構６の透過率の２乗に比
例することになる。この場合ピンホールと画素単位調光
機構６の画素とを一致させることはできないが、検出器
アレイ１１の各画素に対応する位置に画素単位調光機構
６の各画素が配置されていれば他の例と同様の効果を得
ることができる。また、検出器アレイ１１の直前に画素
単位調光機構６を持ってくることも可能である。

【００３９】ここでは画素単位調光機構６としてＴＦＴ
アクティブマトリクスＴＮ液晶ディスプレイを取り上げ
たが、もちろん本発明はこれに制限されるものではな
い。マルチビームタイプの共焦点撮像系の各ビームの強
度をビーム単位で調光することができれば本発明の範疇
である。

【００４０】次にこれらの実施例で示した装置を用いて
実際に三次元計測を行う方法について述べる。これ以降
は基本的に第一の実施例として示した装置に基づいて説
明する。

【００４１】共焦点撮像系により三次元計測を行う方法
については従来技術の説明のところで述べた。本発明は
対象物の反射強度情報を画素毎に求め（画素毎に求めら
れた対象物の反射強度情報を反射強度マップと呼ぶこと
にする）、その情報をフィードバックして、反射強度マ
ップを均一化するような照明をおこなうことで1視野中
に検出器アレイのダイナミックレンジを超えるような高
輝度部分と低輝度率部分が混在しないようにすることが
主なねらいである。問題は反射強度マップをどのように
得るかである。

【００４２】本発明の実施の形態の第５の例として対象
物の反射率情報を得る方法について述べる。基本的に照
度ムラのないプレーンな照明を行い、対象物の画像をと
ればその画像情報がそのまま反射強度マップとなる。し
かし、その画像が検出器アレイの飽和光量を超えていれ
ば、正しい反射強度マップを得られることにならない。
そこで反射強度マップを得るためのプレーンな照明は検
出器アレイの飽和光量を超えないような低光量の照明と
しなければならない。画素単位調光機構により光学シス
テムが持つムラを補正してプレーンな照明を行いかつ、
全体の光量を一様に下げるようにする。または画素単位
調光機構を使わずに光源のパワーを変えるような手段を
用いても良い。

【００４３】共焦点光学系ではボケた部分は暗くなって
しまうため、画像により反射強度マップを正しく得るた
めには、画像にボケが無いように、画像内全てにピント
があった画像を得る必要がある。対象物に起伏があっ
て、その起伏が焦点深度を超える場合においても画像全
体がピントが合っているような画像を超焦点深度画像と
呼ぶが、この超焦点深度画像を得る方法を次に述べる。

【００４４】基本的に三次元計測の方法と同じである。
ピント位置変化機構を用いてピント面を移動させ移動毎
に共焦点画像を撮像する。得られる共焦点画像はそれぞ
れ単独では対象物の一部にピントが合っているだけであ
るが、ピントのあっている部分を合成して全体にピント
のあった画像を得る。合成の方法は各画素毎にピントの
あった画像の画素値をとってくる。ピントがあっている
かいないかの判断は共焦点画像では非常に簡単に判別で
きるので、各画素の最大の値の画像を合成することによ
りピントのあった画像を得る。

【００４５】ピント位置変化機構による移動の距離単位
が比較的荒い場合は以下の補間演算を用いてピントがあ
った画像を得る。図７に示すように本来の対象物の反射
率を表すのは共焦点の軸上応答曲線のピークの値であ
る。図７中の点線で示すように得られる値は、ピント位
置変化機構による移動の距離単位が比較的荒いと必ずし
もピーク位置とはならない。そこで、最大値とその前後
の各一点の計３点を用いて、放物線関数あるいはガウス
関数などの山形の関数にフィッティングして正確にピー
クの値を求める。

【００４６】もちろんフィッティングするのは３点でな
くても何点でも良い。しかし特に高い精度が必要なわけ
ではないから一般的には３点で十分である。

【００４７】以上のようにして超焦点画像が得られると
正しい反射強度マップが得られる。照明光量を低く抑え
てあるので、反射強度マップの低反射率の部分の精度は
高いものではないが、本来反射率を高精度に求めること
が主眼ではなく、より精度の高い三次元計測を行うため
の照明光量を決定することが目的であるから、高反射率
部分と低反射率部分との概略の比が分かれば十分であ
る。

【００４８】反射強度マップを把握した後、それをでき
るだけ均一になるように画素単位調光機構により調光す
る。具体的には、均一にしたい値、例えば２５６階調の
データであれば２００位の値に設定するとして、超焦点
画像の全画素を２００で割って正規化する。その逆数倍
に画素単位調光機構をコントロールすることでほぼ画像
全体を２００に均一化する。物体の反射率が０に近い点
を２００まで持っていくためには非常に強力な照明手段
が必要となるが、照明の最大光量は制限されているの
で、このような点は可能な最大光量を（画素単位調光機
構を透過率最大）与えればよい。

【００４９】以上のようにして計測することで、検出器
アレイのダイナミックレンジを変えることなく実質的に
ダイナミックレンジを大幅に向上させることができるこ
とになる。単純な計算では、検出器アレイの階調数と画
素単位調光機構の階調数との積がダイナミックレンジと
なる。それぞれ８ビット（２５６階調）であるとすると
１６ビット（６５５３６階調）までダイナミックレンジ
を向上できることになる。

【００５０】しかも演算は８ビットで演算できるので演
算量は少なくて済む。また、ダイナミックレンジの問題
だけでなく、マルチビーム型の共焦点撮像系で問題とな
る、近傍のビームの影響の問題も解決される。

【００５１】次に本発明の実施の形態の第６の例を説明
する。第５の例で述べた反射強度マップを得る手順は三
次元計測の計測手順とほぼ同じであり、補間演算の演算
式が異なる程度の違いしかない。だから、基本的に計測
時間はトータルで従来の三次元計測時間の約２倍かかる
ことになる。しかし、インライン計測などで三次元計測
が利用される場合はこのような時間的な余裕があるとは
限らない。第６の実施例は、より高速に計測する手法を
具体的な計測サンプルを示して説明する。

【００５２】計測サンプルはＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉ
ｄ Ａｒｒａｙ）と呼ばれる半導体パッケージである。
形状を図８に示す。パッケージ基板１４１上に半田のボ
ール１４２が多数並んでいるものである。このボール頂
点の、基板からの高さを求めると、ボールは比較的鏡面
に近いので傾斜が強い部分は反射光が対物レンズに入射
しないため計測できず、結果的に図９のようにパッケー
ジ基板１４１とボール１４２の頂点部分のみが計測され
ることになる。この計測における問題は、半田ボール１
４２とパッケージ基板１４１との反射率があまりにも差
がありすぎるため、双方を精度良く同時に計測すること
ができないという点にある。つまり、鏡面に近く反射率
の高い半田ボール１４２に最適な照明光量を設定する
と、パッケージ基板１４１側の光量が十分でなく精度の
高い計測ができない。

【００５３】第６の実施例ではまず、簡単で高速な計測
手順により反射強度マップを得る。画素単位調光機構、
あるいは照明光量制御手段により十分に強い照明光を物
体に照射する。そして全画素のピントが明らかにはずれ
た位置でボケ画像を入力する。一般に共焦点光学系では
ピントがはずれている画像は暗くなり画像化されないと
されるが、現実的にはピンホールの大きさがあるため弱
いながらも光は検出される。特にマルチビーム型の共焦
点撮像系では近傍の画素からの漏れ光が存在するため比
較的大きい値となる。検出される値は弱いながらも物体
の反射強度に比例した量となることから、反射強度マッ
プが得られることになる。反射強度マップが得られれば
あとの処理は第５の実施例と同じである。

【００５４】第５の例との大きな違いは反射強度マップ
を得るのに一枚の画像しか用いないという点である。演
算も必要なく、そのため高速な計測が可能である。

【００５５】問題はこのようにして得られる反射強度マ
ップは必ずしも高精度なものでなく、ピントがずれるた
め、得られる画像はぼけてしまうことである。反射強度
の高い領域と低い領域の境界（エッジ）位置はマルチビ
ームの隣接ピンホールからの漏れ光の影響でぼけてしま
うので、このような境界部分では正しい反射強度は得る
ことができない。

【００５６】しかしながらＢＧＡ計測において、このよ
うな正しい反射強度が得られない領域はボールのエッジ
部分であり、先に述べたようにボール計測ではもともと
ボールのエッジ部分は傾斜が急である（９０度に近い）
から計測できない領域であり、計測する必要もないこと
から、正しい反射強度を必要としない。ＢＧＡ計測のよ
うなアプリケーションでは上記の問題点は問題とはなら
ない。つまり、このような計測方法で十分に有用な計測
が可能となる。

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、共焦点撮像系を用いた
三次元計測において、一視野中に高反射強度の部分と低
反射強度の部分が混在する、または正反射部分と散乱反
射部分が混在しても、その両方の部分を同時に精度よく
正確に計測することができる。つまり、ＣＣＤエリアセ
ンサのような二次元検出器のダイナミックレンジの低さ
を大幅に補償することができるようになり、精度がよく
信頼性の高い共焦点撮像装置と三次元計測方法を提供で
きる。これにより共焦点三次元計測の適用可能領域が大
きく広がり、工業的に大きな効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る能動共焦点撮像装
置を示す図である。

【図２】本発明の画素単位調光機構として用いるＴＦＴ
アクティブマトリックスＴＮ液晶ディスプレイの構造を
示す図である。

【図３】本発明の液晶ディスプレイの画素の動作を説明
するための図である。

【図４】本発明の第２の実施例に係る能動共焦点撮像装
置を示す図である。

【図５】本発明の第３の実施例に係る能動共焦点撮像装
置を示す図である。

【図６】本発明の第４の実施例に係る能動共焦点撮像装
置を示す図である。

【図７】共焦点光学系の軸上応答曲線を示す図である。

【図８】ＢＧＡを説明するための図である。

【図９】ＢＧＡの計測可能領域を示す図である。

【図１０】共焦点光学系を説明するための図である。

【図１１】従来技術Ａを説明するための図である。

【図１２】従来技術Ｂを説明するための図である。

【図１３】従来技術Ｃを説明するための図である。

【図１４】マルチビーム型共焦点の問題点を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２ ピンホール ４ コリメートレンズ ６ａ 液晶ディスプレイ ６ｂ ＬＣＤ駆動機構 ６ 画素単位調光機構 ７ ピンホールアレイ部 ８ａ レンズ ８ｂ レンズ ９ テレセントリック絞り １０ 検出器側ピンホールアレイ部 １１ 検出器アレイ １２ａ Ｚテーブル １２ｂ コントローラ １２ ピント位置変化機構 １３ 演算機構

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA24 AA53 BB07 CC25 DD00 DD04 DD12 EE04 FF10 FF42 FF49 HH04 HH05 HH06 HH10 HH13 JJ03 JJ09 JJ26 LL00 LL04 LL10 LL28 LL30 LL33 LL34 LL37 LL59 LL65 MM16 MM26 NN01 NN17 NN20 PP12 QQ03 QQ42 2H088 EA33 HA22 HA24 HA28 MA04

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数のスポット光あるいはスリット光を
   同時並列に物体に投射し、その反射光を同時並列に共焦
   点検出して共焦点画像を得るマルチビーム共焦点撮像系
   において、同時並列に共焦点検出する多数の検出器の各
   検出器に対応するスポット光あるいはスリット光毎に投
   射強度を調節可能な画素単位調光機構を有することを特
   徴とする能動共焦点撮像装置。
2. 【請求項２】 多数のスポット光あるいはスリット光を
   同時並列に物体に投射し、その反射光を同時並列に共焦
   点検出して共焦点画像を得るマルチビーム共焦点撮像系
   において、同時並列に共焦点検出する多数の検出器の各
   検出器毎に入射光量を調節可能な画素単位調光機構を有
   することを特徴とする能動共焦点撮像装置。
3. 【請求項３】 画素単位調光機構は液晶ディスプレイ素
   子で構成されることを特徴とする請求項１または請求項
   ２記載の能動共焦点撮像装置。
4. 【請求項４】 共焦点撮像系の物体側ピント位置を、前
   記共焦点撮像系の対物レンズの光軸方向に移動させるピ
   ント位置変化機構と、得られた共焦点画像を処理すると
   ともに画素単位調光機構を制御する演算機構とを有する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項
   ３記載の能動共焦点撮像装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の能動共焦点撮像装置を用
   いて物体の形状計測を行う方法であって、全ての検出器
   への入射光量を小さく設定する低入射光量設定処理と、
   低入射光量設定処理により全検出器への入射光量を小さ
   くした状態でピント位置変化機構によりピント面を移動
   させて複数枚のピント位置の異なる共焦点画像を得るピ
   ント移動共焦点画像入力処理と、得られた複数枚の共焦
   点画像の各共通座標の画素どうしの濃度値を比較して、
   各座標毎に最大濃度を決定する超焦点画像作成処理と、
   この超焦点画像作成処理により得られた超焦点画像の各
   画素の濃度情報を用いて、全検出器への入射光量が均一
   に近づくように画素単位調光機構の調光情報を決定する
   調光情報演算処理と、得られた調光情報により前記画素
   単位調光機構により画素単位で調光し計測を行う共焦点
   計測処理とを備えたことを特徴とする三次元計測方法。
6. 【請求項６】 請求項４記載の能動共焦点撮像装置を用
   いて物体の形状計測を行う方法であって、全ての検出器
   への入射光量を大きく設定する高入射光量設定処理と、
   高入射光量設定処理により全検出器への入射光量を大き
   くした状態で、ピント位置が明らかに物体からはずれた
   位置で共焦点画像を得るボケ画像入力処理と、このボケ
   画像の各画素の濃度情報を用いて、全検出器への入射光
   量が均一に近づくように画素単位調光機構の調光情報を
   決定する調光情報演算処理と、得られた調光情報により
   前記画素単位調光機構により画素単位で調光し計測を行
   う共焦点計測処理とを備えたことを特徴とする三次元計
   測方法。