JP2001280927A - ３次元形状計測方法および装置 - Google Patents
３次元形状計測方法および装置Info
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- Measurement Of Optical Distance (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 広い測定レンジで精度良く測定を行うことが
可能な３次元形状計測方法および装置を提供する。 【解決手段】 半導体レーザ３は、変調信号発生器２か
らの所定の周波数の直線からなる変調信号２ａによって
強度変調された光を対象物体６に照射する。イメージイ
ンテンシファイア９は、対象物体６で反射した光を受光
して光量信号に光電変換し、ゲート動作タイミング信号
発生器１２からのタイミング信号に基づいて光量信号を
変調信号２ａとほぼ等しい周波数で増幅動作を行って検
出信号を出力する。距離演算部１１は、イメージインテ
ンシファイア９からの検出信号に基づいて変調信号２ａ
と光量信号との位相差を求め、この位相差に基づいて対
象物体６までの距離を演算する。
可能な３次元形状計測方法および装置を提供する。 【解決手段】 半導体レーザ３は、変調信号発生器２か
らの所定の周波数の直線からなる変調信号２ａによって
強度変調された光を対象物体６に照射する。イメージイ
ンテンシファイア９は、対象物体６で反射した光を受光
して光量信号に光電変換し、ゲート動作タイミング信号
発生器１２からのタイミング信号に基づいて光量信号を
変調信号２ａとほぼ等しい周波数で増幅動作を行って検
出信号を出力する。距離演算部１１は、イメージインテ
ンシファイア９からの検出信号に基づいて変調信号２ａ
と光量信号との位相差を求め、この位相差に基づいて対
象物体６までの距離を演算する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、強度変調された光
を対象物体に照射しその反射光の位相分布を検出するこ
とにより、対象物体までの距離を計測する３次元形状計
測方法および装置に関し、特に、広い測定レンジで精度
良く測定を行うことが可能な３次元形状計測方法および
装置に関する。
を対象物体に照射しその反射光の位相分布を検出するこ
とにより、対象物体までの距離を計測する３次元形状計
測方法および装置に関し、特に、広い測定レンジで精度
良く測定を行うことが可能な３次元形状計測方法および
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】３次元形状を計測する方式として、パッ
シブ方式とアクティブ方式の２つが提案されている。パ
ッシブ方式は、エネルギーを対象物体に放射することな
しに形状を計測する方式であり、アクティブ方式は、何
らかのエネルギーを対象物体に放射し、その反射を検出
することによって形状を計測する方式である。
シブ方式とアクティブ方式の２つが提案されている。パ
ッシブ方式は、エネルギーを対象物体に放射することな
しに形状を計測する方式であり、アクティブ方式は、何
らかのエネルギーを対象物体に放射し、その反射を検出
することによって形状を計測する方式である。
【０００３】パッシブ方式の一つとしてステレオ法があ
る。このステレオ法は、２台のカメラをある間隔をおい
て設置し、得られた２つの画像の視差から三角法により
対象物体までの距離を計測するものである。このステレ
オ法は、画像として取り込むことができれば遠方までの
距離を計測することができるという特長はあるが、模様
のない滑らかな面を持った表面全体の３次元計測を行う
ことができないという重大な問題点が存在する。
る。このステレオ法は、２台のカメラをある間隔をおい
て設置し、得られた２つの画像の視差から三角法により
対象物体までの距離を計測するものである。このステレ
オ法は、画像として取り込むことができれば遠方までの
距離を計測することができるという特長はあるが、模様
のない滑らかな面を持った表面全体の３次元計測を行う
ことができないという重大な問題点が存在する。
【０００４】アクティブ方式の一つとして光切断法があ
る。この光切断法は、スリット光をある角度で対象物体
に照射し、それとは別の角度から撮影した画像から三角
法により対象物体までの距離を計測するものである。こ
の光切断法は、比較的簡単な構成で実現できるという特
長はあるが、スリット光を微少な角度単位で走査しなけ
ればならず、その度に画像を撮影するため、計測時間が
長くなるという問題点がある。この問題点を解決するた
めに光切断法を応用したものとして空間コード化法があ
る。この空間コード化法は、スリット光を何回も照射す
る替わりに、投影光のパターンをコード化することによ
り、少ない投影回数で距離を計測するものであるが、そ
れでも数回の撮影を行わなければならない。
る。この光切断法は、スリット光をある角度で対象物体
に照射し、それとは別の角度から撮影した画像から三角
法により対象物体までの距離を計測するものである。こ
の光切断法は、比較的簡単な構成で実現できるという特
長はあるが、スリット光を微少な角度単位で走査しなけ
ればならず、その度に画像を撮影するため、計測時間が
長くなるという問題点がある。この問題点を解決するた
めに光切断法を応用したものとして空間コード化法があ
る。この空間コード化法は、スリット光を何回も照射す
る替わりに、投影光のパターンをコード化することによ
り、少ない投影回数で距離を計測するものであるが、そ
れでも数回の撮影を行わなければならない。
【０００５】アクティブ方式において、２回の撮影で距
離を計測できる方式の一つとして、強度変調された光を
対象物体に照射し、その反射光の位相分布を計測する方
式（位相分布計測方式）が知られている。
離を計測できる方式の一つとして、強度変調された光を
対象物体に照射し、その反射光の位相分布を計測する方
式（位相分布計測方式）が知られている。
【０００６】この方式を採用した従来の３次元形状計測
装置として、例えば、特開平７−１８１２６１号公報に
示されるものがある。
装置として、例えば、特開平７−１８１２６１号公報に
示されるものがある。
【０００７】図６は、その装置を示す。同図に示す３次
元形状計測装置は、正弦波状の変調信号を発生する変調
信号発生器２と、変調信号発生器２からの変調信号に基
づいて強度変調された光を投影レンズ５、および鏡２１
の穴２１ａを介して対象物体６に照射する半導体レーザ
３と、対象物体６で反射した反射光４ｂを鏡２１で反射
させ、光学フィルタ８おほび結像レンズ７を介して受光
する変調ゲート付きイメージインテンシファイア（以下
「I.I.」という。）１９と、I.I.１９の後端の蛍光面の
像を結像レンズ７を介して撮像するＣＣＤカメラ１０
と、I.I.１９に位相の信号を付与する移相器２０と、Ｃ
ＣＤカメラ１０からのビデオ信号に基づいて対象物体６
の形状を演算して求めるコンピュータ１３とを有する。
このような構成において、変調信号発生器２からの変調
信号に基いて強度変調されたレーザ光は、半導体レーザ
３から放射された後、投影レンズ５によって対象物体６
に平面照射される。対象物体６からの反射光４ｂは、鏡
２１で反射され、光学フィルタ８を透過した後、結像レ
ンズ７によってI.I.１９に結像される。このとき、移相
器２０は、I.I.１９に位相を変化させる位相の信号を印
加する。I.I.１９は、反射光４ｂを移相器２０からの位
相の信号に基づいて強度復調して出力する。その出力光
は、ＣＣＤカメラ１０で撮影される。移送器２０は、I.
I.１９に印加する位相の信号として、ある位相φaと、
それに対して９０度変化させた位相φbの２つの位相の
信号を印加し、それぞれの位相の信号印加時にＣＣＤカ
メラ１０で２回撮影を行う。この時にＣＣＤカメラ１０
から得られるビデオ信号をそれぞれａ（Ｎ）、ｂ（Ｎ）
とすると、反射光４ｂの位相θは、コンピュータ１３に
よって以下の式から算出される。
元形状計測装置は、正弦波状の変調信号を発生する変調
信号発生器２と、変調信号発生器２からの変調信号に基
づいて強度変調された光を投影レンズ５、および鏡２１
の穴２１ａを介して対象物体６に照射する半導体レーザ
３と、対象物体６で反射した反射光４ｂを鏡２１で反射
させ、光学フィルタ８おほび結像レンズ７を介して受光
する変調ゲート付きイメージインテンシファイア（以下
「I.I.」という。）１９と、I.I.１９の後端の蛍光面の
像を結像レンズ７を介して撮像するＣＣＤカメラ１０
と、I.I.１９に位相の信号を付与する移相器２０と、Ｃ
ＣＤカメラ１０からのビデオ信号に基づいて対象物体６
の形状を演算して求めるコンピュータ１３とを有する。
このような構成において、変調信号発生器２からの変調
信号に基いて強度変調されたレーザ光は、半導体レーザ
３から放射された後、投影レンズ５によって対象物体６
に平面照射される。対象物体６からの反射光４ｂは、鏡
２１で反射され、光学フィルタ８を透過した後、結像レ
ンズ７によってI.I.１９に結像される。このとき、移相
器２０は、I.I.１９に位相を変化させる位相の信号を印
加する。I.I.１９は、反射光４ｂを移相器２０からの位
相の信号に基づいて強度復調して出力する。その出力光
は、ＣＣＤカメラ１０で撮影される。移送器２０は、I.
I.１９に印加する位相の信号として、ある位相φaと、
それに対して９０度変化させた位相φbの２つの位相の
信号を印加し、それぞれの位相の信号印加時にＣＣＤカ
メラ１０で２回撮影を行う。この時にＣＣＤカメラ１０
から得られるビデオ信号をそれぞれａ（Ｎ）、ｂ（Ｎ）
とすると、反射光４ｂの位相θは、コンピュータ１３に
よって以下の式から算出される。
【数１】 これにより、対象物体６の形状をリアルタイムで計測す
ることができる。
ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の３次元
形状計測装置によると、位相を求める場合に、位相変化
に対して非線型に変化するｔａｎを含む上記式（１）を
用いているため、測定レンジ内のどこに測定対象物が存
在するかによって測定精度が悪くなるという問題があ
る。また、上記式（１）に含まれるｔａｎは、周期が強
度変調周期の１／２となるため、測定レンジが強度変調
波長の１／２（往復時には１／４）に制限されるという
問題がある。さらに、変調を半導体レーザ３およびI.I.
１９のゲインという異なる２つの装置で行っており、特
性の異なる変調歪みが重畳されてしまうという問題があ
る。
形状計測装置によると、位相を求める場合に、位相変化
に対して非線型に変化するｔａｎを含む上記式（１）を
用いているため、測定レンジ内のどこに測定対象物が存
在するかによって測定精度が悪くなるという問題があ
る。また、上記式（１）に含まれるｔａｎは、周期が強
度変調周期の１／２となるため、測定レンジが強度変調
波長の１／２（往復時には１／４）に制限されるという
問題がある。さらに、変調を半導体レーザ３およびI.I.
１９のゲインという異なる２つの装置で行っており、特
性の異なる変調歪みが重畳されてしまうという問題があ
る。
【０００９】従って、本発明の目的は、広い測定レンジ
で精度良く測定を行うことが可能な３次元形状計測方法
および装置を提供することにある。
で精度良く測定を行うことが可能な３次元形状計測方法
および装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、所定の周波数の直線からなる変調信号によ
って強度変調された光を対象物体に照射し、前記対象物
体で反射した光を受光して光量信号に光電変換し、前記
光量信号を前記所定の周波数とほぼ等しい周波数でサン
プリングを行い、前記サンプリングの結果に基づいて前
記変調信号と前記光量信号との位相差を求め、前記位相
差に基づいて前記対象物体までの距離を演算することを
特徴とする３次元形状計測方法を提供する。上記構成に
よれば、直線からなる変調信号を用いることにより、光
量信号が位相変化に対して直線的に変化するので、位相
によらず一定した精度で距離を演算することができる。
上記サンプリングは、位相を異ならせて複数のサンプリ
ングを行ってもよい。これにより、測定レンジが変調信
号の周期まで拡大する。
成するため、所定の周波数の直線からなる変調信号によ
って強度変調された光を対象物体に照射し、前記対象物
体で反射した光を受光して光量信号に光電変換し、前記
光量信号を前記所定の周波数とほぼ等しい周波数でサン
プリングを行い、前記サンプリングの結果に基づいて前
記変調信号と前記光量信号との位相差を求め、前記位相
差に基づいて前記対象物体までの距離を演算することを
特徴とする３次元形状計測方法を提供する。上記構成に
よれば、直線からなる変調信号を用いることにより、光
量信号が位相変化に対して直線的に変化するので、位相
によらず一定した精度で距離を演算することができる。
上記サンプリングは、位相を異ならせて複数のサンプリ
ングを行ってもよい。これにより、測定レンジが変調信
号の周期まで拡大する。
【００１１】本発明は、上記目的を達成するため、所定
の周波数の直線からなる変調信号を発生する変調信号発
生手段と、前記変調信号によって強度変調された光を対
象物体に照射する照射手段と、前記対象物体で反射した
光を受光して光量信号に光電変換する検出手段と、前記
光量信号を前記所定の周波数とほぼ等しい周波数でサン
プリングを行うサンプリング手段と、前記サンプリング
手段によるサンプリング結果に基づいて前記変調信号と
前記光量信号との位相差を求め、前記位相差に基づいて
前記対象物体までの距離を演算する演算手段とを備えた
ことを特徴とする３次元形状計測装置を提供する。
の周波数の直線からなる変調信号を発生する変調信号発
生手段と、前記変調信号によって強度変調された光を対
象物体に照射する照射手段と、前記対象物体で反射した
光を受光して光量信号に光電変換する検出手段と、前記
光量信号を前記所定の周波数とほぼ等しい周波数でサン
プリングを行うサンプリング手段と、前記サンプリング
手段によるサンプリング結果に基づいて前記変調信号と
前記光量信号との位相差を求め、前記位相差に基づいて
前記対象物体までの距離を演算する演算手段とを備えた
ことを特徴とする３次元形状計測装置を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態に係
る３次元形状計測装置を示す。この装置１は、所定の周
波数の直線からなるノコギリ波信号の如き変調信号２ａ
を発生する変調信号発生器２と、変調信号発生器２から
の変調信号２ａに基づいてレーザ光からなる照明光４ａ
を出射する半導体レーザ３と、半導体レーザ３からの照
明光４ａを対象物体６に向けて平面照射する投影レンズ
５と、対象物体６で反射した物体光４ｂを光学フィルタ
８を介してゲート機能付きイメージインテンシファイア
（以下「I.I.」と略す。）９上に結像させる結像レンズ
７と、I.I.９の出力光を検出するＣＣＤカメラ１０と、
対象物体６の表面形状に関する距離データを２次元的に
算出する距離演算部１１と、変調信号発生器２からの変
調信号２ａ、および距離演算部１１からのタイミングモ
ード信号に基づいて、モードに応じたゲート動作タイミ
ング信号１２ａ，１２ｂ，１２ｃをI.I.９に出力するゲ
ート動作タイミング信号発生器１２と、ＣＰＵ，ＲＯ
Ｍ，ＲＡＭ等を備え、この装置１の各部を制御するとと
もに、距離演算部１１の演算結果を表示するコンピュー
タ１３とを有する。光学フィルタ８は、蛍光等等の不要
な光成分をカットし、レーザ光の成分のみを透過させる
フィルタ特性を有するものである。
る３次元形状計測装置を示す。この装置１は、所定の周
波数の直線からなるノコギリ波信号の如き変調信号２ａ
を発生する変調信号発生器２と、変調信号発生器２から
の変調信号２ａに基づいてレーザ光からなる照明光４ａ
を出射する半導体レーザ３と、半導体レーザ３からの照
明光４ａを対象物体６に向けて平面照射する投影レンズ
５と、対象物体６で反射した物体光４ｂを光学フィルタ
８を介してゲート機能付きイメージインテンシファイア
（以下「I.I.」と略す。）９上に結像させる結像レンズ
７と、I.I.９の出力光を検出するＣＣＤカメラ１０と、
対象物体６の表面形状に関する距離データを２次元的に
算出する距離演算部１１と、変調信号発生器２からの変
調信号２ａ、および距離演算部１１からのタイミングモ
ード信号に基づいて、モードに応じたゲート動作タイミ
ング信号１２ａ，１２ｂ，１２ｃをI.I.９に出力するゲ
ート動作タイミング信号発生器１２と、ＣＰＵ，ＲＯ
Ｍ，ＲＡＭ等を備え、この装置１の各部を制御するとと
もに、距離演算部１１の演算結果を表示するコンピュー
タ１３とを有する。光学フィルタ８は、蛍光等等の不要
な光成分をカットし、レーザ光の成分のみを透過させる
フィルタ特性を有するものである。
【００１３】図２は、ゲート動作タイミング信号発生器
１２が生成するゲート動作タイミング信号を示す。同図
は、変調信号２ａとしてノコギリ波信号を用いた場合を
示す。本装置１による測定においては、「平均値測定モ
ード」、「位相０測定モード」および「位相π／２測定
モード」の３つの測定モードが存在する。「平均値測定
モード」は、反射光４ｂのみの光量を変調信号２ａの周
期の倍数期間（Ｎ×Ｔ）分を積算して測定するモードで
あり、「位相０測定モード」は、所定の位相を有し、変
調信号２ａの半周期（Ｔ／２）の期間より短い期間（同
図ではＴ／２）だけ反射光４ｂの光量を積算して測定す
るモードであり、「位相π／２測定モード」は、位相０
測定モードにおけるゲート動作タイミング信号２ｂに対
してπ／２位相をずらし、かつ変調信号２ａの半周期
（Ｔ／２）の期間より短い期間（同図ではＴ／２）だけ
反射光４ｂの光量を積算して測定するモードである。ゲ
ート動作タイミング信号発生器１２は、上記各モードに
対応するゲート動作タイミング信号１２ａ，１２ｂ，１
２ｃを出力するように構成されている。
１２が生成するゲート動作タイミング信号を示す。同図
は、変調信号２ａとしてノコギリ波信号を用いた場合を
示す。本装置１による測定においては、「平均値測定モ
ード」、「位相０測定モード」および「位相π／２測定
モード」の３つの測定モードが存在する。「平均値測定
モード」は、反射光４ｂのみの光量を変調信号２ａの周
期の倍数期間（Ｎ×Ｔ）分を積算して測定するモードで
あり、「位相０測定モード」は、所定の位相を有し、変
調信号２ａの半周期（Ｔ／２）の期間より短い期間（同
図ではＴ／２）だけ反射光４ｂの光量を積算して測定す
るモードであり、「位相π／２測定モード」は、位相０
測定モードにおけるゲート動作タイミング信号２ｂに対
してπ／２位相をずらし、かつ変調信号２ａの半周期
（Ｔ／２）の期間より短い期間（同図ではＴ／２）だけ
反射光４ｂの光量を積算して測定するモードである。ゲ
ート動作タイミング信号発生器１２は、上記各モードに
対応するゲート動作タイミング信号１２ａ，１２ｂ，１
２ｃを出力するように構成されている。
【００１４】次に、本装置１の動作を図３および図４を
も参照し、図５のフローチャートに従って参照して説明
する。
も参照し、図５のフローチャートに従って参照して説明
する。
【００１５】まず、平均値測定モードで測定を行う（Ｓ
Ｔ１）。すなわち、変調信号発生器２は、変調信号２ａ
を半導体レーザ３に出力する。半導体レーザ３は、変調
信号発生器２からの変調信号２ａに基づいて強度変調さ
れた照明光４ａを出射する。半導体レーザ３から出射さ
れた照明光４ａは、投影レンズ５によって対象物体６に
平面照射される。対象物体６で反射された物体光４ｂ
は、光学フィルタ８で選択的に透過され、結像レンズ７
によりI.I.９の先端の光電面９ａ上に結像する。一方、
ゲート動作タイミング信号発生器１２は、平均値測定モ
ードに応じたゲート動作タイミング信号１２ａをI.I.９
に出力する。I.I.９は、図２に示すゲート動作タイミン
グ信号１２ａに対応する期間だけ光電面９ａから放出さ
れた電子の増倍動作を行う。その増倍された電子はI.I.
９の後端の蛍光面９ｂに到達して光を発生させる。ＣＣ
Ｄカメラ１０は、I.I.９の蛍光面９ｂからの光量に応じ
た信号を距離演算部１１に出力する。
Ｔ１）。すなわち、変調信号発生器２は、変調信号２ａ
を半導体レーザ３に出力する。半導体レーザ３は、変調
信号発生器２からの変調信号２ａに基づいて強度変調さ
れた照明光４ａを出射する。半導体レーザ３から出射さ
れた照明光４ａは、投影レンズ５によって対象物体６に
平面照射される。対象物体６で反射された物体光４ｂ
は、光学フィルタ８で選択的に透過され、結像レンズ７
によりI.I.９の先端の光電面９ａ上に結像する。一方、
ゲート動作タイミング信号発生器１２は、平均値測定モ
ードに応じたゲート動作タイミング信号１２ａをI.I.９
に出力する。I.I.９は、図２に示すゲート動作タイミン
グ信号１２ａに対応する期間だけ光電面９ａから放出さ
れた電子の増倍動作を行う。その増倍された電子はI.I.
９の後端の蛍光面９ｂに到達して光を発生させる。ＣＣ
Ｄカメラ１０は、I.I.９の蛍光面９ｂからの光量に応じ
た信号を距離演算部１１に出力する。
【００１６】次に、位相０測定モードで測定を行う（Ｓ
Ｔ２）。すなわち、上記平均値測定モードと同様に、半
導体レーザ３から出射された照明光４ａは、投影レンズ
５を介して対象物体６に照射され、その対象物体６で反
射された物体光４ｂは、結像レンズ７および光学フィル
タ８を介してI.I.９の光電面９ａ上に結像する。一方、
ゲート動作タイミング信号発生器１２は、位相０測定モ
ードに応じたゲート動作タイミング信号１２ｂをI.I.９
に出力する。I.I.９は、図２に示すゲート動作タイミン
グ信号１２ｂに対応する期間だけ光電面９ａから放出さ
れた電子の増倍動作を行う。その増倍された電子はI.I.
９の後端の蛍光面９ｂに到達して光を発生させる。ＣＣ
Ｄカメラ１０は、I.I.９の蛍光面９ｂからの光量に応じ
た信号を距離演算部１１に出力する。
Ｔ２）。すなわち、上記平均値測定モードと同様に、半
導体レーザ３から出射された照明光４ａは、投影レンズ
５を介して対象物体６に照射され、その対象物体６で反
射された物体光４ｂは、結像レンズ７および光学フィル
タ８を介してI.I.９の光電面９ａ上に結像する。一方、
ゲート動作タイミング信号発生器１２は、位相０測定モ
ードに応じたゲート動作タイミング信号１２ｂをI.I.９
に出力する。I.I.９は、図２に示すゲート動作タイミン
グ信号１２ｂに対応する期間だけ光電面９ａから放出さ
れた電子の増倍動作を行う。その増倍された電子はI.I.
９の後端の蛍光面９ｂに到達して光を発生させる。ＣＣ
Ｄカメラ１０は、I.I.９の蛍光面９ｂからの光量に応じ
た信号を距離演算部１１に出力する。
【００１７】次に、位相π／２測定モードで測定を行う
（ＳＴ３）。すなわち、上記平均値測定モードと同様
に、半導体レーザ３から出射された照明光４ａは、投影
レンズ５を介して対象物体６に照射され、その対象物体
６で反射された物体光４ｂは、結像レンズ７および光学
フィルタ８を介してI.I.９の光電面９ａ上に結像する。
一方、ゲート動作タイミング信号発生器１２は、位相π
／２測定モードに応じたゲート動作タイミング信号１２
ｃをI.I.９に出力する。I.I.９は、図２に示すゲート動
作タイミング信号１２ｃに対応する期間だけ光電面９ａ
から放出された電子の増倍動作を行う。その増倍された
電子はI.I.９の後端の蛍光面９ｂに到達して光を発生さ
せる。ＣＣＤカメラ１０は、I.I.９の蛍光面９ｂからの
光量に応じた信号を距離演算部１１に出力する。
（ＳＴ３）。すなわち、上記平均値測定モードと同様
に、半導体レーザ３から出射された照明光４ａは、投影
レンズ５を介して対象物体６に照射され、その対象物体
６で反射された物体光４ｂは、結像レンズ７および光学
フィルタ８を介してI.I.９の光電面９ａ上に結像する。
一方、ゲート動作タイミング信号発生器１２は、位相π
／２測定モードに応じたゲート動作タイミング信号１２
ｃをI.I.９に出力する。I.I.９は、図２に示すゲート動
作タイミング信号１２ｃに対応する期間だけ光電面９ａ
から放出された電子の増倍動作を行う。その増倍された
電子はI.I.９の後端の蛍光面９ｂに到達して光を発生さ
せる。ＣＣＤカメラ１０は、I.I.９の蛍光面９ｂからの
光量に応じた信号を距離演算部１１に出力する。
【００１８】次に、距離演算部１１は、上記各モードの
測定により得られた信号に基づいて以下のように距離の
算出を行う。
測定により得られた信号に基づいて以下のように距離の
算出を行う。
【００１９】変調信号発生器２が、例えば、変調信号２
ａとしてノコギリ波信号を発生しているとき、その波形
は以下の式（２）で表される。
ａとしてノコギリ波信号を発生しているとき、その波形
は以下の式（２）で表される。
【数２】 ｔは時間を、Ｔは強度変調の周期である。半導体レーザ
３は、この変調信号２ａに比例したレーザ光４ａを出力
するので、その光信号は以下の式（３）で表される。
３は、この変調信号２ａに比例したレーザ光４ａを出力
するので、その光信号は以下の式（３）で表される。
【数３】 ｋLは半導体レーザ３によって決定される定数である。
対象物体６上のある点ベクトル(vec[r])での、距離によ
る減衰、反射率などを含めたトータルでの反射係数をｋ
refl(vec[r])とする。この時、その点に対するI.I.９の
光電面９ａ上での光強度は、以下の式（４）で記述でき
る。
対象物体６上のある点ベクトル(vec[r])での、距離によ
る減衰、反射率などを含めたトータルでの反射係数をｋ
refl(vec[r])とする。この時、その点に対するI.I.９の
光電面９ａ上での光強度は、以下の式（４）で記述でき
る。
【数４】 ここでｔdnは、I.I.９の光電面９ａ上に入射する光の光
源からの飛行距離に起因する時間遅れである。（光源−
対象物体）＋（対象物体−撮像素子）間の距離をｌとす
ると、
源からの飛行距離に起因する時間遅れである。（光源−
対象物体）＋（対象物体−撮像素子）間の距離をｌとす
ると、
【数５】 但し、Ｃは光速を表す。３つの測定の各モードにおいて
ＣＣＤカメラ１０が出力する信号は、以下の式（６），
（７），（８）で表される。すなわち、平均値測定モー
ドの場合は、次の式（６）で表される。
ＣＣＤカメラ１０が出力する信号は、以下の式（６），
（７），（８）で表される。すなわち、平均値測定モー
ドの場合は、次の式（６）で表される。
【数６】 位相0測定モードの場合は、次の式（７）で表される。
【数７】 位相π／２測定モードの場合は、次の式（８）で表され
る。
る。
【数８】 但し、α(vec[r])=N・ｋrefl(vec[r])であり、ｋCCDは
ＣＣＤカメラ１０の感度、およびI.I.９のゲインによっ
て決定される定数とする。
ＣＣＤカメラ１０の感度、およびI.I.９のゲインによっ
て決定される定数とする。
【００２０】図３は、上述の式（７），（８）をグラフ
で表したものであり、実線は式（７）を示し、一点鎖線
は式（８）を示す。式（６），（７），（８）中におけ
る未知数はα(vec[r])，ｔdnの２つであるので、式
（６）と式（７）の組合せ、あるいは式（６）と式
（８）の組合せによってｔdnを求めることができる。
で表したものであり、実線は式（７）を示し、一点鎖線
は式（８）を示す。式（６），（７），（８）中におけ
る未知数はα(vec[r])，ｔdnの２つであるので、式
（６）と式（７）の組合せ、あるいは式（６）と式
（８）の組合せによってｔdnを求めることができる。
【００２１】式（６）と式（７）の組合せからは、以下
の式（９）ようになる。
の式（９）ようになる。
【数９】 距離演算部１１は、式（９）に基づいて距離候補を算出
する（ＳＴ４）。
する（ＳＴ４）。
【００２２】また、式（６）と式（８）の組合せから
は、以下の式（１０）ようになる。
は、以下の式（１０）ようになる。
【数１０】 距離演算部１１は、式（１０）に基づいて距離候補を算
出する（ＳＴ５）。
出する（ＳＴ５）。
【００２３】次に、距離演算部１１は、ステップＳＴ４
で算出した距離候補と、ステップＳＴ５で算出した距離
候補とを照合し、妥当な距離を決定する（ＳＴ６）。
で算出した距離候補と、ステップＳＴ５で算出した距離
候補とを照合し、妥当な距離を決定する（ＳＴ６）。
【００２４】図４は、いずれか一方の式（９）あるいは
式（１０）を用いた場合の問題点を示す。同図(a)に示
すように、式（９）のみ、あるいは同図(b)に示すよう
に、式（１０）のみを用いた場合は、０＜ｔ＜Ｔにおい
て対応するｔdnが２つ存在し、変調信号２ａの半周期の
測定レンジしか持たなくなってしまう。そこで、式
（６），（７），（８）の３つを組み合せることによ
り、変調信号２ａの１周期全体に渡ってｔdnを一意に決
定することができる。すなわち、式（９），（１０）を
それぞれの定義域内において解き、両者の解が一致する
ものを真のｔdn とすればよい。実際には誤差の存在の
ため、両者が厳密に一致しないことが考えられるが、そ
れぞれの組合せにおいて生成される偽の解は理論的には
Ｔ／２離れており、真の解近辺の値を特定するのは容易
である。
式（１０）を用いた場合の問題点を示す。同図(a)に示
すように、式（９）のみ、あるいは同図(b)に示すよう
に、式（１０）のみを用いた場合は、０＜ｔ＜Ｔにおい
て対応するｔdnが２つ存在し、変調信号２ａの半周期の
測定レンジしか持たなくなってしまう。そこで、式
（６），（７），（８）の３つを組み合せることによ
り、変調信号２ａの１周期全体に渡ってｔdnを一意に決
定することができる。すなわち、式（９），（１０）を
それぞれの定義域内において解き、両者の解が一致する
ものを真のｔdn とすればよい。実際には誤差の存在の
ため、両者が厳密に一致しないことが考えられるが、そ
れぞれの組合せにおいて生成される偽の解は理論的には
Ｔ／２離れており、真の解近辺の値を特定するのは容易
である。
【００２５】最後に、距離演算部１１は、求めた距離値
をコンピュータ１３に出力する（ＳＴ７）。コンピュー
タ１３は、距離値をメモリに記憶するとともに、その結
果を表示部に表示する。
をコンピュータ１３に出力する（ＳＴ７）。コンピュー
タ１３は、距離値をメモリに記憶するとともに、その結
果を表示部に表示する。
【００２６】上述した実施の形態によれば、変調信号と
してノコギリ波信号を用いることにより、上記式
（７），（８）にから分かるように、それぞれの区分に
おいてｔdnの変化に対して線形な変化となっているた
め、測定対象の位置に関わらず一定の精度で測定を行う
ことができるとともに、変調信号の１周期全体に渡って
測定レンジがとれるため、測定レンジを大きくでき、変
調歪みの影響を少なくして精度良く測定が行うことがで
きる。また、強度変調を行っているのは光源である半導
体レーザだけであり、撮像素子側は一定のゲインを保っ
ているため、変調時に非線形性が生じたとしても光源部
分だけにとどめることができる。従って、出力結果に光
源および撮像素子という異なる要素の非線形性が重畳さ
れることがないため、光源部分だけの非線形性の補正を
行えば済む。
してノコギリ波信号を用いることにより、上記式
（７），（８）にから分かるように、それぞれの区分に
おいてｔdnの変化に対して線形な変化となっているた
め、測定対象の位置に関わらず一定の精度で測定を行う
ことができるとともに、変調信号の１周期全体に渡って
測定レンジがとれるため、測定レンジを大きくでき、変
調歪みの影響を少なくして精度良く測定が行うことがで
きる。また、強度変調を行っているのは光源である半導
体レーザだけであり、撮像素子側は一定のゲインを保っ
ているため、変調時に非線形性が生じたとしても光源部
分だけにとどめることができる。従って、出力結果に光
源および撮像素子という異なる要素の非線形性が重畳さ
れることがないため、光源部分だけの非線形性の補正を
行えば済む。
【００２７】なお、算出すべきｔdn は１つであるの
で、両者の平均などを用いてｔdn とすることで、誤差
の影響を小さくすることも可能となる。また、上記実施
の形態では、光源として半導体レーザを使用している
が、原理的にコヒーレントな光を必要としないため一般
的な光源、たとえばキセノンランプ、ストロボなどを用
いることも可能である。
で、両者の平均などを用いてｔdn とすることで、誤差
の影響を小さくすることも可能となる。また、上記実施
の形態では、光源として半導体レーザを使用している
が、原理的にコヒーレントな光を必要としないため一般
的な光源、たとえばキセノンランプ、ストロボなどを用
いることも可能である。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように本発明の３次元形状
計測方法および装置によれば、直線からなる変調信号を
用いているので、位相によらず精度良く測定を行うこと
が可能となる。また、光量信号を位相を異ならせて複数
のサンプリングを行うことにより、変料信号の周期全体
に渡って広い測定レンジで測定を行うことが可能とな
る。
計測方法および装置によれば、直線からなる変調信号を
用いているので、位相によらず精度良く測定を行うこと
が可能となる。また、光量信号を位相を異ならせて複数
のサンプリングを行うことにより、変料信号の周期全体
に渡って広い測定レンジで測定を行うことが可能とな
る。
【図１】本発明の実施の形態に係る３次元形状計測装置
を示す図
を示す図
【図２】本実施の形態のゲート動作タイミング信号発生
器が生成するゲート動作タイミング信号を示す図
器が生成するゲート動作タイミング信号を示す図
【図３】本実施の形態の距離演算部の演算を説明するた
めの図
めの図
【図４】(a)，(b)は本実施の形態の距離演算部の演算を
説明するための図
説明するための図
【図５】本実施の形態の３次元形状計測装置の動作を説
明するためのフローチャート
明するためのフローチャート
【図６】従来の３次元形状計測装置を示す図
１ ３次元形状計測装置 ２ 変調信号発生器 ２ａ 変調信号 ３ 半導体レーザ ４ａ 照明光 ４ｂ 物体光 ５ 投影レンズ ６ 対象物体 ７ 結像レンズ ８ 光学フィルタ ９ ゲート機能付きイメージインテンシファイア（Ｉ．
Ｉ．） ９ａ 光電面 ９ｂ 蛍光面 １０ ＣＣＤカメラ １１ 距離演算部 １２ ゲート動作タイミング信号発生器 １２ａ，１２ｂ，１２ｃ ゲート動作タイミング信号 １３ コンピュータ １５ 移相器 １９ 変調ゲート付きイメージインテンシファイア
（Ｉ．Ｉ．） ２０ 移相器 ２１ 鏡 ２１ａ 穴
Ｉ．） ９ａ 光電面 ９ｂ 蛍光面 １０ ＣＣＤカメラ １１ 距離演算部 １２ ゲート動作タイミング信号発生器 １２ａ，１２ｂ，１２ｃ ゲート動作タイミング信号 １３ コンピュータ １５ 移相器 １９ 変調ゲート付きイメージインテンシファイア
（Ｉ．Ｉ．） ２０ 移相器 ２１ 鏡 ２１ａ 穴
フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA53 DD00 FF13 FF42 GG06 JJ03 JJ26 LL04 LL21 LL22 NN02 NN08 QQ01 QQ23 QQ42 QQ47 SS01 SS13 2F112 AD03 BA03 BA06 CA08 CA12 DA19 DA25 EA03 FA03 FA21 5J084 AA05 AD02 BA04 BA34 BB02 BB20 EA04
Claims (8)
- 【請求項１】所定の周波数の直線からなる変調信号によ
って強度変調された光を対象物体に照射し、 前記対象物体で反射した光を受光して光量信号に光電変
換し、 前記光量信号を前記所定の周波数とほぼ等しい周波数で
サンプリングを行い、 前記サンプリングの結果に基づいて前記変調信号と前記
光量信号との位相差を求め、前記位相差に基づいて前記
対象物体までの距離を演算することを特徴とする３次元
形状計測方法。 - 【請求項２】前記サンプリングは、位相を異ならせて複
数のサンプリングを行う構成の請求項１記載の３次元形
状計測方法。 - 【請求項３】前記複数のサンプリングは、それぞれ複数
の所定の期間に前記光量信号を積算し、前記複数のサン
プリングのうち少なくとも１つのサンプリングは、前記
所定の期間が前記変調信号の半周期よりも短い構成の請
求項２記載の３次元形状計測方法。 - 【請求項４】前記サンプリングは、前記変調信号の周期
の整数倍の期間に前記光量信号のキャンセル用サンプリ
ングを行い、 前記演算は、前記キャンセル用サンプリングの結果に基
づいて前記対象物体の各部の反射率の相違に基づく誤差
をキャンセルする構成の請求項１記載の３次元形状計測
方法。 - 【請求項５】所定の周波数の直線からなる変調信号を発
生する変調信号発生手段と、 前記変調信号によって強度変調された光を対象物体に照
射する照射手段と、 前記対象物体で反射した光を受光して光量信号に光電変
換する検出手段と、 前記光量信号を前記所定の周波数とほぼ等しい周波数で
サンプリングを行うサンプリング手段と、 前記サンプリング手段によるサンプリング結果に基づい
て前記変調信号と前記光量信号との位相差を求め、前記
位相差に基づいて前記対象物体までの距離を演算する演
算手段とを備えたことを特徴とする３次元形状計測装
置。 - 【請求項６】前記サンプリング手段は、位相を異ならせ
て複数のサンプリングを行う構成の請求項５記載の３次
元形状計測装置。 - 【請求項７】前記サンプリング手段は、複数の所定の期
間に前記光量信号を積算する前記複数のサンプリングを
行い、前記複数のサンプリングのうち少なくとも１つの
サンプリングは、前記所定の期間が前記変調信号の半周
期よりも短い構成の請求項６記載の３次元形状計測装
置。 - 【請求項８】前記変調信号発生手段は、前記変調信号と
してノコギリ波信号を発生する構成の請求項５記載の３
次元形状計測装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000094199A JP2001280927A (ja) | 2000-03-30 | 2000-03-30 | ３次元形状計測方法および装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000094199A JP2001280927A (ja) | 2000-03-30 | 2000-03-30 | ３次元形状計測方法および装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001280927A true JP2001280927A (ja) | 2001-10-10 |
Family
ID=18609279
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000094199A Pending JP2001280927A (ja) | 2000-03-30 | 2000-03-30 | ３次元形状計測方法および装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001280927A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005510697A (ja) * | 2001-11-27 | 2005-04-21 | カリダス プレシジョン システムズ ゲーエムベーハー | 立体物形状検出方法及びその装置 |
| JP2014522979A (ja) * | 2011-07-15 | 2014-09-08 | ソフトキネティック センサー エヌブイ | 距離情報を提供する方法及びタイム・オブ・フライトカメラ |
-
2000
- 2000-03-30 JP JP2000094199A patent/JP2001280927A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005510697A (ja) * | 2001-11-27 | 2005-04-21 | カリダス プレシジョン システムズ ゲーエムベーハー | 立体物形状検出方法及びその装置 |
| JP2010175550A (ja) * | 2001-11-27 | 2010-08-12 | Trimble Germany Gmbh | 立体物形状検出方法及びその装置 |
| JP2014522979A (ja) * | 2011-07-15 | 2014-09-08 | ソフトキネティック センサー エヌブイ | 距離情報を提供する方法及びタイム・オブ・フライトカメラ |
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