JP2001221621A - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 対象物体の形状を測定する３次元形状測定装
置において、測定時の条件に関わりなく常に安定した測
定を行う。 【構成】 焦点距離ｆが３６．７mmまでは３個、それ以
上では１個のレーザを用いる。さらに、焦点距離ｆとＡ
Ｆセンサの出力で決定される測定対象までの距離情報Ｄ
afから算出される像倍率β（＝Ｄaf／ｆ）に応じて、距
離画像センサ出力に対してアナログ前処理回路内で与え
るアンプゲインを変化させることでも制御されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、対象物体の３次元形状
を測定する３次元形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自然物や生体の計測、ロボットの視覚認
識など様々な産業分野において３次元情報が利用されて
いる。静止物体の形状を測定するのであれば計測に数秒
要しても特に問題とはならない。しかし、移動ロボット
の視覚認識のように動体の３次元計測を行う装置におい
ては、高速で精度よく３次元形状をを計測する装置が必
要となってくる。従来、物体の３次元形状の認識を行う
手段のうち、最も実用的な手段として光切断法がよく利
用されている。光切断法は図１に示すように対象物体に
参照光としてスリット状のレーザ光Ｓを照射し、スリッ
ト光Ｓに対応する対象物体１のスリット像をカメラの撮
像面上に捕える。すると、スリット上のある１点ｐ'に
対応する対象物体上の点ｐの空間座標は、スリット光の
なす平面Ｓと、点ｐ'と撮像装置のレンズの中心点Ｏと
を結ぶ直線Ｌとの交点の座標として求められる。このよ
うに、１枚の画像からスリット像上の各点に対応した物
体表面の点群の空間座標が求められ、スリット光の水平
方向の移動と画像入力を繰り返すことで対象物体全体の
３次元情報を獲得することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような３次元形状
測定において、測定装置と対象物までの距離や撮像光学
系の焦点距離等が常に同じ条件であれば、投光するレー
ザ光の強度を変更する必要はない。しかし、対象物まで
の距離や光学系の焦点距離が変化しても投光するレーザ
光の強度が常に同じであれば、受光素子に入射する光の
強度も変化する。具体的には、対象物までの距離が遠く
なるほど入射光は少なくなり、焦点距離が短くなるほど
投光する範囲が広くなるので強度としては弱くなってし
まう。

【０００４】本発明はこれらの問題を解決し、測定条件
の変化に関わらず、常に安定した測定ができる３次元形
状測定装置を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に本発明は、対象物体の形状を測定する３次元形状測定
装置において、対象物体に対して参照光を投光する投光
手段と、対象物体を測定するための光学系と、前記光学
系を通過した光を受光する受光手段と、前記投光手段か
ら投光される参照光の強度を測定条件に応じて変更する
制御手段とを有することを特徴とする。

【０００６】また、本発明の他の３次元形状測定装置
は、対象物体に対して参照光を投光する投光手段と、対
象物体を測定するための光学系と、前記光学系を通過し
た光を受光する受光手段と、前記受光手段により出力さ
れる信号に対して増幅を行う増幅手段と、前記増幅手段
による増幅率を測定条件に応じて変更する制御手段とを
有することを特徴とする。

【０００７】

【実施例】以下に本発明に係る実施例を図面を参照しな
がら説明する。まず、図２に示すのは本発明に係る装置
全体の概略ブロック図である。本装置を大きく分ける
と、半導体レーザ５から出力されたレーザ光をスリット
状の光線として対象物体１に照射する投光光学系２、照
射されたレーザ光を画像用センサ２４、１２へ導く受光
光学系３があり、これら投光光学系、受光光学系は同じ
回転架台４上に配置されている。光学系以外にはセンサ
から出力される信号を処理してピッチズレ画像とカラー
画像を生成する信号処理系と、生成された画像を記録す
る記録装置から構成されている。図２に示す実線矢印は
画像信号、制御信号の電気的信号の流れを示し、破線矢
印は投光される光の流れを示している。なお、これら光
学系についての詳細な説明は後述する。

【０００８】信号処理系の概略について説明すると、距
離画像用センサ１２により得られた画像はスリット光投
光時画像１８ａとスリット光非投光時画像１８ｂとの減
算を行い、その画像に対して入射光重心位置算出処理１
９、ピッチズレ情報算出処理２０、ピッチズレ画像生成
処理２１が行われる。得られたピッチズレ画像はＮＴＳ
Ｃ変換処理２７により出力端子５０へ出力したり、或い
は、ディジタルのままＳＣＳＩ端子４９や内蔵の記録装
置２２へ転送したりして利用される。また、カラー画像
用センサ２４により得られた画像は、アナログ処理２５
を介してカラー画像生成処理２６が行われる。得られた
カラー画像はＮＴＳＣ変換処理２８されて出力端子５１
へ出力したり、或いは、ディジタルのままＳＣＳＩ端子
４９や記録装置２２へ転送したりして利用される。

【０００９】次に、装置全体の概略構成を示す斜視図を
図３に示す。本実施例では、スリット光の長さ方向に２
５６点、スリットの走査方向に３２４点の距離情報を持
つ２５６×３２４の距離画像生成システムを一例として
説明する。ＬＣＤモニタ４１はカラー画像センサ２４に
より撮像されたカラー画像、或は本装置内外の記録装置
に記録されている３次元データ、或は各種の情報や選択
メニュー等の表示を行う。カーソルキー４２、セレクト
キー４３、キャンセルキー４４は画像の選択やメニュー
から各種モードの設定等を行うための操作部材である。
４５は投光・受光光学系の焦点距離を変化させるズーム
ボタンで、４６はマニュアルで焦点合わせを行うＭＦボ
タンである。４７は後述のシャッタモードでＯＮするこ
とにより距離画像を取り込むシャッタボタンである。撮
像した画像の記録装置としては本装置内蔵の光磁気ディ
スク（以下、ＭＯと称す）やミニディスク（以下、ＭＤ
と称す）等のドライブ装置４８を装備している。端子４
９は画像等の信号をディジタルで入出力する端子でＳＣ
ＳＩ等である。ピッチズレ画像出力端子５０、カラー画
像出力端子５１は画像をアナログ信号として出力する端
子で、例えばＮＴＳＣ等のビデオ信号で出力する。

【００１０】投光光学系は、水平方向に長いスリット光
を上下方向に走査するもので、半導体レーザ５からの光
は回転するポリゴンミラー７、コンデンサレンズ１０、
投光用ズームレンズ１１等を経て対象物体へ投影され
る。受光光学系は受光用ズームレンズ１４、ビームスプ
リッタ１５等を経て受光撮像面に配置された距離画像用
センサ１２、カラー画像用センサ２４で撮像を行う。な
お、これら光学系、撮像系の詳細な説明は後述する。

【００１１】投光系からのスリット光は、距離画像用セ
ンサ１２が１枚の画像蓄積を行う間に、定常回転してい
るポリゴンミラー７により距離画像用センサ１２の１画
素ピッチ分ずつ下方に走査される。距離画像用センサは
この蓄積された画像情報を走査、出力を行うと共に次の
画像蓄積を行う。この１度の出力による画像からスリッ
ト光の長さ方向の２５６点の距離情報が算出可能とな
る。更にミラー走査、画像取り込みを３２４回繰り返し
行うことで２５６×３２４点の距離画像生成が行われ
る。

【００１２】一本のスリット光に対して測定される対象
物体までの距離範囲は、測定最近距離、測定最遠距離に
制限があるため、そのスリット光が物体で反射して撮像
素子に入射する範囲はある範囲内に制限される。これ
は、投光系と受光系が基線長（長さｌ）だけ離れて設置
されているためである。これを図に示したものが図１７
であり、距離画像用の撮像素子面に垂直な方向をＺ軸と
している。ｄで示す破線の位置は測定基準面であり、素
子面からの距離がｄである。

【００１３】このため、まず測定装置においてはこの入
力された画像から２５６ラインでの受光されたレーザ光
の重心位置をオートフォーカスユニットからの物体距離
出力と投光するスリット光の方位、すなわち走査開始か
らの時間とに基づき決定される測定基準面からのズレ量
として演算を行う。このピッチズレ量の算出について図
４を参照して説明すると、まず、図４は対象物体面へ投
光されるスリット光により生成される光量分布を示して
いる。図の下方に示されている升目は距離画像用センサ
のそれぞれの素子が睨む領域を示していて、升目に手前
から１，２，３，４，・・・と番号を付す。極めて細い
スリット幅を持つスリット光がポリゴンミラー７の回転
により１画像蓄積間に距離画像用センサの１ピッチ分だ
け走査されるので、１画像入力時の光量分布は距離画像
用センサの１ピッチ分の幅を持つ矩形状の光量分布とな
る。

【００１４】距離画像用センサの各画素について、それ
ぞれＺ軸方向の距離情報を算出するためには、このよう
な１ピッチ幅の矩形光量分布であることが望ましい。光
量分布の幅が１ピッチ以上となった場合には計測される
距離情報は隣接する領域にまたがっている受光強度の荷
重平均として求められてしまい正確な距離情報は得られ
ない。

【００１５】このような光量分布の下、図４で網点で示
している階段状の物体面が存在したとして、物体面に垂
直な方向からスリット光を投光したとする。細長い直方
体で示されているのはスリット光量分布で、斜線で示し
た領域は投光スリット像を表している。そして、投光系
光軸Ｏxaより左側に傾いた方向に受光系光軸Ｏxpを設け
た位置関係とすると、受光面での受光スリット光量分布
は後述のフィルタにより図５に示されるような分布とな
る。この受光光量には定常光成分が含まれないように、
レーザ光成分以外の定常光成分を除去するのが望まし
く、そのために、レーザ光が照射されていない状態と照
射状態の画像を入力し両者の差を用いる。下方に示され
た升目は距離画像用センサのそれぞれの素子領域を示し
ている。

【００１６】距離画像用センサの前面には、受光される
スリット光の長さ方向には分解能を低下させることな
く、スリット光の幅方向には分解能を低下させる異方性
を持つ光学フィルタが配置されており、このフィルタに
より図５に示すようなガウス分布の光量分布が生じる。
この光量分布に対して、各列１，２，３，４，・・・内
の各センサからの光量分布の重心を求めることで画素ピ
ッチより細かな分解能で受光位置の算出を行うことがで
きる。このように、スリット光入射位置を検出するのに
センサに入射するスリット光の幅を細くせずにフィルタ
を用いて５〜６画素程度の幅のある分布としているの
は、入射するスリット光の幅が１画素の幅より細くなっ
てしまうと画素ピッチと同じ程度の位置検出分解能しか
得られないためである。

【００１７】第１列に入射した光量分布Ｄ1から第１列
重心位置Ｇ1が求められ、同様に第２，３，４，・・・
の各列の重心位置Ｇ2，Ｇ3，Ｇ4，・・・を求めること
で各列毎に重心が算出される。図に示すように、投光系
光軸は物体面に垂直な方向であるが、受光系光軸は左に
傾いた方向であるので、図４の様な段差を有する対象物
体の場合、低い部分（第１、２列）の重心に対して高い
部分（第３、４列）は右側にずれた位置に重心が位置す
ることになる。なお、図５には、第１列の分布Ｄ1と第
４列の分布Ｄ4の２種類の分布しか示していないが、第
２列の分布Ｄ2は第１列の分布Ｄ1と同じで、第３列の分
布Ｄ3は第４列の分布Ｄ4と同じ分布となる。これらの光
量分布と重心位置の関係を平面的に示すと図６のように
なる。第１列と第２列の分布は同じであるため求まる重
心Ｇ1、Ｇ2は同じ位置として、第３列と第４列は同じ分
布であるため重心Ｇ3、Ｇ4は同じ位置として検出され
る。

【００１８】このように１つのスリットに対する帯状画
像から２５６点の入射光位置が求められ、更に、３２４
の方位に投光されるスリットに対して同様の計算を行う
ことで３２４枚の画像が得られ、２５６×３２４点から
なるピッチズレ画像が得られる。得られたピッチズレ画
像はスリット光の位置情報のみの画像であり、これから
正確な距離画像を得るにはレンズ収差の補正等の詳細な
データのテーブルからのキャリブレーション（補正）が
必要となる。これは撮影レンズの焦点距離ｆ、ピント位
置ｄから推測されるレンズ収差を算出し補正を行い、カ
メラに対する縦、横方向の歪みの補正を行う。これはカ
ラー画像についても同様の処理が行われる。このときに
必要なデータは各種測定レンズの情報、すなわち、焦点
距離ｆ、ピント位置ｄである。本実施例のシステムで
は、キャリブレーションはコンピュータシステム上で行
い、本計測装置（図３に図示）とはＳＣＳＩ等の端子を
介して接続する、或はＭＯ等の記録メディアでデータを
共有できるようにする。

【００１９】このように計測装置本体からはカラー画
像、ピッチズレ画像をＳＣＳＩ等の端子からディジタル
信号として、或はＮＴＳＣ等の出力端子からアナログビ
デオ信号として出力し、キャリブレーションに必要なデ
ータはＳＣＳＩ等からディジタル信号としてコンピュー
タへ出力する。また、本体に内蔵しているＭＯやＭＤ等
のドライブ装置４８を使って記録媒体に記録する場合も
画像と各種のデータを記録する。

【００２０】取り込まれたピッチズレ画像とカラー画像
は各種の撮影レンズ情報と共に計測装置と接続されたコ
ンピュータへ転送され、コンピュータでは転送されたピ
ッチズレ画像と撮影レンズ情報とから対象物体までの距
離の情報を持った距離画像にキャリブレーション、変換
を行う。キャリブレーションを行った後、ピッチズレ画
像については、焦点距離ｆとピント位置ｄ、画面内の各
縦横位置、ＸＹ位置毎に記憶されたズレ量と計測距離と
の変換曲線を導きだし、その変換曲線に基づいてピッチ
ズレ画像を距離画像に変換する。

【００２１】距離画像への変換については周知であり、
詳細には、電子情報通信学会研究会資料ＰＲＵ91-113
［カメラの位置決めのいらない画像の幾何学的補正］小
野寺・金谷や、電子情報通信学会論文誌Ｄ-II vol. J74
-D-II No.9 pp.1227-1235,'91/9 ［光学系の３次元モデ
ルに基づくレンジファインダの高精度キャリブレーショ
ン法］植芝・吉見・大島、などに開示されている。

【００２２】次に、本発明に係る計測装置について詳細
に説明をする。まずは、光学系について説明する。図
１、図２に示しているように、距離画像撮像時において
は、対象物体１に対しスリット光照射装置（投光光学
系）２からスリット光Ｓが照射される。このスリット光
照射装置２は、発光源、例えば半導体レーザ５と集光レ
ンズ６およびポリゴンミラー７、シリンドリカルレンズ
８、コンデンサレンズ１０、投光用ズームレンズ１１の
光学系により構成される。ポリゴンミラー７は、これに
限らず、例えば共振ミラー、ガルバノミラー等の回転ミ
ラーでもよい。

【００２３】シリンドリカルレンズ８は、凸面側が球形
ではなく円柱形であるため、焦点を結ばず、円柱軸に平
行な焦線を結ぶレンズである。ポリゴンミラー７は回転
軸の回りに多数のミラーで形成したもので、回転するこ
とによって入射する光を各ミラー面ごとに一方向に次々
と走査するものである。

【００２４】投光光学系の構成を図７に示し説明する。
図７（ａ）は投光系の側面図であり、図７（ｂ）は上面
図である。なお、図７（ｂ）では図示すると重なる構成
は一部省略している。図７（ａ）では、スリット光は紙
面に垂直な方向に長さを有していて、半導体レーザ５か
らコンデンサレンズ１０までの実線で描かれたものは光
路を示しており、コンデンサレンズ１０以降はスリット
光が再結像される位置を示すための作図線を破線で示し
ている。図７（ｂ）では、スリット光は図面の上下方向
に長さを有していて、半導体レーザ５からシリンドリカ
ルレンズ８までの実線で描いたものは光路を示し、コン
デンサレンズ１０以降は再結像される位置を示すための
作図線を破線で示している。シリンドリカルレンズ８と
コンデンサレンズ１０の間の１点鎖線で示したものは、
ほぼ点状で進んできたレーザ光がシリンドリカルレンズ
８によって幅のあるスリット光に変換される様子を模式
的に示したものである。そして図７（ａ）、図７（ｂ）
で左端に縦方向の直線（２点鎖線）で示されている位置
にスリット光が再結像する。

【００２５】コリメータレンズ６（図２の集光レンズ６
に対応）は、半導体レーザ５の出力光（例えば発光波長
６７０nm）をコンデンサレンズ上に集光させるレンズパ
ワーを有している。このコリメータレンズ６を通過した
レーザ光はポリゴンミラー７によりスリット光の長さ方
向と垂直な向きに偏向を行う。この偏向により物体面上
でスリット光の走査が可能となる。ポリゴンミラー７に
より偏向されたレーザ光は、まず、ｆθレンズ２９に入
射する。このｆθレンズ２９は、ポリゴンミラー７の一
定の回転速度に対して物体面上でのスリット光移動速度
が非線形となるので非線形成分を補正するために配置さ
れているレンズである。次に配置されているコリメータ
レンズ３０はコンデンサレンズ１０に入射する光束をポ
リゴンミラー７によって走査された方向からコンデンサ
レンズに垂直な方向に向け、投影効率の向上をはかるた
めのものである。レーザ光はシリンドリカルレンズ８に
よって水平方向（図７（ａ）では紙面に垂直な方向）に
長さのあるスリット光に変換され、コンデンサレンズ１
０の瞳面上に集光されて結像し極めて幅の狭いスリット
光として物体に投光される。

【００２６】投光用ズームレンズ１１のイメージプレイ
ン（結像面）１０ｐ上に配置されたコンデンサレンズ１
０で一度結像したスリット光は、投光用ズームレンズ１
１を通過して、対象物体に対して投光される。結像面の
大きさは、例えば１／２インチ、１／３インチ等撮像素
子のサイズに合わせてあり本実施例では１／２インチと
している。このスリット光はシリンドリカルレンズ８で
生成された水平方向に長さを持ち、投光されたスリット
光の長さ方向と垂直方向にポリゴンミラーの回転に従い
高速で走査される。この時、投光用ズームレンズの焦点
位置は撮像系に設けられたオートフォーカスセンサ３１
からの信号に基づいてＡＦ駆動系１７により、対象物体
面までの距離に応じて撮像系と同値、同時に制御され
る。オートフォーカスセンサ３１は、スチルカメラで一
般に用いられているものと同様のものである。また、焦
点距離についても撮像系と同値、同時に、ユーザあるい
はシステムからの操作に基づき制御される。

【００２７】ポリゴンミラー７は、ポリゴンミラー駆動
モータ、ポリゴンミラー駆動ドライバーからなる投光走
査駆動系９に接続されており、これらによって回転制御
されている。また、３３は、コンデンサレンズ１０横に
配置されたフォトダイオードを用いた走査開始センサ
で、レーザ走査が安定に達したか否か、走査開始タイミ
ングをモニタするものである。

【００２８】この投光系はズーム機能を備えており、対
象物体１に対し、必要な倍率に調整することが可能にな
る。ズーム機能には、ユーザが任意に画角を選べるパワ
ーズーム（ＰＺ）と、予め設定された画角に自動で合わ
すオートズーム（ＡＺ）の２つの機能を備えている。受
光光学系３のズーミングに対し、投光光学系２は常に画
角が一致するようにＡＺ駆動系１６により制御され、常
に光学的倍率が等しくなるようにズーミングを行う。ズ
ーミングによるスリット光投光の関係は図８の模式図を
参照すると式(1)〜(3)のようになる。 θ＝α1×１／ｆ (1) φ＝α2×１／ｆ (2) ψ＝α3×１／ｆ (3) 投光系のある１点を基準として、θは一列の２５６点の
ピッチズレ画像を得るため１枚の画像を積分する間に極
めて細いスリット光が移動する角度、φは対象物体上の
スリット光の長さを表す角度、ψは対象物体上でのスリ
ット光の３２４回の総走査角度で、スリット光は実線で
示す位置から矢印の方向へ走査され破線で示す位置まで
移動する。ｆは投光レンズの焦点距離を表す。スリット
光の幅自体は可能な限り細く設定される。α1，α2，α
3は比例係数であり、これらの角度θ、φ、ψは焦点距
離ｆの逆数に比例する。

【００２９】スリット光照射装置（投光光学系）２の垂
直方向に、スリット光照射装置２と基線長ｌだけ離れた
位置にカラー画像撮像系、距離画像撮像系を含む撮像装
置（受光光学系）３が一つの回転架台４上に配置されて
おり、この受光光学系の構成を図９に示す。受光光学系
３は撮像用ズームレンズ１４、オートフォーカス用ユニ
ット３１、ビームスプリッタ１５、各種フィルタ６１、
６２、カラーＣＣＤ撮像素子２４、距離画像用センサ１
２で構成されている。

【００３０】受光した光は撮像系ズームレンズ１４内に
配置されたビームスプリッタ１４ｓで分割され、一部の
光はオートフォーカスユニット３１に導かれる。このＡ
Ｆユニット３１は物体面までの概略距離を測定し、投光
系、受光系レンズの焦点調節を行うため機能するもの
で、本実施例ではビデオカメラ、一眼レフカメラ等で用
いられているものを用いる。

【００３１】撮像系ズームレンズ１４内に配置されたビ
ームスプリッタ１４ｓで分割されたもう一方の光束はさ
らに撮像系ズームレンズの後に配置されたビームスプリ
ッタ１５で透過と反射の２光束に分割され、それぞれ距
離画像用センサ１２とカラー画像用センサ２４に導かれ
る。このビームスプリッタ１５は距離画像用センサ１２
に入射する光束として長波長成分、ここではレーザ波長
成分（６７０nm）を含む長波長成分としておよそ６５０
nmより長い波長成分を透過し、他の波長成分を反射する
光学特性を持つ。

【００３２】反射された短波長成分は、可視光のほとん
どの波長成分を有するため、カラー情報に支障をきたす
ことは通常の場合はありえない。この反射された光束は
偽解像を防止するための水晶フィルタなどのローパスフ
ィルタ６１を通過し、単板のカラー画像用センサ２４上
に結像する。単板のカラー画像用センサ２４はビデオカ
メラ等で用いられるＣＣＤ撮像素子で、素子上にＲＧ
Ｂ、あるいは補色系のイエローＹｅ、シアンＣｙ、マゼ
ンタＭｇ、グリーンＧの色素フィルタがモザイク上に配
置され、色情報を抽出する撮像素子である。なお、グリ
ーンは輝度信号の代わりとして用いることができる。図
１０に補色系カラー画像用センサで受光する光の波長帯
域を示す。カラー画像用撮像素子は、反射率ｈで示す特
性を持つビームスプリッタにより反射された波長領域の
光を受光する。曲線で示すのはイエローＹｅ、シアンＣ
ｙ、マゼンタＭｇ、グリーンＧの各色素フィルタ付き画
素の分光感度である。

【００３３】一方、ビームスプリッタ１５で透過された
長波長成分の光束は、レーザ光成分（波長６７０nm）の
みを抽出するために赤外光（Infrared Ray、以下ＩＲと
称す）カットのフィルタを通過し、さらに水晶フィルタ
などのローパスフィルタを通過し距離画像用センサ１２
上に結像する。図９に示す受光光学系構成図では、これ
らＩＲカット、ローパス両特性を一つのフィルタ６２で
示している。図１１に距離画像用センサ１２で受光する
光の波長帯域（斜線部分）を示す。レーザ光の波長より
短波長領域はビームスプリッタ１５（実線で示す透過
率）によって、長波長領域はＩＲカットフィルタ６２
（破線で示す透過率）によってカットされている。

【００３４】ここで用いられるローパスフィルタ６２は
前述したカラー画像用の偽解像を防止する目的と異な
り、距離データ算出の際の受光レーザビーム位置の撮像
素子ピッチより細かな分解能で検出するための補完機能
を持たすためのものである。そのため、カラー画像時の
ローパスフィルタ６１の持つ等方性の光学特性とは異な
り、受光されるスリット光の長さ方向には分解能を低下
させることがなく、スリット光の幅方向には分解能を低
下させる異方性を持つ光学特性を持つことが望ましい。
こうした光学特性を実現する手段として単層の水晶フィ
ルタやグレーティングなど回折を用いたローパスフィル
タを用いることができるが、このローパスフィルタはシ
ステム構成上必須のものではなく、後のセンサ出力に対
するアナログフィルタ、あるいはセンサ出力のディジタ
ル変換後のディジタルフィルタによってもその機能は代
行しうる。

【００３５】次に、撮像素子１２、２４の走査について
説明する。図９の撮像素子１２、２４の横に並べて図示
している１２ｐ、２４ｐは説明のために１２、２４を平
面図で示した撮像素子である。ＣＣＤ撮像素子は、一般
に、水平レジスタ１２ｈ、２４ｈの長さ方向（水平方
向）の走査速度に対して、垂直方向の走査は低速であ
る。そのため、撮像素子２４（２４ｐ）で得られるカラ
ー画像は通常、高速走査を行うＣＣＤの水平転送ライン
の出力に応じてアナログ信号処理を行い、逐次ＮＴＳＣ
の信号に変換し、モニターへ画像出力可能である。この
同一のモニターにピッチズレ画像を出力しようとした場
合、カラー画像の水平走査方向と同じ方向、同じ位置順
に距離画像用データが生成されることが、位置の情報を
記憶しなくても済み必要となるメモリ容量の削減と共
に、メモリに要求する機能の単純化から望ましい。

【００３６】そこで距離データ測定のために投光するス
リットの長さの方向はカラー画像用のイメージセンサの
高速走査方向、すなわち一般的には水平走査方向である
ことが望ましい。また、スリットの投光される走査方向
はカラー画像の垂直走査方向であることが望ましい。す
なわち、投光されるスリット光は上から下への走査とな
るのが望ましい。

【００３７】そこで、本実施例のような測定対象をカラ
ー画像用センサ、距離画像用センサの２種の画像入力セ
ンサで捕える光切断法を用いた３次元形状測定装置、３
次元入力カメラにおいては、カラー画像用撮像素子の水
平走査方向にスリット長を持つスリット光を投光し、カ
ラー画像用撮像素子の垂直走査方向と同じ方向にスリッ
トを走査することによりメモリの削減と、メモリへの要
求事項の削減につながる。また、このようなスリット光
に対して距離画像用センサから帯状画像を高速に読み出
すには方向が制限され、距離画像用センサの高速走査の
できる水平方向はカラー画像用センサの水平走査方向と
平行な方向にする必要がある。つまり、これらのイメー
ジセンサと入射するスリット光の位置関係、走査方向関
係は図９に示すような関係となる。

【００３８】上述のような撮像部の構成とした場合の光
学系において、以下に説明する２つの構成が新たに必要
となる。

【００３９】まず、カラー画像、距離画像生成用画像を
同一レンズより入力するが、カラー画像用の波長から得
ることのできる光量と距離画像用の波長から得られる光
量に関係はないため露光光量制御をそれぞれ独立に行う
ことが必要となる。暗いところで、近い測定対象を計測
する場合は距離用の明度は高いものの、カラー画像用の
明度は低い。逆に明るいところで、遠い測定対象を計測
する場合は距離用の明度は低いものの、カラー画像用の
明度は高い。そこで、この受光ズームレンズにおいては
一般のレンズでの露出調整手段である絞りによる制御は
行わず、常に開放の状態に固定している。

【００４０】カラー画像の露出制御はカラー画像用セン
サとして一般に用いられるＦＩＴ−ＣＣＤ等が有する電
子シャッタ機能で蓄積時間による調整を行う。通常、カ
ラー画像用センサとして用いられるＦＩＴ−ＣＣＤ等の
電子シャッタ機能は1/60〜1/10000秒の蓄積時間制御を
可能にしている。さらに広いダイナミックレンジを確保
するために、明るい屋外での使用条件下では、カラー画
像センサ直前には入射光の成分を変えずに透過光量を減
少させる機能を有するＮＤフィルタを挿入することによ
りセンサ入射光量を低下させ、距離画像用センサに入射
する光量の低下なしに、より高輝度状態での使用も可能
となる。

【００４１】一方、距離画像用の露出制御は投光するレ
ーザの使用個数の制御、レーザへの供給電流の制御、レ
ーザから出力レンズまでの任意の光学位置でのＮＤフィ
ルタの挿入制御などによるレーザ強度の調整、あるいは
出力信号に供給するアンプゲインで出力レベルの調整を
行う。この制御はＡＦ制御部より得られる測定対象まで
の距離情報Ｄafと測定条件下でのレンズの焦点距離ｆか
らレーザ強度制御値が決定される。図１２にその制御マ
ップ例を示す。

【００４２】通常、距離画像用センサの出力は測定対象
までの距離情報Ｄafの２乗に反比例する。また、焦点距
離ｆが短くなると照明を要する面積が拡大することから
距離画像用センサの出力信号は小さくなる。そこで本実
施例の装置においては、距離画像算出用データの出力レ
ベルは焦点距離に応じてレーザ個数が制御され、図１２
に示す例では、焦点距離ｆが３６．７mmまでは３個、そ
れ以上では１個のレーザを用いる。さらに、焦点距離ｆ
とＡＦセンサの出力で決定される測定対象までの距離情
報Ｄafから算出される像倍率β（＝Ｄaf／ｆ）に応じ
て、距離画像センサ出力に対してアナログ前処理回路内
で与えるアンプゲインを変化させることでも制御されて
いる。図示した例では、β＝３５〜５０では１／２、β
＝５０〜７５では１、β＝７５〜１００では２、β＝１
００〜２００では４、のようにアンプのゲインを設定し
てる。この他には、近距離で焦点距離の長い望遠系での
測定においてＪＩＳに定める安全規格を越えるレーザ光
量を用いる場合には、レーザから出力レンズまでの任意
の光学位置でのＮＤフィルタの挿入による光量制御も有
効な手段である。

【００４３】しかし、上記の制御による制御値で測定を
行っても良好な測定結果が得られない場合には、レーザ
光強度調整キーを設けキー操作によりレーザ強度の調整
をする、あるいはセンサ蓄積時間の変更を行う等の手段
を用いることも可能である。また、その他の手段として
は、距離情報とカラー画像から得られる測定対象の推定
される反射率とから、得られる推定レーザ強度制御値を
もとにレーザプリ走査を行う方法がある。プリ走査時の
距離画像用センサの出力最大値を算出し、この値がＡ／
Ｄ変換のダイナミックレンジ内で収まり、かつ、後段で
の距離情報算出に充分な信号となるレーザ強度、イメー
ジセンサ蓄積時間の算出を行い、この算出された制御値
を基に距離画像の取り込みを行う。他には、ＡＦ用の補
助照明装置がある場合には、測定対象が存在すると考え
られる画面中央部に対してこの補助照明の照射によって
反射する光量をＡＦ用センサで検出し、検出された反射
光量をもとにレーザ強度、イメージセンサ蓄積時間の算
出を行い距離画像の取り込みを行うことも可能である。

【００４４】もうひとつは、異なる視点（位置）から投
光、受光を行うことで視差が生じてしまうため（図１３
参照）これを解決するための手段が必要になる。イメー
ジプレインサイズ、焦点距離の同値である同一レンズ系
で投受光を行うと、特定の距離でしか視野の一致は起こ
らない（大きい矢印OBJ1で示す）。一致する距離に物体
が無い場合は投光されていない領域の３次元形状測定を
行うことになり、測定不能の領域が生じてしまう。例え
ば図１３の小さい矢印OBJ2で表したような視野の一致し
ない位置にある物体を測定しようとすると、投光範囲と
受光範囲にずれが生じるため、矢印上端部が投光されて
いない範囲であるのに受光系は走査するという不具合が
生じる。

【００４５】上記不具合への対応としては、以下の様な
構成により解決する。 （１）投光系の光軸の仰角を対象までの距離によって無
段階に変化させる（図１４参照）。投受光系の焦点距離
は同値に設定し、オートフォーカス測定による対象物体
までの距離に応じて投光系の光軸（破線で示す）の仰角
を変化させることで固定された受光系の走査範囲に対応
させている。つまり、近距離であるほどパララックスの
影響が大きくなるため仰角を大きくし走査範囲をＳ１と
し、遠距離ほど仰角を小さくし走査範囲をＳ２とてい
る。なお、投光系光軸の変化は機械的な手段により変化
させる。

【００４６】（２）投光レンズ系の投光直後に屈折率可
変のプリズムを設ける光学的手段により、投光系光軸の
仰角を対象までの距離に応じて連続的に変化させる。た
だし、投・受光系の焦点距離ｆは等しくとる。オートフ
ォーカス測定距離に応じて曲率を持ったプリズムを出し
入れすることで屈折率が変化し投光系光軸の仰角が変化
する。

【００４７】（３）同一のイメージプレインサイズを持
つ光学系を用いて投光系の焦点距離ｆaを受光系焦点距
離ｆpより小さくなるように制御する。あるいは、大き
なイメージプレインサイズを持つ光学系を投光系に用
い、投受光系焦点距離ｆa、ｆpが同値になるように制御
する。このような手段で受光系走査範囲に対して投光系
の走査範囲に余裕（受光系に対して１．５倍程度）をも
たせると同時に、対象物体までの距離を複数のゾーンに
ゾーン分けを行い、それぞれのゾーンに応じて投光系光
軸の仰角を段階的に変更する。例えば図１５に示す例で
は、対象までの距離を２つのゾーンに分け、遠い側をゾ
ーンＺ１、近い側をゾーンＺ２としている。そして、ゾ
ーンＺ１に該当する場合は投光系の光軸の仰角を所定の
角度だけ変更し、近距離側のゾーンＺ２に該当する場合
はゾーンＺ１のときよりも大きい角度の仰角変更を行
う。

【００４８】（４）前記（３）と同様に投光系の走査範
囲に余裕（受光系の１．５倍程度）をもたせ、投光系光
軸の仰角は固定し、焦点距離ｆに応じて最近接測定距離
に制限を設定する。図１６に示す例では、小さい矢印OB
J2が位置している距離より近い距離では受光範囲が投光
範囲外になる領域が生じるため、このときの距離を最近
接距離とする。

【００４９】（１）、（２）の場合（図１４）は視野は
完全に一致していると想定しているため、レーザの走査
開始と共に距離画像用センサの駆動を行い、画像の取り
込みを開始することができる。一方、（３）、（４）の
場合は図１５、図１６に示すように視野は一致しておら
ず投光系によるレーザの走査領域が広いため無駄な領域
が生じる。そこで、この無駄な領域を走査するのに要す
る時間をオートフォーカス算出基準距離から算出する。
走査は上から下へと進むので始めに無駄な領域があり、
走査開始から上記算出時間経過後に、マイコンは距離画
像用センサからのデータ取り込みを開始するようにす
る。この場合には、走査範囲が広いため（１）、（２）
の場合に比べて１．５倍程度のレーザ走査時間が必要と
なり、３次元形状入力時間がその分延びることになる。

【００５０】また、このように投光系、受光系で異なる
仰角を持つため受光系光軸に垂直な物体面上では厳密な
等速でのレーザの移動は行われず、物体の下側に密、上
側に粗な移動となるが、この仰角自体が小さい角度であ
るためあまり問題とならず、センサの走査している垂直
方向の位置情報とピッチズレ量から距離情報への変換テ
ーブルを持つことでほぼ等方性を有する３次元計測は可
能である。

【００５１】次に撮像系についての詳細な説明をする。
１本のスリットの投光された方向に対して、測定される
物体までの距離範囲に制限があれば、そのスリットの物
体での反射光を受光するセンサ上の位置はある範囲内で
制限される。この様子を図１７に示す。

【００５２】測定最遠距離をＤf、測定最短距離をＤnと
する。今、投光系から照射されるスリット光による切断
平面が、スリットＡの場合、物体面で反射したスリット
光を受光する撮像素子面の範囲は、測定最近距離Ｄnと
スリットＡとの交点ＰAnの３次元的位置が撮像素子上に
投影される点を図中最下点とし、測定最遠距離Ｄfとス
リットＡとの交点ＰAfの３次元的位置が撮像系レンズ主
点位置を中心として撮像素子上に投影される点を図中最
上点とする撮像素子上の閉区間Ａrに限定される。投光
系、受光系の位置関係をそのままとして、同様にスリッ
ト光Ｂの場合も、測定最近距離ＤnとスリットＢとの交
点ＰBnの投影される点を図中最下点とし、測定最遠距離
ＤfとスリットＢとの交点ＰBfの投影される点を図中最
上点とする撮像素子上の閉区間Ｂrに限定される。

【００５３】このように、１本のスリット光投光による
２５６点の１列の距離データを生成するために、撮像素
子全範囲を走査するのではなくスリット光に対応した必
要な範囲だけを走査することができ、処理の高速化が可
能となる。

【００５４】更に３次元形状データを生成する装置の高
速化をはかるために、この領域のみの帯状画像、例えば
２５６×１６画素の素子画像のみを高速に出力する機能
が要求される。このような帯状領域の選択的読み出しを
可能とする高速駆動固体撮像素子として以下に述べる３
種の固体撮像素子を用いることができる。第１は、ＭＯ
Ｓ、ＣＭＤ等のＸ−Ｙアドレス走査方式を持つ撮像素子
の読み出し開始アドレス設定機能を付加する構成である
（図１８）。第２はＣＣＤ撮像素子等のアナログ転送
方式における読み出し転送路（一般には水平レジスタ）
への電荷転送時に並列に電荷排出機能を付加する構成で
ある（図１９、図２０）。第３は走査方式にかかわらず
帯状に分割したブロックをあらかじめ設定し、ブロック
毎に出力機能を持たせ、その並列出力を用いる構成であ
る（図２１）。

【００５５】第１の構成としてＸ−Ｙアドレス走査方式
センサの構成を図１８に示す。通常、各画素の走査は垂
直走査回路６１と水平走査回路６２のマトリクス配置さ
れたスイッチで行われる。この垂直走査回路６１、水平
走査回路６２はディジタルシフトレジスタで構成され、
垂直走査の１シフト信号入力に対して水平シフト信号の
２５６シフト信号を入力することにより１行（２５６画
素）を走査することができる。本実施例においてはこの
垂直走査回路６１に対してレジスタ初期値である走査開
始セット信号を供給する走査開始セットレジスタ６３を
設置することで帯状のランダムアクセス読み出しを実現
する。走査開始セットレジスタ６３へは走査開始位置を
表す信号sgn1、sgn2を入力することでどの位置の帯状画
像を読み出すかを指示する。

【００５６】また、画素数が増加するとこの走査開始セ
ット信号のビット数が増えてしまい、入力ピンの増加が
起こるため、走査開始セット信号のデコーダ６４を配置
するのが望ましい。そして、読み出し開始時に走査開始
セットレジスタ６３の内容を垂直走査回路６１に並列転
送することで走査開始位置（行）がセットされたことに
なる。この後、水平走査を２５６回行うことで所望の行
からの信号が得られる。続いて、垂直走査の１シフト信
号入力、水平方向の２５６シフト信号入力を行い、次の
行の信号を読み出し、これを繰り返すことで所望の帯状
領域の画像の読み出しを行う。以上の動作を行うことで
所望の帯状領域のみの走査が実現され、全領域の走査を
行う時間よりはるかに短い時間（読み出し行数／全領域
行数）で必要な走査が完了する。

【００５７】一度読み出された領域はリセットされ次の
蓄積を開始しているが、読み出されなかった領域は電荷
の蓄積が継続して行れている。そのとき、次回の読み出
しが同じ領域なら問題ないが、異なる領域を読み出す場
合、蓄積時間の異なる画像情報が混在することになる。
光切断を用いた３次元計測装置の場合、レーザスリット
の走査とともに読み出しが必要な帯状領域をシフトしな
がら読み出す必要が有る。そして重複して読み出される
領域の画像は前回読み出しから今回読み出しまでの積分
時間の画像が読み出されるが、読み出し領域のシフトに
ともない新規に読み出される領域の画像の積分は以前か
ら継続された画像となってしまう。そこで本実施例にお
いてはこの読み出し帯状領域を今回必要な領域と次回必
要な領域、両方を包含する領域に設定する。そうするこ
とで、次回入力に必要な領域については必ず前回に積分
がクリアされることになり、積分時間の異なる画素から
なる画像を取り込んでしまうという支障を回避すること
ができる。

【００５８】次に、第２の構成としてＣＣＤ撮像素子の
インターライン転送の場合の構成を図１９に、フレーム
転送の場合の構成を図２０に示す。本実施例のＣＣＤ撮
像素子においては、この水平レジスタ６６への並列電荷
転送を行う転送ゲートＴＧと並列に、電荷をオーバーフ
ロードレインＯＤへ排出するための積分クリアゲートＩ
ＣＧを設置することで、帯状のランダムアクセス読み出
しを実現している。

【００５９】インターライン転送の場合、通常は、全領
域の画像蓄積が完了した時点ですべての画素の蓄積電荷
は受光部から転送領域に並列に移送される。この各画素
で発生した電荷の走査は垂直レジスタと、転送ゲートＴ
Ｇへの１シフト信号入力を行い、垂直レジスタの各電荷
を一段づつ並列に下方にシフトすると共に、最下の垂直
レジスタ内の電荷を水平レジスタ６６へ読み出す。この
後、水平シフト信号の２５６シフト信号入力を供給する
ことにより一行の電荷を走査することができる。この動
作を行数（３４０行）だけ繰り返すことで全領域の読み
出しを行う。

【００６０】本実施例においては、各画素で発生した電
荷を走査する段階で不要な行に発生した電荷は、垂直レ
ジスタ、積分クリアゲートＩＣＧへの１シフト信号入力
を供給することで、並列にオーバーフロードレインＯＤ
へ排出する。読み出しの必要な行については通常の場合
と同様に垂直レジスタ、転送ゲートＴＧへの１シフト信
号入力を行い、垂直レジスタの各電荷を一段づつ並列に
下方にシフトすると共に、最下の垂直レジスタ内の電荷
を水平レジスタ６６へ読み出し、この後、水平シフト信
号の２５６シフト信号入力を供給することにより一行の
電荷を走査する。以上のようにすることで、行単位のラ
ンダムアクセス機能が実現され、撮像素子の全領域の走
査を行う時間よりはるかに短い時間（読み出し行数／全
領域行数）で必要な走査が完了する。

【００６１】図２０に示すフレーム転送の場合、インタ
ーライン転送の場合の素子に比べて大きな構成になって
おり、上側は光電変換領域で下側は蓄積領域になってい
る。一般に蓄積領域は光電変換部と同数の画素を有して
いる。通常の動作は、全領域の画像蓄積が完了した時点
ですべての画素の蓄積電荷は光電変換領域から蓄積領域
に行数分の垂直転送パルスにより並列に転送される。転
送後、インターライン転送時と同様に各画素で発生した
電荷の走査は垂直レジスタ、転送ゲートＴＧのコントロ
ールで水平レジスタ６６へ読み出し、この後、水平シフ
ト信号の２５６シフト信号を入力することにより一行の
電荷を走査することができる。

【００６２】本実施例においては、全領域の画素の蓄積
電荷は光電変換領域から蓄積領域に行数分の垂直転送パ
ルスにより並列に転送後、水平レジスタ６６への転送の
際、各画素で発生した電荷の走査の段階で不要な行の電
荷は垂直レジスタ、積分クリアゲートＩＣＧへの１シフ
ト信号を入力するのみで並列にオーバーフロードレイン
ＯＤへ排出する。また、蓄積領域は毎回読み出し必要行
数（例えば１６行）のみ用意しておき、最初の読み出し
不要画素行の信号については、光電変換領域から蓄積領
域に垂直転送する際の垂直転送パルスに同期し積分クリ
アゲートＩＣＧを開放して電荷を排出し、読み出し必要
な画素行の電荷のみを蓄積領域に転送した段階で水平レ
ジスタ６６からの読み出しを行うようにしてもよい。以
上のようにすることにより、行単位のランダムアクセス
機能が実現され、全領域の走査を行う時間よりはるかに
短い時間（読み出し行数／全領域行数）で必要な走査が
完了する。

【００６３】次に、第３として、複数のブロックに分割
しブロック毎に出力するセンサの構成を図２１に示す。
ここではＸ−Ｙアドレス走査式センサの場合を例に説明
を行うが、ＣＣＤ撮像素子などのアナログ転送方式にお
いても同様の構成をとることは容易である。本実施例に
おいては予め設定された読み出しに必要な行数毎に分割
されたブロック構成をとり、各ブロックの信号を並列走
査し出力している。この並列読み出し出力に対して、読
み出したい領域に応じてマルチプレクサ６５の操作によ
り出力を選択し、最終出力するものである。このような
読み出しを行うことにより出力順番は異なるものの行単
位のランダムアクセスが実現され、読み出し時間もブロ
ック分割数だけ圧縮される。このブロック分割した構成
によりランダムに読み出される帯状画像の出力形態とマ
ルチプレクサのブロック切り替え信号との関係を図２２
に示す。図中の数字１〜６は図２１のライン番号に対応
している。

【００６４】図２１に示すのは、極めて簡単な２ブロッ
ク（Ｂ１、Ｂ２）に分割し、任意の３行の読み出しを行
う場合の例で、この図と図２２の出力信号の関係図を基
に説明をする。センサは内部で２系列出力、ライン１〜
３を出力するブロックＢ１出力（図２２・ａ）、ライン
４〜６を出力するブロックＢ２出力（図２２・ｂ）を持
ち、これらはアナログ信号としてマルチプレクサへ送ら
れ選択信号Sel により選択されて出力される。マルチプ
レクサ６５の操作で、センサ出力Out としてブロックＢ
１出力を選択した場合、ブロックＢ１の出力がそのまま
センサ出力となり、ライン１、２、３の帯状画像の出力
が順次出力される（図２２・ｃ）。また、センサの出力
としてブロックＢ２出力を選択した場合はライン４、
５、６の帯状画像が読み出される（図２２・ｆ）。

【００６５】一方、ブロック出力として第１、４ライン
出力中はブロックＢ２を選択しライン４を出力し、その
後、マルチプレクサ６５をブロックＢ１選択に切り替え
を行うことにより、センサ出力はライン４、２、３の出
力が順次出力され、ライン２、３、４の帯状画像の読み
出しが行われる（図２２・ｄ）。また、センサ出力は始
めの２ラインまではブロックＢ２を選択してライン４、
５を出力し、その後、ブロックＢ１を選択しライン３を
出力すると、ライン３、４、５の帯状画像の読み出しが
行われる（図２２・ｅ）。図中、黒▽印は出力をブロッ
クＢ２からブロックＢ１に切り替えたところを示してい
る。このように走査途中にブロック選択信号を切り替え
ることにより、出力順序は異なるものの分割されたブロ
ックと同じ大きさを持つ任意の位置の帯状画像が選択的
に読み出し可能である。

【００６６】以上、３種類の行単位のランダムアクセス
可能な距離画像用センサが、本実施例において３次元形
状測定装置への入力時間の高速化のために適用すること
ができる。

【００６７】次に電子回路について説明を行う。電子回
路全体の構成を示すブロック図を図２３に示す。本実施
例の計測装置本体は、投受光系レンズ駆動回路７１、７
２、ＡＦ回路７３、電動雲台駆動回路７６、入出力７
５、７４等の制御を行うマイコンＣＰＵ１と、画像セン
サ駆動回路１３、２３、レーザ・ポリゴン駆動回路７
７、７８、タイマー７９、ＳＣＳＩコントローラ８０、
メモリコントローラＭＣ、ピッチズレ画像処理回路８３
等の制御を行うマイコンＣＰＵ２の、２つのマイコンで
制御される。レンズ、入出力等の制御を行うマイコンＣ
ＰＵ１の制御で電源操作、撮影モードのキー操作等の信
号をコントロールパネル７５から受け取り、マイコンＣ
ＰＵ２、受光系レンズ駆動部７１、投光系レンズ駆動部
７２、ＡＦ駆動部７３、表示画像生成部７４等へ制御信
号を送信し、ズーム、フォーカス、撮像等の制御を行
う。

【００６８】カラー画像用にはカラー画像用センサ２４
とセンサ駆動回路２３、アナログ前処理回路８１、画像
メモリ８４のブロックがある。距離画像用には、距離画
像用センサ１２とセンサ駆動回路１３、アナログ前処理
回路８２、ピッチズレ画像処理回路８３、ピッチズレ画
像メモリ８５のブロックがある。

【００６９】電源投入により、カラー画像センサ２４、
カラー画像センサ駆動回路２３、カラー画像アナログ前
処理回路８１のカラー画像撮像系が駆動され、モニター
として機能させるために撮像されたカラー画像が表示画
像生成部７４に供給されディスプレイ４１に表示され
る。これらのカラー画像撮像系回路は従来のビデオカメ
ラ等で周知の回路と同様の回路系となる。一方、距離画
像撮像のためのセンサ、レーザ等は電源投入により初期
化されるだけで駆動されず、ポリゴンミラー駆動回路７
８だけはミラーの定速回転までの所要時間が長くかかる
ため駆動が開始される。この状態で、ユーザはモニター
画面４１のカラー画像を参考にしながら、パワーズーム
操作により視野設定を行い画像入力のためのレリーズ準
備を行う。レリーズ操作が行われレリーズ信号の発生・
送信により距離画像用センサ１２、距離画像用センサ駆
動回路１３、距離画像用アナログ前処理回路８２の距離
画像撮像系と、レーザ駆動回路７７が駆動され、ピッチ
ズレ画像メモリ８５、カラー画像メモリ８４にそれぞれ
の画像情報が取り込まれる。

【００７０】カラー画像については、モニター装置へは
アナログ信号として供給していたのを、カラー画像用フ
レームメモリ８５にはＡ／Ｄ変換器ＡＤ１でＡ／Ｄ変換
を行ってディジタルの情報として画像入力を行う。これ
らの処理については、ディジタルビデオ、ディジタルス
チルビデオ等で周知の技術と同様である。

【００７１】距離画像については図７に記載された走査
開始センサ３３から送信されるレーザスリット光の走査
開始信号をマイコンＣＰＵ２は待っている。その後、前
述した焦点距離ｆ、基線長ｌ、測定基準面までの距離ｄ
に起因する無駄走査に要する無駄時間Ｔdだけ待つ。こ
の走査開始信号から上記の無駄時間Ｔdを計時した後、
距離画像用センサ１２及びその駆動回路１３の駆動を開
始しデータの取り込みを開始する。これらの計時動作は
タイマー７９により行われている。

【００７２】センサが駆動開始されると、水平方向に長
さを持つスリット状レーザが受光系走査範囲の最上部か
ら下方に向けて走査を開始する。それと同時に距離画像
用センサの画像積分が開始され、ポリゴンミラー７の走
査によりスリット光が距離画像用センサの１画素に対応
した角変動量での走査が行われたときに画像積分部から
蓄積部への高速垂直転送が行われる。次に、この最上部
の行の画像を帯状領域の中心に捕えるように距離画像用
センサ駆動部１３を制御して、画像の読み出しを行う。
画像の積分部から蓄積部への垂直転送が完了すると同時
に、距離画像用センサの出力として画像を蓄積部から順
次読み出し処理と、次の画像読み出しのため積分部で入
力光量に応じた電荷の積分処理を行うことになる。

【００７３】こうして１つの帯状画像の読み出しが完了
すると、レーザスリット光はまた距離画像用センサ１画
素に対応した角変動量での走査が行われ、画像積分部か
ら蓄積部への高速垂直転送が行われる。距離画像用セン
サの帯状領域を、前回読み出しに対して１ピッチ下方に
ずらした位置に、今回読み出し距離画像用センサの帯状
領域を設定し、画像の読み出しを行う。

【００７４】一連のこの動作を継続して行い、順次、帯
状画像入力を繰り返し３２４枚の画像を得る。この間、
ポリゴンミラーは定速で回転しているので、次々に異な
る光切断面を持つスリット光に対する帯状画像が入力さ
れることになる。この距離画像用センサの出力を相関２
重サンプリング、オフセット、暗時出力の処理などを距
離画像用アナログ前処理回路８２で行った後、Ａ／Ｄ変
換器ＡＤ２でディジタルに変換し、ピッチズレ画像処理
回路８３にディジタルデータとして送信する。

【００７５】ピッチズレ画像処理回路８３では、１枚の
帯状画像データ（２５６×１６画素）から２５６点の受
光レーザ光重心位置に変換する重心演算を図２４に示す
受光重心位置算出回路（後述）を用いて算出し、算出さ
れたピッチズレ量をピッチズレ画像メモリ８５に格納す
る。これを３２４回繰り返すことにより、２５６×３２
４のピッチズレ画像を得る。

【００７６】以上の処理でピッチズレ画像メモリ８５と
カラー画像メモリ８４にそれぞれの画像が記憶されたこ
とになる。これらの２つの画像はメモリ制御を担うマイ
コンＣＰＵ２の制御でメモリコントローラＭＣを介し
て、ＳＣＳＩコントローラ８０によるＳＣＳＩ端子４
９、内蔵のＭＯ装置２２等へのディジタルデータでの出
力、または、Ｄ／Ａ変換器ＤＡ１でアナログに変換しＮ
ＴＳＣ信号として、ＬＣＤモニタ４１、ＮＴＳＣ出力端
子５０、５１へ出力することができる。

【００７７】ＳＣＳＩ端子４９から出力するとき、ＳＣ
ＳＩ規格による出力ではカラー／ピッチズレ画像の１セ
ットの出力画像の送信完了に数秒要することになる。そ
こで、カラー画像は通常ビデオ機器で用いられるカラー
ＮＴＳＣ信号としてビデオ機器で録画し、ピッチズレ画
像をＮＴＳＣ信号の輝度信号として扱い、モノクロ画像
をピッチズレ画像ＮＴＳＣ信号として出力することによ
り動画でのカラー／ピッチズレ画像の出力が可能とな
る。高速な画像処理装置を用いればこうしたリアルタイ
ムのビデオ画像のコンピュータへの入力も可能であり、
また他の手段としてはこのＮＴＳＣ信号を通常のビデオ
機器に接続して録画し、その後、再生時にコマ送りしな
がら、この濃淡画像（ピッチズレ画像）を処理すること
でコンピュータへの入力も可能である。こうしてコンピ
ュータへ入力された動体のカラー、ピッチズレ画像を用
いることにより動体の運動解析などの分野への活用が可
能である。

【００７８】また、システムの外部機器として、本計測
装置を設置する電動雲台４のパン、チルトなどの動作を
制御する回転架台制御部７６を備えることで制御するこ
とも可能である。この制御動作については後に説明を加
える。

【００７９】次に、ピッチズレ画像処理回路８３の受光
重心位置算出回路の詳細な構成を図２４に示す。この回
路は１枚の帯状画像データ１６点の内の５点の情報から
重心を算出するハード構成になっている。距離画像用セ
ンサ１２からの信号は有効画素のみアナログ前処理回路
８２で抽出され、Ａ／Ｄ変換器ＡＤ１でＡ／Ｄ変換され
て、図２４左端の入力端子inputから本回路に入力され
る。この入力された信号は４つのレジスタ１０１ａ〜１
０１ｄにより２５６×８bitのＦＩＦＯ (FirstIn First
Out) で２５６×４ライン分記憶され、直接入力される
１ラインと、計５本のラインが演算に用いられる。レジ
スタ１０３、１０４は、レジスタ１０１と同じ２５６×
８bitのレジスタである。レジスタ１０９は２５６×５b
itのＦＩＦＯレジスタである。これらのレジスタ１０
３、１０４、１０９が同じ用途に２つずつ用意されてい
るのは、選択回路１０６、１０８、比較回路１０７等で
の処理にクロックパルスで数パルスの時間を要するため
メモリ容量を増やして２つを奇数用（Ｏ）、偶数用
（Ｅ）として交互に利用するようにしてあり、いずれを
用いるかはクロックパルスRCLK_O、RCLK_Eにより制御さ
れている。

【００８０】受光レーザの重心演算は５ラインの５点の
データを基に以下の式で計算される。まず、重心位置近
傍での受光光量が最大となることから、Ｉ行目（I=1〜2
56）の重心点は、 Σ(I,n) = D(I,n+2)+D(I,n+1)+D(I,n)+D(I,n-1)+D(I,n-2) (4) が各Ｉに対して最大となる n = Ｎ(I) を求める。この
Ｎ(I)列目近傍に重心を持つと考え、それから荷重平均
点Δ(I,Ｎ(I))だけの補完量を次式で求める。 Δ(I,N(I))={2*D(I,N(I)+2)+D(I,N(I)+1)-D(I,N(I)-1)-2*D(I,N(I)-2)} /Σ(I,N(I)) (5) 最終的には、 Ｗ(I) = Ｎ(I) + Δ(I,N(I)) (6) を求める重心位置とする。

【００８１】ここで Ｄ(I,n) は Ｉ行ｎ列目のデータを
指す。１列は２５６個のデータを持っており、レジスタ
１０１ａには D(I,n-1)、レジスタ１０１ｂには D(I,
n)、レジスタ１０１ｃには D(I,n+1)、１０１ｄには D
(I,n+2)のデータが保存され演算に用いられる。Σ(I,n)
の演算（(4)式）は、加算回路Σで演算され、レジスタ
１０４に記憶される。そして次に演算された結果を各行
の前回算出されレジスタ１０４に記憶された MAX(Σ(I,
n)) と比較し（比較回路１０７）、大きければこのレジ
スタ１０４の内容を更新すると共に、同時に算出される
{2*D(I,n+2)+D(I,n+1)-D(I,n-1)-2*D(I,n-2)} の値
（＝(5)式の分子＝Ｒ１とする）をレジスタ１０３に、
その列番号ｎをレジスタ１０９に更新記憶する。Ｒ１の
算出は、D(I,n+2),D(I,n-2)のデータはシフト回路１０
２で左に１ビットシフトさせることで（×２）の処理を
している。その後、加算回路(+)、減算回路(-)で演算を
行いＡ点でＲ１が算出されており、レジスタ１０３に記
憶される。

【００８２】なお、列番号ｎは、５ビットバイナリカウ
ンタ１１０でクロックパルスＰＣＬＫをカウントしてお
り、比較回路１０７での比較の結果、最大値が更新され
るとそのときのカウンタ値をレジスタ１０９に取り込み
記憶する。本実施例では数ｎは１〜１６であるのでレジ
スタ１０９、バイナリカウンタ１１０は５ビットあれば
十分である。

【００８３】この操作を１帯状画像に対して繰り返すこ
とで、上記の式の計算に必要な MAX(Σ(I,n)) となるＮ
(I)、Σ(I,N(I))、Ｒ１の値がそれぞれレジスタ１０
９、１０４、１０３に格納される。Σ(I,N(I))＝Ｒ２と
すると、除算回路(÷)でＲ１／Ｒ２の演算を行い、次に
加算回路(+)でＲ１／Ｒ２＋Ｎ(I)＝Δ(I,N(I))＋Ｎ(I)
＝Ｗ(I)が演算され、最終的に右端の出力端子outputか
ら２５６列に対するＷ(I)の値が出力される。

【００８４】この２５６個のＷ(I)をピッチズレ画像メ
モリ８５に格納し、３２４枚の帯状画像に対してこの処
理を繰り返すことで、ピッチズレ画像メモリ８５上には
２５６×３２４の点のピッチズレ情報Ｗ(I)からなるピ
ッチズレ画像が形成される。

【００８５】次に、装置の動作についてフローチャート
を用いて詳細に説明する。図２５に示すのは、メインス
イッチｏｎ時に実行されるメインのルーチンのフローチ
ャートである。まず、ステップ＃１でＣＰＵ、メモリ、
ＳＣＳＩ、ＭＯ、ディスプレイ、コントロールパネル等
のデバイスの初期化を行う。次に、ステップ＃３では、
動作モードの判別を行う。動作モードとしては、３次元
計測を行うカメラモードと、３次元データをＭＯ等のメ
モリデバイス２２から読み出し内蔵ディスプレイに表示
を行うリプレイモードとがあり、スイッチ操作により選
択できる。または、いずれかのモードをデフォルトで設
定してもよい。リプレイモードであればステップ＃５へ
進み後述のリプレイモードの処理を行う。カメラモード
であればステップ＃６へ進み後述のカメラモードの処理
を行う。カメラモードを終了すると、ステップ＃７でポ
リゴンミラーを停止しステップ＃８でＡＦ／ＰＺのリセ
ットを行いレンズを初期位置に復帰させる。ステップ＃
９ではイメージセンサ及びセンサ駆動回路を停止させ、
ステップ＃３へ戻り動作モードの判別を行う。

【００８６】次に、カメラモードの動作についてフロー
チャートを図２６（ａ）に示し、説明をする。カメラモ
ードが選択されると、ステップ＃１１で各デバイスの初
期化を行い、ステップ＃１３でカラー画像用センサを起
動し、カラー画像をモニターディスプレイ４１に供給す
る。この画像は、受光ズームレンズ内に配置されたオー
トフォーカスセンサ３１を駆動して、常に最適な焦点状
態で受光して最適なカラー画像を得るようになってい
る。次に、ステップ＃１５で、距離画像撮像の準備を行
うため、安定するまでに時間が長く必要なポリゴンミラ
ーの駆動を先に開始し、ステップ＃１７でＡＦ／ＰＺサ
ブルーチンの処理を行う。次に、ステップ＃１９でポリ
ゴンミラーが安定するまで待機し、安定した時点でステ
ップ＃２１のシャッタモードに入り、シャッタモードの
サブルーチンを実行する。ステップ＃２３ではデータ転
送モードに入り、データ転送モードのサブルーチンを実
行する。ステップ＃２５では、カメラモードの終了かど
うかを判別し、終了であればステップ＃２７へ進みリタ
ーンする。終了でなければステップ＃２１へ戻る。

【００８７】ＡＦ／ＰＺサブルーチンについて図２６
（ｂ）に示し説明すると、ステップ＃３１では投受光系
のレンズ位置のリセットを行い、ステップ＃３３でレー
ザ走査範囲のリセットを行い、ステップ＃３５でリター
ンする。

【００８８】次に、シャッタモードの動作について、フ
ローチャートを図２７に示し説明をする。この状態でユ
ーザは計測装置位置、姿勢、ズーミングの変更して構図
の設定を行い、一方、装置はシャッタレリーズボタン４
７が押されレリーズ信号が出力されるのを待つ。まず、
ステップ＃４１でＡＦ／ＡＥサブルーチンを実行し、焦
点合わせ、測光を行う。このサブルーチンについては後
述する。次に、ステップ＃４３でセレクトキー４３とＡ
Ｆ／ＡＥの状態チェックを行う。ここでは、まず、セレ
クトキーが押されたかどうかの判別を行う。押されてい
れば（[Select]）ステップ＃７９でリターンしシャッタ
モードを抜け出す。これは、一般の一眼レフカメラでの
シャッタレリーズボタンの第１段までの押し下げ解除に
相当する。セレクトキーが押されていなければＡＦ／Ａ
Ｅ処理の状態チェックを行い、ＡＦ／ＡＥ処理が動作中
であればステップ＃４１へ戻りＡＦ／ＡＥ処理を繰り返
し行う。ＡＦ／ＡＥ処理が完了していれば次のステップ
＃４５へ進む。つまり、上記の処理期間では連続的に受
光、投光系ズームレンズのフォーカシングと測光を繰り
返して行い、常時合焦状態を保つよう制御されている。

【００８９】ＡＦ／ＡＥが完了すると、それ以後はステ
ップ＃４５で撮影準備としてシャッタボタン４７のロッ
クを解除し、フォーカシング、ズーミングの駆動を禁止
（ＡＦ／ＰＺロック）する。そして、ステップ＃４７で
シャッタボタン４７が押されたかどうかを判別する。シ
ャッタボタンが押されていればステップ＃５５へ進む。
押されていなければステップ＃５１へ進み所定時間経過
したかを判別し、経過していなければステップ＃４７へ
戻りシャッタボタンが押されたかどうかの判定を行う。
所定時間経過していればステップ＃５３でシャッタボタ
ンの操作をロックし、ステップ＃４１へ戻る。

【００９０】ステップ＃５５では、レーザ光の発光を行
い、ステップ＃５７でレーザ光の正常発振になるまでの
立ち上がりと、ポリゴンミラーの準備が完了するまでの
時間を待機する。準備が完了するとステップ＃５９でセ
ンサ駆動を開始する。まず、ステップ＃６１で、コンデ
ンサレンズの横に付けられた走査開始センサからの出力
を受けるまで待ち、走査開始信号を受けるとステップ＃
６３では無駄時間Ｔdを待ってから距離画像用センサの
駆動を開始する。無駄時間Ｔdは、焦点距離ｆと基線長
ｌと測定基準面までの距離ｄから算出される。ステップ
＃６５で距離画像用センサの入力帯状画像位置を初期位
置にセットし、ピッチズレ画像、カラー画像の取り込み
操作を開始する。同時に入力光の重心位置算出を行う。
ステップ＃６７で走査完了かどうかを判別する。完了で
なければステップ＃６５へ戻って画像取り込みを繰り返
す。入力帯状画像位置を初期位置から１ピッチずつレー
ザスリット光の走査に応じてずらしながら、３２４枚の
帯状画像の取り込みを行う。

【００９１】また、センサ駆動が開始されると、距離画
像用センサの駆動開始に引き続き、ステップ＃６９でカ
ラー画像用センサが再駆動され、ステップ＃７１で読み
こんだカラー画像をカラー画像メモリに取り込む。両画
像用センサの駆動、メモリへの取り込みはハードウェア
の構成により自動的に同時に処理されるようになされて
いる。その後はステップ＃７３へ進む。

【００９２】ピッチズレ画像、カラー画像の取り込みが
完了すると、ステップ＃７３でレーザ光の発光を停止
し、ステップ＃７５でズーム駆動、フォーカス駆動の禁
止を解除し、ステップ＃７７で取り込んだ画像を選択さ
れたモードに従って表示し、ステップ＃７９でリターン
する。

【００９３】次に、ステップ＃４１のＡＦ／ＡＥサブル
ーチンのフローチャートについて図２８に示し説明する
と、まず、ステップ＃９１でＡＦセンサ３１の情報によ
りレンズ駆動量を算出し、算出結果に基づいてフォーカ
スレンズの駆動を行う（ステップ＃９３）。ステップ＃
９５で、走査開始レーザ位置セットを行い、ステップ＃
９７でレーザパワー制御を行う。ステップ＃９９では測
光（ＡＥ）を行い、ステップ＃１０１でリターンする。

【００９４】次に、データ転送モードについて、フロー
チャートを図２９に示し、動作の説明をする。まず、ス
テップ＃１１１で表示モードの判別を行う。表示すべき
画像が濃淡で表示されるピッチズレ画像か、カラー画像
か、何れを選択状態にあるかのフラグチェックを行う。
この表示モードは、例えばデフォルトではカラー画像表
示が設定されていて、キー操作により選択が可能になっ
ている。キー操作がないとき、または、キー操作されて
カラー画像が選択されると、ステップ＃１１３でカラー
画像の表示を行う。ピッチズレ画像表示が選択されれ
ば、ステップ＃１１５でピッチズレ画像の表示を行う。
画像表示を行った後は、ステップ＃１１７で表示モード
が変更されたかの判別を行う。変更されていればステッ
プ＃１１１へ戻り選択されたモードに従って画像表示を
行う。表示モードが変更されていなければ、ステップ＃
１１９へ進む。

【００９５】ステップ＃１１９では、データの転送が必
要かどうかの判別を行う。データ転送が必要でなければ
ステップ＃１３３へ進み、カラー画像表示を行う。デー
タ転送が必要であれば、ステップ＃１２１でデータヘッ
ダを作成する。ステップ＃１２３でＳＣＳＩ出力モード
かどうかの判別を行う。ＳＣＳＩ出力モードが選択され
ていれば、ステップ＃１２５で外部出力用データの作成
を行いステップ＃１３１でデータ転送を行う。ＳＣＳＩ
出力モードでなければ内蔵の記録装置での記録になり、
ステップ＃１２７で内蔵ＭＯドライブ用データの作成を
行い、ステップ＃１２９でＭＯへのデータ転送命令がＣ
ＰＵ２からＳＣＳＩコントローラへ送られ、ステップ＃
１３１でデータ転送を行う。その後、ステップ＃１３３
でカラー画像表示を行い、ステップ＃１３５でリターン
する。これらのデータ転送先の選択は、キー操作により
選択可能である。

【００９６】次に、リプレイモードについて説明する。
ステップ＃３でリプレイモードへの切り換えスイッチを
チェックし、切り換えが行われていなければ次の画像入
力を行うための待機状態（カメラモード）となり、切り
換えが行われていれば、リプレイモードに移行する。

【００９７】このリプレイモードは前述のカメラモード
とは異なり、すでにＭＯ等の内蔵記録装置に記録済み画
像データをリプレイして再確認したり、改めてＳＣＳＩ
端子を介して外部の装置に出力するモードであり、この
リプレイモードの動作のフローチャートを図３０に示し
て動作の説明を行う。

【００９８】まず、ステップ＃１５１でＭＯに記録され
ている画像のリストを表示する。ステップ＃１５３で、
ユーザはこのリスト表示画面から再確認表示または外部
へ転送する画像データの選択を行う。次のステップ＃１
５５で、選択された画像データは内蔵のＭＯからカラー
／ピッチズレ画像をそれぞれカラー画像用／ピッチズレ
画像用メモリ８４、８５にロードし、ステップ＃１５７
で、表示すべき画像がカラー画像かピッチズレ画像かい
ずれの表示モードになっているのかフラグチェックを行
う。選択されている表示モードに応じて、ステップ＃１
５９でカラー画像の表示を、またはステップ＃１６１で
ピッチズレ画像の表示を行う。画像表示後、ステップ＃
１６３で表示モードが変更されているかを判別し、変更
されていればステップ＃１５７へ戻り再度表示を行う。

【００９９】変更がなければステップ＃１６５で次の画
像データを表示するかどうかの判別を行い、表示する場
合は本サブルーチンの始めのステップ＃１５１へ戻り画
像の選択、表示を繰りかえす。次の画像表示を行わない
場合はステップ＃１６７でＭＯからメモリに読み込んだ
画像データを外部へ転送するかどうかの判別を行う。転
送しなければステップ＃１７３へジャンプする。転送す
る場合はステップ＃１６９で外部出力用データ作成を行
い、ステップ＃１７１でデータ転送を行う。そして、ス
テップ＃１７３で、次の画像データ表示を行うかの判別
をして、表示するのであればステップ＃１５１で戻り、
表示しなければステップ＃１７５でリターンする。

【０１００】次に、これら一連の動作の各キー操作によ
る状態遷移図を図３１に示す。この図で、操作を示す上
下左右向きの△印は図３のカーソルキー４２の操作を示
しており、[Shutter]、[Select]、[Cancel]はそれぞれ
シャッタボタン４７、セレクトキー４３、キャンセルキ
ー４４の操作を示してる。また、本実施例では時計機能
を有しているが、記録される画像ファイルのファイル名
に時刻を自動的に割り付けることもできる。

【０１０１】メニュー画面では、再生表示、リスト表
示、時計機能の選択可能状態から左右カーソルキー操作
とセレクトキー４３操作で選択・実行ができ、選択・実
行後はキャンセルキー４４で選択可能状態に戻る。時計
機能では時刻設定ができ、リスト表示機能ではファイル
名変更、消去、表示ファイル選択等のファイル操作がで
きる。再生表示機能ではデフォルトでカラー画像表示に
設定されており、左右カーソルキーでピッチズレ画像表
示、文字画面表示に切り替えることができる。それぞれ
の表示モードでは上下カーソルキーの操作で前画像、次
画像の表示も可能である。文字画面表示ではセレクトキ
ーでファイル名変更、消去等のファイル操作ができる。

【０１０２】メニュー画面から、キャンセルキーを操作
すると撮影待ち状態（カメラモード）になり、セレクト
キーでメニューに戻ることができる。撮影待ち状態でシ
ャッタボタンを押すと撮影が可能でありメモリへの画像
取り込みを行い、撮影後にキャンセルキーで撮影待ち状
態に戻ることができる。撮影直後の状態からセレクトキ
ーを操作すると画像の録画が行えメモリに取り込んだ画
像を記憶装置へ転送を行い、録画後は撮影待ち状態に戻
る。このときの画像は、デフォルトではカラー画像が設
定されており、左右のカーソルキーでピッチズレ画像／
カラー画像の選択が可能である。

【０１０３】次に、この３次元形状測定装置の分割取り
込みによる高精度入力について説明を行う。投光系、受
光系間の距離、すなわち基線長ｌと焦点距離ｆ、計測対
象までの距離ｄが決ると、３次元的分解能、精度は決定
される。そこで、高精度で計測するためには、焦点距離
ｆを大きく設定し、測定することで達成される。つま
り、望遠にするほど測定精度は高くなる。しかし、測定
精度の高い３次元画像を得ることは出来るが、視野領域
は焦点距離ｆが延びるに従い狭められる。

【０１０４】そこで、焦点距離ｆを測定したい分解能、
精度に応じた値に設定し、電動雲台等の回転架台４を操
作し視野領域を複数の領域に分割して、分割した領域毎
に測定し、その結果得られた画像を貼り合わせ、１枚の
画像に再構築するものである。このような機能を持つこ
とで分解能を可変とする３次元形状測定装置が実現でき
る。また、この機能を生かすことにより、全周囲的空間
について３次元測定を行うことで、環境の測定も可能と
なる。以下に具体的例を示し、その動作の説明を行う。
なお、図３２に示す例は簡略化した説明図であって、投
光系２と受光系３は水平方向の位置関係に配置されてお
り、図３に示した例とは異なっている。この配置ではス
リット光は縦方向に長さを有し左右方向に走査する必要
がある。

【０１０５】画像貼り合わせ機能利用時の様子を図３２
に示し、図３３に画像貼り合わせ機能における動作を表
わすフローチャートを示す。図３４には本機能使用時の
表示状態を示しており、画像表示部の下部に測定精度を
表す表示部がある。

【０１０６】まず、図３２（ａ）に示すようにユーザに
よる操作で対象物体１を視野範囲内に撮像可能な広角、
ワイド状態（焦点距離ｆ0）になるようにズーム駆動系
１６を駆動し視野範囲を設定する（ステップ＃２０
１）。このときに想定されるＺ軸方向（図１７参照、物
体の凹凸方向）分解能は図３４（ａ）で示すように画像
の下のバー表示で表現される。このＺ軸方向分解能ΔＺ
は本システムのように基線長が固定の場合、簡単には測
定対象までの距離ｄと測定時の焦点距離ｆで以下のよう
な関係がある。 ΔＺ ＝ Ｋ×ｄ×（ｄ−ｆ）／ｆ (7) ここでＫはＺ軸方向分解能見積りのための係数であり、
センサピッチ等により決まるものである。また、上記の
ズーミング操作は、システムコンピュータからＳＣＳＩ
端子を介してコマンドを送信し、遠隔操作によるズーム
操作、レリーズ操作等の動作設定も可能である。

【０１０７】ユーザは、以上の設定操作で満足する精
度、分解能で測定が行われると判断した場合（ステップ
＃２０３の判定でＮＯ）には、ユーザのレリーズ操作に
より測定が開始され（ステップ＃２０５）、その結果が
ディスプレイに表示される（ステップ＃２０７）。この
表示は図３４（ａ）に示すように、入力されたピッチズ
レ画像、あるいはカラー画像と、その取り込みで得られ
たＺ軸方向測定分解能が画像の下のバーで表示される。
その結果、更に測定精度の高い計測を必要としない場合
（ステップ＃２０９の判定でＮＯ）は、この計測で完了
し記憶メディアへの書き込みを行うか否かの判定をユー
ザに求め、それに応じた処理を行い動作を完了する。

【０１０８】ユーザは、満足する精度で測定が行われな
いと判断した場合（ステップ＃２０３の判定でＹＥ
Ｓ）、あるいは一度目のレリーズ操作により取り込まれ
たピッチズレ画像、あるいはＺ軸方向測定分解能表示に
より、ユーザは所望のＺ軸方向分解能、精度の設定をキ
ー操作により精度を変更して再測定の指示を行うことが
できる（ステップ＃２０９の判定でＹＥＳ）。

【０１０９】この精度設定キー入力が行われると、シス
テムはそのときの状態、すなわち測定対象の全景が捕え
られた状態の焦点距離ｆ0と、ＡＦセンサから得られる
測定対象までの概略距離ｄとをメモリし視野範囲の記憶
を行う（ステップ＃２１０）。さらに入力された所望の
Ｚ軸方向測定分解能と概略距離ｄから上式(7)を用いて
設定すべき焦点距離ｆ1の算出を行う（ステップ＃２１
１）。

【０１１０】焦点距離ｆ1が算出されると、その焦点距
離ｆ1に自動的にズーミングを行い（ステップ＃２１
３）、記憶された測定すべき視野範囲、概略距離ｄ、焦
点距離ｆ1より分割入力すべきフレーム数、それに応じ
たパン、チルト角度の算出、パン、チルト回転架台のパ
ン、チルトにより視野位置の設定を行い（ステップ＃２
１５）、各分割入力フレームでの計測を行う（ステップ
＃２１７）。画像貼り合わせ機能時の分割入力する画像
は、後で貼り合わせて１枚の画像に再構築するために、
のりしろとなるべき重複部分を含むよう設定される。

【０１１１】得られたピッチズレ画像、カラー画像、取
り込まれたＸ、Ｙ方向の視野方向を示す情報（例えば、
パン、チルトのデコード角度値、あるいは、Ｘ、Ｙ方向
の取り込み順番など）、レンズ焦点距離、測定距離情報
は内部のＭＯ記憶装置に記憶される（ステップ＃２１
９）。この際、メモリへファイル名、ファイルサイズ等
のディレクトリ情報の書き込みは行わず、最後にユーザ
の確認の後にディレクトリ情報の書き込みを行うことで
一時的な格納にすることも可能である。

【０１１２】次に、上記の視野位置とわずかに重複され
た視野位置に、算出されたパン、チルト角度に従いパ
ン、チルト操作で視野を制御し隣接する領域の画像の入
力を行い、この動作を繰り返すことで全領域の入力を行
う（ステップ＃２２１の判定でＮＯ、図３２（ｂ）参
照）。

【０１１３】全領域の入力が終了した時点（ステップ＃
２２１の判定でＹＥＳ）で、測定精度を高くする前の初
期のカメラ姿勢、焦点距離に戻して（ステップ＃２２
３）動作を完了し、ユーザの書き込みの判断を待ち、書
き込み指示の場合にはディレクトリ情報の書き込みを行
い、書き込まないという指示の時は、ディレクトリ情報
の書き込みを行わずに終了することで、それまでの連続
してメモリに格納しておいた情報を消去する。

【０１１４】また、上記の操作のように、事前に測定を
行い再度測定を行う場合には、１度目の測定により対象
物体までの距離測定、また測定画角内での距離分布の測
定が完了している。そこで、この対象物体との距離に大
きな差を持つ領域、すなわち測定対象とは違う周辺領域
（背景）のみとなる分割入力フレームについては貼り合
わせのため再測定は行わず、対象物体を含む分割入力フ
レームのみの再測定を行うことも可能である。図３４
（ｂ）に示す例では、対象物体が含まれる網点領域が再
測定を行う領域で、他の領域は対象物体が無い領域で再
測定は行われない領域であることを示している。

【０１１５】以上説明したように、高速な３次元計測が
可能となり、この３次元計測をもとに部分的入力を繰り
返し、貼り合わせ作業を行うことで分解能を自由に設定
可能な３次元形状計測が可能となる。

【０１１６】このような貼り合わせ計測においては、全
画面の分解能が均一の分解能で測定が行われるが、人間
の顔のように目、口、鼻の部分であれば形状、色彩情報
が複雑で分解能の高いデータが必要となるが、頬、額な
ど低い分解能で十分測定の要を足す測定対象も考えられ
る。このような測定対象については、部分的なズーミン
グ動作によりデータ貼り合わせを行うことで効率の良い
データ入力が実現しうる。この部分ズーミング貼り合わ
せ機能は以下の動作で実現する。

【０１１７】図３５にこの部分ズーミング貼り合わせ機
能の動作を示すフローチャートを示す。まず、ステップ
＃２５１で均一分解能貼り合わせの場合と同様に、測定
対象の全体域を捕える視野設定を行い、ステップ＃２５
３で部分ズーミング入力モードの選択を行う。選択が行
われると、現在設定されている焦点距離ｆ0、パン・チ
ルトのデコード角度値をメモリし（ステップ＃２５
５）、焦点距離ｆ0の状態で測定を開始し概略画像デー
タとして画像入力を行う（ステップ＃２５７）。その結
果得られたピッチズレ画像、カラー画像、その画像の取
り込まれたＸ、Ｙ方向の視野方向を示す情報（例えば、
パン、チルトのデコード角度値）、レンズ焦点距離、測
定距離情報は内部の記憶装置に記憶される（ステップ＃
２５９）。続いてステップ＃２６１で最大焦点距離ｆma
xになるようにズーミングを行った後、上記の概略画像
データの解析を行い、ズーミング後入力される分割入力
フレーム毎に再計測を実施するか否かを決定する。

【０１１８】ズーミングを行い最大焦点距離ｆmaxで測
定を行った場合、入力しうるフレームサイズにこの概略
データを分割する。ステップ＃２６３でパン・チルト位
置Ｘ，Ｙをスタート初期位置Ｘs、Ｙsにセットする。ス
テップ＃２６５でセットされたＸ，Ｙ位置にパン・チル
トを制御する。次に、ステップ＃２６７で、Ｘ±ΔＸ、
Ｙ±ΔＹの領域の初期入力カラー画像のカラー情報Ｒ、
Ｇ、Ｂ値について統計処理を行い各領域についての標準
偏差σR、σG、σB の算出を行う。ステップ＃２６９で
これらの算出されたすべての標準偏差σR、σG、σB の
値ががそれぞれ設定された所定値未満であるかを判別
し、所定値未満であれば、その小領域は明暗色情報は一
様な領域であるとしてズーミング測定は実施せずにステ
ップ＃２７１へ進む。逆に所定値以上となる標準偏差σ
R、σG、σB がある場合には複雑な色彩情報を有する領
域であると判断してズーミング測定を行う（ステップ＃
２７５）。

【０１１９】ステップ＃２７１ではＸ±ΔＸ、Ｙ±ΔＹ
の領域の初期入力距離値ｄの情報から標準偏差σdを算
出し、ステップ＃２７３では算出された標準偏差σdの
値が設定された所定値未満であるかを判別し、所定値未
満であればその小領域は形状変化の少ない平坦な領域で
あるとしてズーミング測定は行わず、ステップ＃２７９
へ進む。逆に所定値以上であれば複雑な形状（距離情
報）を有する領域であるとしてズーミング測定を行う
（ステップ＃２７５）。

【０１２０】ステップ＃２７５でのズーミング測定の
後、得られたピッチズレ画像、カラー画像、その画像が
取り込まれたＸ、Ｙ方向の視野方向を示す情報（例え
ば、パン、チルトのデコード角度値）、レンズ焦点距
離、測定距離情報等の情報が内部のＭＯ等の記憶装置に
記憶される（ステップ＃２７７）。その後は、ステップ
＃２７９へ進む。

【０１２１】次にステップ＃２７９では、パン・チルト
位置Ｘを２ΔＸだけ変化させる。ステップ＃２８１でＸ
方向走査が完了しているかを判別し、完了していなけれ
ばステップ＃２６５へ戻る。完了していればステップ＃
２８３でパン・チルト位置Ｙを２ΔＹだけ変化させる。
ステップ＃２８５で全走査が完了しているかを判別し、
完了していなければステップ＃２６５へ戻り、完了して
いればステップ＃２８７へ進み本ルーチンを終了する。

【０１２２】このように、概略画像データと、位置の判
別が可能な部分詳細画像情報の入力ができ、概略画像デ
ータにその位置にあった部分詳細画像データを貼り合わ
せることで形状や色彩情報の複雑さに応じた効率の良い
３次元入力が実現できる。

【０１２３】

【発明の効果】以上説明したように、測定の際に投光手
段により投光される参照光の出力が、測定条件に応じて
適切に変更されるように制御されるので、測定条件に関
わらず常に安定した測定が行われる。また、受光手段に
より受光された信号の増幅率を、測定条件に応じて適切
に変更するように制御されるので、測定条件にかかわら
ず常に安定した大きさの信号が得られ、安定した測定が
行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光切断法の原理を示す説明図である。

【図２】本発明に係る３次元形状測定装置全体の概略ブ
ロック図である。

【図３】３次元形状測定装置全体の概略構成を示す斜視
図である。

【図４】対象物体面に生成する光量分布についての説明
図である。

【図５】撮像素子受光面に生成する光量分布についての
説明図である。

【図６】撮像素子受光面に生成する光量分布についての
説明図である。

【図７】投光光学系の構成を示す断面図である。

【図８】投光スリット光の説明図である。

【図９】受光光学系の構成を示す断面図である。

【図１０】カラー画像センサの入射波長の特性を示す説
明図である。

【図１１】距離画像用センサの受光波長を示す説明図で
ある。

【図１２】距離用センサの出力制御の例を示す説明図で
ある。

【図１３】投光系と受光系の視差の説明図である。

【図１４】無段階仰角制御の説明図である。

【図１５】多段階仰角制御の説明図である。

【図１６】仰角固定最近接距離制御の説明図である。

【図１７】撮像素子に入射する反射光の入射範囲と走査
範囲の説明図である。

【図１８】Ｘ−Ｙアドレス走査方式のセンサの説明図で
ある。

【図１９】アナログ転送方式のセンサ（インターライン
転送時）の説明図である。

【図２０】アナログ転送方式のセンサ（フレーム転送方
式時）の説明図である。

【図２１】ブロック分割のセンサの説明図である。

【図２２】ブロック分割センサの行ランダムアクセスの
説明図である。

【図２３】装置全体の回路構成のブロック図である。

【図２４】受光重心位置算出回路図である。

【図２５】メインルーチンの動作を示すフローチャート
である。

【図２６】カメラモードの動作を示すフローチャートで
ある。

【図２７】シャッタモードの動作を示すフローチャート
である。

【図２８】ＡＦ／ＡＥサブルーチンのフローチャートで
ある。

【図２９】データ転送モードの動作を示すフローチャー
トである。

【図３０】リプレイモードの動作を示すフローチャート
である。

【図３１】本計測装置の動作状態遷移図である。

【図３２】画像貼り合わせ機能の説明図である。

【図３３】画像貼り合わせ機能の動作を示すフローチャ
ートである。

【図３４】画像貼り合わせ機能表示状態の説明図であ
る。

【図３５】部分ズーミング貼り合わせ機能の動作を示す
フローチャートである。

【符号の説明】

１ 対象物体 ２ 投光光学系（投光手段） ３ 受光光学系（光学系） ５ 半導体レーザ（投光手段） １２ 距離画像用センサ（受光手段） ＣＰＵ１，ＣＰＵ２ マイコン（制御手段） ８２ アナログ前処理回路（増幅手段）

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物体の形状を測定する３次元形状測
   定装置において、 対象物体に対して参照光を投光する投光手段と、 対象物体を測定するための光学系と、 前記光学系を通過した光を受光する受光手段と、 前記投光手段から投光される参照光の強度を測定条件に
   応じて変更する制御手段とを有することを特徴とする３
   次元形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、前記光学系の焦点距離
   に応じて投光手段の出力を制御することを特徴とする請
   求項１に記載の３次元形状測定装置。
3. 【請求項３】 前記制御手段は、対象物体までの距離に
   応じて投光手段の出力を制御することを特徴とする請求
   項１に記載の３次元形状測定装置。
4. 【請求項４】 前記制御手段は、対象物体までの距離と
   前記光学系の焦点距離により決まる像倍率に応じて投光
   手段の出力を制御することを特徴とする請求項１に記載
   の３次元形状測定装置。
5. 【請求項５】 前記投光手段は複数の発光素子を有し、
   前記制御手段は発光する素子の数を変更することで投光
   出力を制御することを特徴とする請求項１に記載の３次
   元形状測定装置。
6. 【請求項６】 前記投光手段は、参照光を投光する方向
   を順次変化させて走査を行うことを特徴とする請求項１
   に記載の３次元形状測定装置。
7. 【請求項７】 前記投光手段は、発光素子から出力され
   た光を一方向に長さを持つスリット状の参照光として出
   力することを特徴とする請求項６に記載の３次元形状測
   定装置。
8. 【請求項８】 対象物体の形状を測定する３次元形状測
   定装置において、 対象物体に対して参照光を投光する投光手段と、 対象物体を測定するための光学系と、 前記光学系を通過した光を受光する受光手段と、 前記受光手段により出力される信号に対して増幅を行う
   増幅手段と、 前記増幅手段による増幅率を測定条件に応じて変更する
   制御手段とを有することを特徴とする３次元形状測定装
   置。