JP2001280917A

JP2001280917A - ３次元計測装置

Info

Publication number: JP2001280917A
Application number: JP2000097242A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Tsuruya; 克敏鶴谷
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2001-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】走査手段の制御誤差などに起因する計測データ
の誤差を補正し、高精度の計測データを得ること。【解決手段】光Ｕを投射しガルバノミラーによって対象
物の表面を光学的に走査する投光光学系２０と、投射さ
れた光の対象物による反射光を受光素子で受光する受光
光学系４０とを備え、受光素子から出力される信号に基
づいて３次元計測のための計測データを得るように構成
された３次元計測装置であって、受光光学系４０の光軸
と一致しない光軸に沿って対象物の一部に参照光ＵＲを
投射するように設けられ、参照光ＵＲの投射起点位置Ｒ
および投射角度が既知である参照光光学系３０と、参照
光ＵＲの対象物による反射光を受光素子で受光して得ら
れる参照データを用いて計測データを補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体にスリット光
などの光を照射して物体形状を非接触で計測する３次元
計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レンジファインダなどと呼称される非接
触型の３次元計測装置は、接触型に比べて高速の計測が
可能であることから、ＣＧシステムやＣＡＤシステムヘ
のデータ入力、身体計測、ロボットの視覚認識などに利
用されている。

【０００３】レンジファインダの中でも、特定の検出光
を対象物に照射してその反射光を受光し、三角測量に基
づいて計測を行う方法がある。半導体レーザなどの光源
から対象物（被写体）に投影してできる輝きを異なった
角度からカメラでとらえ、光源とカメラと輝きの位置を
結んで三角形をつくり、３次元位置を求める方式であ
る。

【０００４】この方式として、スポット光を投影し対象
物を光学的に２次元走査することで対象物の３次元画像
を得るスポット光投影法、およびスリット光を投影し対
象物を光学的に１次元走査するスリット光投影法（光切
断法ともいう）が知られている。スポット光投影法で
は、受光面上に断面が点状のスポット像が得られ、スリ
ット光投影法では、断面が直線状のスリット像が得られ
る。３次元画像は、対象物上の複数の部位の３次元位置
を示す画素の集合である。

【０００５】図２６はスリット光投影法の概要を示す
図、図２７はスリット光投影法による計測の原理を説明
するための図である。計測の対象物である物体Ｑに断面
が細い帯状の計測スリット光Ｕを照射し、その反射光を
例えば２次元受光素子の撮像面Ｓに入射させる〔図２６
（ａ）〕。物体Ｑの照射部分が平坦であれば、撮影像
（スリット画像）は直線になる〔図２６（ｂ）〕。照射
部分に凹凸があれば、直線が曲がったり階段状になった
りする〔図２６（ｃ）〕。つまり、計測装置と物体Ｑと
の距離の大小が撮像面Ｓにおける反射光の入射位置に反
映する〔図２６（ｄ）〕。計測スリット光Ｕをその幅方
向に偏向することにより、受光側から見える範囲の物体
表面を走査して３次元位置をサンプリングすることがで
きる。サンプリング点数はイメージセンサの画素数に依
存する。

【０００６】図２７において、投光の起点Ａと受光系の
撮像面Ｓとを結ぶ基線ＡＳが受光軸と垂直になるよう
に、投光系と受光系とが配置されている。受光軸は撮像
面Ｓに対して垂直であり、受光軸と撮像面Ｓとの交点Ｓ
０を３次元直交座標系の原点とする。受光軸がＺ軸、基
線ＡＳがＹ軸、スリット光の長さ方向がＸ軸である。

【０００７】受光レンズの前側主点Ｈと後側主点Ｈ’と
の主点間距離をＨＨ’、点Ｓ０から受光レンズの後側主
点Ｈ’までの距離をｂとする。なお、距離ｂは、いわゆ
る像距離のことであり、有限遠の対象物の像が撮像面Ｓ
に結像したときのレンズの後側主点Ｈ’から撮像面Ｓま
での距離である。像距離ｂは、受光レンズの焦点距離と
ピント調整のためのレンズ繰出し量との関係により決ま
る。

【０００８】計測スリット光Ｕが物体上の点Ｐ（Ｘ，
Ｙ，Ｚ）を照射したときの投光軸と投光基準面（受光軸
と平行な投光面）との角度を投光角θａとし、点Ｐと前
側主点Ｈとを結ぶ直線と受光軸を含む平面（受光軸平
面）とのなす角度を受光角θｐとすると、点Ｐの座標Ｚ
は次の式で表される。

【０００９】Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＝Ｚｔａｎθａ＋（Ｚ−ＨＨ’−ｂ）ｔａｎθｐ ∴Ｚ＝｛Ｌ＋（ＨＨ’＋ｂ）ｔａｎθｐ｝／｛ｔａｎθ
ａ＋ｔａｎθｐ｝点Ｐの受光位置をＰ’（ｘｐ，ｙｐ，０）とし〔図２７
（ａ）参照〕、受光レンズの撮像倍率をβとすれば、点
Ｐの座標Ｘ，Ｙは、Ｘ＝ｘｐ／β Ｙ＝ｙｐ／β となる。上式において、基線長Ｌは投光系と受光系との
配置により決まるものであり、予め既知の値である。受
光角θｐは、ｔａｎθｐ＝ｂ／ｙｐの関係から算出でき
る。受光レンズの撮像倍率βは、β＝−ｂ／（Ｚ−Ｈ
Ｈ’一ｂ）で算出できる。

【００１０】つまり、何らかの手段によって、主点間距
離ＨＨ’、像距離ｂ、および投光角θａを知れば、撮像
面Ｓ上での位置Ｐ’（ｘｐ，ｙｐ）を計測することによ
り、点Ｐの３次元位置を求めることができる。前側主点
と後側主点との距離ＨＨ’、および像距離ｂは、受光系
を構成するレンズ群の相対位置関係により決まる。

【００１１】受光レンズ系が単焦点ピント固定式、つま
り受光レンズと対象物とが唯一所定の距離関係にある場
合のみ計測可能な３次元計測装置では、レンズ群と撮像
面Ｓとの距離は常に一定であるから、前側主点と後側主
点との距離ＨＨ’、および像距離ｂは、予め固定値を入
力しておくことができる。しかし、このような３次元計
測装置は使い勝手が悪い。

【００１２】一方、受光系と対象物との距離関係が可変
な３次元計測装置では、受光系を構成するレンズ群の一
部または全部を受光軸に沿って移動しピント合わせをお
こなう必要がある。また受光系の画角を可変に設定可能
な３次元計測装置では、レンズ群の一部または全部を受
光軸に沿って移動することでレンズの焦点距離を変える
ズーム機構を有する。

【００１３】これらの場合、レンズ群の位置を知るため
のポテンショメータ（位置センサ）を設け、またモータ
を使用した自動レンズ駆動ではモータと関連づけられた
エンコーダを設ることにより、レンズ群の相対位置を知
り、予め記憶しているテーブルから前側主点と後側主点
との距離ＨＨ’、および像距離ｂを得ることができる。

【００１４】投光角θａは計測スリット光Ｕの偏向角に
よって決まる。偏向手段としてガルバノミラーを用いた
３次元計測装置では、受光素子の撮像タイミング、ガル
バノミラーの回転開始角度、および回転角速度を同期制
御することにより、撮像時の計測スリット光Ｕの偏向角
を認識し、投光角θａを算出する方法が知られている。

【００１５】以上の原理による３次元計測に際して、計
測者であるユーザは、３次元計測装置の位置や向きを決
め、必要に応じて受光レンズの画角を変えて物体Ｑの撮
像範囲（走査範囲）を設定する。

【００１６】画角の変更は、受光レンズにズームレンズ
を使用することにより、または異なる焦点距離のレンズ
に交換することで可能となる。このフレーミング作業を
容易化する上で、走査範囲と同じ画角で物体Ｑを撮影し
たモニタ画像は有用である。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】さて、投光系から投射
される計測スリット光Ｕは、ガルバノミラーへの入力信
号に応じた投光角θａで走査される。入力信号と投光角
θａとは既知の関係にあり、入力信号に対応する投光角
θａを用いて３次元位置が計算される。

【００１８】ところが、ガルバノミラーは、温度および
湿度の影響を受けやすい。そのため、温度または湿度が
変化した場合に、入力信号と投光角θａとの関係が既知
の関係から外れる可能性がある。入力信号と投光角θａ
との関係のずれは制御誤差となり、最終的に算出される
３次元データの精度を低下させることとなる。

【００１９】本発明は、上述の問題に鑑みてなされたも
ので、走査手段の制御誤差などに起因する計測データの
誤差を補正し、高精度の計測データを得ることを目的と
する。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る装
置は、光を投射し走査手段によって対象物の表面を光学
的に走査する投光光学系と、投射された光の対象物によ
る反射光を受光素子で受光する受光光学系とを備え、前
記受光素子から出力される信号に基づいて３次元計測の
ための計測データを得るように構成された３次元計測装
置であって、前記受光光学系の光軸と一致しない光軸に
沿って対象物の一部に参照光を投射するように設けら
れ、参照光の投射起点位置および投射角度が既知である
参照光光学系と、前記参照光の対象物による反射光を前
記受光素子で受光して得られる参照データを用いて前記
計測データを補正する補正手段と、を有する。

【００２１】請求項２の発明に係る装置では、前記補正
手段は、前記参照光の反射光による前記受光素子上の受
光位置を前記光の反射光が通過する計算上のタイミング
と実際のタイミングとのずれに基づいて補正を行う。

【００２２】請求項３の発明に係る装置では、前記参照
光光学系の光軸が前記受光光学系の光軸と平行である。
請求項４の発明に係る装置では、前記参照光光学系の光
軸が前記受光光学系の光軸と計測可能最近距離の近傍に
おいて交差する。

【００２３】請求項５の発明に係る装置では、前記参照
光光学系が、前記受光光学系の光軸の周辺に複数設けら
れてなる。請求項６の発明に係る装置では、セッティン
グの際に前記参照光を投射することが可能なように前記
参照光光学系が制御されてなる。

【００２４】

【発明の実施の形態】〔全体構成〕図１は本発明に係る
計測システム１の構成図である。

【００２５】計測システム１は、スリット光投影法によ
って立体計測を行う３次元カメラ２と、３次元カメラ２
の出力データを処理するホスト３とから構成されてい
る。３次元カメラ２は、物体Ｑ上の複数のサンプリング
点の３次元位置を特定する計測データ（スリット画像デ
ータ）とともに、物体Ｑのカラー情報を示す２次元画像
（２次元画像データ）およびキャリブレーションに必要
なデータを出力する。三角測量法を用いてサンプリング
点の座標を求める演算処理はホスト３が担う。

【００２６】ホスト３は、ＣＰＵ３ａ、ディスプレイ３
ｂ、キーボード３ｃ、およびマウス３ｄなどから構成さ
れたコンピュータシステムである。ＣＰＵ３ａには計測
データ処理のためのソフトウェアが組み込まれている。
ホスト３と３次元カメラ２との間では、オンラインおよ
び可搬型の記録メディア４によるオフラインの両方の形
態のデータ受渡しが可能である。記録メディア４として
は、光磁気ディスク（ＭＯ）、ミニディスク（ＭＤ）、
メモリカードなどがある。〔３次元カメラの構成〕図２は３次元カメラ２の外観を
示す図である。図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は背面
に設けられたオペレーションパネルの平面図である。

【００２７】ハウジング５の前面に投光窓５ａ、受光窓
５ｂ、および参照光窓５ｃが設けられている。内部の光
学ユニットＯＵが射出する計測スリット光（所定幅ｗの
帯状のレーザビーム）Ｕは、投光窓５ａを通って計測対
象の物体（被写体）Ｑに向かう。

【００２８】また、内部の光学ユニットＯＵが射出する
参照スポット光ＵＲは、参照光窓５ｃ通って物体Ｑに向
かう。物体Ｑの表面で反射した計測スリット光（計測
光）Ｕおよび参照スポット光（参照光）ＵＲの一部が、
受光窓５ｂを通って光学ユニットＯＵに入射する。

【００２９】ハウジング５の上面には、ズーミングボタ
ン７ａ，７ｂ、フォーカシング切替えボタン８ａ，８
ｂ、手動フォーカシングボタン９ａ，９ｂ、レリーズボ
タン１０、および参照光投射ボタン１１が設けられてい
る。図２（ｂ）に示すように、ハウジング５の背面に
は、液晶ディスプレイ６、カーソルボタン１２、セレク
トボタン１３、レコードボタン１４、アナログ出力端子
１５，１６、デジタル出力端子１７、および記録メディ
ア４の着脱口１８が設けられている。レコードボタン１
４はフォーカシングロックボタンを兼ねる。

【００３０】液晶ディスプレイ６は、操作画面の表示手
段および電子ファインダとして用いられる。計測者であ
るユーザは、背面の各ボタン１２，１３によって撮影モ
ードの設定を行うことができる。アナログ出力端子１５
からは計測データが出力され、アナログ出力端子１６か
らは２次元画像信号が例えばＮＴＳＣ形式で出力され
る。デジタル出力端子１７は例えばＳＣＳＩ端子であ
る。〔制御回路〕図３は３次元カメラ２の機能構成を示すブ
ロック図である。図中の実線矢印は電気信号の流れを示
し、破線矢印は光の流れを示す。

【００３１】３次元カメラ２は、上述の光学ユニットＯ
Ｕを構成する投光光学系２０、参照光光学系３０、およ
び受光光学系４０を有する。投光光学系２０において、
半導体レーザ（ＬＤ）２１が射出する波長（６９０ｎ
ｍ）のレーザビームは、投光レンズ系２２を通過するこ
とによって計測スリット光Ｕとなり、走査手段として用
いられるガルバノミラー２３によってスリット長さ方向
と直交する方向に偏向される。半導体レーザ２１のドラ
イバ２４、投光レンズ系２２の駆動系２５、およびガル
バノミラー２３の駆動系２６は、システムコントローラ
５２によって制御される。

【００３２】参照光光学系３０において、半導体レーザ
（ＬＤ）３１は、投光光学系４０を構成する半導体レー
ザ２１と同一の波長のレーザビームを射出する。射出さ
れたレーザビームは、投射レンズ系３２を通過し、参照
スポット光ＵＲとなって物体Ｑに向けて投射される。半
導体レーザ３１のドライバ３３は、システムコントロー
ラ５２によって制御される。

【００３３】受光光学系４０において、受光レンズ系４
１によって集光された光は受光素子４３に入射する。受
光素子４３はＣＣＤエリアセンサである。受光レンズ系
４１として、画角（焦点距離）の異なる複数のレンズが
用意されており、ユーザにより所望の画角を有する受光
レンズ系４１に交換取付けが可能である。レンズ検出器
４４は、取り付けられている受光レンズ系４１のレンズ
種別Ｌｋを検出し、その信号をシステムコントローラ５
２に出力する。

【００３４】レンズコントローラ５１および撮影コント
ローラ５０は、システムコントローラー５２の指示にし
たがって撮影動作を制御する。フォーカシング駆動は、
レンズコントローラ５１およびフォーカシング駆動系４
７によって実現される。ズーミング駆動系４８は、受光
レンズにズームレンズが使用されたときの電動ズーミン
グのために設けられている。駆動系４７，４８は、それ
ぞれレンズコントローラ５１により制御される。

【００３５】フィルタ交換器４２は、半導体レーザ２
１，３１の発振波長帯域の光を透過するバンドパスフィ
ルタ、赤色透過フィルタ、緑色透過フィルタ、および青
色透過フィルタの合計４つのフィルタを備える。

【００３６】駆動系４６によって、フィルタ交換器４２
が駆動され、受光レンズ系４１の光路中に４つのフィル
タのいずれかを挿入した状態で位置決めする。駆動系４
６は撮影コントローラー５０により制御される。

【００３７】撮影コントローラ５０は、フィルタ交換器
４２の制御と同期し、ドライバ４５を制御する。バンド
パスフィルタを通過して受光素子４３に入射した際の撮
影情報は、出力処理回路５３へ転送され、出力処理回路
５３によって受光素子４３の各画素毎に対応する計測デ
ータＤｓが生成され、出力処理回路５３内のメモリに一
旦格納される。

【００３８】また、赤色透過フィルタ、緑色透過フィル
タ、または青色透過フィルタを通過して受光素子４３へ
入射した撮影情報は、それぞれ、赤色画像処理回路５
４、緑色画像処理回路５５、または青色画像処理回路５
６へ転送された後、カラー処理回路５７で画像合成され
カラー処理される。

【００３９】カラー処理を受けた撮像情報は、ＮＴＳＣ
変換回路５８およびアナログ出力端子１６を経てオンラ
イン出力され、またはデジタル画像生成部６０で量子化
されてカラー画像メモリ６１に格納される。

【００４０】出力処理回路５３は、計測データＤｓに基
づいて計測結果を示す距離画像データＤｄを生成し、マ
ルチプレクサ６２に出力する。マルチプレクサ６２は、
システムコントローラ５２の指示にしたがって、距離画
像データＤｄおよびカラー画像メモリ６１からのカラー
画像データＤｃの２つの入力のうちの一方を出力として
選択する。

【００４１】マルチプレクサ６２によって選択されたデ
ータは、Ｄ／Ａ変換器６３を経てアナログのモニタ表示
信号としてキャラクタジェネレータ６４に転送される。
キャラクタジェネレータ６４は、モニタ表示信号が示す
画像とシステムコントローラ５２が指定した文字や記号
とを合成し、合成画像を液晶ディスプレイ６に出力す
る。

【００４２】ユーザがレコードボタン１４を操作してデ
ータ出力（録画）を指示すると、出力処理回路５３内の
計測データＤｓが、ＳＣＳＩコントローラ５９又はＮＴ
ＳＣ変換回路６５によって所定形式でオンライン出力さ
れ、または記録メディア４に格納される。計測データＤ
ｓのオンライン出力には、アナログ出力端子１５又はデ
ジタル出力端子１７が用いられる。また、カラー画像デ
ータＤｃがカラー画像メモリ６１からＳＣＳＩコントロ
ーラ５９へ転送され、デジタル出力端子１７からオンラ
イン出力され、または計測データＤｓと対応づけて記録
メディア４に格納される。

【００４３】カラー画像は、ホスト３側におけるアプリ
ケーション処理に際して参考情報として利用される。カ
ラー情報を利用する処理としては、例えばカメラ視点の
異なる複数組の計測データを組み合わせて３次元形状モ
デルを生成する処理、３次元形状モデルの不要の頂点を
間引く処理などがある。

【００４４】システムコントローラ５２は、ブザー６６
を駆動して動作確認音または警告音を発生させる。ま
た、出力処理回路５３に対して、モニタ表示のためのス
ケール値ｓｃを与える。出力処理回路５３は、システム
コントローラ５２に対して、後述する３種の警告信号Ｓ
１１〜１３、および計測データＤｓの一部である受光デ
ータＤｇを出力する。〔投光光学系〕図４は投光光学系２０の構成を示す模式
図である。図４（ａ）は正面図であり、図４（ｂ）は側
面図である。

【００４５】投光レンズ系２２は、４枚の球面レンズで
構成されるコリメータレンズ群２２１、レーザビームの
スリット幅ｗの方向にのみパワーを有するシリンドリカ
ルレンズで構成されるバリエータレンズ群２２２、およ
び、スリットの長さ方向Ｍにのみパワーを有する３枚の
シリンドリカルレンズで構成されたエキスパンダレンズ
群２２３の３つのレンズ群から構成されている。

【００４６】半導体レーザ２１が射出したレーザビーム
に対して、次の順序で適切な計測スリット光Ｕを得るた
めの光学的処理が行われる。まず、コリメータレンズ群
２２１によってビームを概ね平行にする。次に、バリエ
ータレンズ群２２２によって、レーザビームのスリット
幅ｗが調整される。最後に、エキスパンダレンズ群２２
３によって、ビームがスリット長さ方向Ｍに拡げられ
る。

【００４７】バリエータレンズ群２２２は、受光光学系
４０の撮影距離および撮影の画角に係わらず、受光素子
４３に３以上の複数画素分（本実施例では５画素分）の
幅の計測スリット光Ｕを入射させるために設けられてい
る。駆動系２５は、システムコントローラ５２の指示に
したがって、受光素子４３上での計測スリット光Ｕの幅
ｗを一定に保つようにバリエータレンズ群２２２を移動
させる。

【００４８】走査系２３による偏向の以前にスリットの
長さを拡げることにより、偏向の後で行う場合と比較し
て計測スリット光Ｕの歪みを低減することができる。エ
キスパンダレンズ群２２３を投光レンズ系２２の最終段
に配置することにより、すなわちガルバノミラー２３に
近づけることにより、ガルバノミラー２３を小型化する
ことができる。〔参照光光学系〕参照光光学系３０は、参照スポット光
ＵＲを物体Ｑに向けて投射し、その反射光を受光光学系
４０で受光して得られるデータ（参照データ）を用いる
ことによって、ガルバノミラー２３の制御誤差に基づく
計測データＤｓの誤差を補正するためのものである。

【００４９】図５は参照光光学系３０の構成を模式的に
示す一部断面側面図、図６は参照光光学系３０の構成を
模式的に示す背面図、図７は図５と同様な図である。な
お、図５の断面位置は図６におけるＡ−Ａ線の位置であ
る。図７には角度調整ネジ３４４ａをねじ込んだときの
様子が示されている。

【００５０】参照光光学系３０は、半導体レーザ３１、
投射レンズ系３２、および投射角調整機構３４から構成
されている。半導体レーザ３１から射出したレーザビー
ムに対して、投射レンズ系３２によって参照スポット光
ＵＲが投射される。投射されるビームスポット径は、受
光光学系４０の撮影距離および撮影画角に係わらず、受
光素子４３に３画素以上の幅の参照スポット光ＵＲを入
射させることができるように設定されている。

【００５１】投射角調整機構３４は、投射方向ＡＸ２の
向きを精密に調整するものであり、保持板３４１、本体
支持板３４２、角度調整用板ばね３４３ａ〜ｄ、および
角度調整ネジ３４４ａ，３４４ｂから構成されている。

【００５２】本体支持板３４２は、後述するブラケット
４０１（図１６）に取り付けられている。保持板３４１
は、角度調整板ばね３４３ａ〜ｄを介して本体支持板３
４２に取り付けられている。つまり、角度調整板ばね３
４３ａ〜ｄは、突起３４２ｂを中心とする直角な位置に
それぞれ２つずつ配置され、ネジによって保持板３４１
および本体支持板３４２に取り付けられている。保持板
３４１には、半導体レーザ３１および投射レンズ系３２
が取り付けられている。

【００５３】また、本体支持板３４２には、突起３４２
ｂと２つの角度調整ネジ３４４ａ，３４４ｂが、突起３
４２ｂを中心として直角な位置に設けられており、それ
らの先端部が保持板３４１の表面に当接している。角度
調整ネジ３４４ａ，ｂのねじ込み量を調整することによ
り、突起３４２ｂの先端部Ｃを支点として保持板３４１
の姿勢が変化し、それにともなって角度調整板ばね３４
３ａ〜ｄが撓む。２つの角度調整ネジ３４４ａ，ｂをそ
れぞれ調整することによって、本体支持板３４２に対す
る保持板３４１の傾き方向を任意に調整することができ
る。これによって、半導体レーザ３１の投射角を変化さ
せ、投射方向ＡＸ２をＸＹ方向の任意の方向に傾くこと
が可能なように微調整することができる。

【００５４】図５では、角度調整ネジ３４４ａがねじ込
み基準位置にあり、投射方向ＡＸ２と本体支持板３４２
とが直角をなす状態が示されている。図７では、角度調
整ネジ３４４ａがねじ込まれ、角度調整ばね３４３ａ，
ｂが撓み、保持板３４１が角度θｒだけ傾き、投射方向
ＡＸ２が角度θｒだけ傾いた状態が示されている。

【００５５】図８は参照光光学系３０と受光光学系４０
との位置関係および参照スポット光ＵＲの投射方向ＡＸ
２の例を示す図、図９は参照スポット光ＵＲの投射方向
ＡＸ２の他の例を示す図である。

【００５６】図８において、投光光学系２０および受光
光学系４０の配置関係については、図２７において説明
した従来のものと基本的には同じである。すなわち、投
光の起点Ａと受光系の撮像面Ｓとを結ぶ基線ＡＳが受光
軸と垂直になるように、投光光学系２０および受光光学
系４０が配置されている。受光軸は撮像面Ｓに対して垂
直であり、受光軸と撮像面Ｓとの交点Ｓ０が原点であ
る。

【００５７】本実施形態においては、原点である点Ｓ０
と投光の起点Ａとの間に、参照光光学系３０における参
照スポット光ＵＲの起点Ｒが配置される。つまり、参照
スポット光ＵＲの起点Ｒと撮像面Ｓとを結ぶ基線ＲＳ
は、受光軸ＡＸ３と垂直である。基線ＲＳの長さはＬ３
である。そして、参照スポット光ＵＲの投射方向ＡＸ２
は、受光軸ＡＸ３と平行である。

【００５８】次に、参照光光学系３０による計測データ
Ｄｓの誤差の補正原理について説明する。投光光学系２
０から投射される計測スリット光Ｕは、ガルバノミラー
２３への入力信号ＳＳａに応じた投光角θａで走査され
る。入力信号ＳＳａと投光角θａとは、既知の関係にあ
り、その関係が予め適当なメモリに記憶されている。し
たがって、通常、実際の入力信号ＳＳａに対応して投光
角θａがメモリから読み出され、読み出された投光角θ
ａを用いて３次元位置が計算される。

【００５９】ところが、ガルバノミラー２３は、温度お
よび湿度の影響を受けやすい。そのため、温度または湿
度が変化した場合に、ガルバノミラー２３が動作エラー
を起こす可能性がある。この場合の動作エラーとは、入
力信号ＳＳａに対する投光角θａが既知の関係から外れ
ることである。

【００６０】その結果、入力信号ＳＳａに対し、投光角
θａとなるべきところが投光角θａ’となってしまった
場合に、（θａ’−θａ）の制御誤差が生じる。そこ
で、投光光学系２０による３次元計測を行う直前に、同
じ物体Ｑに対して参照スポット光ＵＲを投射し、ガルバ
ノミラー２３の制御誤差を補正するための補正データを
取得するのである。

【００６１】図８において、まず、参照光光学系３０か
ら参照スポット光ＵＲを投射し、物体Ｑに当たった点Ｐ
ｒにおける拡散反射光を受光光学系４０で受光した点Ｐ
ｒ’（ｘｐｒ，ｙｐｒ）の位置座標を得る。なお、参照
スポット光ＵＲがＹＺ平面上にある場合には、ｘｐｒ＝
０となる。

【００６２】点Ｐｒ’の位置座標（ｘｐｒ，ｙｐｒ）
と、基線ＲＳの長さＬ３と、受光レンズ系４１のパラメ
ータ（焦点距離、主点位置、繰出し量）とから、物体Ｑ
上の点Ｐｒまでの距離Ｚを求める。

【００６３】距離Ｚと、基線長Ｌと、受光レンズ系４１
のパラメータとから、投光光学系２０から投射した計測
スリット光Ｕが物体Ｑ上の点Ｐｒに当たるべき投光角θ
ａｒを求める。

【００６４】入力信号ＳＳａと投光角θａとの既知の関
係から、投光角θａｒとなる入力信号ＳＳａｒを得る。
そして、ここで、投光光学系２０から計測スリット光Ｕ
を実際に投射して３次元計測を行う。

【００６５】ガルバノミラー２３への入力信号がＳＳａ
ｒとなったときの計測データＤｓのうち、Ｘ座標値がｘ
ｐｒである受光点（点Ｐｒ’と同じＸ座標の位置）のＹ
座標値（ｙｐｒ２）を得る。

【００６６】Ｙ座標値ｙｐｒとＹ座標値ｙｐｒ２との差
（ｙｐｒ２−ｙｐｒ）を求める。この差が、ガルバノミ
ラー２３の動作エラーによる受光位置ずれ量であるの
で、全計測データＤｓのＹ座標値に対し、ずれ量＝ｙｐ
ｒ２−ｙｐｒの分を位置補正し、または投光角補正し、
補正した計測データＤｓを用いて３次元データを算出す
る。

【００６７】また、受光素子４３上の点Ｐｒ’を計測ス
リット光Ｕの反射光が通過するタイミングｔａｔ２（ま
たは投光角θａｔ２）を計測し、理論上のタイミングｔ
ａｔ（または投光角θａｔ）との差（ｔａｔ２−ｔａ
ｔ）を求め、これに基づいて補正を行ってもよい。

【００６８】このような補正データの算出、および計測
データＤｓの補正処理は、例えば出力処理回路５３にお
いて行われる。上に述べた方法は、参照光光学系３０が
１つである場合であるが、参照光光学系３０が複数ある
場合には、複数の点において受光位置ずれ量が求まり、
複数点で補正を行うことができる。

【００６９】その場合に、ＹＺ面上に複数の参照光光学
系３０がある場合には、ガルバノミラー２３の走査にお
ける角速度の誤差が検出できるので、角速度の誤差に基
づく計測データＤｓの誤差を補正することができる。

【００７０】また、ＸＺ面上に複数の参照光光学系３０
がある場合には、複数のＸ座標位置での受光位置ずれ量
が求まるので、計測スリット光ＵのＸ軸に対する曲がり
またはうねりなどが補正できる。

【００７１】また、図９に示すように、参照スポット光
ＵＲの投射方向ＡＸ２を、受光軸ＡＸ３と平行とはせず
に、撮影距離範囲内での最近接距離の中心（最近接面と
受光軸ＡＸ３との交点）Ｅ１に向くようにするのがよ
い。この場合においても、上に述べたと同様の原理によ
って計測データＤｓを補正することができる。

【００７２】そして、参照スポット光ＵＲの投射方向Ａ
Ｘ２を最近接距離の中心Ｅ１に向けた場合には、中心Ｅ
１の近辺に計測の対象物である物体Ｑが存在する可能性
が高く、したがって参照スポット光ＵＲによる補正デー
タの取得の成功の確率が高い。遠方側での撮影エリアサ
イズは、近接側での撮影エリアサイズよりも大きいの
で、参照スポット光ＵＲの位置から撮影エリア中心まで
の距離が大きくても撮影エリアサイズとの比は小さくな
る。

【００７３】このように、参照スポット光ＵＲの投射方
向ＡＸ２は、参照スポット光ＵＲを撮影エリア内の物体
Ｑに照射できれるのであればよい。望ましくは、参照ス
ポット光ＵＲは撮影エリアの中心近くを照射するのがよ
い。しかし、幾何学的に明らかなように、全ての撮影距
離において撮影エリアの中心に参照スポット光ＵＲを照
射することはできない。

【００７４】図１０は複数の参照光光学系３０を備えた
３次元カメラ２Ｂの外観を示す斜視図である。図１０に
示す３次元カメラ２Ｂでは、ハウジング５の前面に、投
光窓５ａ、受光窓５ｂ、および、４つの参照光窓５ｃ１
〜５ｃ４が設けられている。内部の光学ユニットＯＵに
備えられる４つの参照光光学系から射出される参照スポ
ット光は、参照光窓５ｃ１〜５ｃ４を通って投射され
る。この図の例では、４つの参照スポット光は、いずれ
も、その投射方向が受光軸ＡＸ３と平行である。

【００７５】また、参照光光学系３０を備えているの
で、計測を行うために３次元カメラ２と物体Ｑとをセッ
ティングする際に、参照光光学系３０から参照スポット
光ＵＲを投射することによって、その参照スポット光Ｕ
Ｒを計測位置を示すマーカーとして利用することができ
る。ユーザは、参照スポット光ＵＲを見て、計測すべき
物体Ｑまたは３次元カメラ２の配置を決めればよい。〔受光光学系〕図１１は受光光学系４０の構成を摸式的
に示す図、図１２はレンズ検出器４４を模式的に示す図
である。

【００７６】図１１において、受光光学系４０は、受光
レンズ系４１、レンズ検出器４４、フィルタ交換器４
２、および受光素子４３から構成される。本実施例での
受光レンズ系４１は、７枚のレンズにより構成される単
焦点の受光レンズ４１１と、赤外カットフィルタ４１２
とによって構成される。

【００７７】受光レンズ系４１のオートフォーカシング
動作は、駆動系４７によって受光レンズ４１１を受光軸
ＡＸ３の方向に沿って移動させることにより行われる。
図１１に示す構成の受光レンズ４４１は単焦点レンズで
あるので、ズーミング動作は行われない。

【００７８】図１２において、レンズ検出器４４は、受
光レンズマウント４４１、接点４４２、および判別器４
４３から構成される。接点４４２は電気的接点または機
械的接点である。レンズマウント４４１には、受光レン
ズ系４１が着脱可能に取り付けられ、取り付けられた受
光レンズ系４１のパラメータ、例えば、Ｆナンバー、焦
点距離、ズーム範囲およびズームの現在位置などが、接
点４４２を介して判別器４４３に入力される。判別器４
４３は、受光レンズ系４１が取り付けられているか否か
の判断を行い、取り付けられている場合に、そのパラメ
ータをシステムコントローラ５２に出力する。

【００７９】このように、受光レンズ系４１は交換可能
である。したがって、物体Ｑの大きさ、形状、距離、ま
たは明るさなどにより、それらに応じた適切な受光レン
ズ系４１を用いることができる。

【００８０】図１３はフィルタ交換器４２を示す斜視図
である。フィルタ交換器４２は、フィルタ板４２１、モ
ータ４２２、バンドパスフィルタ４２３、赤色透過フィ
ルタ４２４、緑色透過フィルタ４２５、および青色透過
フィルタ４２６から構成される。

【００８１】フィルタ板４２１は、例えばアルミニウム
合金または合成樹脂などから円板状に形成されており、
その中央の回転軸４２７を中心として回転可能に取り付
けられている。フィルタ板４２１には、回転軸４２７を
中心として、互いに異なる回転角度位置毎に、ここでは
９０度毎に、４つの貫通した穴が設けられ、その穴に上
述の４つのフィルタがそれぞれ装着されている。これら
４つのフィルタが取り付けられたフィルタ板４２１は、
回転部材４２０を構成する。

【００８２】なお、フィルタの装着に当たっては、例え
ばフィルタ板４２１の穴を径大の穴と径小の穴との２段
構成とし、径大の穴に各フィルタの外形が嵌入するよう
に構成すればよい。フィルタを固定するために、接着剤
を用いるか、または、リング状の押さえ板でフィルタの
外縁を押さえた状態で、その押さえ板をネジでフィルタ
板４２１に固定する。なお、そのような押さえ板を、後
述する絞り部材と兼用することも可能である。

【００８３】フィルタ板４２１の外周には歯車が設けら
れており、モータ４２２の出力軸に取り付けられた歯車
と噛み合う。モータ４２２は、撮影コントローラ５０の
制御によって、歯車を介してフィルタ板４２１を回転駆
動するとともに、バンドパスフィルタ４２３、赤色透過
フィルタ４２４、緑色透過フィルタ４２５、または青色
透過フィルタ４２６のいずれかの光軸が受光レンズ系４
１の光路と一致する位置において、フィルタ板４２１を
位置決めする。

【００８４】なお、フィルタ板４２１に設けられた穴の
内径および各フィルタの有効径は、受光レンズ系４１か
ら入射する光（光束）ＵＣのフィルタ面での最大光路径
Ｅｘよりも充分に大きく設定されている。したがって、
モータ４２２によるフィルタ板４２１の位置決め精度が
悪い場合でも、入射した光ＵＣはフィルタ板４２１で遮
られることなく、全てがフィルタを通過して受光素子４
３上に結像する。受光素子４３で受光して得られた撮影
情報は、各フィルタに対応する処理回路５３〜５６へ転
送される。

【００８５】図１４は各フィルタの分光透過波長を示す
グラフである。図１４（ａ）はバンドパスフィルタ４２
３、図１４（ｂ）は赤色透過フィルタ４２４、図１４
（ｃ）は緑色透過フィルタ４２５、図１４（ｄ）は青色
透過フィルタ４２６の分光透過波長をそれぞれ示す。

【００８６】図１４（ａ）に示すバンドパスフィルタ４
２３は、半導体レーザ２１、３１の発振波長帯域（本実
施例ではλ＝６９０ｎｍ）の光を透過するフィルタであ
る。バンドパスフィルタ４２３は、３次元計測時の計測
スリット光Ｕ、および予備計測時の参照スポット光ＵＲ
を選択的に透過する。

【００８７】図１４（ｂ）〜（ｄ）に示す各色用のフィ
ルタ４２４〜４２６は、それぞれ、カラー画像形成のた
めに必要な、赤色、緑色、青色に対応した分光透過波長
をもつ。

【００８８】これによって、３次元計測による画像（計
測データＤｓ）、および２次元撮影による赤色画像、緑
色画像、青色画像が、同じ１つの受光素子４３によっ
て、同一の条件、つまり例えば受光レンズ系４１の繰出
し量および画角などが同一の状態で撮影することがで
き、各画像間に位置ずれのない画像情報を得ることがで
きる。

【００８９】しかも、各画像について、それぞれの分光
透過波長をもつ専用のフィルタを用いて撮影を行うもの
であるから、不要な波長成分によるノイズの少ないデー
タを得ることができ、計測精度の向上を図ることができ
る。

【００９０】図１５は受光レンズ系４１にフィルタ４２
３〜４２６を挿入したときの最良像面位置を示すグラフ
である。図１５（ａ）はフィルタの厚さによる修正前
を、図１５（ｂ）はフィルタの厚さによる修正後を、そ
れぞれ示す。

【００９１】バンドパスフィルタ４２３を挿入したとき
の最良像面位置をＢｂｐｆ、赤色透過フィルタ４２４、
緑色透過フィルタ４２５、青色透過フィルタ４２６を挿
入したときの最良像面位置をそれぞれＢｒ、Ｂｇ、Ｂｂ
で示す。

【００９２】ここでの最良像面とは、受光素子４３の画
素サイズに対応した空間周波数で計算したときの軸上Ｍ
ＴＦがピークとなる像面をいう。各フィルタでの計算波
長は、バンドパスフィルタ４２３では半導体レーザの波
長（λ＝６９０ｎｍ）、つまり３次元計測用の波長と
し、赤色、緑色、青色の各フィルタではその代表波長と
して、６５６ｎｍ、５４６ｎｍ、４３６ｎｍの各波長と
する。

【００９３】図１５（ａ）（ｂ）では、バンドパスフィ
ルタ４２３を挿入したときの最良像面位置Ｂｂｐｆを、
像面位置の原点つまり０ｍｍとして表している。図１５
（ａ）は、フィルタ４２３〜４２６の厚みを１ｍｍとし
た場合の最良像面位置を示す。受光レンズ系４１の持つ
色収差のために、各フィルタを通過した際の最良像面位
置が異なっていることが分かる。つまり、いずれか１つ
のフィルタを通過した像に対してピント合わせを行って
も、他のフィルタに切り替えた場合にピントがずれてし
まうことを示している。例えば、バンドパスフィルタを
通過した像に対してピントを合わせた場合には、赤色、
緑色、青色の各色の画像の画質が悪くなってしまう。

【００９４】図１５（ｂ）は、フィルタ４２３〜４２６
の厚みを、バンドパスフィルタ４２３は１ｍｍ、赤色フ
ィルタ４２４は１．０３ｍｍ、緑色フィルタ４２５は
１．１５ｍｍ、青色フィルタ４２６は１．０５ｍｍとし
た場合の最良像面位置を示す。この場合には、各フィル
タの厚みの相違によって、それぞれを透過する光の波長
領域による色収差が同じになるように補正される。した
がって、いずれのフィルタを通過した波長でも最良像面
位置は一致する。そのため、いずれか１つのフィルタを
通過した像に対してピント合わせを行っておけば、他の
フィルタに切り替えてもピンボケの生じない良好な画質
を得ることができ、波長の相違によって画質に差が生じ
る問題を解決することができる。

【００９５】ところで、各フィルタ４２３〜４２６の外
径サイズおよび比重が互いに同じであるとき、フィルタ
の厚みが異なれば、各フィルタの重量が異なることにな
る。そのため、フィルタ板４２１が回転軸４２７につい
て点対称の形状であって、しかも各フィルタを回転軸４
２７に対して点対称の位置に取り付けた場合には、回転
部材４２０の重心位置Ｇは、回転軸４２７の中心位置と
異なる位置となり、回転がスムーズに行われない可能性
がある。

【００９６】そこで、回転部材４２０の重心位置Ｇが回
転軸４２７の位置と一致するように、フィルタ板４２１
およびフィルタ４２３〜４２６の形状および寸法を決定
する。例えば、フィルタ板４２１の形状を回転軸４２７
に対して点対称でない形状とし、または各フィルタ４２
３〜４２６の外径サイズを異なるサイズとし、または各
フィルタ４２３〜４２６を回転軸４２７に対して対称で
ない位置に取り付ける。また、フィルタ板４２１の適所
に重心位置の調整のための適当な径および深さの穴を設
けてもよい。

【００９７】また、フィルタ板４２１を利用して受光レ
ンズ系４１の開口絞りを構成することができる。すなわ
ち、フィルタ板４２１を受光レンズ系４１の開口絞り位
置に配置し、各フィルタの径Ｅｆによって受光レンズ系
４１の光路の有効面積を規制することにより、受光レン
ズ系４１のＦナンバーを規定することができる。

【００９８】例えば、フィルタ板４２１の穴およびフィ
ルタ４２３〜４２６の外径を最大光路径Ｅｘよりも小さ
な適当な値とし、または穴径の小さな絞り板を各フィル
タ毎に別途作成して取り付け、受光レンズ系４１から入
射する光ＵＣを各フィルタ毎に適量絞ることによって、
受光レンズ系４１のＦナンバーをフィルタ毎に最適とな
るように制御して撮影を行うことができる。

【００９９】受光レンズ系４１の性能は、一般にＦナン
バーを大きくするほど（暗くするほど）解像力が向上
し、被写界深度（合焦幅）も広がる。また、カラー画像
の取得時においては、赤色、緑色、青色の各フィルタの
透過光量のレベル差を、受光レンズ系４１のＦナンバー
を制御することで補正することができる。これによっ
て、いわゆるホワイトバランスの調整を行うことが可能
である。〔光学ユニットの２軸調整機構〕次に、光学ユニットＯ
Ｕに備えられた２軸調整機構について説明する。

【０１００】図１６は光学ユニットＯＵの２軸調整機構
の概略を説明するための斜視図である。図１６に示すよ
うに、光学ユニットＯＵは、投光光学系２０、参照光光
学系３０、および受光光学系４０が、ブラケット２０
１，４０１に取り付けられて構成されている。

【０１０１】これら２つのブラケット２０１，４０１
は、Ｙ方向軸である回転軸ＡＸ４を中心として互いに回
転可能に連結されている。投光光学系２０は、ブラケッ
ト２０１に対して、Ｚ方向軸である回転軸ＡＸ１を中心
に回転可能に取り付けられている。

【０１０２】参照光光学系３０および受光光学系４０
は、ブラケット４０１に固定されている。回転軸ＡＸ１
は、受光光学系４０の受光軸ＡＸ３と平行になるように
調整される。

【０１０３】なお、投光光学系２０における投光の起点
Ａと受光光学系４０の撮像面Ｓとを結ぶ基線ＡＳ、およ
び参照光光学系３０における投射の起点Ｒと受光光学系
４０の撮像面Ｓとを結ぶ基線ＲＳは、それぞれ受光軸Ａ
Ｘ３と垂直である。撮像面Ｓは屈折した受光軸ＡＸ３に
対して垂直である。なお、光学ユニットＯＵの２軸調整
方法の詳細については特開平９−１４５３２０号に開示
されている。〔参照スポット光による画像位置の算出原理〕図１７は
参照スポット光ＵＲによる画像位置の算出原理を示す図
である。

【０１０４】図１７に示すように、受光素子４３の撮像
面Ｓ上で複数画素分となる比較的に幅の広い参照スポッ
ト光ＵＲを物体Ｑに照射する。ここでの例では、参照ス
ポット光ＵＲの幅を５画素分とする。

【０１０５】受光素子４３から１フレーム分の受光デー
タＤｇか出力される。撮像面Ｓの１つの画素ラインｇ
（１〜ｍ）に注目すると、５画素分において有効な受光
データが得られる。これら５画素分の受光データに対す
る補間演算によって、受光量が最大となる座標位置を求
める。これが参照スポット光ＵＲによる画像位置（参照
スポット画像位置）である。

【０１０６】図１７（ｂ）の例では、画素ｇ（ｌ）とそ
の１つ後の画素ｇ（ｌ＋１）との間で受光量が最大であ
る。これにより、撮像面Ｓの画素ピッチｐｖで規定され
る分解能より高い分解能の計測が可能となる。

【０１０７】本実施形態の計測システム１では、受光素
子４３のサンプリング１回分の受光データＤｇをシステ
ムコントローラ５２に出力し、システムコントローラ５
２が受光データＤｇに基づいて参照スポット画像位置デ
ータＤｐを算出する。〔３次元データの算出原理〕図１８は３次元データの算
出原理を示す図である。

【０１０８】図１８に示すように、受光素子４３の撮像
面Ｓ上で複数画素分となる比較的に幅の広い計測スリッ
ト光Ｕを物体Ｑに照射する。ここでの例では、計測スリ
ット光Ｕの幅を５画素分とする。計測スリット光Ｕは、
サンプリング周期毎に撮像面Ｓ上で１画素ピッチｐｖだ
け移動するように上から下に向かって偏向され、それに
よって物体Ｑが走査される。

【０１０９】サンプリング周期毎に、受光素子４３から
１フレーム分の受光データＤｇが出力される。撮像面Ｓ
の１つの画素ｇ（ｘ）に注目すると、走査中に行うＮ回
のサンプリングの内の５回のサンプリングにおいて有効
な受光データが得られる。これら５回分の受光データに
対する補間演算によって、注目画素ｇ（ｘ）がにらむ範
囲の物体表面ａｇを計測スリット光Ｕの光軸が通過する
タイミング（時間重心Ｎｐｅａｋ：注自画素ｇ（ｘ）の
受光量が最大となる時刻）を求める。

【０１１０】図１８（ｂ）の例では、ｎ回目とその１つ
後の（ｎ＋１）回目の間のタイミングで受光量が最大で
ある。求めたタイミングにおける計測スリット光Ｕの投
射方向と、注目画素ｇ（ｘ）に対する計測スリット光Ｕ
の入射方向との関係に基づいて、物体Ｑの位置（座標）
を算出する。これにより、撮像面Ｓの画素ピッチｐｖで
規定される分解能より高い分解能の計測が可能となる。

【０１１１】本実施形態の計測システム１では、３次元
カメラ２が受光素子４３の画素ｇ（ｘ）毎に５回分の受
光データを計測データＤｓとしてホスト３に出力し、ホ
スト３が計測データＤｓに基づいて物体Ｑの３次元座標
を算出する。

【０１１２】３次元カメラ２における各画素ｇ（ｘ）に
対応した計測データＤｓの生成は、出力処理回路５３が
担う。〔出力処理回路の構成〕図１９は出力処理回路５３のブ
ロック図、図２０は受光素子４３の読出し範囲を示す図
である。

【０１１３】出力処理回路５３は、クロック信号ＣＫを
出力するクロック発生回路５３０、受光素子４３の出力
する光電変換信号のレベルを最適化するための増幅器５
３１、クロック信号ＣＫに同期して各画素ｇの光電変換
信号を８ビットの受光データＤｇに変換するＡＤ変換器
５３２、直列接続された４つのフレームディレイメモリ
５３３〜５３６、コンパレータ５３７、フレーム番号
（サンプリング番号）ＦＮを指し示すジェネレータ５３
８、マルチプレクサ５３９、６個のメモリ５４０Ａ〜５
４０Ｆ、警告判別回路５４１、スケール発生回路５４
２、および画像合成回路５４３を有している。

【０１１４】増幅器５３１のゲインは可変であり、シス
テムコントローラ５２によって適切な値に設定される。
４つのフレームディレイメモリ５３３〜５３６は、受光
素子４３の各画素ｇについて５フレーム分の受光データ
Ｄｇを同時にメモリ５４０Ａ〜Ｅに出力するために設け
られている。

【０１１５】メモリ５４０Ａ〜５４０Ｅは、有効な５回
分の受光データＤｇを記憶するために設けられており、
それぞれが計測のサンプリング点数（つまり受光素子４
３の有効画素数）と同数個の受光データＤｇを記憶可能
な容量をもつ。メモリ５４０Ｆは、画素ｇ毎に特定のフ
レーム番号ＦＮを記憶するために設けられており、サン
プリング点数と同数個のフレーム番号ＦＮを記憶可能な
容量をもつ。

【０１１６】メモリ５４０Ｂ〜５４０Ｆには、書込み信
号としてコンパレータ５３７の出力信号Ｓ５３７が共通
に加えられる。これに対して、メモリ５４０Ａには、出
力信号Ｓ５３７とクロック信号ＣＫの２つの信号のう
ち、マルチプレクサ５３９によって選択された一方の信
号が書込み信号として加えられる。

【０１１７】予備計測に続いて行われる計測、つまり本
計測において、受光素子４３における１フレームの読出
しは、撮像面Ｓの全体ではなく、高速化を図るために図
２０のように撮像面Ｓの一部の有効受光エリア（帯状画
像）Ａｅのみを対象に行われる。有効受光エリアＡｅ
は、計測スリット光Ｕの偏向にともなってフレーム毎に
１画素分だけシフトする。

【０１１８】本実施形態では、有効受光エリアＡｅのシ
フト方向の画素数は３２に固定されている。この３２画
素分の幅が計測対象となる距離範囲（計測可能範囲）に
対応する。ＣＣＤエリアセンサの撮影像の一部のみを読
み出す手法は、特開平７−１７４５３６号公報に開示さ
れている。

【０１１９】ＡＤ変換器５３２は、１フレーム毎に３２
ライン分の受光データＤｇを画素ｇの配列順にシリアル
に出力する。各フレームディレイメモリ５３３〜５３６
は、３１（＝３２−１）ライン分の容量をもつＦＩＦＯ
メモリ（ファーストインファーストアウトメモリ）であ
る。ＡＤ変換器５３２から出力された注目画素ｇの受光
データＤｇは、２フレーム分だけ遅延された時点で、コ
ンパレータ５３６によって、メモリ５４０Ｃが記憶する
注目画素ｇについての過去の受光データＤｇの最大値と
比較される。遅延された受光データＤｇ（フレームディ
レイメモリ５３４の出力）が過去の最大値より大きい場
合に、その時点のＡＤ変換器５３２の出力および各フレ
ームディレイメモリ５３３〜５３６の出力が、メモリ５
４０Ａ〜Ｅにそれぞれ格納され、メモリ５４０Ａ〜Ｅの
記憶内容が書換えられる。

【０１２０】これと同時に、メモリ５４０Ｆには、メモ
リ５４０Ｃに格納する受光データＤｇに対応したフレー
ム番号ＦＮが格納される。ただし、ここでのフレーム番
号ＦＮは、撮像面Ｓの全体における通しのライン番号
（Ｙ方向の画素番号）ではなく、上述した３２画素幅の
有効受光エリアＡｅ内でのライン番号であり、０〜３１
の範囲の値をとる。３２ライン分ずつの読出しの順位
（すなわち注目画素ｇのＹ方向の位置）とフレーム番号
ＦＮとにより、撮像面Ｓの全体におけるライン番号を特
定することができる。

【０１２１】ｎ番目のラインで注目画素ｇの受光量が最
大になった場合には、メモリ５４０Ａに（ｎ＋２）番目
のラインのデータか格納され、メモリ５４０Ｂに（ｎ＋
１）番目のフレームのデータか格納され、メモリ５４０
Ｃにｎ番目のフレームのデータが格納され、メモリ５４
０Ｄに（ｎ−１）番目のフレームのデータが格納され、
メモリ５４０Ｅに（ｎ−２）番目のフレームのデータが
格納され、メモリ５４０Ｆにｎが格納される。本計測の
結果としてホスト３へ送られる上述の計測データＤｓ
は、メモリ５４０Ａ〜Ｅに格納された受光データＤｇと
メモリ５４０Ｆに格納されたフレーム番号ＦＮとを合わ
せたデータである。

【０１２２】警告判別回路５４１、スケール発生回路５
４２、および画像合成回路５４３は、計測結果のモニタ
表示（プレビュー）のための回路である。警告判別回路
５４１には、メモリ５４０Ｃからの受光データＤｇ、メ
モリ５４０Ｆからのフレーム番号ＦＮ、およびシステム
コントローラ５２からのスケール値ｓｃが入力される。
警告判別回路５４１は、３種の入力の値の組合せに応じ
て、計測結果である３次元形状を無彩色の濃淡（グレー
スケール）で表した距離画像データＤｄ、および３種の
警告信号Ｓ１１〜１３を出力する。

【０１２３】距離画像データＤｄは、具体的には、画像
の各画素の表示色を規定するＲ，Ｇ，Ｂの３色の輝度デ
ータである。スケール発生回路５４２は、距離画像の濃
淡と対物間距離との関係を示す帯状のグラデーション画
像（スケールバー）６９を生成する。画像合成回路５４
３は、距離画像データＤｄにスケールバー６９の表示デ
ータを組み入れる。〔３次元位置の計測結果のプレビュー表示〕図２１は警
告判別回路５４１のブロック図、図２２は警告判別回路
５４１の入力と出力との関係を表形式で示す図である。

【０１２４】警告判別回路５４１は、２個のコンパレー
タ５４１１，５４１２、およびルックアップテーブル
（ＬＵＴ）５４１３から構成されている。コンパレータ
５４１１，５４１２には、メモリ５４０Ｃから有効画素
数の受光データＤｇが画素毎にシリアルに入力される。
一方のコンパレータ５４１１は、注目画素の最大受光量
を示す受光データＤｇの値が許容受光量の下限値である
閾値ｔｈＢより小さいときに、低輝度検出信号ＳＬを出
力する。他方のコンパレータ５４１２は、受光データＤ
ｇの値が許容受光量の上限値である閾値ｔｈＡを越えた
ときに、オーバーフロー警告信号Ｓ１３を出力する。Ｌ
ＵＴ５４１３は、フレーム番号ＦＮ、スケール値ｓｃ、
低輝度検出信号ＳＬ、およびオーバーフロー警告信号Ｓ
１３の値の組合せに応じて、距離画像データＤｄ、近接
警告信号Ｓ１１、および遠方警告信号Ｓ１２を出力す
る。

【０１２５】スケール値ｓｃは、有効受光エリアＡｅの
幅で規定される計測可能範囲内の計測基準面の位置を示
し、０〜３１の値をとる。スケール値ｓｃのデフォルト
値は１６である。フレーム番号ＦＮは、計測可能範囲内
における物体位置（厳密には注目画素に対応したサンプ
リング点の位置）を示す。基本的には距離画像データＤ
ｄは、このフレーム番号ＦＮをそのままグレースケール
変換したデータである。すなわち、グレースケールにお
けるＲ，Ｇ，Ｂの輝度Ｙｒ，Ｙｇ，Ｙｂは、８×（ＦＮ
−ｓｃ＋１６）である。ただし、本実施形態において
は、計測結果の良否を視覚的に容易に理解できるよう
に、特定の画素についてカラー表示による強調が行われ
る。

【０１２６】図２２に示すように、低輝度検出信号ＳＬ
がアクティブ（オン）であれば、その画素の表示色はブ
ラックである。つまり、表示画面のうち、物体の反射率
が極端に小さい画素および計測可能範囲外の画素はブラ
ックで表示される。オーバーフロー警告信号Ｓ１３がオ
ンであれば、正確に時間重心Ｎｐｅａｋを算出すること
ができないことをユーザに知らせるため、その画素はレ
ッドで表示される。計測基準面と物体との位置関係の理
解を助けるため、フレーム番号ＦＮがスケール値ｓｃと
等しい画素はシアンで表示される。そして、計測可能範
囲の近接側の端縁に対応した画像がグリーンで表示さ
れ、遠方側の端縁に対応した画像はブルーで表示され
る。このような色分け表示により、ユーザは物体の所望
部分が正しく計測されているかを容易に確認することが
できる。〔３次元位置の計測手順〕次に、３次元カメラ２および
ホスト３の動作を計測の手順と合わせて説明する。計測
に用いられるイメージセンサ５３の撮像面Ｓの有効画素
数（サンプリング点数）は、４８０×６４０である。す
なわち、１フレームは４８０×６４０画素であり、４８
０回のサンプリングにより４８０フレームのデータが得
られる。したがって、実質的なフレーム数Ｎは４８０で
ある。撮像面Ｓにおけるスリット長さ方向の画素数は６
４０である。〔撮影エリアの設定〕３次元計測に際し、ユーザはまず
撮影エリアの設定をおこなう。

【０１２７】受光レンズ系４１の画角（焦点距離）が一
定の場合には、撮影エリアは撮影距離に比例して変化す
る。ユーザは、液晶ディスプレイ６が表示するモニタ画
像を見ながら、３次元カメラ２または物体Ｑを移動する
ことで撮影距離を変化させ、撮影エリアを設定すること
ができる。

【０１２８】このとき、液晶ディスプレイ６のモニタ画
像を見ながらの設定が困難な場合には、ユーザは参照光
投射ボタン１１を操作して参照スポット光ＵＲを投射
し、参照スポット光ＵＲのスポット点が物体Ｑに当たる
ように３次元カメラ２と物体Ｑとの位置を設定する。

【０１２９】複数の参照光光学系３０を備える計測シス
テム１の場合（例えば図１０に示すような４つの参照光
光学系から参照スポット光ＵＲが投射される場合）に
は、物体Ｑに４つのスポット点が当たるので、４つのス
ポット点の中央付近に物体Ｑの中心を設定するのがよ
い。

【０１３０】ユーザは、必要に応じて撮影画角を変える
ことができる。画角の設定は、画角（焦点距離）の異な
る複数の受光レンズ系４１のうちのいずれかを、受光レ
ンズマウント４４１に交換取付けするにより行われる。

【０１３１】ズーミング機能を備えた受光レンズ系４１
を取り付けた場合は、ズーミングボタン７ａ，７ｂによ
りズーム操作を行うことで画角の変更ができる。〔オートフォーカシング制御〕受光光学系４０のピント
合わせにおいて、ユーザはフォーカシング切替えボタン
８ａ，８ｂを操作することで、マニュアルフォーカシン
グ、またはオートフォーカシングの選択ができる。

【０１３２】マニュアルフォーカシングが選択された場
合に、ユーザは液晶ディスプレイ６に表示されるモニタ
画像を見ながら、手動フォーカシングボタン９ａ，９ｂ
を操作することにより受光レンズ系４１のフォーカシン
グ駆動がなされ、ユーザのモニタ目視によってピントを
合わすことができる。

【０１３３】オートフォーカシングが選択された場合
に、後述するピント検出方式に基づいて、システムコン
トローラ５２がフォーカシング制御を行う。ピント検出
方式には、従来から提案されている種々の方式がある。
例えば、受光レンズの繰出しに応じて撮影情報のコント
ラストを計算し、コントラストが最大となる繰出し位置
がピント位置であるとする、いわゆる「コントラスト山
登り方式」、または、受光レンズの異なる領域を通過し
た物体光をそれぞれ結像させ、その像の位相差に基づい
てピント状態を検出する「位相差法」などがある。

【０１３４】また、参照スポット光ＵＲの投射方向ＡＸ
２と受光軸ＡＸ３とが同一軸でない場合には、三角測量
法より対物間距離ｄ０を求めることによるオートフォー
カス制御が可能である。

【０１３５】その場合には、まず、物体Ｑに向けて１つ
の参照光光学系３０から参照スポット光ＵＲを投射す
る。参照スポト光ＵＲの投射時に受光素子４３によって
得られた撮影情報に基づいて、システムコントローラ５
２は、参照スポット画像位置データＤｐを算出し、基線
長Ｌ３を用いて三角測量法によって対物間距離ｄ０を求
める。

【０１３６】次に、システムコントローラ５２は、レン
ズ検出器４４の判別結果（レンズ種別Ｌｋ）、およびレ
ンズ情報テーブルＴ２を参照し、求められた対物間距離
ｄ０に対応したフォーカシング繰出し量Ｅｄをレンズコ
ントローラ５１へ出力し、フォーカシング駆動系４７を
駆動制御することでピント位置へ受光レンズ系４１を移
動しオートフォーカシング制御を行う。

【０１３７】レンズ情報テーブルＴ２は、受光レンズ系
４１における、対物間距離ｄ０とフォーカシング繰出し
量Ｅｄ、および像距離ｂとの関係、レンズ主点間距離Ｈ
Ｈ’、およびズーミング移動条件（ズームレンズの場
合）などの情報をテーブルとしたものであり、受光レン
ズ系４１のレンズ種別Ｌｋに対応したテーブルとしてシ
ステムコントローラ５２に内蔵された図示しないＲＯＭ
に格納されている。〔予備計測〕レリーズボタン１０が操作されると、予備
計測、本計測の順に計測が行われる。予備計測では、本
計測の動作設定、および本計測での計測条件の情報を取
得する。

【０１３８】本計測のための動作設定項目には、半導体
レーザ２１の出力（レーザ光強度）、計測スリット光Ｕ
の偏向条件（投射角度範囲を特定する投射開始角度およ
び投射終了角度、偏向角速度）などがある。取得する計
測条件の情報には、撮影条件データ、参照スポット画像
位置データなどがある。〔対物間距離の決定とレンズ駆動設定〕最適な計測可能
範囲の設定をおこなうための対物間距離ｄを決定し、受
光レンズ繰出し量Ｅｄの設定をおこなう。

【０１３９】予備計測に際しては、投光光学系２０から
計測スリット光Ｕを投射する。投光角θａは、おおよそ
の対物間距離ｄ０に平面物体が存在するものとして、撮
像面Ｓの中央に反射光が入射するように設定する。

【０１４０】システムコントローラ５２は、スリット画
像位置データに基づいて、三角測量法によって対物間距
離ｄ０を求める。図２３（ａ）に示すように、対物間距
離の算定の基準位置を物体の近接位置（３次元カメラ２
の側）に設定し、その前後に同一量の計測可能範囲ｄ’
を設定すると、前側（３次元カメラ２の側）の計測可能
範囲が無駄になることが多い。

【０１４１】そのため、図２３（ｂ）に示すように、シ
フト量pitchoffを設定して、前側２５％、後側７５％の
割合になるように計測可能範囲ｄ’を後側へシフトさせ
るのが望ましい。

【０１４２】したがって、本計測での対物間距離ｄは、
次の式に示すように、求められた対物間距離ｄ０に計測
可能範囲ｄ’の２５％を加えた距離に設定するのが望ま
しい。

【０１４３】ｄ＝ｄ０＋ｄ’／４決定された対物間距離ｄに基づいて、繰出し量Ｅｄを設
定し、受光レンズ系４１の駆動を行う。これにより、本
計測の対物間距離ｄおよび計測可能範囲が定まる。〔半導体レーザの出力設定〕投光光学系２０の半導体レ
ーザ２１をパルス点灯して計測スリット光Ｕを投射した
ときの受光量を測定し、半導体レーザ２１の投射光強度
を決定する。

【０１４４】計測スリット光Ｕの投射は、短期間内に断
続的に計３回行われ、その際に投射毎にレーザ光強度
（投射光強度）が大きい値から小さい値へと変更され
る。つまり、強度Ａ，Ｂ，Ｃ（Ａ＞Ｂ＞Ｃ）の３種の計
測スリット光Ｕによる計測が行われる。強度の異なる３
種の計測スリット光Ｕを投射することによって信頼性が
高められている。

【０１４５】図２４は投射光強度と受光量との関係の代
表例を示すグラフである。図２４（ａ）の例では、強度
Ａ〜Ｃにおける受光レベルは飽和レベル（受光のダイナ
ミックレンジの上限）より低い。図２４（ｂ）の例で
は、強度Ａにおいて受光量が飽和している。

【０１４６】受光レベルが非飽和の範囲内であり且つ環
境光や信号ノイズの影響がなければ、強度Ａ〜Ｃと受光
データＤｇとの間に比例関係が成立する。したがって、
各強度Ａ〜Ｃの受光データＤｇの値から、任意の投射光
強度における受光レベルを推測することができる。言い
換えれば、最適の受光レベルの得られる投射光強度を演
算で求めることができる。強度Ａ〜Ｃの大小関係と受光
データＤｇの大小関係とが一致しない場合は、受光デー
タＤｇの信頼性に問題がある。

【０１４７】このとき、人体への安全と半導体レーザ２
１の定格とを考慮した許容上限値に投射光強度を設定し
ても必要な受光量が得られない場合には、計測を中止
し、その旨の警告メッセージを表示するとともに警告音
を発する。〔計測スリット光の偏向条件〕計測スリット光Ｕの投射
角度範囲を特定する投射開始角度および投射終了角度、
並びに偏向角速度などの偏向条件の算定に際しては、走
査方向の端部においても中央部と同様の計測可能範囲
ｄ’を確保するため、所定量（例えば８画素分）のオー
バースキャンを行うようにする。投射開始角ｔｈ１、投
射終了角ｔｈ２、偏向角速度ωは、次の（１）（２）
（３）式で表される。

【０１４８】

【数１】

【０１４９】〔投光光学系バリエーターレンズの設定〕
レンズ検出器４５からのレンズ種別（画角）Ｌｋと、ズ
ーミング駆動系４８のエンコーダ出力（受光レンズ系が
ズームレンズの場合）とから、投光側のバリエータレン
ズ４２２の移動量が演算により算出され、算出結果に基
づいてバリエータレンズ２２２の移動制御が行われる。

【０１５０】投光側のレンズ制御は、撮影距離および画
角に係わらず、受光素子４３に５画素分の幅の計測スリ
ット光Ｕを入射させるためのものである。〔計測条件の情報取得〕システムコントローラ５２は、
レンズコントローラ５１を介して、レンズ検出器４５か
らのレンズ種別Ｌｋ、フォーカシング駆動系４７のエン
コーダ出力（繰出し量Ｅｄ）、およびズーミング駆動系
４８のエンコーダ出力ｆｐ（受光レンズがズームレンズ
の場合）を読み込む。

【０１５１】システムコントローラ５２の内部におい
て、歪曲収差テーブルＴ１およびレンズ情報テーブルＴ
２から、レンズ種別Ｌｋ、繰出し量Ｅｄ、およびズーム
刻み値ｆｐに対応した撮影条件データＴ３を抽出し、抽
出された撮影条件データＴ３をホスト３へ出力する。

【０１５２】ここでの撮影条件データＴ３は、歪曲収差
パラメータ（レンズ歪み補正係数ｄ１，ｄ２）、主点間
距離ＨＨ’、および像距離ｂである。〔参照スポット画像位置データの取得〕参照光光学系３
０の半導体レーザ３１を点灯して参照スポット光ＵＲを
投射する。

【０１５３】参照スポット光ＵＲの投射時に受光素子４
３によって得られた撮影情報に基づき、システムコント
ローラ５２は、参照スポット画像位置データＤｐを算出
し、システムコントローラ５２に内蔵されている図示し
ないＲＡＭに一旦格納した後、ホスト３へ出力する。〔本計測〕本計測では、計測スリット光Ｕによって物体
Ｑが走査され、出力処理回路５３によって１画素当たり
５フレーム分の計測データＤｓが生成され、ホスト３へ
送られる。同時に、偏向条件（偏向制御データＤａ）お
よび受光素子４３の仕様などを示す装置情報Ｄｂも、ホ
スト３へ送られる。

【０１５４】図２５に示すように、ホスト３において
は、スリット重心演算＃３１、カメラ視線方程式の演算
＃３３、スリット面方程式の演算＃３４、偏向制御デー
タの補正演算＃３６、歪曲収差の補正演算＃３２、およ
び３次元位置演算＃３５が実行される。〔スリット重心演算〕計測スリット光Ｕの時問重心Ｎｐ
ｅａｋ（図１８参照）は、各サンプリング時の受光デー
タＤｇ（ｉ）を用いて、次の（４）式又は（４’）式て
与えられる。

【０１５５】

【数２】

【０１５６】５つの受光データの内の最小のデータｍｉ
ｎＤｇ（ｉ）を差し引いて加重平均を求めることによ
り、環境光の影響を軽減することができる。〔カメラ視線方程式の演算〕カメラ視線方程式は、次に
示す（５）式および（６）式である。

【０１５７】

【数３】

【０１５８】〔スリット面方程式の演算〕スリット面方
程式は、次に示す（７）式である。

【０１５９】

【数４】

【０１６０】〔偏向制御データの補正〕スリット面方程
式である（７）式は、スリット光通過時間ｎｏｐを変数
として規定されている。予備計測時に得られた参照スポ
ット画像位置を理想的（走査が正常に行われたときに）
に通過するタイミング計算により求め、本計測時に計測
スリット光Ｕが参照スポット画像位置を通過した実際の
タイミングとの時間差ｔｘを算出する。

【０１６１】ここで、スリット光通過時間ｎｏｐに時間
差ｔｘを加えることで、偏向のタイミング誤差の補正が
できる。具体的には、本実施形態のように、参照スポッ
ト画像位置が１ケ所の場合、つまり参照光光学系３０が
１つの場合は、投射開始時間ｔｈ１の誤差を補正するこ
とができる。

【０１６２】また、複数の参照光光学系３０を備えた３
次元カメラの場合、タイミング誤差補正を複数点で行う
ことが可能となり、投射開始時間ｔｈ１の誤差補正だけ
でなく、偏向角速度ωの誤差補正も可能となる。〔歪曲収差の補正演算〕幾何収差は画角に依存する。歪
はほぼ中心画素を中心として対称に生じる。したがっ
て、歪み量は中心画素からの距離の関数で表される。こ
こでは、距離の３次関数で近似する。２次の補正係数を
ｄ１、３次の補正係数をｄ２とする。補正後の画素位置
ｕ’，ｖ’は次の（８）式および（９）式で与えられ
る。

【０１６３】

【数５】

【０１６４】上述の（５）式および（６）式において、
ｕに代えてｕ’を代入し、ｖに代えてｖ’を代入するこ
とにより、歪曲収差を考慮した３次元位置を求めること
ができる。〔３次元位置演算〕サンプリング点の３次元位置（座標
Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、カメラ視線（サンプリング点と前側主
点Ｈとを結ぶ直線）とスリット面（サンプリング点を照
射する計測スリット光Ｕの光軸面）との交点である。

【０１６５】カメラ視線方程式である（５）式および
（６）式と、スリット面方程式である（７）式との交点
を演算することにより、４８０×６４０個のサンプリン
グ点の３次元位置（座標Ｘ，Ｙ，Ｚ）が算定される。

【０１６６】なお、キャリブレーションについては、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、電
子情報通信学会論文誌Ｄ-II vol. J74-D-II No.9 pp.12
27-1235,'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、などに詳しい開示がある。

【０１６７】上の実施形態においては、本発明に係る第
２の光学フィルタとして、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の波長領域
を透過する３つの光学フィルタ４２４〜４２６を用いた
例を説明したが、これ以外の波長選択特性を有する種々
の光学フィルタを用いることができる。例えば、Ｘ，
Ｙ，Ｚの各刺激値の波長領域を透過する３つの光学フィ
ルタを用いてもよい。また、対象物についての分光放射
輝度を示す２次元画像を得るために、互いに異なる任意
の狭い波長領域を透過する多数の光学フィルタを用いて
もよい。これによると、単なる表示のための２次元画像
のみでなく、対象物の色または分光放射輝度を計測し、
それを表示することもできる。

【０１６８】上の実施形態において、フィルタ交換器４
２によってバンドパスフィルタ４２３が受光レンズ系４
１の光路に配置されたときにのみ、投光光学系２０また
は参照光光学系３０から計測スリット光Ｕまたは参照ス
ポット光ＵＲを投射すればよい。これによって無駄な光
の投射を防ぐことができる。

【０１６９】上の実施形態において、フィルタ交換器４
２、フィルタ板４２１、投光光学系２０、参照光光学系
３０、受光光学系４０、３次元カメラ２、または計測シ
ステム１の全体または各部の構造、形状、寸法、個数、
材質、処理の内容、処理の順序などは、本発明の趣旨に
沿って適宜変更することができる。

【０１７０】

【発明の効果】本発明によると、走査手段の制御誤差な
どに起因する計測データの誤差を補正し、高精度の計測
データを得ることができる。

【０１７１】請求項４の発明によると、参照光が計測の
対象物に当たる可能性が高く、参照光による補正データ
の取得の成功の確率が高い。請求項５の発明によると、
走査手段の走査速度の誤差に基づく計測データの誤差を
補正することが可能となる。

【０１７２】請求項６の発明によると、参照光を計測位
置を示すマーカーとして利用し、対象物を適切な位置に
容易に配置することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る計測システムの構成図である。

【図２】３次元カメラの外観を示す図である。

【図３】３次元カメラの機能構成を示すブロック図であ
る。

【図４】投光光学系の構成を示す模式図である。

【図５】参照光光学系の構成を模式的に示す一部断面側
面図である。

【図６】参照光光学系の構成を模式的に示す背面図であ
る。

【図７】参照光光学系の構成を模式的に示す一部断面側
面図である。

【図８】参照光光学系と受光光学系との位置関係および
参照スポット光の投射方向の例を示す図である。

【図９】参照スポット光の投射方向の他の例を示す図で
ある。

【図１０】複数の参照光光学系を備えた３次元カメラの
外観を示す斜視図である。

【図１１】受光光学系の構成を摸式的に示す図である。

【図１２】レンズ検出器を模式的に示す図である。

【図１３】フィルタ交換器を示す斜視図である。

【図１４】各フィルタの分光透過波長を示すグラフであ
る。

【図１５】受光レンズ系にフィルタを挿入したときの最
良像面位置を示すグラフである。

【図１６】光学ユニットの２軸調整機構の概略を説明す
るための斜視図である。

【図１７】参照スポット光による画像位置の算出原理を
示す図である。

【図１８】３次元データの算出原理を示す図である。

【図１９】出力処理回路のブロック図である。

【図２０】受光素子の読出し範囲を示す図である。

【図２１】警告判別回路のブロック図である。

【図２２】警告判別回路の入力と出力との関係を表形式
で示す図である。

【図２３】対物間距離の算定の基準位置と計測可能範囲
との関係を説明する図である。

【図２４】投射光強度と受光量との関係の代表例を示す
グラフである。

【図２５】ホストにおけるデータの流れを示す図であ
る。

【図２６】スリット光投影法の概要を示す図である。

【図２７】スリット光投影法による計測の原理を説明す
るための図である。

【符号の説明】

１計測システム（３次元計測装置）２３次元カメラ（３次元計測装置）２０投光光学系２３ガルバノミラー（走査手段）３０参照光光学系４０受光光学系４１受光レンズ系４３受光素子５３出力処理回路（補正手段）

フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA04 AA06 AA19 AA53 BB29 DD06 EE00 EE01 EE08 FF01 FF02 FF09 FF31 FF61 FF65 FF69 GG01 GG06 GG13 GG22 HH04 HH05 HH12 HH14 JJ03 JJ08 JJ26 LL04 LL06 LL08 LL09 LL10 LL13 LL22 LL26 LL30 LL62 MM16 NN02 NN13 NN17 PP05 QQ00 QQ01 QQ02 QQ03 QQ12 QQ23 QQ24 QQ25 QQ26 QQ27 QQ28 QQ29 QQ32 SS02 SS09 SS13 TT02 5B047 AA07 AB04 BB04 BB09 BC01 BC05 BC07 BC09 BC12 BC21 BC23 CA17 CA19 CA23 CB11 DB01 5B057 BA02 BA19 CA01 CA08 CA12 CA16 CB01 CB08 CB13 CB16 CC01 CE08 CH01 DA17 DB02 DB06 DB09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を投射し走査手段によって対象物の表面
を光学的に走査する投光光学系と、投射された光の対象
物による反射光を受光素子で受光する受光光学系とを備
え、前記受光素子から出力される信号に基づいて３次元
計測のための計測データを得るように構成された３次元
計測装置であって、前記受光光学系の光軸と一致しない光軸に沿って対象物
の一部に参照光を投射するように設けられ、参照光の投
射起点位置および投射角度が既知である参照光光学系
と、前記参照光の対象物による反射光を前記受光素子で受光
して得られる参照データを用いて前記計測データを補正
する補正手段と、を有することを特徴とする３次元計測装置。
【請求項２】前記補正手段は、前記参照光の反射光による前記受光素子上の受光位置を
前記光の反射光が通過する計算上のタイミングと実際の
タイミングとのずれに基づいて補正を行う、請求項１記載の３次元計測装置。
【請求項３】前記参照光光学系の光軸が前記受光光学系
の光軸と平行である、請求項１または請求項２記載の３次元計測装置。
【請求項４】前記参照光光学系の光軸が前記受光光学系
の光軸と計測可能最近距離の近傍において交差する、請求項１または請求項２記載の３次元計測装置。
【請求項５】前記参照光光学系が、前記受光光学系の光
軸の周辺に複数設けられてなる、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の３次元計測装
置。
【請求項６】セッティングの際に前記参照光を投射する
ことが可能なように前記参照光光学系が制御されてな
る、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の３次元計測装
置。