JP2001523827A - 二波長光を用いた三角測量による三次元画像化 - Google Patents

二波長光を用いた三角測量による三次元画像化

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Abstract

(57)【要約】 輝度制御可能な少なくとも二つの波長の光を含む走査ビームを利用して三角測量の手法により、リアルタイムで対象物を３次元画像化する装置及び方法が提供される。 【解決手段】対象物の３次元画像化を行う装置であって、走査光ビームの空間位置に応じた位置データを符号化された走査光ビームと、走査光ビームによって照射される対象物の局部表面区域を画像化する画像化システムとを備え、画像化システムは、局部表面区域の３つの空間座標を、位置データを用いて求めることが可能となるように、走査光ビームに符号化された位置データを記録する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は３次元の視覚画像化に関し、特に、対象物の、２次元画像から３次元
画像への復元に関する。
【０００２】 現実の世界は、空間的に広がる３つの次元からなっている。生物の目、カメラ
及びその他の視覚型感応デバイスは、３次元の対象物からの光を２次元の平面に
投影することで実体を画像化する（より正確にいえば、平面は２つの独立した変
数によって定義される。）。これらの画像化システムは、それによって実体の３
つの次元のうちの１つを“失う”。視界の奥行き、或いは視覚画像化システムか
ら対象物までの距離は記録されない。自然は、その第３番目の次元の復元に力を
傾注し、そして、生体に３次元視覚画像化システムを与えた。生物学的なシステ
ムは、一般的には、立体幾何学的に２つの視覚を結合し、さらに、目で見たもの
を解釈する非常に洗練されたパターン認識能力を脳に与えることで３次元の視覚
画像化を行っている。
【０００３】 人間の技術は、自然を模倣して、生物学的システムのリアルタイム３次元能力
と同一の能力を部分的に提供する人工視覚画像化システムを提供すること、にか
なり刺激をされたものである。人間の技術が進歩しさらに洗練されたものになっ
たので、このような３次元視覚画像化システムに対する必要性及び要求がいっそ
う強くなっている。
【０００４】 ３次元の視覚画像化システムは、工業製品の断面検査、厚み測定、ＣＡＤ検証
及びロボット視覚等急成長している多くの様々な応用分野で要求される。これら
応用分野の多くは、対象物表面の完璧な３次元“奥行きマップ”をリアルタイム
で与える３次元視覚画像化システムを必要とする。奥行きマップは、本質的には
、地理学上の地形図に非常によく似た、画像化システムの視界から見られる対象
物体表面の地形図である。リアルタイムの画像化は、２５Ｈｚ或いはそれ以上の
ビデオフレームレートで画像フレームを供給することのできる画像化であると考
えられていれる。
【０００５】 ３次元視覚画像化を行うため、他の様々な技術的アプローチも用いられる。現
在の技術レベルにおけるこれらアプローチの多くは、十分に低いコストでのリア
ルタイムの３次元画像化を提供することができない。
【０００６】 自然の模倣或いは人工の視覚にリアルタイムの立体的な視覚を与えることを試
みることは、極めて困難であることが証明されてきた。定量的な奥行き感知を伴
わない立体視覚システムは計算上複雑であり、当技術分野の現状では、多くの応
用分野にとって、またリアルタイム３次元画像化について、不正確で低速すぎる
。
【０００７】 対象物上の特徴部分に焦点を合わせて焦点距離を求め、焦点からの距離を用い
る視覚画像化システムは、処理が遅いため、たいていの場合少なくともその一部
分において満足できるものではない。焦点からの距離を用いるシステムは、画像
化された対象物の特定の特徴部分及び特徴部分の集合までの距離を求めるために
、システムの光学部品の様々な焦点設定で得られる多数の画像フレームの獲得と
解析を要求する。一方、「IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machin
e Intelligence Vol 18 No 12 Dec.1996 by S.K.Nayar et al」に報告されてい るように、デフォーカス量を利用する画像化システムは、高速であり、ビデオフ
レームレート３０Ｈｚで画素数５１２×４８０での対象物の奥行きマップを生成
することができる。しかしながら、これは比較的不正確であり距離に制限がある
。
【０００８】 飛行時間システムでは、レーザ測距により、対象物の３次元マップを作るため
にその対象物表面の多数の点までの距離を測定する。物体表面の多数の点は、レ
ーザ光によって逐次照射され、夫々の点から画像化システムに返ってくるレーザ
光のトラバース時間が測定される。正確な距離測定を与える能力を持つ一方で、
測定プロセスの順次性によりこれらのシステムは低速になる。
【０００９】 かなり高速な３次元画像化システムの一種が、本出願の出願人と同一の出願人
によってイスラエル特許庁を通じて出願されたＰＣＴ特許出願PCT/IL/96/00020 に記載されており、その出願は国際公開WO97/01111として公開され本明細書に参
照によって組み込まれる。
【００１０】 S.KuwamuraとIchirou Yamaguchiによる論文「Wavelength Scanning Profilome
try for Real Time Surface Measurement」（応用光学 Vol.36 No 19 July 199
7）に記載された視覚画像化システムは、２つの波長可変の光線間の干渉を利用 した測距による３次元画像化を提案している。１つの光線は基準ミラーで反射さ
れもう一つの光線は対象物表面で反射され視覚化される。レーザ光ビームの波長
は、連続的な範囲に亘って変化されＣＣＤ検出器アレイの夫々の画素で干渉して
いるレーザ光線の輝度が監視される。点までの距離は、その点が画像化される画
素において、干渉縞がレーザ波長について与えられた変化量の最小値を下回った
回数で求められる。正確には、この構想はいま実験的な段階にあり、視野範囲及
びこの構想が効果的に測定する物体表面までの距離の差の最大値が限定されるよ
うである。
【００１１】 特に確実かつ簡単な３次元画像化の方法はアクティブ三角測量（active trian
gulation）である。一般的に、アクティブ三角測量（active triangulation）で
は、レーザ光の薄い扇型ビームが、対象物体表面上を細い１本の縞に沿って照射
する。ビームが照射された１本の縞からの反射光は、ＣＣＤカメラの中の検出器
アレイのような検出器アレイの画素上に入射する。検出器アレイ中の光が照射さ
れる夫々の画素は、１本の縞上の非常に密集した別々のスポットで反射する光に
よって照射される。アレイ中の光を照射される画素の位置と、扇型ビームの面が
基準座標系に対して作る角度（以下、「走査角（scan angle）」という。）は、
その画素を照射する反射レーザ光の源である対象物表面の点の３つの空間的な座
標を求めるのに十分である。対象物表面の完全な３次元マップを作るために、扇
型ビームが物体表面上の近接配置された別々の縞上を連続的に照射しながら対象
物表面上を走査するように、走査角が増加される。これら近接配置された夫々の
縞毎に、光を照射される画素に対応した点の３次元の座標が算出される。
【００１２】 しかしながら、走査中に光を照射される全ての画素が同じＣＣＤ画像フレーム
上に記録されると、特定の画素と、その画素を照射する光の走査角とを関連づけ
ることが不可能になる。したがって、従来、光を照射される画素と、それらの画
素が光を照射される走査角との相関を維持するために、完全な単一の画像フレー
ムが、光を照射される夫々の縞毎に得られ、処理されていた。夫々の縞について
、１フレーム中の僅か１部の画素のみが光を照射されるので、このやり方はデー
タを得るには極めて不経済で低速である。それに加えて、１フレーム中の画素の
夫々が、どの画素が光を照射されているかを求めるために処理されなければなら
ない。このデータ収集方法は不経済であるばかりでなく、低速である。
【００１３】 Jurgen Klickerによる論文「A Very Compact Two-dimension Triangulation-b
ased Scanning System for Robot Vision」（SPIE Vol.1822 (1992)/217）には 、リアルタイムの画像化に十分高速なアクティブ三角測量（active triangulati
on）画像化システムが発表されている。しかし、このシステムは比較的高価であ
り、データ処理タスクをハードウェア上で並進させる特殊回路によってシステム
の複数のカメラを統合することを必要とする。
【００１４】 アクティブ三角測量（active triangulation）を用いる３次元画像化の速度を
増加させるためのもう１つの試みが、Opt.Eng. 35(2) 376-383(Feb. 1996)中でZ
.Jason Gengによって報告されている。この方法によれば、対象物は広い立体角 の円錐光によって照射される。同じ角度のとき同じ色の光で対象物が照射される
ようにすることで、円錐の中の光線の色は円錐の中の位置の関数として変化させ
られる。その角度は円錐の幾何学から知り得る。それゆえ、対象物表面の点から
反射した光の色は、円錐光からの光を照射されるその点における角度を特定する
。このシステムは速そうではあるが、まだ正確であることは証明されていない。
正確さは、おそらく周囲の照明条件によってもっとも影響を受けるであろうし、
画像化される対象物表面の色反射率の格差による影響も受けるであろう。
【００１５】 ここに、機構的にも演算上も安上がりでシンプルな、また、周囲の照明条件や
表面反射率の格差の影響を受けない、物体表面の輪郭についての高精度測定を提
供するリアルタイム３次元画像化システムに対する要求が存在する。
【００１６】 本発明は、演算上も機構的にもシンプルで、周囲の照明条件や画像化される対
象物の表面反射率に比較的影響を受けず、比較的低コストで高精度画像化を提供
することのできる３次元リアルタイム視覚画像化システムを提供することを目的
とする。
【００１７】 本発明の好ましい実施形態によれば、３次元視覚画像化システムは、アクティ
ブ三角測量画像化システムを用いてこの目的を達成する。好ましくは扇型ビーム
であるレーザ光ビームが、画像化されている対象物を走査する。走査角は、扇型
ビームの光の中にコード化される。扇型ビームによって光を照射される対象物表
面上の１つの縞で反射される光によって照射される画像化システム中の複数の検
出画素は、それらが光を照射され輝度を記録したときに走査角を記録する。それ
ゆえ、光を照射される夫々の画素は、光を照射されたときの走査角を求めるため
に用いることのできる情報をコード化される。
【００１８】 夫々の光を照射される画素に走査角情報をコード化するので、光を照射された
ときの画素と走査角とを関連させるために夫々の走査角毎に１枚の完全な画像フ
レームを獲得し処理する必要はない。このことは、従来の３次元三角測量画像化
と比べてデータ獲得時間とデータ処理時間の両方を短縮する。その結果として、
本発明の好ましい実施形態による３次元画像化システムは、シンプルな三角測量
手順を用いてリアルタイムの高精度な画像化を提供する。さらに、本発明の好ま
しい実施形態による３次元画像化システムは、特別な装備を要求せず、大体にお
いて、標準的なすぐ手に入る構成部品及びシンプルな回路を用いて安く作ること
が可能である。
【００１９】 本発明の好ましい実施形態による視覚画像化システムにおいては、画像化され
る対象物は、様々な波長で狭い輝度ピークを持つ（以下、“ピーク波長”と呼ぶ
）レーザ扇型ビームにより走査されるのが好ましい。ピーク波長のいずれの光に
対しても表面からの反射が概ね同一になるように、ピーク波長は近接して間隔を
置かれるのが好ましい。扇型ビームが対象物を走査するにしたがって、異なるピ
ーク波長での扇型ビームの輝度は、走査角が輝度比（ピーク波長での輝度間の比
率）のみによって評価される関数になることを目的として、対象物の走査に用い
られた夫々の走査角で輝度比が異なるように（すなわち、輝度比が走査角の関数
として定義される）変調される。
【００２０】 この画像化システムは、少なくとも２つの画素アレイを含むことが好ましい。
画素アレイの数は、異なるピーク波長の数に等しいことが好ましい。夫々の異な
る画素アレイは、異なるピーク波長の１つに中心がある単一の狭波長帯域の光に
感度を持つことが好ましい。システムの中の全ての画素アレイは、準同形（homo
morphic）であることが好ましい。
【００２１】 画素アレイは、システムの中の既知の場所に正確に配置される。配置がそのよ
うにされるので、１つのアレイ中の１つの画素が対象物から反射される扇型ビー
ムによって照射されるときはかならず、別の夫々のアレイ中のその画素に唯一に
対応する単一の画素もまた対象物から反射される扇型ビームによって照射される
のが好ましい。夫々の異なる画素アレイ中の１つの画素であるこれら対応画素は
、画素グループを定義する。画素グループ中の画素の数は画素アレイの数に等し
く、夫々の画素は唯一の画素グループに属する。
【００２２】 画素グループ中の画素は常に同時に光を照射される。画素グループの夫々の画
素は異なるピーク波長に対して感度があるので、画素グループが対象物で反射し
た扇型ビームによって光を照射されたとき、夫々のピーク波長で反射扇型ビーム
の輝度が測定される。それによって、画素グループ中の夫々によって測定された
輝度値は、その画素グループに光を照射している反射扇型ビームの輝度比を測定
して識別する。対象物の反射率が夫々のピーク波長の光について概ね同一である
とみなすと、反射した扇型ビームの輝度比は対象物を照射している扇型ビームの
輝度比と概ね等しい。走査角は扇型ビームの輝度比についての独特の関数となっ
ているので、画素グループによって測定される輝度比は、グループ中の画素が光
を照射されたときの走査角を測定し識別する。
【００２３】 本発明の好ましい実施形態によれば、対象物は、レーザ扇型ビームにより、近
接配置された複数の走査角全体に渡って走査される。それによって、対象物表面
は、対象物表面上の近接配置された複数の異なる縞上に連続的に光を照射される
。夫々の縞は、通常は湾曲され分化されている画素の線に沿って、夫々の画素ア
レイの中で画像化される。画素アレイ夫々の中の画像は、扇型ビームによって光
を照射された対象物の一部分の、異なるピーク波長の光による特徴を表す。縞の
夫々の小局部領域は、画像化システムの中へ光を反射し異なる画素グループの複
数の画素を照射する。画素グループ中の画素は、夫々のアレイの中の相対的な位
置が同一であることが好ましい。
【００２４】 走査が完了すると、夫々の画素アレイは、その間光を照射され異なる輝度を記
録した画素パターンを得る。すなわち、夫々の画素アレイは、様々な輝度比で光
を照射された画素の“画像フレーム”を得る。全ての画像フレームからの画素グ
ループに対応する記録された輝度を集め、グループの中の輝度を夫々比較するこ
とにより、本発明の好ましい実施形態によれば、画像化システムの中の夫々の画
素が光を照射された時の走査角が求められる。それゆえ、夫々の画素が光の照射
を受ける対象物表面の点の３つの位置座標は算出され、対象物の３次元画像が構
築される。
【００２５】 夫々の画素は光を照射をされるときの走査角に対して独特に関連付けられるの
で、夫々の走査角毎に画素アレイからの異なる画素フレームを獲得する必要がな
い。１つの走査中に使用される全ての走査角でのデータは、従来のビデオ映像に
ついての一つの画像フレームを獲得するための３３ｍｓ或いはそれ以下の時間で
、全ての画素アレイ中に同時に記録される。それゆえ、対象物の走査と３次元画
像化は、リアルタイムで実行される。
【００２６】 本発明の好ましい実施形態によれば、レーザ扇型ビームによる対象物の走査は
、対象物を照らす余分な光及び／又は周辺光が存在する状態で実行され、対象物
は、レーザ扇型ビームと、余分な光源及び／又は周辺光により（以下、“背景光
”と呼ぶ）画素アレイの中に同時に画像化される。背景光による画素アレイ中の
画像は、画素グループが光を照射される際の輝度比と走査角間の相関関係を劣化
させ、それによって、画素アレイ上に記録された画像により構築される対象物の
３次元画像の品質が劣化される。本発明の好ましい実施形態においては、背景光
が存在する状態で扇型ビームを用いて獲得される画像は、その背景光から生ずる
画像への寄与率をその画像から減じることによって修正される。この修正を実行
するために、対象物の画像は、初めに、扇型ビーム光が無い状態で、背景光を用
いて作られる。その結果として、本発明の好ましい実施形態にしたがって獲得さ
れた対象物の画像は、周辺光や余分な光源による対象物の照射の影響を相対的に
受けないことになる。
【００２７】 本発明の好ましい実施形態においては、ピーク波長間の相違は、ピーク波長を
基準にすると小さい。このことは、走査される対象物表面の反射率の変位が輝度
測定に影響を与える可能性や、測定された扇型ビームの輝度と実際の扇型ビーム
の輝度間の相関を劣化させる可能性を減じる。
【００２８】 或いはそれに加えて、画像化された対象物表面の異なる局部領域の反射率変位
を修正するために、対象物を画像化するために用いられる全てのピーク波長及び
全ての走査角に対する光の輝度と同一の輝度の光で対象物を画像化することによ
り、対象物の校正用画像が獲得されることが好ましい。連続する対象物画像につ
いて、夫々の画素アレイの夫々の画素で測定される輝度は、校正用画像中のその
画素について測定された輝度で除算されるのが好ましい。このことは、対象物画
像中の夫々の画素に対し、その画素についての輝度の修正された反射率をもたら
す。輝度の修正された反射率は、対象物表面の異なる局部領域の反射率の相違と
は無関係である。修正された輝度は、画素が光を照射される扇型ビームの輝度を
それ自身が表すよりも正確に表している。それゆえ、画素が光を照射される際の
走査角の正確な算出が、修正されていない輝度を用いることによるよりも正確に
、輝度修正された反射率を用いて特定される。その結果として、本発明の好まし
い実施形態にしたがって得られた対象物の画像は、画像化される対象物表面の異
なる領域の反射率の相違に対してほぼ独立の関係にある。
【００２９】 扇型ビームの光は、一つの外装に収納されたレーチップによって放射されるの
が好ましい。或いは、扇型ビームは、分かれたレーザ装置によって放射される光
線をビーム結合器を用いて結合することにより構成されてもよく、この場合、夫
々の分けられたレーザ装置の夫々は、異なる一つのピーク波長でレーザ光を射出
する。
【００３０】 本発明の実施形態においては、走査角と特定の扇型ビームの輝度比との相関は
、位置検出デバイス（PSD;Position Sensing Device）を用いて照合され制御さ れる。好ましくは長細い形状であるＰＳＤは、好ましくは走査される対象物が配
置される平面上に扇型ビームを基準にして正確に配置される。ＰＳＤの方向は、
夫々の走査角の設定に対し、光を照射されるＰＳＤ上のあらゆる細い縞がＰＳＤ
の長手寸法に対して直交することが好ましい。それゆえ、ＰＳＤに沿う縞の夫々
の位置は、特定の走査角を定義する。走査角の増加又は減少にしたがって、ＰＳ
Ｄの長手方向の光を照射される細い縞の位置は、対応する量分移動する。ＰＳＤ
の長手方向の光を照射される細い縞の位置は、ＰＳＤによって検出され適切に測
定され、測定された位置は適当な制御ユニットに転送されるのが好ましい。ＰＳ
Ｄに沿う縞の位置は、扇型ビームの位置を監視するため、或いは、閉ループリア
ルタイム制御システムの中で、扇型ビームの位置を制御するために用いることが
でき、また、縞の位置は、扇型ビームのピーク輝度の輝度比を走査角の関数とし
て求めるために用いることができる。
【００３１】 本発明のいくつかの実施形態においては、走査角の関数としての扇型ビームの
輝度比は、画素アレイ上に記録される。画像化される対象物の近くの扇型ビーム
を基準にして正確に配置され、正確に知られた形の表面領域からの扇型ビーム反
射光は、画素アレイ上に画像化される。反射面の位置と形状が正確に知られてい
るので、扇型ビーム光が反射される際の走査角は、反射扇型ビームが画像化され
るときの画素アレイ中の画素の位置から求められる。これら画素位置での画像の
輝度の比は、算出された走査角に扇型ビームの輝度比を与える。
【００３２】 本発明の好ましい実施形態においては、レーザ扇型ビームは、２つの異なるピ
ーク波長の夫々で狭い輝度ピークとなっている。１つのピーク波長についての輝
度は走査角に比例して増加し、もう一方のピーク波長についての輝度は走査角に
比例して減少する。それゆえ、扇型ビームは、２つのピーク波長についての輝度
と、それらの輝度の夫々の走査角に対する独特の値とともに、夫々の走査角に対
する独特の輝度比を持つ。
【００３３】 画像化システムは、２つの独立したＣＣＤカメラを備えることが好ましい。こ
れら２つのカメラの光軸は９０°で交わるのが好ましい。これらのカメラは、共
通の対物レンズを共用するのが好ましい。対象物の中心から夫々のカメラまでの
光学的な距離は、同一であるのが好ましい。夫々のカメラの光軸に対して４５°
であるビームスプリッタは、２つのカメラの光軸の交点に配置されるのが好まし
い。ビームスプリッタは、光の波長に応じて、２つのカメラの間にある対物レン
ズを通過した光を分割するのが好ましい。
【００３４】 これらのカメラは同じ視野を共有する。好ましくは、１つのカメラにある対象
物画像中の１つの画素がもう一つのカメラにある対象物画像中の唯一の画素に対
応付けられるように、その視野に置かれた対象物は両方のカメラに画像化される
。本発明の好ましい実施形態によれば、夫々のカメラからの１画素である、この
ような対応画素の夫々の一組は、画素グループを形成する。異なる画素アレイ中
の画素間の正確な対応付けと記録は、高級カラーカメラに共通して用いられる分
解プリズム用いることによって達成される。
【００３５】 一方のカメラがピーク波長の１つに中心を持つ狭帯域の波長を持つ光に対して
のみ感度を持ち、他方のカメラがピーク波長のもう１つに中心を持つ狭帯域の波
長を持つ光に対してのみ感度を持つように、夫々のカメラに入射する光は濾光さ
れるのが好ましい。ビームスプリッタが２つのカメラのための濾光を実行するよ
うに、ビームスプリッタは狭帯域反射フィルタであることがより好ましい。
【００３６】 画像化すべき対象物はカメラの視野の中に配置され、その後、対象物は、走査
角の移動範囲全体に渡って回転するレーザ扇型ビームによって走査される。夫々
のＣＣＤカメラは、扇型ビームの異なる一つのピーク波長で露光されることによ
り、単一の画像フレームで対象物の画像を獲得するのが好ましい。
【００３７】 画像フレーム中の画素で獲得される走査角は、その画素で記録された輝度を、
もう一つの画像フレーム中のそれに対応する画素で記録された輝度で（すなわち
、その画素が属する画素グループのもう一つの画素によって測定された輝度で）
割ることによって求められ得る。除算の結果は、それらの画素が光を照射された
ときの走査角における扇型ビームの２つのピーク波長の輝度間の比である。ある
いは、走査角は、好ましくは夫々の走査角を輝度値の組に関連させるルックアッ
プテーブルを用いることによって求められ得る。画素に光を照射する対象物表面
上の点の位置座標は、それゆえ算出され得る。画像フレーム中の夫々に対し以上
の処理を繰り返すことにより対象物の３次元マップが得られる。
【００３８】 そのため、本発明の好ましい実施形態によって提供されるのは、対象物を画像
化するための装置であって、ビームの照射位置に応じて、ビームの位置，方向の
少なくとも何れか一つを含む照射位置データが符号化されて含まれる走査光ビー
ムと、対象物の局部表面領域に選択的に照射するために、連続的に続く複数の照
射位置にその符号を含んだ走査光ビームを位置させるコントローラと、走査光ビ
ームによって照射される表面領域の複数の局部表面区域を、少なくとも一つの光
電イメージャの複数の局部イメージ区域上に夫々画像化する該少なくとも一つの
光電イメージャを有する画像化システムとを備え、局部イメージ区域では、照射
位置符号データを記録可能であり、該少なくとも一つの光電イメージャによって
画像化される局部表面区域の３つの空間座標は、局部表面区域が画像化されたイ
メージ区域の位置から求めることが可能であり、照射位置符号データは、局部イ
メージ区域で記録することを特徴とする。
【００３９】 走査光ビームは、輝度制御可能なビームであり、複数の照射位置の夫々で輝度
が異なるように走査光ビームの輝度を制御することによって、走査光ビームには
照射位置データが符号化されることが好ましい。
【００４０】 走査光ビームは、少なくとも二つの波長の帯域を有し、走査光ビームを符号化
することには、該少なくとも二つの波長帯域の相対的な輝度を制御することが含
まれるのが好ましい。複数の波長帯域は、実質的にはオーバーラップしない波長
帯域であることが好ましい。或いはそれに加えて、複数の波長帯域は、狭帯域の
波長帯域であることが好ましい。或いはそれに加えて、一つの波長帯域は、概ね
一つの波長からなる。
【００４１】 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、走査光ビーム中の異なる波
長帯域の光に対する対象物表面の反射率は概ね同一である。本発明のいくつかの
実施形態においては、異なる波長の光に対する対象物表面の反射率を概ね同一に
するために、走査光ビームの複数の波長帯域の波長が夫々概ね接近している。
【００４２】 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、走査光ビームに対する符号
化は、一つの波長帯域の光の輝度を照射位置変数に対する線形な増加関数とする
ための輝度変化制御と、もう一つの波長帯域の光の輝度を照射位置変数に対する
線形な減少関数とするための輝度変化制御とを含む。
【００４３】 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、少なくとも１つである光電
イメージャは、単一の光電イメージャである。該単一の光電イメージャは、照射
位置データが符号化された複数の波長帯域夫々の波長を持つ光によって対象物を
画像化し、異なる波長帯域の光は、該単一の光電イメージャ中の異なる位置で夫
々画像化されることが好ましい。
【００４４】 本発明の別の好ましい実施形態においては、少なくとも一つの光電イメージャ
は、照射位置データが符号化された複数の波長帯域夫々のための一つの光電イメ
ージャを含む。
【００４５】 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、走査光ビームは、異なる波
長帯域を有する二つの概ね等しいレーザビームを含む。本発明のいくつかの好ま
しい実施形態においては、少なくとも一である光電イメージャは、単一の光電イ
メージャであり、光電イメージャの全てのイメージ区域で、同一の波長の光によ
って対象物を画像化する。同一の照射位置に対応する対象物の画像は、単一の光
電イメージャの第１の画像フレームの第１の輝度と第２の画像フレームの第２の
輝度によって記録され、第１画像フレーム中の対象物の画像と第２画像フレーム
中の対象物の画像との間の比は、該画像が光を照射される照射位置を決定するこ
とが好ましい。
【００４６】 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、走査光ビームは概ねペンシ
ルビーム状である。 本発明の別の好ましい実施形態においては、走査光ビームは、薄い平面扇型ビ
ームである。扇型ビームの照射位置は、扇型ビームの面内の軸の位置及び方向と
走査角とによって定義され、該走査角は、該軸の周りでの扇型ビームの回転角度
であることが好ましい。
【００４７】 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、走査光ビームは、少なくと
も一つのレーザビームを含む。 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、複数の照射位置での扇型ビ
ームの反射光をもとにする対象物の画像は、少なくとも一つの光電イメージャの
一つの画像フレーム中に記録される。
【００４８】 本発明のいくつかの好ましい実施形態は、光感知部の多数のイメージ区域で記
録された位置符号を復号することにより対象物の複数の局部表面区域夫々につい
て三つの空間座標を求める処理装置を更に備え、該処理装置は、対象物の３次元
画像を提供するために該求められた空間座標を用いる。 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、光電イメージャは、感光性
素子のアレイを備える。
【００４９】 本発明の好ましい実施形態によって提供される方法は、対象物の３次元画像化
のための方法であって、（ａ）ビームの照射位置に対応するデータが符号化され
た少なくとも一つの波長の光を含む走査光ビームを提供し、ここで、走査光ビー
ムの照射位置は、走査光ビームの位置，方向の少なくとも一つを含み、（ｂ）走
査光ビームの少なくとも一つの照射位置で、対象物表面から走査光ビームの光を
反射し、（ｃ）少なくとも一つの光電イメージャ上に反射光の多数の光線を画像
化し、ここで、該多数の光線の夫々は対象物表面上の局部領域から反射され、概
ね異なる位置で反射される光線は前記少なくとも一つの光電イメージャの異なる
局部イメージ領域で画像化され、（ｄ）反射光が画像化される局部イメージ領域
において、反射光に符号化して含められた照射位置データを記録し、（ｅ）少な
くとも一つの光電イメージャ上の局部イメージ領域の位置と照射位置データとを
用いることで、光線が反射される対象物表面上の局部領域に対する３つの空間座
標を求める。
【００５０】 ビームの照射位置に対応するデータを符号化された走査光ビームの提供は、異
なる照射位置で走査光ビームの輝度を異ならせる制御を含むことが好ましい。照
射位置のデータの記録は、画像化された光線の輝度の記録を含むことが好ましい
。走査光ビームの輝度の制御は、走査光ビーム中の光の輝度を波長の関数として
制御すること含むことが好ましい。
【００５１】 走査光ビームは、少なくとも２つの波長帯域の光を含み、走査光ビームの輝度
の制御は、走査光ビームの少なくとも２つの波長帯域についていずれかの光の輝
度と他の一つの光の輝度とを独立に輝度制御することを含むことが好ましい。 輝度制御は、異なる複数の波長帯域の光の輝度間の比が異なる照射位置で夫々
異なることを目的とする、波長帯域の光の制御を含むことが好ましい。
【００５２】 輝度制御は、少なくとも二つの帯域のうちの一つの輝度が照射位置パラメータ
に対する線形の増加関数となることを目的とする少なくとも二つの帯域のうちの
一つの光の輝度の制御と、少なくとも二つの帯域のうちの別の一つの輝度が照射
位置パラメータに対する線形の減少関数とすることを目的とする少なくとも二つ
の帯域のうちの別の一つの帯域の光の制御とを含むことが好ましい。
【００５３】 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、複数の波長帯域は、オーバ
ーラップしない波長帯域である。或いはそれに加えて、複数の波長帯域の少なく
とも一つの波長帯域は、狭波長帯域であることが好ましい。本発明のいくつかの
好ましい実施形態においては、複数の波長帯域の少なくとも一つの波長帯域は、
概ね一つの波長からなる。
【００５４】 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、少なくとも一である光電イ
メージャは、一つの光電イメージャである。走査光ビームの異なる波長帯域中に
波長を有する光線は、光電イメージャの異なる局部イメージ位置において画像化
されるのが好ましい。
【００５５】 本発明の別の好ましい実施形態においては、少なくとも一つである光電イメー
ジャは、少なくとも二つの光電イメージャである。少なくとも二つの光電イメー
ジャのいずれの一組の光電イメージャについても、少なくとも一つの波長帯域が
存在し、該少なくとも一つの波長帯域中に波長を有する光線が、該一組の光電イ
メージャのみによって画像化されるように、走査光ビームの異なる波長帯域中に
波長を有する多数の反射光の光線を画像化することを含むことが好ましい。少な
くとも一つの光電イメージャは、走査光ビームの波長帯域の一つのみに波長を持
つ光線を画像化するのが好ましい。
【００５６】 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、少なくとも一である光電イ
メージャは、単一の光電イメージャであり、反射光の画像化は、少なくとも一つ
の照射位置夫々対する二度の反射光画像化を含むことが好ましい。 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、走査光ビームは、概ねペン
シルビーム状である。
【００５７】 本発明の別の好ましい実施形態においては、走査光ビームは、薄い平面扇型ビ
ームである。扇型ビームの照射位置は、扇型ビームの平面の中の軸の位置、走査
角の少なくとも一つによって定義され、該走査角は、該軸の周りでの扇型ビーム
の回転の角度であり、扇型ビームは、該走査角を符号化されることが好ましい。
走査光ビームの少なくとも一つの照射位置についての対象物表面からの光の反射
は、一つの走査角での対象物表面からの光の反射を含むことが好ましい。
【００５８】 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、走査光ビーム中の異なる波
長の光についての対象物表面の反射率は、概ね同一である。加えて或いは、走査
光ビームの異なる波長の光に対する対象物表面の反射率を概ね同一にするように
、走査光ビームの中の光の複数の波長が夫々十分に接近していることが好ましい
。 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、走査光ビームは、少なくと
も一つのレーザビームを含む。
【００５９】 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、少なくとも一である照射位
置は、多数の照射位置を含む。反射光を記録することは、少なくとも一つの光電
イメージャの一つの画像フレーム上にある、多数の照射位置の少なくとも二つか
らの反射光の画像の記録を含むことが好ましい。
【００６０】 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、多数の光線の反射と画像化
は、（i）光線が反射される少なくとも一つの照射位置夫々について走査光ビー ムの輝度は等しい状態で実行される、対象物の局部表面領域から反射された光線
の第１の画像化と、（ii）光線が反射される少なくとも一つの照射位置夫々につ
いて走査光ビームの輝度が異なる状態で実行される、対象物の局部表面領域から
反射された光線の第２の画像化とを含み、３つの空間座標の決定は、第２の画像
化での対象物の局部表面領域から反射された光線の輝度を、第１の画像化での対
象物表面の局部表面領域から反射された光線の輝度で除算することを含む。
【００６１】 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、多数の光線の反射と画像化
は、（i）対象物に光を照射する周辺光源によって対象物の局部表面領域から反 射された光線の第１の画像化の実行と、（ii）走査光ビーム中の光によって対象
物の局部表面領域から反射された光線の第２の画像化の実行とを含み、３つの空
間座標の決定は、第１の画像化での対象物の局部表面領域から反射された光線の
輝度から、第２の画像化での対象物表面の前記局部表面領域から反射された光線
の輝度を引く減算を含む。
【００６２】 本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、少なくとも一つの光電イメ
ージャは、感光性素子のアレイを含む。 本発明のいくつかの好ましい実施形態は、光線が反射される対象物表面の局部
領域についての求められた空間座標を用いることによる対象物の３次元画像の生
成を含む。
【００６３】 本発明は、本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な記述を、図面と併
せ考慮することによって、より完全に理解されよう。なお、図面上に現れる同一
の構造、要素又は部品には、同一の数字が付けられている。
【００６４】 図１は、対象物２１を画像化する従来の三角測量画像化システム２０の模式図
を示す。レーザ２２は、変換光学モジュール（transmission optics module）２
６に入射するレーザ光のビーム２４を射出する。変換光学モジュール２６は、光
の薄い扇型ビーム２８を作るためにビーム２４を平行光線にしかつ拡張させる。
扇型ビーム２８は、走査ミラー３０のライン３１上に入射する。走査ミラー３０
は、扇型ビーム２８の中央の光線２９とライン３３間で測定される走査角θで扇
型ビーム２８を反射する。ライン３３は、ライン３１とビーム２４方向の両方に
直角であることが好ましい。走査角θは、ライン３１と一致する軸の周りで走査
ミラー３０を回転させることによって変えられることが好ましい。この構成は、
三角測量型システムにおいて一般的に用いられる（いくつかのシステムでは、走
査角θを変えるために走査ミラー３０に代えてポリゴンスキャナが用いられる）
。
【００６５】 扇型ビーム２８は、走査角θで対象物２１表面の１つの細縞３４を照射する。
縞３４に沿う対象物２１表面上の点で反射される光は、図示しないＣＣＤカメラ
のレンズ３６を通過し、カメラの焦点面３８の画素バンド３９上に入射する。レ
ンズ３６の光軸、ビーム２４の方向、ライン３３及び光線２９は、共通の平面上
にあることが好ましい。
【００６６】 システムの要素間の距離を測定する為の便利な一組の座標軸は、レンズ３６の
光軸に一致するｚ軸と、ビーム２４、ライン２９及びライン３３がｙｚ平面内に
なるように方向を向けられたｙ軸を備える。通常、レンズ３６は、対象物２１が
配置されるｘｙ平面上方のｚ軸に沿った高さｈの位置に設置される。焦点面３８
は、通常、レンズ３６上方のｚ軸に沿った距離ｆのところに位置している。ライ
ン３３は、ｚ軸から距離Ｄの位置でｚ軸に対して平行になっていることが好まし
い。ライン３１は、レンズ３６と同様ｘｙ平面上方の距離ｈの位置にあり、ｙｚ
平面に垂直であることが好ましい。
【００６７】 扇型ビーム２８中の光線の束４０は、縞３４の点４２上に入射する。点４２は
、空間中で座標Ｘ、Ｙ、Ｚによって位置を特定される。点４２で反射され拡散す
る円錐光線４４は、レンズ３６を通過し、収束する円錐光４６で画素バンド３９
の中の画素４８上に合焦する。画素４８は、焦点面３８上で座標ｑ，ｒによって
位置を特定される。点４２とレンズ３６の中心を通過する直線５０は、画素４８
と交差し、またそれは円錐光４４及び４６の中央の光線である。
【００６８】 図１に模式的に示される幾何学的配置から、点４２の座標Ｘ，Ｙ，Ｚは、Y=qD
[q+f*tanθ]，Z=h(1-Y*f/[h*q])，X=(h-Z)*(r/f)で与えられる。 対象物２１表面のほぼ全ての点についての座標を求め、対象物２１の３次元マ
ップを作るために、走査角θは、非常に近接配置された異なる複数の縞４２上に
連続的に光を照射するように、全範囲の値に渡って変化させられる。しかしなが
ら、画素バンド３９中の夫々の画素と走査角θとの相関を維持するために、夫々
の走査角θ及び縞４２毎に、焦点面３８の完全な画像フレームが取り込まれ処理
される。
【００６９】 図２Ａは、本発明の好ましい実施形態による視覚画像化システム６０を表して
いる。 視覚画像化システム６０は、図示しない２つのレーザ光を、近い周波数λ１及
びλ２で射出するレーザ装置６２を備えていることが好ましい。それゆえレーザ
装置６２は、波長λ１及びλ２において狭く鋭く形作られたピークの輝度特性を
有するレーザ光線６４を生成することが好ましい。レーザ装置６２の夫々のレー
ザ光の輝度は、データ／制御チャンネル６７によって接続される処理装置６６に
よって独立に制御されることが好ましい。夫々のレーザ光の輝度は、そのレーザ
光に供給するレーザ電圧の周波数を制御することによって制御されるのが好まし
い。図２Ｂは、ビーム６４の輝度特性６８を示しており、これは波長λに対する
ビーム６４の輝度Ｉをグラフ化したものであり、双方のレーザ光が同じ輝度で射
出されている。
【００７０】 ビーム６４は、ビーム６４を扇型ビーム７０に変換する変換光学モジュール２
６に入るのが好ましい。扇型ビーム７０は、走査ミラー３０上にライン３１伝い
に入射する。鏡３０の角度配置は、走査角θを決定する。対象物２１の完全な走
査を実行するため、走査ミラー３０はライン３１に一致する軸の周りで回転され
、それによって扇型ビーム７０が対象物２１表面上を差し渡して掃引するように
走査角θが変化する。本発明の好ましい実施形態の中には、走査角θを変えるた
めに、走査ミラー３０の代わりにポリゴン走査器を用いるものもある。走査ミラ
ー３０の回転は、好ましくはデータ／制御チャンネル７１によって接続された処
理装置６６によって制御されるミラーアクチュエータ（図示せず）によって遂行
されることが好ましい。
【００７１】 本発明のある好ましい実施形態においては、レーザ装置６２が発光する２つの
レーザ光の夫々の輝度は、走査角θを輝度のみで評価される関数とするために、
走査角θの関数として決定される。θは、２つの輝度の比率のみによって評価さ
れる関数であることが好ましい。もしＩλ１，Ｉλ２が、夫々波長λ１，λ２に
おける扇型ビーム７０の光の輝度を表すならば、θ＝Ｆ（Ｉλ１／Ｉλ２）であ
り、ここで、ＦはＩλ１／Ｉλ２のみよって評価される関数である。それゆえ、
もしある未知の走査角θでのＩλ１，Ｉλ２が測定されその値が夫々Ｉλ１θ、
Ｉλ２θであることが分かれば、走査角θはθ＝Ｆ（Ｉλ１θ／Ｉλ２θ）から
求めることができる。一方のレーザ光の放射輝度は、θに比例する増加関数であ
り、他方のレーザ光の放射輝度はθの減少関数であることが好ましい。
【００７２】 画像化システム６０は、２つのＣＣＤカメラ８２，８４を備えるのが好ましい
。対物レンズ３６は、ＣＣＤカメラ８２，８４に共用されることが好ましい。Ｃ
ＣＤカメラ８２は、光軸８６と焦点面８８を有する。ＣＣＤカメラ８４は、光軸
９０と焦点面９２を有する。光軸８６，９０は、点９４において９０度で交り、
ビーム６４と共通平面上にあることが好ましい。ＣＣＤカメラ８２，８４は、デ
ータ／制御チャンネル８３，８５によって処理装置６６に接続されることが好ま
しい。
【００７３】 扇型ビーム７０は、対象物２１表面上の１本の縞７４を照射する。縞７４は、
焦点面８８上の画素バンド８９に沿って及び焦点面９２上の画素バンド９３に沿
って画像化される。扇型ビーム７０中の光線の束１００は、縞７４上の点４２を
照射する。点４２で反射され広がっている円錐光１０２は、レンズ３６を通過し
、画素１０６に向かって収束する光円推１０２の状態で焦点面８８上に合焦する
。焦点面８８に到達する前に、円錐光１０４の中の光は、ビームスプリッタ１０
８によって２つの収束する円錐光１１０，１１２に分割されるのが好ましい。円
錐光１１０は、画素１０６に向かって焦点面８８上に合焦され、円錐光１１２は
、画素１１４に向かって焦点面９２上に合焦される。円錐光１０２，１１０の中
央の光線は、点４２で反射されレンズ３６の中心を通過し画素１０６に達する光
線と一致している直線１０３と同一線上にある。
【００７４】 焦点面８８上の画素１０６と焦点面９２上の画素１１４は、画素グループを定
義する対応画素である。画素１０６又は画素１１４のうちの一方が光を照射され
る度に、他方も光を照射される。ビームスプリッタ１０８は、点９２において、
ＣＣＤカメラ８２，８４の視野が一致するように、ＣＣＤカメラ８２，８４を基
準として配置され方向を決定されることが好ましい。結果として、焦点面８８上
の全ての画素が、その画素と共に独特の画素グループを形成する唯一の対応画素
を焦点面９２上に有することになる。画素グループの一方の画素が光を照射され
ると、他方も光を照射される。
【００７５】 収束する円錐光１１０は、λ１に概ね等しい波長の光のみを通過させるフィル
タ（図示せず）によって濾光されるのが好ましく、収束する円錐光１１２は、λ
２に概ね等しい波長の光のみを通過させるフィルタ（図示せず）によって濾光さ
れるのが好ましい。あるいは、ビームスプリッタ１０８が、中心波長λ１の狭帯
域の波長のみを通過させる狭バンドパスフィルターであり、それによってビーム
を分割するときに低い損失の濾光を実行することが好ましい。
【００７６】 これら分割方法のいずれかの結果として、画素１０６で記録される光の輝度は
、扇型ビーム７０中の波長λ１の光の輝度に比例し、画素１１４で記録される光
の輝度は、扇型ビーム７０中の波長λ２の光の輝度に比例することになる。それ
ゆえ、画素１０６，１１４が光を照射されているときの走査角θは、画素１０６
，１１４が記録した夫々の輝度の間の関係をコード化されたものとなり、本発明
の好ましい実施形態によれば、走査角θはこれらの輝度の比から求めることがで
きる。
【００７７】 Ｒλ１，Ｒλ２が、夫々波長λ１，λ２の光の対象物２１表面上の点４１での
反射率を表し、σが、点４２から画素１０６，１１４の両方に至る光学系を通過
する光の損失とする。Ｉ１０６，Ｉ１１４が夫々画素１０６，１１４に入射する
光の輝度を表し、Ｉλ１θ，Ｉλ２θが夫々扇型ビーム７０中の波長λ１，λ２
の光の走査角θにおける輝度を表すとすると、Ｉ１０６＝σ＊Ｒλ１＊Ｉλ１θ 、Ｉ１１４＝σ＊Ｒλ１＊Ｉλ２θである。λ１とλ２が接近しているのでＲλ １ ＝Ｒλ２であり、それにより（Ｉ１０６／Ｉ１１４）＝（Ｉλ１θ／Ｉλ２θ ）であり、したがって、Ｆ（Ｉ１０６／Ｉ１１４）＝Ｆ（Ｉλ１θ／Ｉλ２θ）
＝θとなることが好ましい。或いはそれに加えて、Ｒλ１，Ｒλ２は、波長λ１
，λ２両方に関し同輝度“Ｃ０”である光で点４２を照射することによって測定
されるのが好ましい。波長λ１，輝度Ｃ０の光の点４２からの照射によって画素
１０６に投影される光の輝度をＣ１０６とすると、Ｃ１０６＝σ＊Ｒλ１＊Ｃ０ 、Ｒλ１＝Ｃ１０６／［σ＊Ｃ０］である。同様に、Ｃ１１４＝σ＊Ｒλ２＊Ｃ ０ 、Ｒλ２＝Ｃ１１４／［σ＊Ｃ０］である。Ｒλ１，Ｒλ２についての式を（
Ｉ１０６／Ｉ１１４）についての式に入れると、（Ｉ１０６／Ｉ１１４）＝（Ｃ １０６ ／Ｃ１１４）＊（Ｉλ１θ／Ｉλ２θ）となり、それゆえ、（Ｉ１０６／
Ｃ１０６）（Ｉ１１４／Ｃ１１４）＝（Ｉλ１θ／Ｉλ２θ）、よって、Ｆ［（
Ｉ１０６／Ｃ１０６）（Ｉ１１４／Ｃ１１４）］ ＝θとなる。
【００７８】 ライン１０３の方向と角度θから、当技術分野でよく知られた方法によって又
は上述の方程式によって、点４２の３つの空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）が算出される
。 本発明のこの好ましい実施形態によれば、処理装置６６は、間隔を接近して配
置された複数の縞７４の続きに沿って対象物２１を照射しながら、走査角θの移
動範囲全体に渡って扇型ビーム７０を回転させる。θ＝Ｆ（Ｉλ１／Ｉλ２）と
するために、処理装置６６は、夫々の走査角θで、比Ｉλ１／Ｉλ２を独特の値
に設定する。
【００７９】 視覚画像化システム６０は、位置検出デバイス（PSD;Position Sensing Devis
e）７２を備えることが好ましい。ＰＳＤ７２は、画像化システム６０の他の要 素に対して正確に位置決めされ、夫々の走査角θについて扇型ビーム７０が細い
縞７３に沿って対象物２１、ｘｙ平面及びＰＳＤ７２を照射するように、好まし
くは対象物２１の側に配置される。
【００８０】 縞７３は、ＰＳＤ７２の端部７６から距離Ｌの位置でＰＳＤ７２と交差する。
ＰＳＤ７２は、距離Ｌの関数である出力信号を生成し、その信号をデータチャン
ネル７８を介して処理装置６６に転送するのが好ましい。処理装置６６は、ＰＳ
Ｄ７２から受けた出力信号を用いてθを検出し、或いはＰＳＤ７２から受けた出
力を用いてミラー３０の配置を設定或いは制御するために使用することでθを制
御する。ＰＳＤ７２の出力は、レーザ装置６２が射出する２つのレーザ光の輝度
を制御するために用いられるのが好ましい。
【００８１】 夫々の走査角θに対し、ＣＣＤカメラ８２，８４の焦点面８８，９２上の画素
の軌跡上の夫々の画素は、その画素が光を照射される位置で光の輝度を記録する
。走査の完了と同時に、処理装置６６は、データチャンネル８３，８５を夫々介
してＣＣＤカメラ８２，８４夫々から複数画素の画像フレームをダウンロードす
るのが好ましい。
【００８２】 ダウロードに引き続いて、処理装置６６は、ダウンロードされた画像フレーム
の夫々の画素が光を照射された位置での走査角を、その画素で記録された輝度を
、ダウンロードされた別の画像フレーム上にある同じ画素グループの対応する画
素によって記録された輝度で割ることによって求めるのが好ましい。割り算の結
果は、画素が光を照射された位置におけるの走査角についてのＩλ１／Ｉλ２を
求めるために用いられるのが好ましく、走査角はθ＝Ｆ（Ｉλ１／Ｉλ２）から
算出される。或いは走査角は、夫々の走査角と、対応画素の１組によって記録さ
れた異なる輝度値の１組とを関連づけるルックアップテーブルを用いて求めるこ
とが可能である。処理装置６６は、それから、走査角と画像フレームの画素の位
置を用いて、画素が光を照射される対象物２１上の点の空間上の３つの座標を算
出するのが好ましい。
【００８３】 画素が光を照射される全ての点の座標は、処理装置６６が接続されるビデオス
クリーン１２０上に表示される対象物２１の３次元画像を提供するために、処理
装置６６によって用いられる。或いはそれに加えて、それらの値は、例えば、そ
のｘ，ｙ，ｚ位置を基準値と比較するために用いられる。
【００８４】 本発明は、好ましい実施形態の詳細な記述にいかなる限定も用いることなく記
述されてきた。当業者であれば記述された実施形態の変形を思い付くに至るであ
ろう。例えば、二つに分割されているＣＣＤカメラは、扇型レーザビームの異な
る波長のピークに選択的に感度を持つ素子のペアを１チップ上に持つＣＣＤやＣ
ＭＯＳのような固体画像チップを備える１台のカメラによって置き換えることが
できる。そのようなカメラは、従来のカラーＣＣＤカメラが光検出チップの異な
る画素上で異なる色を画像化するのと同じやり方で、画像化チップ上の異なる部
分で異なるピーク波長を画像化する。また、このＣＣＤカメラは、ＣＭＯＳ，Ａ
ＰＳ又はＣＩＤ画像センサによって置き換えることもできる。本発明の考え得る
異なる変形では、１方向を走査する扇型ビームに代わって、２方向を走査するコ
ード化されたペンシルビーム（pencil beam）を用いることが可能である。本発 明の考え得るさらに異なる変形では、光線の位置と方向のコード化は、ピーク波
長の別の多重数と、ビームのピーク波長における輝度を走査角に関連付ける別の
関数とを用いることによって達成される。本発明の異なる変形は、単一のピーク
波長を用い、異なる輝度で２度の連続的な走査を実行することで、方向をビーム
の輝度にコード化してもよい。最初の走査では、ビームの輝度は、例えば走査角
についての増加関数として変化させられ、２番目の走査では、ビームの輝度は、
例えば走査角の減少関数として変化させられる。本発明の好ましい実施形態は、
以上の変形や上記好ましい実施形態とは異なる機能又は機能の組合せを含むもの
であってもよい。
【００８５】 以上の本発明の好ましい実施形態の詳細な説明は、例証として提供されたもの
であり、発明の範囲を制限することを意味するものではなく、発明の範囲は請求
の範囲によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、走査角θの扇型ビームを伴い、対象物を画像化している従来の三角測
量画像化システムの概略図である。
【図２】 図２Ａは、走査角θの扇型ビームを伴い、対象物を画像化している本発明の好
ましい実施形態による視覚画像化システムの概略図である。 図２Ｂは、本発明の好ましい実施形態による、走査角の関数としての扇型ビー
ムの輝度特性を示している。
【符号の説明】
２１ 対象物 ２６ 変換光学モジュール ２８、７０ 扇型ビーム ３０ 走査ミラー ３６ 対物レンズ ６２ レーザ装置 ６８ 輝度特性 ８２、８４ ＣＣＤカメラ ８８、９２ 焦点面 ６６ 処理装置 １０８ ビームスプリッタ １２０ ビデオスクリーン
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１１年６月２１日（１９９９．６．２１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA53 BB05 FF01 FF02 FF09 GG04 GG23 HH04 HH05 HH07 JJ03 JJ05 JJ16 JJ26 LL04 LL13 LL22 LL46 LL62 MM16 NN02 NN08 QQ24 QQ25 QQ26 QQ28 5J084 AA04 AA13 AD07 BA03 BA15 BA16 BA21 BA33 BA40 BB14 BB28 CA07 CA11 CA23 CA62 CA67 CA70 CA76 DA01

Claims (53)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 対象物を画像化するための装置であって、 ビームの照射位置に応じて、ビームの位置，方向の少なくとも何れか一つを含
    む照射位置データが符号化されて含まれる走査光ビームと、 前記対象物の局部表面領域に選択的に照射するために、連続的に続く複数の照
    射位置に前記符号を含んだ走査光ビームを位置させるコントローラと、 前記走査光ビームによって照射される表面領域の複数の局部表面区域を、少な
    くとも一つの光電イメージャ光感知部の複数の局部イメージ区域上に夫々画像化
    する該少なくとも一つの光電イメージャを有する画像化システムとを備え、 前記局部イメージ区域では、照射位置符号データを記録可能であり、 前記少なくとも一つの光電イメージャによって画像化される局部表面区域の３
    つの空間座標は、前記局部表面区域が画像化された前記イメージ区域の位置から
    求めることが可能であり、 前記照射位置符号データは、前記局部イメージ区域で記録すること、 を特徴とする三次元画像化装置。
  2. 【請求項２】 前記走査光ビームは、輝度制御可能なビームであり、 複数の照射位置の夫々で輝度が異なるように前記走査光ビームの輝度を制御す
    ることによって、前記走査光ビームには照射位置データが符号化されること、を
    特徴とする請求項１に記載の三次元画像化装置。
  3. 【請求項３】 前記走査光ビームは、少なくとも二つの波長の帯域を有し、 前記走査光ビームに対する符号化は、該少なくとも二つの波長帯域の相対的な
    輝度の制御を含むこと、を特徴とする請求項２に記載の三次元画像化装置。
  4. 【請求項４】 前記複数の波長帯域は、実質的にオーバーラップしない波長
    帯域であること、を特徴とする請求項３に記載の三次元画像化装置。
  5. 【請求項５】 前記複数の波長帯域は、狭帯域の波長帯域であること、を特
    徴とする請求項３又は請求項４に記載の三次元画像化装置。
  6. 【請求項６】 一つの波長帯域は、概ね一つの波長からなること、を特徴と
    する請求項３から請求項５のいずれかに記載の三次元画像化装置。
  7. 【請求項７】 前記走査光ビーム中の異なる波長帯域の光に対する前記対象
    物表面の反射率が、概ね同一であること、を特徴とする請求項３から請求項６の
    いずれかに記載の三次元画像化装置。
  8. 【請求項８】 異なる波長の光に対する前記対象物表面の反射率を概ね同一
    にするために、前記走査光ビームの前記複数の波長帯域の波長が夫々概ね接近し
    ていること、を特徴とする請求項３から請求項６のいずれかに記載の三次元画像
    化装置。
  9. 【請求項９】 前記走査光ビームに対する符号化は、 一つの波長帯域の光の輝度を照射位置変数に対する線形な増加関数とするため
    の輝度変化制御と、 もう一つの波長帯域の光の輝度を前記照射位置変数に対する線形な減少関数と
    するための輝度変化制御とを含むこと、 を特徴とする請求項３から請求項８のいずれかに記載の三次元画像化装置。
  10. 【請求項１０】 前記少なくとも１つの光電イメージャは、単一の光電イメ
    ージャであること、を特徴とする請求項３から請求項９のいずれかに記載の三次
    元画像化装置。
  11. 【請求項１１】 前記単一の光電イメージャは、照射位置データが符号化さ
    れた複数の波長帯域夫々の波長を持つ光によって前記対象物を画像化し、 異なる波長帯域の光は、前記単一の光電イメージャ中の異なる位置で夫々画像
    化されること、 を特徴とする請求項１０に記載の三次元画像化装置。
  12. 【請求項１２】 前記少なくとも一つの光電イメージャは、照射位置データ
    が符号化された複数の波長帯域夫々のための一つの光電イメージャを含むこと、
    を特徴とする請求項３から請求項９のいずれかに記載の三次元画像化装置。
  13. 【請求項１３】 前記走査光ビームは、異なる波長帯域を有する二つの概ね
    等しいレーザビームを含むこと、を特徴とする請求項１から請求項１２のいずれ
    かに記載の三次元画像化装置。
  14. 【請求項１４】 前記少なくとも一つの光電イメージャは、単一の光電イメ
    ージャであること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元画像化装
    置。
  15. 【請求項１５】 前記光電イメージャは、前記光電イメージャの全てのイメ
    ージ区域で、同一の波長の光によって前記対象物を画像化すること、を特徴とす
    る請求項１４に記載の三次元画像化装置。
  16. 【請求項１６】 同一の照射位置に対応する前記対象物の画像は、前記単一
    の光電イメージャの第１の画像フレームの第１の輝度と第２の画像フレームの第
    ２の輝度によって記録され、 前記第１画像フレーム中の前記対象物の画像と前記第２画像フレーム中の前記
    対象物の画像との間の比は、該画像が光を照射される前記照射位置を決定するこ
    と、 を特徴とする請求項１５に記載の三次元画像化装置。
  17. 【請求項１７】 前記走査光ビームは、概ねペンシルビーム状であること、
    を特徴とする請求項１から請求項１６のいずれかに記載の三次元画像化装置。
  18. 【請求項１８】 前記走査光ビームは、薄い平面扇型ビームであること、を
    特徴とする請求項１から請求項１６のいずれかに記載の三次元画像化装置。
  19. 【請求項１９】 前記扇型ビームの照射位置は、前記扇型ビームの面内の軸
    の位置及び方向と走査角とによって定義され、 該走査角は、該軸の周りでの前記扇型ビームの回転角度であること、 を特徴とする請求項１８に記載の三次元画像化装置。
  20. 【請求項２０】 前記走査光ビームは、少なくとも一つのレーザビームを含
    むこと、を特徴とする請求項１から請求項１９のいずれかに記載の三次元画像化
    装置。
  21. 【請求項２１】 複数の照射位置での前記扇型ビームの反射光をもとにする
    前記対象物の画像は、前記少なくとも一つの光電イメージャの一つの画像フレー
    ム中に記録されること、を特徴とする請求項１から請求項２０のいずれかに記載
    の三次元画像化装置。
  22. 【請求項２２】 光感知部の多数のイメージ区域で記録された位置符号を復
    号することにより前記対象物の複数の局部表面区域夫々について三つの空間座標
    を求める処理装置を更に備え、 該処理装置は、前記対象物の３次元画像を提供するために該求められた空間座
    標を用いること、 を特徴とする請求項１から請求項２１のいずれかに記載の三次元画像化装置。
  23. 【請求項２３】 光電イメージャは、感光性素子のアレイを備えること、を
    特徴とする請求項１から請求項２２のいずれかに記載の三次元画像化装置。
  24. 【請求項２４】 対象物の３次元画像化のための方法であって、 （ａ）ビームの照射位置に対応するデータが符号化された少なくとも一つの波長
    の光を含む走査光ビームを提供し、ここで、前記走査光ビームの前記照射位置は
    、前記走査光ビームの位置，方向の少なくとも一つを含み、 （ｂ）前記走査光ビームの少なくとも一つの照射位置で、前記対象物表面から前
    記走査光ビームの光を反射し、 （ｃ）少なくとも一つの光電イメージャ上に前記反射光の多数の光線を画像化し
    、ここで、該多数の光線の夫々は前記対象物表面上の局部領域から反射され、概
    ね異なる位置で反射される光線は前記少なくとも一つの光電イメージャの異なる
    局部イメージ領域で画像化され、 （ｄ）前記反射光が画像化される前記局部イメージ領域において、前記反射光に
    符号化して含められた照射位置データを記録し、 （ｅ）前記少なくとも一つの光電イメージャ上の前記局部イメージ領域の位置と
    前記照射位置データとを用いることで、光線が反射される前記対象物表面上の局
    部領域に対する３つの空間座標を求めること、 を特徴とする三次元画像化方法。
  25. 【請求項２５】 前記ビームの照射位置に対応するデータを符号化された前
    記走査光ビームの提供は、異なる照射位置で前記走査光ビームの輝度を異ならせ
    る制御を含むこと、を特徴とする請求項２４に記載の三次元画像化方法。
  26. 【請求項２６】 前記照射位置のデータの記録は、画像化された光線の輝度
    の記録を含むこと、を特徴とする請求項２５に記載の三次元画像化方法。
  27. 【請求項２７】 前記走査光ビームの輝度の制御は、前記走査光ビーム中の
    光の輝度を波長の関数として制御すること含むこと、を特徴とする請求項２６に
    記載の三次元画像化方法。
  28. 【請求項２８】 前記走査光ビームは、少なくとも２つの波長帯域の光を含
    み、 前記走査光ビームの輝度の制御は、前記走査光ビームの前記少なくとも２つの
    波長帯域についていずれかの光の輝度と他の一つの光の輝度とを独立に輝度制御
    することを含むこと、 を特徴とする請求項２７に記載の三次元画像化方法。
  29. 【請求項２９】 前記輝度制御は、前記異なる複数の波長帯域の光の輝度間
    の比が異なる照射位置で夫々異なることを目的とする、前記波長帯域の光の制御
    を含むこと、を特徴とする請求項２８に記載の三次元画像化方法。
  30. 【請求項３０】 前記輝度制御は、 前記少なくとも二つの帯域のうちの一つの輝度が照射位置パラメータに対する
    線形の増加関数となることを目的とする前記少なくとも二つの帯域のうちの一つ
    の光の輝度の制御と、 前記少なくとも二つの帯域のうちの別の一つの輝度が前記照射位置パラメータ
    に対する線形の減少関数とすることを目的とする前記少なくとも二つの帯域のう
    ちの別の一つの帯域の光の制御とを含むこと、 を特徴とする請求項２９に記載の三次元画像化方法。
  31. 【請求項３１】 前記複数の波長帯域は、オーバーラップしない波長帯域で
    あること、を特徴とする請求項２８から請求項３０のいずれかに記載の三次元画
    像化方法。
  32. 【請求項３２】 前記複数の波長帯域の少なくとも一つの波長帯域は、狭波
    長帯域であること、を特徴とする請求項２８から請求項３１のいずれかに記載の
    三次元画像化方法。
  33. 【請求項３３】 前記複数の波長帯域の少なくとも一つの波長帯域は、概ね
    一つの波長からなること、を特徴とする請求項２８から請求項３２のいずれかに
    記載の三次元画像化方法。
  34. 【請求項３４】 前記少なくとも一つの光電イメージャは、一つの光電イメ
    ージャであること、を特徴とする請求項２８から請求項３３のいずれかに記載の
    三次元画像化方法。
  35. 【請求項３５】 前記光電イメージャの異なる局部イメージ位置における、
    前記走査光ビームの異なる波長帯域中に波長を有する光線の画像化を含むこと、
    を特徴とする請求項３４に記載の三次元画像化方法。
  36. 【請求項３６】 前記少なくとも一つの光電イメージャは、少なくとも二つ
    の光電イメージャであること、を特徴とする請求項２８から請求項３５のいずれ
    かに記載の三次元画像化方法。
  37. 【請求項３７】 前記少なくとも二つの光電イメージャのいずれの一組の光
    電イメージャについても、少なくとも一つの波長帯域が存在し、該少なくとも一
    つの波長帯域中に波長を有する光線が、該一組の光電イメージャのみによって画
    像化されるように、前記走査光ビームの異なる波長帯域中に波長を有する多数の
    反射光の光線を画像化することを含むこと、を特徴とする請求項３６に記載の三
    次元画像化方法。
  38. 【請求項３８】 前記少なくとも一つの光電イメージャは、前記走査光ビー
    ムの前記波長帯域の一つのみに波長を持つ光線を画像化すること、を特徴とする
    請求項３６に記載の三次元画像化方法。
  39. 【請求項３９】 前記少なくとも一つの光電イメージャは、単一の光電イメ
    ージャであること、を特徴とする請求項２４から請求項２７のいずれかに記載の
    三次元画像化方法。
  40. 【請求項４０】 前記反射光の画像化は、前記少なくとも一つの照射位置夫
    々対する二度の反射光画像化を含むこと、を特徴とする請求項２４から請求項２
    ７又は請求項３９のいずれかに記載の三次元画像化方法。
  41. 【請求項４１】 前記走査光ビームは、概ねペンシルビーム状であること、
    を特徴とする請求項２４から請求項４０のいずれかに記載の三次元画像化方法。
  42. 【請求項４２】 前記走査光ビームは、薄い平面扇型ビームであること、を
    特徴とする請求項２４から請求項４０のいずれかに記載の三次元画像化方法。
  43. 【請求項４３】 前記扇型ビームの前記照射位置は、前記扇型ビームの平面
    の中の軸の位置、走査角の少なくとも一つによって定義され、 該走査角は、該軸の周りでの前記扇型ビームの回転の角度であり、 前記扇型ビームは、該走査角を符号化されること、 を特徴とする請求項４２に記載の三次元画像化方法。
  44. 【請求項４４】 前記走査光ビームの少なくとも一つの照射位置についての
    前記対象物表面からの光の反射は、一つの走査角での前記対象物表面からの光の
    反射を含むこと、を特徴とする請求項４３に記載の三次元画像化方法。
  45. 【請求項４５】 前記走査光ビーム中の異なる波長の光についての前記対象
    物表面の反射率は、概ね同一であること、を特徴とする請求項２４から請求項４
    ４のいずれかに記載の三次元画像化方法。
  46. 【請求項４６】 前記走査光ビームの異なる波長の光に対する前記対象物表
    面の反射率を概ね同一にするように、前記走査光ビームの中の光の複数の波長が
    夫々十分に接近していること、を特徴とする請求項２４から請求項４５のいずれ
    かに記載の三次元画像化方法。
  47. 【請求項４７】 前記走査光ビームは、少なくとも一つのレーザビームを含
    むこと、を特徴とする請求項２４から請求項４６のいずれかに記載の三次元画像
    化方法。
  48. 【請求項４８】 前記少なくとも一つの照射位置は、多数の照射位置を含む
    こと、を特徴とする請求項２４から請求項４７のいずれかに記載の三次元画像化
    方法。
  49. 【請求項４９】 前記少なくとも一つの光電イメージャの一つの画像フレー
    ム上にある、前記多数の照射位置の少なくとも二つからの反射光の画像の記録を
    含むこと、を特徴とする請求項４８に記載の三次元画像化方法。
  50. 【請求項５０】 多数の光線の反射と画像化は、 （i）光線が反射される前記少なくとも一つの照射位置夫々について前記走査光 ビームの輝度は等しい状態で実行される、前記対象物の局部表面領域から反射さ
    れた光線の第１の画像化と、 （ii）光線が反射される前記少なくとも一つの照射位置夫々について前記走査光
    ビームの輝度が異なる状態で実行される、前記対象物の局部表面領域から反射さ
    れた光線の第２の画像化とを含み、 前記３つの空間座標の決定は、前記第２の画像化での前記対象物の局部表面領
    域から反射された光線の輝度を、前記第１の画像化での前記対象物表面の前記局
    部表面領域から反射された光線の輝度で除算することを含むこと、 を特徴とする請求項２５から請求項４９のいずれかに記載の三次元画像化方法
    。
  51. 【請求項５１】 多数の光線の反射と画像化は、 （i）前記対象物に光を照射する周辺光源によって前記対象物の局部表面領域か ら反射された光線の第１の画像化の実行と、 （ii）前記走査光ビーム中の光によって前記対象物の局部表面領域から反射され
    た光線の第２の画像化の実行とを含み、 前記３つの空間座標の決定は、前記第１の画像化での前記対象物の局部表面領
    域から反射された光線の輝度から、前記第２の画像化での前記対象物表面の前記
    局部表面領域から反射された光線の輝度を引く減算を含むこと、 を特徴とする請求項２５から請求項５０のいずれかに記載の三次元画像化方法
    。
  52. 【請求項５２】 前記少なくとも一つの光電イメージャは、感光性素子のア
    レイを含むことを特徴とする請求項２４から請求項５１のいずれかに記載の三次
    元画像化方法。
  53. 【請求項５３】 光線が反射される前記対象物表面の局部領域についての前
    記求められた空間座標を用いることによる前記対象物の３次元画像の生成を含む
    こと、を特徴とする請求項２４から請求項５２のいずれかに記載の三次元画像化
    方法。
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