JP2003057021A - 三次元形状入力装置及び投影装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的簡単な構成で対象物に縞状パターンを
投影することができ、対象物に投影される縞状パターン
の明度分布曲線の波形、波長又は位相等の変更を容易に
すること。 【解決手段】 光源３０からの光はシリンドリカルレン
ズ４１によってスリット状の光束Ｌ１とされ、ガルバノ
スキャナ５０に設けられたガルバノミラー５２で反射さ
れて対象物９に照射される。走査制御部１４はスリット
状の光束Ｌ２が対象物９の表面を走査する際、ガルバノ
スキャナ５０に与える信号に周期的な変動を与えること
によって、スリット状の光束Ｌ２の走査速度に周期的な
変動を発生させる。また、走査制御部１４はガルバノス
キャナ５０に与える信号を調整することによって、周期
的な変動の波形、波長又は位相等を変更する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、パターン投影方
式によって対象物の三次元形状を測定する技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、投影装置によって対象物に縞状パ
ターンを投影し、撮影装置によって対象物に投影された
縞状パターンを撮影し、その縞状パターンの歪みを解析
することによって対象物の三次元形状を測定する装置が
知られている。このような縞状パターンを解析すること
によって対象物の三次元形状を解析する方法は一般に縞
解析法と呼ばれている。

【０００３】図７は従来の三次元形状入力装置１００を
示す図である。図７に示すように、三次元形状入力装置
１００は投影装置１１０と撮影装置１２０とを備えてお
り、投影装置１１０には光源１１１とマスク板１１２が
設けられている。

【０００４】マスク板１１２には光源１１１からの光を
透過する部分と遮光する部分とが周期的に繰り返される
縞状パターンのマスクが形成されている。このため、光
源１１１から放射される光のうち、マスク板１１２の透
過部分に入射する光成分はマスク板１１２を透過して対
象物９の表面に到達する一方、マスク１１２の遮光部分
に入射する光成分はマスク板１１２によって遮光され
る。この結果、対象物９の表面上には明部と暗部とが周
期的に繰り返される縞状パターン１０１が投影される。

【０００５】そして撮影装置１２０が対象物９の表面上
に投影された縞状パターン１０１を撮影して、その縞状
パターン１０１の歪みの位置及び量を求めることによ
り、対象物９の三次元形状を求めることができる。

【０００６】次に、図８は上記図７とは異なる従来の三
次元形状入力装置２００を示す図である。図８に示すよ
うに、三次元形状入力装置２００は投影装置２１０と撮
影装置２２０とを備えており、スリット状の光束Ｌ２０
を対象物９に対して走査させるとともに、光源２１１の
明滅を制御することで縞状パターン２０１を対象物９に
投影するものである。

【０００７】三次元形状入力装置２００では、モータ２
１７が制御部２１９によって駆動され、所定の回転方向
に一定の角速度で回転してガルバノミラー２１６を矢印
Ｂ１に示す方向に回転させるように構成されている。ま
た、モータ２１７の回転位置は位置検出器２１８によっ
て所定のサンプリング間隔ごとに検出され、制御部２１
９に伝達される。制御部２１９はモータ２１７の回転位
置に基づいて光源２１１の発光状態（点灯又は消灯）を
制御するように構成されている。

【０００８】光源２１１から放射される光はコリメータ
レンズ２１２によって平行光とされ、エキスパンダ光学
系２１３によってスリット状の光束Ｌ２０に変換されて
ガルバノミラー２１６に導かれる。そしてスリット状の
光束Ｌ２０はガルバノミラー２１６で反射されて対象物
９に向かって進むことになる。ガルバノミラー２１６は
モータ２１７によって矢印Ｂ１方向に回転するため、ス
リット状の光束Ｌ２０は矢印Ｂ２方向に沿って対象物９
の表面上を走査することになる。

【０００９】制御部２１９は、スリット状の光束Ｌ２０
を１回走査させる際に、モータ２１７の回転角度の増加
に伴って、光源２１１の点灯ないし消灯を周期的に繰り
返し行うように制御する。この結果、対象物９の表面上
には明部と暗部とが周期的に繰り返す縞状パターン２０
１が投影されることとなる。

【００１０】そして撮影装置２２０が対象物９の表面上
に投影された縞状パターン２０１を撮影して、その縞状
パターン２０１の歪みの位置及び量を求めることによ
り、対象物９の三次元形状を求めることができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、対象物９に
投影される縞状パターンの明度分布曲線の形（波形）、
波長（周期）又は位相等の各種仕様値は、撮影装置１２
０，２２０の撮影条件によって変更することが望まれ
る。例えば、撮影装置１２０，２２０が対象物９の一部
を拡大して撮影して、その拡大部分の表面形状をより詳
細に測定しようとする場合、縞状パターンを構成する各
ラインの分布密度を大きくすることが望まれる。

【００１２】しかしながら、上記図７に示す三次元形状
入力装置１００では、対象物９に投影される縞状パター
ン１０１のライン密度はマスク板１１２に形成されたマ
スクによって決定される。このため、対象物９に投影す
る縞状パターン１０１のライン密度を変更する場合に
は、マスク板１１２を交換することが必要であり、作業
負担が発生するとともに、縞状パターン１０１のライン
密度を任意の状態に設定することは困難である。

【００１３】また、上記図８に示す三次元形状入力装置
２００では、ガルバノミラー２１６を一定の角速度で回
転させ、光源２１１の明滅周期を変更すれば縞状パター
ン２０１のライン密度を変更することが可能である。し
かし、三次元形状入力装置２００では制御部２１９がガ
ルバノミラー２１６の回転動作と光源２１１の明滅動作
とを厳密に同期させる制御を行わなければならないた
め、応答性が高く、かつ、精度の高い制御系を構築する
必要があり、投影装置２１０のコストアップの要因にな
るという問題を有している。

【００１４】そこで、この発明は、上記課題に鑑みてな
されたものであって、比較的簡単な構成で対象物に縞状
パターンを投影することができ、対象物に投影される縞
状パターンの明度分布曲線の波形、波長又は位相等の各
種仕様を容易に変更することの可能な三次元形状入力装
置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、対象物に対して周期的な
縞状パターンを投影し、前記対象物に投影された前記縞
状パターンの像を撮影する三次元形状入力装置であっ
て、前記対象物に投影するための投影光を発生させる光
源と、前記光源からの前記投影光を、ライン状の照明光
束に変換する光束変換手段と、前記照明光束を前記対象
物に対して偏向走査させる偏向走査手段と、前記照明光
束が前記対象物の表面を走査する際、前記照明光束の走
査速度に周期的な変動を発生させるように前記偏向走査
手段を制御する走査制御手段と、を備えている。

【００１６】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の三次元形状入力装置において、前記走査速度の周期的
な変動を形成する波形、波長及び位相の少なくとも一つ
を、前記縞状パターンの像を撮影する際の撮影条件に応
じて決定する演算手段、をさらに備えている。

【００１７】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の三次元形状入力装置において、前記走査速度の周期的
な変動を形成する波形、波長及び位相の少なくとも一つ
に関する複数のパラメータを予め記憶しておき、前記複
数のパラメータのうちから選択したパラメータに基づい
て前記走査制御手段が前記偏向走査手段を制御すること
を特徴としている。

【００１８】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
の三次元形状入力装置において、前記走査制御手段が、
前記縞状パターンの像を撮影する際の撮影条件に応じて
前記複数のパラメータのうちから一のパラメータを選択
することを特徴としている。

【００１９】請求項５に記載の発明は、請求項２又は４
に記載の三次元形状入力装置において、前記撮影条件が
ユーザによって設定入力されることを特徴としている。

【００２０】請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５
のいずれかに記載の三次元形状入力装置において、前記
ライン状の照明光束が、光成分が所定方向に一次元的な
広がり状態で分布するスリット状の光束であることを特
徴としている。

【００２１】請求項７に記載の発明は、対象物の三次元
形状を求めるために、前記対象物に対して周期的な縞状
パターンを投影する投影装置であって、前記対象物に投
影するための投影光を発生させる光源と、前記光源から
の前記投影光を、ライン状の照明光束に変換する光束変
換手段と、前記照明光束を前記対象物に対して偏向走査
させる偏向走査手段と、前記照明光束が前記対象物の表
面を走査する際、前記照明光束の走査速度に周期的な変
動を発生させるように前記偏向走査手段を制御する走査
制御手段と、を備えている。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面を参照しつつ詳細に説明する。

【００２３】図１及び図２はこの発明の実施の形態にか
かる三次元形状入力装置１を示す図であり、図１は三次
元形状入力装置１の機能ブロック図を、図２は三次元形
状入力装置１によって縞状パターンが投影される各部の
動作を示している。

【００２４】図１及び図２に示すように、三次元形状入
力装置１は投影装置１０と撮影装置２０とを備えてい
る。なお、図１及び図２には互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ
の３軸を示している。

【００２５】投影装置１０は対象物に対して明部と暗部
とが周期的に繰り返す縞状パターンを投影する装置であ
り、縞状パターンを発生させるための光学系として、投
影光を発生させる光源３０、光源３０から放射される光
を平行光に変換するコリメータレンズ３１、コリメータ
レンズ３１からの平行光をスリット状の光束Ｌ１に変換
するエキスパンダ光学系４０、及び、エキスパンダ光学
系４０からのスリット状の光束Ｌ１を偏向させ、かつ、
対象物９の表面上を走査させるガルバノスキャナ５０を
備えて構成される。また、ガルバノスキャナ５０を制御
するための制御機構として、撮影条件入力部１１、演算
部１２、メモリ１３、及び走査制御部１４が設けられて
おり、走査制御部１４は撮影条件に応じてガルバノスキ
ャナ５０を制御するように構成されている。

【００２６】光源３０は例えばレーザダイオードや発光
ダイオード等によって構成され、ガルバノスキャナ５０
によってスリット状の光束Ｌ１が対象物９の表面上を走
査する際には、常に一定の発光状態を維持するように制
御される。

【００２７】コリメータレンズ３１によって平行光とさ
れた投影光は、エキスパンダ光学系４０を構成するシリ
ンドリカルレンズ４１によって、Ｘ軸に平行なライン状
の照明光束であって、光成分がＸ軸に平行な方向に一次
元的な広がり状態で分布するスリット状の光束Ｌ１に変
換される。

【００２８】ガルバノスキャナ５０はスリット状の光束
Ｌ１を対象物９に対して偏向走査させる偏向走査手段と
して機能するものであり、サーボモータやステッピング
モータ等のモータ５１とガルバノミラー５２とを備えて
構成される。モータ５１はＸ軸に平行な回転軸を中心に
例えば矢印Ａ１で示す方向に回転するように構成され、
走査制御部１４から指示される角速度等の駆動信号に応
じた回転動作を行う。モータ５１の回転軸にはガルバノ
ミラー５２が固定されており、モータ５１の回転動作に
よってガルバノミラー５２が回転軸を中心に回動するよ
うに構成されている。

【００２９】スリット状の光束Ｌ１はガルバノミラー５
２の回転中心付近に入射し、ガルバノミラー５２によっ
て反射（偏向）され、対象物９に向かうスリット状の光
束Ｌ２となる。光源３０は点灯状態を維持しつつけるた
め、ガルバノミラー５２が矢印Ａ１方向に回転する場
合、ガルバノミラー５２で反射されたスリット状の光束
Ｌ２はＹＺ平面を矢印Ａ２で示す方向に走査することに
なる（図１参照）。

【００３０】なお、モータ５１の回転軸はＸ軸に平行な
状態に設定されるため、ガルバノミラー５２で反射され
たスリット状の光束Ｌ２もＸ軸に平行なライン状の光束
となる。

【００３１】投影装置１０は、スリット状の光束Ｌ２を
対象物９に対して１回の走査を行う際、走査制御部１４
がモータ５１の角速度に周期的な変動を与えるように構
成される。つまり、スリット状の光束Ｌ２が対象物９の
表面を矢印Ａ２の方向に走査する際の走査速度に周期的
な変動を発生させるのである。走査速度が平均速度より
も低速となった場合には、一定の領域に対するスリット
状の光束Ｌ２の照射される単位時間当たりの照射量が増
加する。一方、走査速度が平均速度よりも高速となった
場合には、一定の領域に対するスリット状の光束Ｌ２の
照射される単位時間当たりの照射量が減少する。

【００３２】そして、スリット状の光束Ｌ２が対象物９
の表面上を１回走査する間、撮影装置２０が対象物９の
投影領域を撮影（露光）し続けることにより、スリット
状の光束Ｌ２の走査速度の周期的な変動によって発生す
る縞状パターンＰ１を撮影することが可能になる（図２
参照）。

【００３３】このように投影装置１０はＺ方向に対して
明部と暗部とが周期的に変化する縞状パターンＰ１を、
投影装置１０に対向して配置される対象物９に対して投
影することができ、その縞状パターンＰ１を構成する各
ラインはＸ方向に平行なラインとなる。

【００３４】また、投影装置１０は撮影装置２０の撮影
条件に応じてスリット状の光束Ｌ２の走査速度の変動パ
ターンを調整するために、撮影条件入力部１１と演算部
１２とメモリ１３とを備えている。

【００３５】撮影条件入力部１１は撮影装置２０が対象
物９に投影された縞状パターンを撮影する際の撮影条件
を入力するものである。この撮影条件入力部１１は、例
えばユーザが手操作で撮影条件の入力操作を行うように
構成されてもよいし、撮影装置２０において設定される
撮影条件に関する情報を撮影装置２０から受信するよう
に構成されてもよい。そして撮影条件入力部１１は演算
部１２又はメモリ１３に対して、その撮影条件を与え
る。

【００３６】演算部１２とメモリ１３とは択一的に機能
するものであり、それぞれスリット状光束Ｌ２の走査速
度に発生させる周期的な変動パターンを、走査制御部１
４に対して指令する機能を有する。

【００３７】演算部１２は、スリット状光束Ｌ２の走査
速度における周期的な変動パターンを形成する波形、波
長（周期）及び位相の少なくとも一つを、撮影装置２０
が縞状パターンＰ１の像を撮影する際の撮影条件に応じ
て演算を行うことによって任意に決定する機能を有す
る。そして演算部１２は演算によって求められるスリッ
ト状光束Ｌ２の走査速度における周期的な変動パターン
を走査制御部１４に与え、走査制御部１４が演算部１２
から得られる周期的な変動パターンに基づいてモータ５
１の角速度に周期的な変動を与えるようにモータ５１の
駆動制御を行う。

【００３８】また、メモリ１３には、スリット状光束Ｌ
２の走査速度における周期的な変動パターンを形成する
波形、波長及び位相の少なくとも一つに関する複数のパ
ラメータが予め記憶されており、メモリ１３は撮影条件
入力部１１から得られる撮影条件に対応するパラメータ
を読み出し、撮影条件に適した変動パターンを走査制御
部１４に与える。そして走査制御部１４がメモリ１３か
ら得られる周期的な変動パターンに基づいてモータ５１
の角速度に周期的な変動を与えるようにモータ５１の駆
動制御を行う。

【００３９】演算部１２とメモリ１３のうちのいずれが
機能するかはユーザによって選択されてもよいし、撮影
条件入力部１１から得られる撮影条件によって自動的に
選択されてもよい。自動選択を行うには、例えば撮影条
件に対応するパラメータがメモリ１３に格納されている
場合はメモリ１３を機能させる一方、撮影条件に対応す
るパラメータがメモリ１３に格納されていない場合は演
算部１２を機能させて演算によって変動パターンを求め
るように構成すればよい。

【００４０】演算部１２によって変動パターンを求める
場合には、撮影条件に応じた任意の変動パターンを設定
することが可能であるというメリットがある反面、演算
時間がかかるため撮影条件が入力されてからスリット状
光束Ｌ２の走査までに時間を要する。

【００４１】一方、メモリ１３からパラメータを読み出
す場合には、演算時間を要さないため効率的な処理が可
能であるが、予めメモリ１３に格納されたパラメータに
ついての設定しかできないため、スリット状光束Ｌ２の
走査速度における周期的な変動パターンの自由度は低く
なる。

【００４２】そして走査制御部１４が、モータ５１の角
速度に周期的な変動を与えるとともに、その周期的な変
動のパターンを変更するように構成されているため、光
源３０を点灯させた状態のままで、対象物９の表面上に
縞状パターンＰ１を投影することができ、かつ、その縞
状パターンＰ１の投影パターンを変更することが可能で
ある。

【００４３】また、走査制御部１４は、スリット状の光
束Ｌ２を対象物９に投影して走査開始する際に、撮影装
置２０に対して撮影開始タイミングを指示するように構
成され、また、スリット状の光束Ｌ２の１回の走査が終
了した際に、撮影装置２０に対して撮影終了タイミング
を指示するように構成される。

【００４４】撮影装置２０は、対象物９に投影された縞
状パターンＰ１の像を撮影する装置であり、対象物９に
投影される縞状パターンＰ１の歪みを良好に撮影するこ
とができるように、Ｚ方向に関して投影装置１０から所
定間隔だけ離隔して設置される。

【００４５】図１に示すように、撮影装置２０は、対象
物に投影された縞状パターンの像を撮像素子２２に導く
撮影レンズ２１、ＣＣＤエリアセンサ等で構成された撮
像素子２２、撮像素子２２から得られる画像データを記
憶するメモリ２３、メモリ２３に格納された画像データ
に基づいて所定の演算を行うことにより、縞状パターン
の歪みの位置及び量を求める演算部２４、及び、投影装
置１０から入力する撮影開始タイミング及び撮影終了タ
イミングと同期して撮像素子２２を制御する撮影制御部
２５を備えて構成される。

【００４６】この撮影装置２０は、投影装置１０から撮
影開始タイミングを受信した際に撮像素子２２の露光
（撮影処理）を開始し、撮影終了タイミングを受信した
際に撮像素子２２の露光を終了するように構成されてい
る。

【００４７】したがって、撮影装置２０は、投影装置１
０がスリット状の光束Ｌ２を矢印Ａ２の方向に１回走査
させる間の対象物９の画像を撮影することになり、スリ
ット状の光束Ｌ２を走査させることによって形成される
縞状パターンＰ１を適切に撮影することが可能になる。

【００４８】撮像素子２２から得られる画像データはメ
モリ２３に格納される。そして、演算部２４がメモリ２
３に格納されている画像データを読み出し、縞状パター
ンを構成する各ラインの歪みの位置及び量を求めるよう
に構成される。

【００４９】なお、演算部２４によって求められる各ラ
インの歪みの位置及び量は、撮影装置２０に接続される
外部装置（コンピュータ等）に対して出力されるように
構成され、外部装置において縞状パターンの歪みの位置
及び量を三角測量の原理に基づいて解析することにより
対象物の三次元形状を導出することが可能である。ただ
し、三角測量の原理に基づいた演算を演算部２４におい
て行い、対象物の三次元形状を撮影装置２０において求
めるように構成してもよい。

【００５０】また、撮影レンズ２１は例えばズームレン
ズ等を備えて構成され、撮影倍率や撮影距離の撮影条件
を所定の範囲内で変化させることが可能なように構成さ
れる。撮影倍率や撮影距離等の撮影条件の変更は、例え
ばユーザが手操作で行うように構成される。また、撮影
条件が変更された場合に、その撮影条件を投影装置１０
の撮影条件入力部１１に与えるように構成してもよい。

【００５１】このように三次元形状入力装置１では、光
源３０が発光し、走査制御部１４がガルバノスキャナ５
０のガルバノミラー５２を回動させることによって光源
３０からの光を対象物９に対して走査させるように構成
されるとともに、スリット状の光束Ｌ２が対象物９を走
査する際の走査速度に周期的な変動を発生させるように
構成されている。このため、光源３０とガルバノスキャ
ナ５０とを同期させた厳密な制御を行うことなく、簡単
な制御形態で投影装置１０が対象物９に対して縞状パタ
ーンＰ１を良好に投影することが可能である。つまり、
制御対象がガルバノスキャナ５０だけの簡単な構成とな
っている。

【００５２】図３は走査制御部１４がモータ５１に与え
る信号及びそれによるモータ５１の角速度を示す図であ
る。ただし、図３においては横軸の時刻ｔ＝０が走査開
始を示す時刻である。モータ５１が走査角度θに関する
信号を入力し、その入力信号に応じた角度θへの駆動を
行うように構成されている場合、走査制御部１４は時間
ｔの経過に伴って、図３（ａ）に示すような走査角度θ
に関する信号をモータ５１に対して与える。

【００５３】例えば、モータ５１を一定の角速度で回転
させる場合には走査制御部１４からモータ５１に与えら
れる走査角度θに関する信号は時間とともに比例して増
加する直線的な信号となるが、この実施の形態では図３
（ａ）に示すように走査角度θに関する信号は、時間と
ともに比例して増加する基準信号に対して一定の周期Ｔ
１で変動する成分を与えている。つまり、直線的に増加
する基準信号に周期的な変動成分を付加した信号となっ
ている。

【００５４】このため、走査制御部１４から図３（ａ）
に示すような走査角度θに関する信号を入力するモータ
５１は、図３（ｂ）に示すような走査角速度で回転動作
を行う。図３（ｂ）に示す走査角速度の波形は、図３
（ａ）の信号を微分した波形に相当する。図３（ｂ）に
示すように、モータ５１の角速度は、下限が０以上の値
ω０で振幅Ωの周期的な変動を示すことになる。なお、
図３（ｂ）における周期的は、図３（ａ）と同様のＴ１
となる。

【００５５】投影装置１０においては、図３（ｂ）に示
すような角速度の周期的な変動を実現することで、スリ
ット状の光束Ｌ２の走査の際に縞状パターンＰ１の投影
が可能になる。すなわち、図３（ｂ）に示すような角速
度でモータ５１が回転運動を行い、その回転運動によっ
てスリット状の光束Ｌ２が対象物９を走査すると、スリ
ット状光束Ｌ２のＡ２方向への移動速度が周期的に変化
し、移動速度が高いタイミングでの走査位置ではスリッ
ト状光束Ｌ２の単位時間当たりの照射密度（照射量）が
低くなり、逆に移動速度が低いタイミングでの走査位置
ではスリット状光束Ｌ２の単位時間当たりの照射密度が
高くなる。さらに詳しく説明すると、図３（ｂ）の波形
において走査角速度ωの極大点に対応するタイミングで
はスリット状光束Ｌ２の照射密度が低くなり、対象物９
における照度は低くなる。逆に走査角速度ωの極小点に
対応するタイミングではスリット状光束Ｌ２の照射密度
が高くなり、対象物９における照度は高くなる。そし
て、その結果、単位面積に対する単位時間当たりの照射
密度（照射量）に変化が生じることとなって、対象物９
の表面上には明部と暗部とが周期的に繰り返される縞状
パターンＰ１が投影されることとなる。ただし、縞状パ
ターンＰ１の明部と暗部との繰り返し周期は、変動周期
Ｔ１に応じた値となる。

【００５６】なお、モータ５１が走査角度θに関する信
号を入力し、その入力信号に応じた角度θへの駆動を行
うように構成されている場合には、図３（ａ）に示すよ
うな走査角度θに関する信号を走査制御部１４がモータ
５１に与えればよいが、モータ５１が走査角速度ωに関
する信号を入力し、その入力信号に応じた角速度ωでの
回転駆動を行うように構成されている場合には、走査制
御部１４は図３（ｂ）に示すような走査角速度に関する
信号ωをモータ５１に与えるようにしてもよい。

【００５７】また、図３（ｂ）に示す走査角速度の波形
はそのまま対象物９に投影される縞状パターンＰ１の輝
度分布に対応するため、走査制御部１４からモータ５１
に与える信号を変更するだけで対象物９に投影する縞状
パターンＰ１の仕様を変更することが可能である。すな
わち、ガルバノスキャナ５０の角速度に与える周期的な
変動の波形、波長（周期）及び位相の少なくとも一つ
を、変更することによって、上記のようにして投影され
る縞状パターンＰ１の明暗の変化状態、明暗各ラインの
間隔、又は明暗各ラインの位置を調整することが可能な
ように構成されている。

【００５８】まず、周期的な変動の波長（周期）を変化
させる場合について説明する。例えば、対象物９に関す
る三次元データの分布密度を高くすることが望まれる場
合には、縞状パターンＰ１を構成する各ラインの分布密
度を増加させてより多くの縞を投影することが必要にな
る。そのような場合には、走査制御部１４が図３に示す
周期Ｔ１を小さくした信号を発生してモータ５１を駆動
制御することになる。

【００５９】図４は走査制御部１４がモータ５１に与え
る信号及びそれによるモータ５１の角速度を示す図であ
り、図３に示す状態から周期的な変動の波長（周期）を
変更した状態を示す図である。図４において走査角度θ
に関する信号は、時間とともに比例して増加する基準信
号に対して一定の周期Ｔ２（＜Ｔ１）で変動する成分を
与えている。つまり、図３に示す変動周期Ｔ１よりも小
さな変動周期Ｔ２でモータ５１の角速度に周期的な変動
を与えている。

【００６０】そのため、例えば走査制御部１４が図４
（ａ）に示すような走査角度θに関する信号をモータ５
１に与えると、モータ５１は図４（ｂ）に示すような角
速度で回転動作を行う。その結果、対象物９の表面上に
は変動周期Ｔ２に応じた繰り返し周期で縞状パターンＰ
１が投影されることとなり、図３に示す場合と比べて、
対象物９に投影される縞状パターンＰ１を構成する各ラ
インの間隔が小さくなり、各ラインの分布密度を増大さ
せることができる。

【００６１】このように投影装置１０において、ガルバ
ノスキャナ５０に与える周期的な変動の波長（周期）を
変化させることにより、対象物９に関する三次元データ
の分布密度を高くすることが可能になる。

【００６２】次に、周期的な変動の波形を変化させる場
合について説明する。例えば、撮影状件や対象物９の種
類等により、対象物９に対して投影する縞状パターンＰ
１の明度のピークがより鋭いものが望まれる場合もあ
る。そのような場合には、縞状パターンＰ１の照度分布
曲線を正弦波状にするよりは、例えば三角波状等にして
明度のピークを鋭くすることが望まれる。

【００６３】図５は走査制御部１４がモータ５１に与え
る信号及びそれによるモータ５１の角速度を示す図であ
り、図３に示す状態から周期的な変動の波形を正弦波か
ら三角波に変更した状態を示す図である。図５（ａ）に
おいて走査角度θに関する信号は、時間とともに比例し
て増加する基準信号に対して一定の周期Ｔ３で変動する
成分を与えている。そして、図５（ａ）に示す走査角度
θに関する信号を微分すると、図５（ｂ）に示すような
三角波状に変化する走査角速度になる。換言すれば、図
５（ａ）に示す走査角度θに関する信号はモータ５１の
角速度変化を図５（ｂ）に示すような状態にするような
信号である。この結果、対象物９に投影される縞状パタ
ーンＰ１の照度分布曲線も三角波状に変化することにな
る。

【００６４】このように、走査制御部１４がモータ５１
に対して与える信号を調整するだけで、モータ５１の走
査角速度の周期的な変動の変化状態を種々のものに変更
することができる。そのため、例えば撮影条件や対象物
の種類等に応じて、縞状パターンＰ１の照度分布曲線の
波形を任意に変更することが可能である。

【００６５】次に、周期的な変動の位相を変化させる場
合について説明する。縞解析法では、対象物９の表面に
模様等があって反射率にむらが存在する場合、投影装置
１０から投影される縞状パターンＰ１に照度むらが存在
する場合、又は、対象物９に対して不均一な環境光が照
射されている場合等には、対象物９に投影された縞状パ
ターンＰ１の各ラインの分布を正確に検出することが困
難になる。そのため、位相シフト法又は縞走査法と呼ば
れる方法が適用され、上記のような場合にも適切に縞状
パターンＰ１を構成する各ラインの分布を正確に検出す
ることが行われる。

【００６６】この位相シフト法は、投影装置１０におい
て投影する縞状パターンＰ１に例えば１／３ないし１／
４波長ずつの位相シフトを行い、撮影装置２０において
各位相状態での画像を３枚ないし４枚撮影する。そし
て、それら複数の画像において対応する各画素の輝度変
化を検出することによって、上記の反射率等のむら等に
起因する外乱成分を消去して、縞状パターンＰ１の各ラ
イン位置及び歪みを高精度に検出するものである。ま
た、この方法を用いれば、対象物９の表面上の各点にお
ける縞状パターンＰ１の位相の値を高精度に求めること
が可能であることから、位相シフト法を用いない縞解析
法の場合に比べて縞状パターンＰ１を構成する各ライン
の高密度化を行うことができるというメリットもある。

【００６７】この実施の形態に示す投影装置１０では、
上記のような位相シフト法を簡単に適用することが可能
である。具体的には、走査制御部１４がモータ５１に供
給する信号を変化させるだけで、例えば１／３ないし１
／４波長ずつの位相シフトを施すことが可能である。

【００６８】図６は投影装置１０における位相シフト法
の適用を示す概念図である。なお、図６では、１／４波
長ずつ位相シフトを行う場合を例示している。また、図
６において時刻ｔ＝０は走査開始を示す時刻である。

【００６９】まず、投影装置１０における１回目の走査
時に走査制御部１４はモータ５１を図６（ａ）に示すよ
うな走査角速度で回転運動させる。なお、走査角速度の
変動パターンの波長（周期）はλとなっている。これに
より、対象物９の表面上には図６（ａ）に示す走査角速
度の周期的変動に対応した縞状パターンが投影される。

【００７０】そして２回目の走査時に走査制御部１４は
モータ５１に与える信号を１／４波長ずらせた状態に設
定し、図６（ｂ）に示すような走査角速度でモータ５１
を回転運動させる。これにより、対象物９の表面上には
図６（ｂ）に示す走査角速度の周期的変動に対応した縞
状パターンが投影される。そして、このときの縞状パタ
ーンの照度分布曲線は、図６（ａ）に示す縞状パターン
を投影した場合の照度分布曲線に比べて、１／４波長ず
れた状態となる。

【００７１】そして３回目の走査時に走査制御部１４は
モータ５１に与える信号をさらに１／４波長ずらせた状
態に設定し、図６（ｃ）に示すような走査角速度でモー
タ５１を回転運動させる。これにより、対象物９の表面
上には図６（ｃ）に示す走査角速度の周期的変動に対応
した縞状パターンが投影される。そして、このときの縞
状パターンの照度分布曲線は、図６（ｂ）に示す縞状パ
ターンを投影した場合の照度分布曲線に比べて、１／４
波長ずれた状態となり、図６（ａ）に示す縞状パターン
を投影した場合の照度分布曲線に比べて、１／２波長ず
れた状態となる。

【００７２】そして４回目の走査時に走査制御部１４は
モータ５１に与える信号をさらに１／４波長ずらせた状
態に設定し、図６（ｄ）に示すような走査角速度でモー
タ５１を回転運動させる。これにより、対象物９の表面
上には図６（ｄ）に示す走査角速度の周期的変動に対応
した縞状パターンが投影される。そして、このときの縞
状パターンの照度分布曲線は、図６（ｃ）に示す縞状パ
ターンを投影した場合の照度分布曲線に比べて、１／４
波長ずれた状態となり、図６（ｂ）に示す縞状パターン
を投影した場合の照度分布曲線に比べて、１／２波長ず
れた状態となり、図６（ａ）に示す縞状パターンを投影
した場合の照度分布曲線に比べて、３／４波長ずれた状
態となる。

【００７３】そして投影装置１０が図６（ａ）〜（ｄ）
のそれぞれによって対象物９に対して縞状パターンを投
影した際に撮影装置２０が撮影動作を行い、メモリ２３
に各画像を格納しておく。そして演算部２４が各位相シ
フト位置において得られる４枚の画像をメモリ２３から
取得し、それら４枚の画像中の各対応画素間での輝度変
化を検出することによって、外乱成分を消去して、縞状
パターンＰ１の各ライン位置及び歪みを高精度に検出す
るように更正される。

【００７４】このように、走査制御部１４がモータ５１
に対して与える信号を調整するだけで、モータ５１の走
査角速度の周期的な変動波形の位相を変化させることが
でき、それによって例えば位相シフト法を適用した三次
元測定を行うことが可能になるので、対象物９の三次元
形状を高精度かつ高密度に測定することが可能になる。
ただし、上記説明においては、投影装置１０が１／４波
長ずつ位相をシフトさせた位相シフト法を適用する場合
について説明したが、それに限定されるものではなく、
例えば、１／３波長ずつ位相シフトをさせてもよいし、
それ以外であってもよい。

【００７５】なお、上記説明においては、投影装置１０
が、ガルバノスキャナ５０の角速度に与える周期的な変
動の波形、波長（周期）及び位相のそれぞれを変更する
場合について説明したが、投影装置１０は、波形、波長
（周期）及び位相の全てを同時に変更するように構成さ
れていてもよいし、波形、波長（周期）及び位相のうち
の少なくとも一つを変更するように構成されていてもよ
い。

【００７６】そして投影装置１０において、ガルバノス
キャナ５０の角速度に与える周期的な変動の波形、波長
（周期）及び位相のうちの少なくとも一つを、撮影装置
２０の撮影条件に応じて変更することで、多様な対象物
９に対応することが可能である。

【００７７】以上、この発明の実施の形態について説明
したが、この発明は上記説明した内容のものに限定され
るものではない。

【００７８】上記説明では、偏向走査手段としてガルバ
ノスキャナ５０を用いた構成例について示したが、これ
に限定されるものではなく、ポリゴンスキャナ等の他の
偏向走査手段を用いて構成してもよい。

【００７９】また、上記説明では、シリンドリカルレン
ズ４１によって構成されるエキスパンダ光学系４０によ
って、平行光とされた投影光を、Ｘ軸に平行なライン状
の照明光束であって、光成分がＸ軸に平行な方向に一次
元的な広がり状態で分布するスリット状の光束Ｌ１に変
換される場合を例示したが、これに限定されるものでも
ない。他の例としては、平行光とされた投影光をＸ軸に
平行な方向に一次元走査させることで、Ｘ軸に平行なラ
イン状の照明光束を生成することも考えられる。ただ
し、この場合はＸ軸に平行な方向に光線を走査させるこ
とと、その走査光線によって形成されるライン状の照明
光束を対象物９の表面上で走査させることが必要になる
ため、対象物９を走査するための動作の効率が低下す
る。

【００８０】またさらに、投影装置１０と撮影装置２０
とは分離可能なように構成されてもよい。例えば撮影装
置２０をデジタルカメラ等で構成し、その外部取り付け
装置として投影装置１０を実現することもできる。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１及び７に
記載の発明によれば、光源からの投影光を、ライン状の
照明光束に変換し、その照明光束の走査速度に周期的な
変動を与えつつ対象物の表面を走査するように構成され
ているため、比較的簡単な構成及び制御で対象物に対し
て縞状パターンを投影することが可能である。

【００８２】請求項２に記載の発明によれば、走査速度
の周期的な変動を形成する波形、波長及び位相の少なく
とも一つを、縞状パターンの像を撮影する際の撮影条件
に応じて決定するように構成されているため、対象物に
投影される縞状パターンを任意の状態に変更することが
でき、かつその変更が適切かつ容易である。

【００８３】請求項３に記載の発明によれば、走査速度
の周期的な変動を形成する波形、波長及び位相の少なく
とも一つに関する複数のパラメータを予め記憶してお
き、複数のパラメータのうちから選択したパラメータに
基づいて照明光束の走査速度に周期的な変動を与えるよ
うに構成されているため、対象物に投影される縞状パタ
ーンを容易かつ効率的に変更することができる。

【００８４】請求項４に記載の発明によれば、縞状パタ
ーンの像を撮影する際の撮影条件に応じて複数のパラメ
ータのうちから一のパラメータを選択するように構成さ
れているため、対象物に投影される縞状パターンを適切
に変更することが可能である。

【００８５】請求項５に記載の発明によれば、撮影条件
がユーザによって設定入力されるため、ユーザが所望す
る状態に縞状パターンを変更することができる。

【００８６】請求項６に記載の発明によれば、ライン状
の照明光束が、光成分が所定方向に一次元的な広がり状
態で分布するスリット状の光束であるため、効率的に対
象物の三次元形状の入力を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態にかかる三次元形状入力
装置を示すブロック図である。

【図２】この発明の実施の形態にかかる三次元形状入力
装置によって縞状パターンが投影される概念を示す図で
ある。

【図３】走査制御部がモータに与える信号及びモータの
角速度を示す図である。

【図４】走査制御部がモータに与える信号及びモータの
角速度を示す図である。

【図５】走査制御部がモータに与える信号及びモータの
角速度を示す図である。

【図６】投影装置における位相シフト法の適用を示す概
念図である。

【図７】従来の三次元形状入力装置を示す図である。

【図８】図７とは異なる従来の三次元形状入力装置を示
す図である。

【符号の説明】

１ 三次元形状入力装置 ９ 対象物 １０ 投影装置 １１ 撮影条件入力部 １２ 演算部 １３ メモリ １４ 走査制御部（走査制御手段） ２０ 撮影装置 ３０ 光源 ４０ エキスパンダ光学系（光束変換手段） ５０ ガルバノスキャナ（偏向走査手段） ５１ モータ Ｐ１ 縞状パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 片桐 哲也 大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA53 DD02 DD06 FF07 FF09 GG07 GG12 GG22 HH05 HH13 JJ03 JJ08 JJ26 LL08 LL13 MM16 NN00

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物に対して周期的な縞状パターンを
   投影し、前記対象物に投影された前記縞状パターンの像
   を撮影する三次元形状入力装置であって、 前記対象物に投影するための投影光を発生させる光源
   と、 前記光源からの前記投影光を、ライン状の照明光束に変
   換する光束変換手段と、 前記照明光束を前記対象物に対して偏向走査させる偏向
   走査手段と、 前記照明光束が前記対象物の表面を走査する際、前記照
   明光束の走査速度に周期的な変動を発生させるように前
   記偏向走査手段を制御する走査制御手段と、を備える三
   次元形状入力装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の三次元形状入力装置に
   おいて、 前記走査速度の周期的な変動を形成する波形、波長及び
   位相の少なくとも一つを、前記縞状パターンの像を撮影
   する際の撮影条件に応じて決定する演算手段、をさらに
   備えることを特徴とする三次元形状入力装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の三次元形状入力装置に
   おいて、 前記走査速度の周期的な変動を形成する波形、波長及び
   位相の少なくとも一つに関する複数のパラメータを予め
   記憶しておき、前記複数のパラメータのうちから選択し
   たパラメータに基づいて前記走査制御手段が前記偏向走
   査手段を制御することを特徴とする三次元形状入力装
   置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の三次元形状入力装置に
   おいて、 前記走査制御手段は、前記縞状パターンの像を撮影する
   際の撮影条件に応じて前記複数のパラメータのうちから
   一のパラメータを選択することを特徴とする三次元形状
   入力装置。
5. 【請求項５】 請求項２又は４に記載の三次元形状入力
   装置において、 前記撮影条件がユーザによって設定入力されることを特
   徴とする三次元形状入力装置。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれかに記載の三次
   元形状入力装置において、 前記ライン状の照明光束は、光成分が所定方向に一次元
   的な広がり状態で分布するスリット状の光束であること
   を特徴とする三次元形状入力装置。
7. 【請求項７】 対象物の三次元形状を求めるために、前
   記対象物に対して周期的な縞状パターンを投影する投影
   装置であって、 前記対象物に投影するための投影光を発生させる光源
   と、 前記光源からの前記投影光を、ライン状の照明光束に変
   換する光束変換手段と、 前記照明光束を前記対象物に対して偏向走査させる偏向
   走査手段と、 前記照明光束が前記対象物の表面を走査する際、前記照
   明光束の走査速度に周期的な変動を発生させるように前
   記偏向走査手段を制御する走査制御手段と、を備える投
   影装置。