JP2004037272A - 光学的形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元光学的形状計測装置の照射装置において、照射装置の光学的ぼけに強いマルチスリット法に基づいた光学的形状計測装置を提供する。
【解決手段】基線方向に対して異なる単調な強度分布を持つ２つの濃度パターン光と、同じく基線方向に対してマルチスリットパターン光を照射する照射手段と、照射された２つの濃度パターンとマルチスリットパターンの各々について、測定物体から反射された光の受光量と受光位置を取得する撮像手段と、２つの濃度パターンに対する受光量の比からマルチスリットパターンの各スリットの番号を推定し、得られたスリット番号とスリットの受光位置から、各スリット上で測定物体の形状を計算する形状計算手段からなることを特徴とする光学的形状測定装置を主たる構成にした。
【選択図】　　　図１０

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の形状と距離計測を行なう形状計測装置に関するもので、更に詳しくは、Ｗｅｂ等の３Ｄコンテンツ作成、３Ｄモデリングのためのデータ入力、物体認識、物体選別、顔認識、ジェスチャ認識などに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
物体の３次元の形状測定を行なう形状測定装置には、スリット状のレーザー光を測定物体に照射し、スリットの長手方向と垂直に走査しながら、スリット光の照射方向と異なる視野から観察することで生じる物体形状に応じたスリット光の変形を、３角測量の原理を用いて形状として測定するものが知られている。
例えば図１に示すように、半導体レーザーユニット１と、ガルバノミラー２、シリンドリカルレンズ３からなる照射光学系と結像レンズ７とＣＣＤ８からなる検知光学系からなる光切断法を用いた形状測定装置が産業用によく用いられる。半導体レーザーユニット１からビーム状に放射された光がガルバノミラー２で図面左右方向に走査され、シリンドリカルレンズ３で上下方向に拡大されて、縦に長いスリット光５となって測定物体４に照射される。このとき、スリット光５が走査される方向、即ち基線方向にずれた位置から、結像レンズ７を通して測定物体４から反射される反射光６を受光素子であるＣＣＤ８で観察すると、測定物体４の奥行き方向の凹凸に応じてＣＣＤ８上で直線状のスリット光５の変形と結像位置の移動が生じる。
ＣＣＤ８で反射光６の像を観察することは、反射光６が結像レンズ７に入射する測定物体４の各点の位置を３角測量していることを意味し、スリット光５を照射する位置とＣＣＤ８の基線方向の位置の差（基線長）があらかじめ分かれば、この変形からスリット光５が照射されている部分の測定物体４の形状を測定することができる。そしてガルバノミラー２を振動させることで、スリット光５を測定物体全体に走査しながら形状測定を繰り返せば、測定物体４全体の形状を得ることができる。
【０００３】
図２を用いて３角測量の原理をさらに詳細に説明する（例えば、吉澤徹著“光三次元計測”ｐｐ．２９−３０，　新技術コミュニケーションズ，　１９９３年を参照）。スリット光源１０（図１のガルバノミラー２のビーム光の反射位置に相当）と受光器１３（図１のＣＣＤ８に相当）が基線長Ｌだけ離れているとする。スリット光源２から角度θで放射された光が１１ａの位置にある測定物体１１ａの表面で反射され、受光器１３のある位置に角度φで入射し結像するなら、測定物体と基線間の距離Ｚａは、式１の関係

になる。結像レンズ１４と受光器１３の距離ｄと、基線長から垂直方向への測定物体の距離Ｚａがあらかじめ分かっていると、入射角度φが求まる。もし測定物体１１ａが１１ｂの位置にある場合に、受光器１３での結像位置がｘだけずれて結像したとすると、Ψ＝ａｒｃｔａｎ（ｘ／ｄ）の関係からΨがわかるので、式２の関係

からＺｂが求まる。スリット光１０を測定物体１１全体を照射するように放射角度θを走査し、各θ毎に上記の手続きを繰り返せば、測定物体の各反射点と基線との距離Ｚ、即ち形状が求められる。
スリット光を測定物体に順次走査する光切断法の欠点は、各スリット光を走査する光走査光学系が必要であり、通常図１のガルバノミラー２のような可動部品が用いられるため装置の振動に弱くなることと、角度θ毎に形状測定を繰り返す必要があるため、計測時間が長いことである。また測定物体の表面の反射率に依存して受光器１３で観測される光量に変動が生じ、受光器のどこに測定物体の像が結像しているかは、結像光量の最大値等から推定することが必要になることである。
スリット光を順次に走査する必要があるという光切断法の欠点を改良した形状計測方法に、パターン光投影法がある。これは、スリット光を走査する代わりに、スリット光の全体を面上に並べて、測定物体に１つのパターン光として一括に照射する方法である。ただし、そのままではパターン光のどの位置がどのスリット光に相当するか分からないため、あらかじめ何らかの方法でスリット光との対応、つまりどの照射角度で照射されたかを照射されたパターン光自体に情報を付加（インデクス付け）しておく。
【０００４】
インデクス付けの与え方が異なる複数の方法が報告されている。まず、照射角度とインデクスが１対１に対応し、検知したインデクスから照射角度がただちに求められる手法群がある。これに属すのが、特開昭６１−７５２１０号公報に開示されたインデクスを色情報で与えるレインボー法、また、２つの異なる高度パターンの比で与える強度比法（Ｂ．　Ｃａｒｒｉｈｉｌｌ　ａｎｄ　Ｒ．　Ｈｕｍｍｅｌ，　”Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　Ｒａｔｉｏ　Ｄｅｐｔｈ　Ｓｅｎｓｏｒ”，　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｖｉｓｉｏｎ，　Ｇｒａｐｈｉｃｓ，　ａｎｄ　Ｉｍａｇｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，　ｖｏｌ．　３２，　ｐｐ．　３３７−３５８，　１９８５年、あるいは特開平１０−４８３３６号公報等）がある。
照射角度とインデクスが多対１に対応し、検知したインデクスから照射角度が複数対応し、何らかの方法で照射角度の候補を減らさなくてはならないが、より精度が高い方法として、縞格子投影法（吉澤徹著“光三次元計測”ｐｐ．１１５−１１６，　新技術コミュニケーションズ，　１９９３年）や、領域分割強度比法（特願２００１−００４１１７）がある。
これらの方式では、光切断法のようにスリット光の走査を行なう機械的に脆弱な可動部がないため、形状測定時間を短くでき、複数のパターンの反射光量の比を取ることで反射率依存性をなくすことができる特徴がある。一方、光量のアナログ値を用いるため、受光素子の光量分解能が照射角度の測定精度を制限し、光切断法ほど測定精度が高くない問題がある。
【０００５】
別原理のパターン光投影法として、特開昭６０−１５２９０３号公報に開示された符号化された複数のデジタルパターンの組み合わせで与える空間符号化法がある。空間符号化法は２値レベルのパターン光を組み合わせて用いるが、パターン数が測定ビット数に対応するので、実質的な精度は光切断法ほどではない。
さらに別のパターン光投影法として、基線方向に対して複数のスリットを照射するマルチスリット法がある。この方法は光切断法のスリットを走査せず、照明装置からスリットを複数並べたパターンを照射するものである。個々のスリットを見ると光切断法と同じく画素数で測定精度が決まるので、得られる測定精度は十分高い。各スリットの照射角度はあらかじめ分かっているが、受光器で得られた光量分布からは各スリットの位置が求められるが、一般にスリット番号は求められない。すべてのスリットが撮像されていると仮定して、基線方向に向かってスリットの個数をカウントして番号を推定するなど、他の情報を併用してスリット番号を求める工夫が必要になる。
更に、各スリットの照射光量を変調したマルチスリットパターンと、同じスリット位置に異なる光量分布でスリットパターンを照射し、その強度比からスリット番号を推定する、強度比法とマルチスリット法を組み合わせた類の光学的形状測定装置が提案されている。この装置も基本的にはマルチスリット法であり、各スリットが異なる強度比を持つので、個々のスリットを同定することができる。この方法では、照射装置の光学系の焦点深度が浅いと照射したスリットパターンがぼけて、スリットのピーク位置での光量が変動しやすい。つまり結像条件が良い場合と悪い場合では、スリット位置の強度比が変化して観察されてしまい、その結果スリット番号を誤る問題が生じる場合がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、従来技術の問題点を整理すると、レインボー法、強度比法といったパターン光投影法では、受光素子の光量分解能が形状測定精度を制限し、精度があまり高くならない。また、空間符号化法でも照射パターン数により精度が決まり、精度があまり高くならない。
マルチスリット法は精度が高いがスリット番号同定が困難である。強度比でスリット番号を特定する場合は、照明装置の焦点深度に依存して番号推定を誤る場合がある。
そこで、本発明の目的とするところは、上記の問題に鑑み、照射装置の光学的ぼけに強いマルチスリット法に基づいた光学的形状計測装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明では、基線方向に対して異なる単調な強度分布を持つ２つの濃度パターン光と、同じく基線方向に対してマルチスリットパターン光を照射する照射手段と、照射された２つの濃度パターンとマルチスリットパターンの各々について、測定物体から反射された光の受光量と受光位置を取得する撮像手段と、２つの濃度パターンに対する受光量の比からマルチスリットパターンの各スリットの番号を推定し、得られたスリット番号とスリットの受光位置から、各スリット上で測定物体の形状を計算する形状計算手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項２記載の発明では、２枚の単調な濃度パターンの濃度が階段状に離散値を取り、マルチスリットパターンの各スリットに対応する位置で、濃度が平坦であることを特徴とする。
請求項３記載の発明では、２つの濃度パターンの一方と、マルチスリットパターンを、同じ色で同時に照射することを特徴とする。
請求項４記載の発明では、基線方向に対して異なる単調な強度分布を持つ２つの濃度パターン光を照射する照射手段と、測定物体から反射された光の受光量と受光位置を取得する撮像手段と、照射された２つの濃度パターンの両方あるいは一方が階段状の濃度分布であり、２つの階段状の濃度分布の強度比の階段状の変化から階段位置を求め、隣接する階段の段の中央の強度比から階段の番号を推定し、得られた階段番号と階段位置から、各階段位置で測定物体の形状を計算する形状計算手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項５記載の発明では、階段状の濃度分布を持つ濃度パターンの階段位置で、パルス状に濃度変化を設けたことを特徴とする。
請求項６記載の発明では、基線方向に対するパルス状のマーカの照射角度幅をθｏ、濃度パターンの階段１つの照射角度をθｓ、階段部の強度比をＲｂ、パルスのピーク強度比をＲｏ、階段での強度比の変化をΔＲとすると、
ΔＲ／２＞（Ｒｏ−Ｒｂ）θｏ／θｓ
の関係が成り立つことを特徴とする。
請求項７記載の発明では、複数の照射パターンを赤、青、緑のうち異なる３色に割り当て、同時に照射することを特徴とする。
請求項８記載の発明では、２つの濃度パターンの一方が一定濃度の平坦パターンであり、この平坦パターンを白色光で照明することにより、測定物体のテキスチャを同時に撮像することを特徴とする。
請求項９記載の発明では、照明手段及び照射パターンを基線方向に対して複数の領域に分け、各領域ごとに濃度パターンを同時に照射する照明手段を設置し、撮像手段と形状計算手段のほかに、各領域を判別する領域判別装置を設置したことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明に係る構成は、強度比で番号付けしたマルチスリット光を使用したものである。各スリットの本数が多くない場合は、比較的低精度の強度比法で番号を判断することになる。一旦スリット番号が決まれば、通常のマルチスリット法のように高精度で形状が求まる。
まず、基線方向に測った照射角度に対して異なる単調な光量の強度分布を持つ２つの濃度パターン光を照射手段で照射する例を図３で示す。図３（ａ）、（ｂ）は基線方向の測った照射角度に対する光量分布の、基線方向の断面図である。各々のパターンを照射した際に、画像の各点に対して２つの濃度パターンの反射光量の比（強度比）から対応する粗い照射角度θ、すなわち粗い形状が決まる。この点は強度比法と同じである。
次にマルチスリットパターンを撮像した反射光量分布の光量ピークから（図３（ｃ））、各スリットの受光位置（つまり入射角度φ）が決まる。各スリットの照射角度はあらかじめ決まっているので、２枚の濃度パターンの強度比から求まった照射角度θで、スリット番号が決まる。強度比法の照射角精度をΔθｉとすると、各スリットの照射角度の差をΔθｉより大きくすることで、スリット番号を確実に判断できる。その結果、高精度測定できるスリットの照射角度θと入射角度φ、基線長Ｌ（照射手段と撮像手段の距離）から、三角測量の原理に基づき、各スリット位置での空間座標が求められる。
パターンの種類は、強度比法を構成する２つの濃度パターンとマルチスリットパターンの３種類である。照射回数は、３つのパターンを個別に照射する３回でも良いし、異なる波長（あるいは色）や異なる偏光状態などを用いて複数のパターンを同時に照射してもよい。
概形を計測する強度比法とマルチスリットは別パターンなので、照射手段に多少光学的ぼけがあってもパターンの濃度分布に与える影響は小さいといえる。その理由は、光学的ぼけは一種のローパス空間フィルタであり、本実施例の強度比法用で用いた単調の光量が変化する濃度パターンには影響が少なく、マルチスリットパターンについても、基線方向に対する微分演算を行うことでピーク検知を行えるので、ピークがぼけて光量レベルが変わったとしても影響は少ないためである。
３つのパターンを照射するには、例えば３つの光源で３つの濃度マスクを照射し、プリズムなどで光軸を合わせて照射しても良いし、液晶パネルのような動的に透過率を変えられる素子を用いて、３つのパターンを逐次的に、あるいは波長や偏光を変えて同時に照射しても良い。
【０００９】
次に本発明では、請求項１に記載の技術的事項に加えて、２枚の単調な濃度パターンの濃度が階段状に離散値を取り、マルチスリットパターンの各スリットに対応する位置で、濃度が平坦である構成を取る。
本発明では、スリット位置（図４（ｃ））近傍で強度比（図４（ａ）、（ｂ）が一定の離散的なレベルを取り、この離散値からスリット番号を求める。図中に示した矢印で対応させているように、スリット位置は、階段状に離散化された濃度レベルの中央に位置している。そのためスリット位置では、確実に離散化された強度比のレベルが対応する。離散化の効果で、光量に変動があった場合にも強度比のレベルの判断に誤差が入りにくくなる。
【００１０】
更に、本発明では、請求項１に記載の技術的事項に加え、２つの濃度パターンの一方と、マルチスリットパターンを、同じ色で同時に照射する構成を取る。
例えば、請求項１に記載の技術的事項において、パターンは、図５（ａ）のような視差方向に光量が増加するパターンにパルス状にマルチスリットパターンが合成されたパターンと、図５（ｂ）の、基線方向に濃度が減少するパターンを照射する。
強度比法の１つの濃度パターン、例えば傾斜パターンとマルチスリットパターンを同じ色で同時に照射すると、一見すると２つのパターンを相互に分離できないようだが、マルチスリットパターンのピーク位置同定は、基線方向に反射光強度を走査しながらピーク検知を行うので、強度比法の濃度パターン（ここでは傾斜パターン）のような分布がゆっくり変化するパターンが重なっていても検知が可能である。同定したスリット近傍を除けば、傾斜パターンは分布の影響を受けないので、傾斜パターンとマルチスリットパターンを同時照射したパターン（以下では合成パターンと呼ぶ）は、スリット位置ではマルチスリットパターン、それ以外では傾斜パターンとして機能する。例えば、強度比法用のもう１つの濃度パターンを傾斜パターンとすると、合成パターンと傾斜パターンの比から、一部はマルチスリットの情報を取り出せ、一部は強度比法の強度比情報を取り出せる。スリット番号は、スリット位置の周辺の強度比情報から推定できる。
合成パターンは、濃度パターンとマルチスリットパターンを同軸上に位置合わせして照明してもよいし、はじめから１つのパターンとしてフィルムに書き込んで、このフィルムを用いて照明しても良い。こうすると、２枚のフィルムで濃度パターンと合成パターンを照射できるので、パターンを照射する光学系を簡単化できる。また色を変えることで、照射用フィルムを１枚にまとめることもできる。
【００１１】
次に、本発明では、基線方向に対して異なる単調な強度分布を持つ２つの濃度パターン光を照射する照射手段と、測定物体から反射された光の受光量と受光位置を取得する撮像手段と、照射された２つの濃度パターンの両方あるいは一方が階段状の濃度分布であり、２つの階段状の濃度分布の強度比の階段状の変化から階段位置を求め、隣接する階段の段の中央の強度比から階段の番号を推定し、得られた階段番号と階段位置から、各階段位置で測定物体の形状を計算する形状計算手段からなる構成を取る。
本発明は、強度比法の傾斜パターンの濃度レベルを階段状に離散化し、階段状に得られた強度比の変化点をスリットとみなし、マルチスリット法を適用する。以下では強度比の変化点を擬似スリットと呼ぶ。例えば、図６（ａ）のような階段状に透過率が増加するフィルタと図６（ｂ）のように階段状に透過率が減少するフィルタを組み合わせると、階段の段差部で光量が変化するので、ここが擬似スリット位置となる。
この時、擬似スリット周辺の強度比は一定の離散値を取るので、その強度比から擬似スリットの番号を決定できる。検知される強度比そのものを離散化することで、光量ノイズへの耐性が改善されている。強度比法の２枚のパターンだけで、形状計測を行えるので、パターン数を減らし照射光学系を簡単化できる。
擬似スリットの検知は、例えば次のように行う。光量ノイズの影響を減らすために強度比分布を一旦平滑化し、次に微分を行う。強度比の変化点でピークが検知されるので、そこを擬似スリット位置とする。
強度分布が単調であるのは意味がある。階段状に離散化された強度比のレベルがは、単調でなくとも一意であれば、撮像系での撮像結果から一意に特定可能である。しかし、照射光学系は理想的ではなく収差と焦点深度を持つため、照射したパターンがぼけてしまう。単調な分布でなければ、強度比が大きく変化する場所で、パターンぼけによりレベルの強度比自体が変動してしまいやすい。パターンのボケを空間周波数に関するローパスフィルタとみると、フィルタの前後で分布の変化が少ないのは、光量分布、つまり強度比分布がゆっくり変動する空間周波数成分を持てばよい。単調な分布はこの条件を満たしているのでぼけに対する耐性が高いといえる。
【００１２】
ついで、本発明では、請求項４に記載の技術的事項に加え、階段状の濃度分布を持つ濃度パターンの階段位置で、パルス状に濃度変化を設けた構成を取る。
本発明に係る照射パターンは、離散化された階段状の強度比分布にマルチスリットパターンを重ねものともいえる。強度比法の照明光学系の焦点深度や収差の影響で、強度比を離散化した階段状の分布がぼけた場合、階段状の分布を明確に検知することが難しくなる。
本発明では、例えば図７（ａ）のような階段の段差にパルス状のマーカを設けたパターンと、図７（ｂ）のような平坦パターンの光量分布を照射する。図７（ｂ）は図６（ｂ）のような階段状の分布でも良い。階段位置にパルス状のマーカを設けることで、分布が多少ぼけても階段位置を同定できる。パルスの濃度分布としては、一定濃度のパルスパターンを加算する、あるいは加算すべき濃度パターンの濃度に比例した濃度のパルスパターンを加算するなどが考えられる。
更に、本発明では、請求項５に記載の技術的事項に加え、基線方向に対するパルス状のマーカの照射角度幅をθｏ、濃度パターンの階段１つの照射角度をθｓ、階段部の強度比をＲｂ、パルスのピーク強度比をＲｏ、階段での強度比の変化をΔＲとすると、
ΔＲ／２＞（Ｒｏ−Ｒｂ）θｏ／θｓ
の関係が成り立つ構成を取る。
本発明は、パルスマーカの強度比レベルを周辺強度比とあわせて調整し、パルスがぼけても階段部の強度比による擬似スリット番号の判断ミスを生じないようにするものである。
強度比法の照明光学系の焦点深度や収差の影響で、強度比を離散化した階段状の分布がぼけた場合、階段状のパターンだけでなくパルス状のマーカも同時にぼける。パルスのマーカがぼけて、広がったパルスとして検知されると、階段部分の強度比の値が変動して、離散化された強度比の認識誤りを生じることになる。特にこの状況はスリット数、つまり階段数が多い場合に生じる。
最悪条件を考え、もし仮にパルス状マーカが均一に広がったとしたら、図８に示すように、パルスの周辺の強度比に対する強度比（Ｒｏ−Ｒｂ）は、パルスの真の照射角度幅から、階段部の照射角度θｓまで広がるので、＞（Ｒｏ−Ｒｂ）　θｏ／θｓの強度比変化が生じる。離散化された強度比の判定を行う場合、本来の強度比±ΔＲ／２の範囲内にあることが判別に必要とされる。そのため、上記の式が必要条件となる。
【００１３】
次いで、本発明では、請求項１、４に記載の技術的事項に加え、複数の照射パターンを赤、青、緑のうち異なる３色に割り当て、同時に照射する構成を取る。ユーザの使い勝手の視点で考えると、１回の撮像で形状を計測できることが望ましい。本請求項は、複数の照射パターンを色を変えて同時照射することでこれを実現する。形状測定では必ずしも可視光で観察しなくても良いが、複数のパターンを波長を変えて照射、検知するには、照射光の波長として赤、緑、青の三原色を用い、撮像手段として三原色を分離するカラーカメラをなど用いるのが一番低コストに向いている。
照射パターンを照射するには、例えば、カラーフィルムに必要な色で照射パターンをフィルムに書き込んでおけばよい。こうすることで照射光学系を濃度パターン生成のためのカラーフィルムと光源で構成することができて、低コストの面で有利である。
一般に低価格のカラーカメラでは、赤と青は波長が離れているのでカメラでの色分離は十分だが、透過フィルタの透過率の関係から、緑の透過フィルタは赤と青の光量も検知してしまう。つまり緑で検知したデータには赤と青のデータが混入してしまう。特に、マルチスリットパターンを別パターンで照射する構成の場合は、緑にマルチスリットパターンを割りあてれば、多少強度比法の濃度パターンのデータが混入しても、濃度パターンとマルチスリットパターンの空間周波数の違いによりスリット位置を決定するのに問題が生じにくい。
本発明では、請求項１、４に記載の技術的事項に加え、２つの濃度パターンの一方が一定濃度の平坦パターンであり、この平坦パターンを白色光で照明することで、測定物体のテキスチャを同時に撮像する構成を取る。
３次元形状測定では、測定物体のテキスチャ画像、つまり通常照明下での測定物体の画像を取得し、形状データの上に貼り付ける場合が多い。例えば、人間をモデリングしたコンピュータグラフィクスの形状データと顔や衣服を貼り付けるなどである。本請求項では強度比法の１つの濃度パターンとして平坦パターンを用い、この平坦パターンを白色光で照明する。すると、撮像した結果は通常の白色照明で得られる画像と同等のものが得られるので、これをテキスチャ画像とする。例えば図７（ｂ）が平坦パターンの照射分布である。
もう一方の濃度パターンは単調で連続な傾斜パターンや、強度比を離散化したパターンとする。この時、濃度パターンは何色で照明しても良いが、白色照明で照射すれば測定物体の色に依存しないので、白色照明が望ましい。
【００１４】
最後に、本発明では、請求項１、４に記載の技術的事項に加えて、照明手段、照射パターンを基線方向に対して複数の領域に分け、各領域ごとに濃度パターンを同時に照射する照明手段であり、撮像手段と形状計算手段のほかに、各領域を判別する領域判別装置からなる構成を取る。
上記の請求項１、４に記載の技術的事項では、強度比分布を単調分布としたことで強度比の一意性を確保し、強度比の特定に曖昧さがなかった。本発明では、この一意性の条件をはずして強度比の特定に曖昧さを許すかわりに、強度比の検知時のＳ／Ｎ比を事実上改善する。強度比法に、従来例であげた領域分割強度比法の考え方を導入したものといっても良い。
分布が連続の場合も離散化されている場合も、強度比のレベルを判定するには、撮像素子の光量分解能が十分これを検知できなくてはならない。撮像素子としてはＣＣＤやＣＭＯＳの２次元アレーが一般的だが、現状で、光量のダイナミックレンジも、光量分解能もそれほど高いとはいえない。光量分解能が決まっていれば、光量の変化範囲を光量分解能で割った値、例えば８ビットのＡＤコンバータで光量検知を行った場合は、２５６レベルの光量しか分解できないため、判別できる強度比のレベルも２５６以下となる。実際には、測定物体の反射率の変動分で、受光素子のダイナミックレンジが狭まり、２５６レベルを完全に使えるわけではない。
本発明のように、測定範囲を複数領域に分け、各々について請求項１、４に記載の技術的事項を適用すれば、照射領域全体でみた場合、強度比の検知レベル数は領域数倍される。つまり強度比のＳ／Ｎ比が領域数倍改善されたことになる。スリット数は強度比のＳ／Ｎ比で制限されるので、スリット数が領域数倍され、すなわち測定点数が領域数倍される。
請求項１に記載の技術的事項に基づいた場合に対して、具体的なパターンの例を示す。例えば、領域を４つに分け、各々に図３（ａ）のパターンを繰り返すパターン図９（ａ）と、（ａ）と組で強度比を求めるための平坦パターン図９（ｂ）、マルチスリットパターン図９（ｃ）の３つのパターンを考える。請求項１に比べて領域数が４倍されているが、平坦パターンと組にしているので、スリット位置が１つ異なったときの強度比のレベルの変化は、請求項１の２倍となる。つまり撮像素子に必要なＳ／Ｎが半分でも請求項１と同じ精度でスリット位置の強度比の値を決定することができる。
本発明では、領域の曖昧さを事前になくしておくことが前提となる。図９の例でいうと、４つの領域のどこを測定しているかを何らかの方法で事前に決定しておく。例えば、測定物体の奥行き範囲を限定することで、撮像系で観察される像の基線方向の移動範囲を限定することができるので、現実的には大きな問題とはならない。
【００１５】
以下に本発明の実施例に基づきより詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例により限定されるものではない。
（実施例１）
本実施例は、請求項１と７に記載の技術的事項に基づいている。図１０に示すように、照明装置２４の照明光２５を測定物体２６に照射し、カメラ３０で反射光２７の像を検知し、３角測量の原理で測定物体２６の形状を計測するものである。基線方向はカメラ３０の結像レンズ２８と照明装置２４の光源位置２１ａを結ぶ方向であり、図面では左右方向である。照明装置２４の内部では、白色の光源２１でカラーフィルタ２２を照射し、フィルタで強度変調した光を照射光２５とする。光パターンの切り替えは光源２１ａ、２１ｂの切り替えで行なう。カメラ３０は、測定物体２６の像を検知するカラーＣＣＤ２９と、ＣＣＤ２９に像を形成する結像レンズ２８からなる。ＣＣＤ２９で得られた光量分布データ３２は、形状計算装置３１で処理され、形状データ３３として出力される。
フィルタ２の光量分布には、強度比法用のパターンである図３（ａ）、（ｂ）のパターンを各々赤と青で、、図３（ｃ）のマルチスリットパターンを緑で書き込んでおく。この時、フィルタの緑の透過波長は、カラーＣＣＤの赤と青の透過バンドに重ならないようにする。カラーＣＣＤで検知された各色の光量分布のうち、緑の分布はマルチスリット用のパルスパターンしかなく、パルスであるかどうかさえ分かれば強度情報は厳密でなくても良い。そのため、市販の低価格のカラーＣＣＤを撮像カメラに用いることができる。また照明装置がフィルタと光源だけなので、構造と大きさを簡単化することができる。
形状計算装置では、まずカラーＣＣＤで得られた赤と青の光量分布の比から強度比分布を得る。フィルタの緑の透過バンドを狭くしているので、赤と青の光量データにはマルチスリットパターンのデータは混入していない。この強度比分布から、測定物体の概形を求める。次に緑のマルチスリットパターンに対する光量分布に対し、基線方向に対してピーク検知を行い、スリットの各ピーク位置を決定する。スリット間隔が強度比法の測定精度以上はなれていれば、強度比法で得られた概形から各ピークに対して強度比法の精度でスリット番号を決定できる。一旦スリット番号が求まれば、スリット位置の空間座標がスリット法と同じ精度で求められる。
【００１６】
（実施例２）
本実施例は、請求１、３、７に記載の技術的事項に基づいている。実施例の全体構成は図１０と同じなので、説明を省略する。本実施例では、図３（ａ）のマルチスリットパターンの単調な濃度パターンの合成パターンを赤で、図３（ｂ）の単調な濃度パターンを青のでフィルタに書き込んでおく。形状計算装置では、カラーＣＣＤの赤と青の光量パターンの比から強度比分布を求める。この強度比分布を、光量ノイズを除去するため一旦平滑化フィルタ、例えば隣接セルとの平均を取るフィルタを通す。次に基線方向に微分すると、光量ノイズの影響を受けずに局所的な強度比変化が大きいマルチスリットパターンだけを選択的に検知できるので、その結果、ＣＣＤ上での各スリット位置が特定される。スリット位置が分かればスリット周辺の強度比を用いてスリット位置の強度比を推定できる。例えば、各スリット部のデータを除去した強度比分布が得られるので、この強度比分布を補間して得られた強度比を用いるなどの方法が考えられる。スリット位置とその位置での強度比が分かるので、実施例１と同様に強度比からスリット番号を推定し、その結果スリット位置の空間座標が求まる。
実施例１にくらべると、スリット位置の強度比を推定する手間が増えるが、必要なパターン数が１つ減っているため、フィルタの透過特性に気を使わずに済むので、低コスト化が期待できる。
【００１７】
（実施例３）
本実施例は、請求４、５、６、８に記載の技術的事項に基づいている。実施例の構成を図１１に示す。図１０との違いは光源部である。光源１ａ、ｂによりフィルム２ａ、ｂを照射した照明光をハーフミラー３により合成している。フィルタ２ａの濃度分布はパルス状のマーカがついた階段状の強度比分布である図５（ａ）、フィルタ２ｂの濃度分布は図５（ｂ）の平坦パターンである。光源１ａ、ｂは白色光源であり、黒色物体でないかぎり必ず測定物体上で散乱光が生じるので、測定物体の色分布の影響が少ない。形状計測のためにはＣＣＤはモノクロでも良いが、テキスチャ撮影を考慮しカラーＣＣＤを用いる。
形状計算装置では、撮像カメラで得られた階段パターンと平坦パターンの光量の比から強度比分布を得る。まず平滑化フィルタで光量ノイズを除去する。次にその結果を基線方向に微分すると、階段の段差で微分値がピークを生じるので、スリット位置となる階段の位置を検知できる。スリット周辺では強度比が平坦で離散化されいるので、スリット位置から基線方向に隣接する強度比を探索すると、強度比が平坦な部分が現れるので、その強度比を手がかりに、強度比のどの階段に対応するか、つまりスリット位置を決定でき、その結果、各スリット位置の空間座標が求まる。最後に平坦パターンから得られたテキスチャデータを形状データにマッピングする。
実施例１、２に比べて照明装置が複雑になるが、白色照明を用いることによる測定物体に対する色依存性の少なさや、平坦パターンによるテキスチャ取り込みが行えるなどの利点がある。
【００１８】
（実施例４）
本実施例は、請求項２及び９に記載の技術的事項に基づいている。実施例の全体構成は図１０と同じなので、説明を省略する。本実施例のフィルタ２には、図１２ａの離散化した周期的な強度比分布を赤で、図１２（ｂ）の平坦パターンを青で、図１２（ｃ）のマルチスリットを緑で書き込んでおく。
形状計算装置では、まずカラーＣＣＤの緑と青の光量分布の比から、スリット位置に対応するパルス状の強度比分布を得る。強度比を取ることで測定物体の反射率変動をキャンセルできるので、より安定にスリット位置を特定できる。次に、赤と青の光量パターンの比から強度比分布を求める。得られる強度比は離散化されているので、光量ノイズによる強度比変動に影響を受けにくい。また周期的な強度比パターンを用いることで、強度比のレベルに曖昧さが生じるが、実施例３とＣＣＤのダイナミックレンジが同じでも、繰り返しの数だけ強度比のレベル差を大きく取ることができる。さらに、測定範囲を限定することで、各スリットの照射角度の変動範囲を限定し、照射角度を一意に特定できるようにする。
具体的には、測定範囲を決定し、その条件での照射角度範囲を求め、繰り返しの１つの領域がその範囲より広くなるように繰り返し数を選ぶ。求まったスリット位置と離散化された強度比から、スリットの番号が特定され、スリット位置の空間座標が高精度に求まる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１では、強度比法を併用することで照射装置の光量ぼけがあっても、スリット番号を誤りにくいので、より正確な計測を行える形状計測装置を実現できる。
請求項２では、スリット位置の強度比を離散化することで、光量に変動があった場合にも強度比のレベルの判断に誤差が入りにくくなるため、その結果スリット番号の判断誤りを減らすことができて、距離精度の向上が見込める。
請求項３では、２つの濃度パターンの一方と、マルチスリットパターンを、同じ色で同時に照射するので、必要な照射パターン数を減らしながら、スリット位置の同定を誤らない形状計測を行える。
請求項４では、マルチスリットパターンと強度比法のパターンが融合しているので、照射マスクの枚数が２種類にでき、しかも形状測定時にユーザに与える負担を軽減できる。また、照射した強度比が離散的になるので、照射パターンに多少光量ゆらぎがあっても階段番号の判別を誤りにくい頑健な形状計測を行える。請求項５では、階段状の濃度分布を持つ濃度パターンの階段位置で、パルス状に濃度変化を設けたので、請求項４に加えて強度比の階段部をパルス状にすることで、照射装置に多少の光学的ぼけがあっても階段位置の認識を誤りにくくなり、照射装置の焦点深度に依存しにくい形状測定を行うことができる。
【００２０】
請求項６では、基線方向に対するパルス状のマーカの照射角度幅をθｏ、濃度パターンの階段１つの照射角度をθｓ、階段部の強度比をＲｂ、パルスのピーク強度比をＲｏ、階段での強度比の変化をΔＲとすると、
ΔＲ／２　＞（Ｒｏ−Ｒｂ）θｏ／θｓ
の関係が成り立つことにより、マーカとして階段位置に設けたパルスがボケた場合に、階段部分の強度比変動が階段を判断する閾値以下になるようにしているので、照射装置の光学的ぼけがあっても階段番号の判断を誤らない形状計測を行うことができる。
請求項７では、複数の照射パターンを赤、青、緑うち異なる３色に割り当て、同時に照射するので、請求項１、４の複数のパターンを三原色の異なる色で照射して形状測定のための撮像を１回で済ませることができ、計測時間の短縮をはかれる。
実施例８では、２つの濃度パターンの一方が一定濃度の平坦パターンであり、この平坦パターンを白色光で照明することで、測定物体のテキスチャを同時に撮像するので、形状測定のための照射パターンの１つを用いて測定物体のテキスチャを取得でき、みかけの形状取得の回数を１回減らすことができ、ユーザにとって負担が少ない形状計測を行える。
請求項９では、測定領域を複数に分割することで、各領域内の形状をより精度良く求めることができる一方、各領域の判別を行うことで、スリットが属する領域の曖昧さをなくしているので、検知された強度比の誤差によるスリット番号の誤りを減らし、確実な形状測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のガルバノミラーでビームを走査する３Ｄ形状測定器の概略図。
【図２】一般の３Ｄ形状測定器の原理の説明図。
【図３】本発明の形状測定器に用いる照射光線の照射角度と光量の関係の説明図。
【図４】本発明の形状測定器に用いる他の照射光線の角度と光量の関係の説明図。
【図５】本発明の形状測定器に用いる他の照射光線の角度と光量の関係の説明図。
【図６】本発明の形状測定器に用いる他の照射光線の角度と光量の関係の説明図。
【図７】本発明の形状測定器用の更に他の照射光線の角度と光量の関係の説明図。
【図８】本発明の形状測定器用の更に他の照射光線の角度と光量の関係の説明図。
【図９】本発明の形状測定器用の更に他の照射光線の角度と光量の関係の説明図。
【図１０】本発明の形状測定器の構成を示す概略図。
【図１１】本発明の形状測定器の光源部にハーフミラーを用いた構成を示す概略図。
【図１２】本発明の形状測定器用光線に離散化周期性強度分布の光線を用いた場合の角度と光量の関係の説明図。
【符号の説明】
１　半導体レーザユニット、２　ガルバノミラー、３　シリンドリカルレンズ、４　測定物体、５　スリット、６　反射光、７　結像レンズ、８　ＣＣＤ、９基線長Ｌ、１０　スリット、１１　測定物体、１２ａ　距離Ｚａ、１２ｂ　距離Ｚｂ、１３　受光器、１４　結像レンズ、１５　パルス状マーカー、１６　階段部、１７　光源、１８　フィルタ、１９　照明装置、２０　照明光、２１　測定物体、２２　反射光、２３　結像レンズ、２４　ＣＣＤ、２５　撮像カメラ、２６　形状計算装置、２７　光量分布データ、２８　形状データ、３１　光源、３２　フィルタ、３３　ハーフミラー、３４　照明装置、３５　照明光、３６　測定物体、３７　反射光、３８　結像レンズ、３９　ＣＣＤ、４０　撮像カメラ、４１　形状計算装置、４２　光量分布データ、４３　形状データ

Claims (9)

1. 基線方向に対して異なる単調な強度分布を持つ２つの濃度パターン光と、同じく前記基線方向に対してマルチスリットパターン光を照射する照射手段と、照射された２つの前記濃度パターン光とマルチスリットパターン光の各々について、測定物体から反射された光の受光量と受光位置を取得する撮像手段と、２つの濃度パターンに対する受光量の比から前記マルチスリットパターン光の各スリットの番号を推定し、得られたスリット番号とスリットの受光位置から、各スリット上で測定物体の形状を計算する形状計算手段と、を備えたことを特徴とする光学的形状測定装置。
2. ２枚の単調な濃度パターンの濃度が階段状に離散値を取り、前記マルチスリットパターン光の各スリットに対応する位置で、濃度が平坦であることを特徴とする請求項１記載の光学的形状測定装置。
3. ２つの濃度パターンの一方と、前記マルチスリットパターン光を、同じ色で同時に照射することを特徴とする請求項１または２記載の光学的形状測定装置。
4. 基線方向に対して異なる単調な強度分布を持つ２つの濃度パターン光を照射する照射手段と、測定物体から反射された光の受光量と受光位置を取得する撮像手段と、照射された２つの濃度パターンの両方あるいは一方が階段状の濃度分布であり、２つの階段状の濃度分布の強度比の階段状の変化から階段位置を求め、隣接する階段の段の中央の強度比から階段の番号を推定し、得られた階段番号と階段位置から、各階段位置で測定物体の形状を計算する形状計算手段と、を備えたことを特徴とする光学的形状測定装置。
5. 階段状の濃度分布を持つ濃度パターンの階段位置で、パルス状に濃度変化を設けたことを特徴とする請求項４の光学的形状測定装置。
6. 基線方向に対するパルス状のマーカの照射角度幅をθｏ、濃度パターンの階段１つの照射角度をθｓ、階段部の強度比をＲｂ、パルスのピーク強度比をＲｏ、階段での強度比の変化をΔＲとすると、
   ΔＲ／２＞（Ｒｏ−Ｒｂ）θｏ／θｓ
   の関係が成り立つことを特徴とする請求項５の光学的形状測定装置。
7. 複数の照射パターンを赤、青、緑うち異なる３色に割り当て、同時に照射することを特徴とする請求項１又は４の光学的形状測定装置。
8. ２つの濃度パターンの一方が一定濃度の平坦パターンであり、この平坦パターンを白色光で照明することで、測定物体のテキスチャを同時に撮像することを特徴とする請求項１又は４の光学的形状測定装置。
9. 照明手段及び照射パターンを基線方向に対して複数の領域に分け、各領域ごとに濃度パターンを同時に照射する照明手段であり、前記撮像手段と形状計算手段のほかに、各領域を判別する領域判別装置と、を備えたことを特徴とする請求項１又は４の光学的形状測定装置。

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