JP2004170305A - ３次元形状計測方法および３次元形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学的に十分な距離を有しながら実際の装置の奥行き長を短くして、小型化を図ることが可能な３次元形状計測装置を提供する。
【解決手段】被計測物体から同一距離にあり、拡散角の異なる拡散光を照射する複数の照明手段と、前記各照明手段で照射された前記被計測物体を撮影する撮影手段と、前記撮影手段で撮影された画像データを記録する記録手段と、前記記録手段に記録された画像データを用いて、３次元形状を演算する演算手段とを備える。また、ハーフミラーにより、前記各照明手段から照射される拡散光を一つの光軸上に合成して、前記被計測物体を照射する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被計測物体の３次元形状または３次元形状と色を計測する３次元形状計測方法および３次元形状計測装置に係わり、特に、計測産業、通信産業、映像産業などの分野において使用される３次元形状計測方法および３次元形状計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カメラを用いて被計測物体の３次元形状を取得する様々な計測装置が提案されている。これらの方法は、ステレオ法に代表される被計測物体に特別な照明を照射しないパッシブ型計測装置、被計測物体に特別な照明を照射するアクティブ型計測装置に分類できる。
パッシブ型計測装置は、特に、ステレオ法はカメラ２台でできるため非常に低コストで汎用性もあり、昔から精力的に研究されてきたが、未だに計測の信頼性が低く汎用的に使える装置としては実用段階に至っていない。
一方、アクティブ型計測装置は計測精度、分解能、計測信頼性も実用水準に到達しており、近年では動画像計測も可能となった。
しかしながら、一般に装置が大型かつ高価であり携帯化できるサイズヘの小型化は不可能であった。
また、アプリケーションによっては、計測精度や分解能が低くて構わない場合も多いが、従来のアクティブ型計測装置ではこれらのスペックを下げても装置の低価格化や小型化を効率よくはかることができない。
【０００３】
これに対し、異なる距離の光源から拡散光を被計測物体に照射し、各々の輝度値の比を取ることによって距離を求める装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
前述の特許文献１に開示されている装置の構成を図１４に示す。
図１４において、１３は被計測物体、１１は遠方の光源、１２は遠方の光源１１より距離ｘ０だけ被計測物体１３に近い光源、１４は撮影カメラ、１５は画像データの記録メモリ、１６は画像データの演算器、１７は全体の制御装置である。
図１４に示す装置は、計測精度分解能はあまり高くないものの、基本的には２つの光源とカメラを用意するだけで装置を構成することができるので、極めて低価格に作ることが可能であり、その他の方式と比較すれば比較的小型の装置にすることも可能である。
【０００４】
図１４に示す装置の動作と計測原理を説明する。
初めに、制御装置１７は、光源１１を点灯して拡散光を被計測物体１３に照射し、撮影カメラ１４で被計測物体１３を撮影し、この画像データを記録メモリ１５に記録した後、光源１１を消灯する。
光源１１と被計測物体１３間の距離をｘ、光源１１の光量をＬ１、光源１２の光量をＬ２とすると、光源１１で照明された被計測物体１３上のある地点の輝度Ｖ１は、光源１１から来る光を撮影カメラ１４の方向に反射する反射率をｋとすると、下記（１）式で与えられる。
【数１】
Ｖ１＝ｋＬ１／４πｘ^２ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （１）
次に、制御装置１７は、光源１２を点灯して拡散光を被計測物体１３に照射し、撮影カメラ１４で被計測物体１３を撮影し、この画像データを画像メモリ１５に記録した後、光源１２を消灯する。
この時、光源１２で照明された該地点の輝度Ｖ２は、下記（２）式で与えられる。
【数２】
Ｖ２＝ｋＬ２／４π（ｘ−ｘ０）^２ ・・・・・・・・・・・・ （２）
【０００５】
次に、制御装置１７は、演算器１６を用いて、（１）式と（２）式の比をとることによって該地点の距離ｘを求め、全画素について、この演算を施すことによって被計測物体１３の３次元形状データを求めて、記録メモリ１５に書き込む。この時の演算式は、（１）式および（２）式より、下記（３）式で与えられる。
【数３】
ｘ＝ｘ０／｛１−√（Ｖ１Ｌ２／Ｖ２Ｌ１）｝・・・・・・・・・・・・ （３）
前述の特許文献１では、１点の距離計測なのか、３次元形状全体の計測なのか明示されていないが、動作原理は同じで３次元形状計測を明示的に示した請求項が特許文献２に記載されている。また、特許文献２と全く同じ内容の特許が数式の表現を代えて、特許文献３の請求項１および請求項２、特許文献４の請求項１、特許文献５の請求項１、および、特許文献６の請求項１に記載されている。
【０００６】
なお、本願発明に関連する先行技術文献情報としては以下のものがある。
【特許文献１】
特開昭６１−１５５９０９号公報
【特許文献２】
特開昭６３−２３３３１２号公報
【特許文献３】
特開２００２−７７９４４号公報
【特許文献４】
特開２００２−６５５８１号公報
【特許文献５】
特開２００２−９５６２５号公報
【特許文献６】
特開２００２−６５５８５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の図１４に示す装置は、以下に掲げる問題点がある。
（１）装置を薄型化できない。
装置の奥行き長は、図１４の二つの光源間の距離ｘ０で決まるが、ｘ０を小さくすると距離計測の分解能が悪くなるため、実用に供するためにｘ０は大きくする必要がある。
しかし、ｘ０が大きいと、装置の奥行き長が長くなる他、手前の光源１２が遠方の光源１１の影とならないように横方向にずらす距離ｙも大きくなってしまい、装置が大型化する問題が起こる。また、距離ｙを大きくすると、後で述べる課題２にかかげた問題がより深刻化する。
光学的に充分な距離ｘ０を有しながら実際の装置の奥行き長が短くてすむ小型装置を提供することが本発明の課題１である。
【０００８】
（２）光沢のある物体が計測できない。
前述の（１）式と、（２）式とは、どちらも同じ反射率ｋを用いている。これは照明の入射角に依存せず同一方向（撮影カメラ方向）への反射率は同じであることを前提としている。
しかしながら、一般に物体の反射率ｋは、照明の入射角や照明の波長に依存して変化し一定ではない。図１４に示す装置では、光源の波長（色）が同じであること前提としているので後者の問題はないが、距離ｙが大きくなると、光源１１と光源１２の入射角の差も大きくなるので、反射率ｋの変化が無視できなり正確な計測ができなくなる。
特に、光沢のある物体に代表される鏡面反射特性の強い物体に照明を当てるとハイライトを生じるが、ハイライト近辺領域は照明の入射角のわずかな違いで反射率ｋが大きく変わるため計測不能となってしまう。
従って、従来の技術では石膏など光沢のない拡散反射特性の強い物体の計測に限られていた。ちなみに、前述の特許文献２では、実験に石膏像を使用している。
被計測物体が光沢のある物体でも計測可能な装置を提供することが本発明の課題２である。
【０００９】
（３）性能を落とさず物体の色と形状を同時に取得できない。
従来の技術では、被計測物体の色は計測しない、もしくはカラーカメラを用いて形状計測と色計測を兼用する公知の方法によっている。
ところが、カラーカメラのＳＮ比は、モノクロカメラより悪いためわずかな輝度差から距離情報を算出する本計測法においては不都合である。
別々の専用カメラを用いて形状計測と色計測を同時に行うことによってこの問題を解決しながら、両カメラの撮影の光軸を一つとしてオクルージョン（色計測カメラまたは形状計測カメラには写りながら形状計測カメラまたは色計測カメラからは影となって見えない領域）のない色と３次元形状の同時計測可能装置を提供することが、本発明の課題３である。
【００１０】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、３次元形状計測方法および３次元形状計測装置において、光学的に十分な距離ｘ０を有しながら実際の装置の奥行き長を短くして、小型化を図ることが可能となる技術を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、３次元形状計測方法および３次元形状計測装置において、被計測物体が光沢のある物体でも計測することが可能となる技術を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、３次元形状計測方法および３次元形状計測装置において、色計測カメラと形状計測カメラとして、それぞれ別々の専用カメラを用いて形状計測と色計測を同時に行うとともに、両カメラの撮影の光軸を一つとしてオクルージョンのない色と３次元形状とを同時に計測することが可能となる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述の課題１を解決するため、本発明（請求項６に記載された発明）では、被計測物体から同一距離にあり拡散角の異なる拡散光を照射する複数の光源と、被計測物体を撮影する手段と、画像データの記録手段と、画像データの演算手段とを備える。
本発明の３次元形状計測装置の動作、測定原理や動作は前述した従来の３次元形状計測装置と同じであり、照明手段の構成が異なる。これを図１を用いて説明する。
図１（ａ）は、従来の装置の照明手段を示す図であり、距離の異なる光源２１と光源２２からなり、各々の光源（２１，２２）から順次拡散光を被計測物体２３に照射して撮影する。
この図１（ａ）から分かるように、装置の奥行き長２４は少なくともｘ０以上が必要となる。また、手前の光源２１が、奥の光源２２の影とならないよう横または縦方向に距離２５だけずらして配置しなければならない。
【００１２】
これに対して、図１（ｂ）に示す本発明の３次元形状計測装置は、被計測物体２３から同一距離にある二つの光源（２６，２７）から拡散角の異なる拡散光を照射する。
光の広がり方は、光源２６は位置２１５に仮想的な点光源を置いた場合と等価であり、光源２７は位置２１６に仮想的な点光源を置いた場合と等価であるので、位置２１５と位置２１６の距離差で与えられる光学的な距離差ｘ０は従来の３次元形状計測装置と同じである。
よって、同じ光学的な距離差ｘ０を有しながら、実際の奥行き長は、図１（ｂ）に示す２８の長さに短縮できる。
図１（ｃ）に示す本発明の３次元形状計測装置は、光源２１１に負の拡散角を与えている。光源２１１から照射された光は一旦収束した後で拡散光となる。
光の広がり方は、光源２１１は位置２１７に仮想的な点光源を置いた場合と等価であり、光源２１０は位置２１８に仮想的な点光源を置いた場合と等価であるので、位置２１７と位置２１８の距離差で与えられる光学的な距離差ｘ０は従来の３次元形状計測装置と同じである。
光学的な焦点は、光源２１１の前方に位置する。よって、同じ光学的な距離差ｘ０を有しながら、実際の奥行き長は、図１（ｃ）に示す２１３の長さに短縮できる。
また、光源の照射面積も、図１（ｂ）より小さいので、より小型の光源で済み、位置２１２に光源２１０をよせることによって、縦方向にずらす距離も、図１（ｂ）に示す２９よりも、図１（ｃ）に示す２１４の距離に短縮できる。
【００１３】
なお、前述の（１）式、（２）式で用いる光源の光量は、図１４に示すように全方向に照射する点光源の光量を想定しているので、図１で用いるような特定の範囲に照射する光源の光量を予め補正する必要がある。
これは、光源２６、光源２１１の光源の光量をＬ１’、照射範囲の立体角をω１、光源２７、光源２１０の光源の光量をＬ２’、照射範囲の立体角をω２とすると、下記（４）式、（５）式にように変換することにより、全方向に照射する点光源の等価光量に変換される。
【数４】
Ｌ１＝４πＬ１’／ω１ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （４）
Ｌ２＝４πＬ２’／ω２ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （５）
以上説明したように、本発明の３次元形状計測装置は、光学的には十分な距離ｘ０を有しながら、実際の３次元形状計測装置の奥行き長は短くてすみ３次元形状計測装置の小型化がはかれるので課題１が解決される。また、横または縦にずらす距離も小さくできるので、被計測物体への照射角度の差も小さくでき課題２の解決にも有効である。
【００１４】
課題２を解決するため、本発明（請求項７に記載の発明）では、ハーフミラーを有し、複数の照明手段から照射される拡散光をハーフミラーで合成して一つの光軸上で照射することを特徴とする。
図２に、本発明の３次元形状計測装置の照明手段の構成図を示す。
図２において、３１と３２は異なる距離にある光源、３３はハーフミラー、３４は被計測物体、３５は撮影手段である。
図２に示す３次元形状計測装置では、光源３１と光源３２からの照射光は、どちらもハーフミラー３３で、同じ光軸３６に沿って進む光となり、被計測物体３４に照射されるので、２つの光源を切り替えて照射しても、被計測物体３４への照射角度の差をほとんど生じない。
その結果、被計測物体３４が、鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも照明の切り替えによる反射率の変化を無視できる程小さくできるので計測可能となり、課題２が解決される。
【００１５】
課題２を解決するため、本発明（請求項９に記載の発明）では、一つの光源と、時分割で複数の異なる光学経路を内部に作る光学系と、該光学経路毎に異なる拡散角の拡散光に変換する複数の光学手段と、被計測物体を撮影する手段と、画像データの記録手段と、画像データの演算手段とを備える。
本発明の３次元形状計測装置の動作、測定原理は、従来の３次元形状計測装置と同じであり照明手段の構成が異なる。この照明手段を図３を用いて説明する。図３において、４８は被計測物体、４１は平行ビームを照射する光源、４２と４３は回転ミラー、４４と４５はミラー、４６と４７は曲率の異なる凹レンズであり、平行ビーム光を拡散角の異なる拡散光に変換する。
図３（ａ）は、回転ミラー４２が光路からはずれた状態、回転ミラー４３が光路に４５度の角度で入り込んでいる状態を示す。
この状態では、光源４１からの照射光は、光軸４９に沿って通過し、凹レンズ４６で拡散光に変換されて、被計測物体４８に照射される。
【００１６】
図３（ｂ）は、回転ミラー４２が光路に４５度の角度に入り込んでいる状態、回転ミラー４３が光路からはずれた状態を示す。
この状態では、光源４１からの照射光は、光軸４１０に沿って通過し、凹レンズ４７で、図３（ａ）とは異なる拡散角の拡散光に変換されて、被計測物体４８に照射される。
つまり、時分割で、図３（ａ）の状態と、図３（ｂ）の状態とを切り替えて照射することによって、どちらの拡散光も同じ光軸に沿って、被計測物体４８に照射されるので照射角度の差をほとんど生じない。
その結果、被計測物体４８が鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも照明の切り替えによる反射率の変化を無視できる程小さくできるので計測可能となり、課題２が解決される。
【００１７】
課題２を解決するため、本発明（請求項１０に記載の発明）では、拡散光に変換する光学手段が拡散角を任意に制御できる手段であることを特徴とする。
図４（ａ）に、本発明の３次元形状計測装置の照明手段の構成図を示す。
同図において、５１は光源、５２はズームレンズや可変焦点レンズに代表される拡散角を任意に制御できる光学系、５３は被計測物体である。
光学系５２のズーム比を変えることによって、拡散角度の異なる拡散光５４と５５を照射する。どちらの照射光も同じ光軸上で被計測物体５３に照射されるので、被計測物体５３への照射角度の差はほとんどない。
その結果、被計測物体５３が、鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも照明の切り替えによる反射率の変化を無視できる程小さくできるので計測可能となり、課題２が解決される。
また、請求項７と請求項１０を組み合わせた３次元形状計測装置の照明手段を、図４（ｂ）と、図４（ｃ）に示す。
被計測物体の大きさや３次元形状計測装置からの距離によって最適な拡散角が異なるが、図４（ｂ）と、図４（ｃ）に示すように拡散角を任意に制御する手段を用いることによって、拡散光（５６、５７）の拡散角を任意に制御でき、被計測物体の大きさや３次元形状計測装置からの距離に幅広く対応することができる。
【００１８】
課題２を解決するため、本発明（請求項１１に記載の発明）では、偏光を照射する光源、若しくは、偏光を分離する光学手段のいずれかを照明手段内に有し、撮影手段の前に前記偏光と偏光の向きが直交する偏光を分離する光学手段を有し、偏光した拡散光を照射して該偏光の偏光の向きと直交する偏光のみを撮影することを特徴とする。
請求項１１と請求項６に基づく３次元形状計測装置の照明手段と撮影手段の構成図を図５に示す。
図５において、６１と６２は異なる拡散角の拡散光を照射する手段、６３は特定の向きの偏光を分離する手段、６４は光沢のある被計測物体、６５は、手段６３とは偏光の向きが直交する偏光を分離する手段、６６は撮影手段である。
従来の装置で照射すると画像６７が撮影されるが、被計測物体６４は光沢のある被計測物体なので、ハイライト領域６８が発生してしまう。
【００１９】
この現象と引き起こされる問題点を図６（ａ）を用いて説明する。図６（ａ）は、ある面に角度θで入射した光を同じ角度θに反射する反射率を図示している。
光沢のある物体の場合、垂直に入射した光を垂直方向に返す角度では鏡面反射によって著しく強い反射率７１を示す。この領域がハイライト領域６８に相当する。
本発明の３次元形状計測装置の計測原理においては、被計測物体表面の反射率ｋが照明を変えても変わらないことを前提としているが、異なる位置の光源をずらして配置している場合、照射角にわずかな違いδθが発生する。
光沢のない物体や、光沢のある物体においても、ハイライト領域から大幅にずれた角度（例えば、図中のθ１）であるなら、θ１と、θ１からδθ異なる入射光に対する反射率の差δｋ１は無視できるほど小さいが、ハイライト近傍領域の角度θ２である場合には、反射率の差δｋ２は無視できない程大きくなり計測不能となる。
【００２０】
一方、本発明では偏光が照射される。仮に、この偏光をＰ偏光とする。
図６（ｂ）は、ある面に角度θで入射したＰ偏光を同じ角度θに反射する光をＰ偏光と、Ｐ偏光と偏光の向きが直交するＳ偏光にわけて反射率を図示している。
これを見るとわかるようにハイライトの急激な反射率の増大分はほとんどＰ偏光で占められる。
本発明の３次元形状計測装置では、照明光と偏光の向きが直交する偏光のみを分離して撮影するので、図６（ｃ）に示すＳ偏光のみが撮影される。よって、ハイライトの消失した画像６９が撮影される。
ハイライトが消失しθに関わらずδｋは常に無視できるほど小さくなるので、被計測物体６４が、光沢のある物体でも計測が可能となり課題２を解決できる。また、ハイライトは著しく高輝度なので撮影可能なダイナミックレンジを越える問題（白トビまたはオーバーフロー）を生じやすいが、本発明はこの問題も軽減する効果がある。
【００２１】
課題３を解決するため、本発明（請求項１２に記載の発明）は、照明手段が赤外光を照射する手段であり、撮影する手段の前に赤外光と可視光を分離する手段と可視光の撮影手段とを有し、赤外光と可視光の撮影を一つの光軸上で行うことを特徴とする。
請求項６と請求項１２を組み合わせた３次元形状計測装置の構成とその動作を図７を用いて説明する。
図７において、８１と８２は赤外の異なる拡散光を照射する照射手段、８３は被計測物体、８４は赤外光は透過し可視光を反射するコールドミラー、８５は赤外光を撮影する撮影手段、８６は可視光を撮影する撮影手段である。
照射手段８１または照射手段８２から順次照射された異なる拡散角の赤外拡散光は被計測物体８３に照射される。
被計測物体８３からの反射光は、コールドミラー８４を通過して撮影手段８５にて撮影される。形状計測は、撮影手段８５で撮影した画像を用いて行う。
【００２２】
一方、被計測物体８３から出る可視光は、コールドミラー８４にて反射され、撮影手段８６で撮影される。これによって、色画像は撮影手段８６で計測されることになる。
なお、コールドミラー８４から反射した画像は左右が反転しているので、後述の実施の形態のようにミラーでもう一回反転させるか、撮影手段８６に左右反転機能を持つＴＶカメラを用いる。
本発明の３次元形状計測装置によって、形状計測カメラも色計測カメラも一つの光軸８７から撮影することになるので、色計測カメラには写りながら形状計測カメラには影となって写らない領域、若しくはこれと反対の領域などのオクルージョンを発生しないで色と形状の同時計測可能な３次元形状計測装置を実現することができ課題３を解決できる。
また、形状計測に専用の赤外モノクロカメラを使用できるので高ＳＮ比で形状計測が可能な他、色画像取得のためのライティングを計測光に影響されることなく独立に設定できる利便性も提供できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［実施の形態１］
図８は、本発明の実施の形態１の３次元形状計測装置の概略構成を示す図であり、この図８は、本願の請求項６に記載の３次元形状計測装置の実施の形態である。
図８において、９１と９２は拡散光を照射するライト、９３は曲率の小さなレンズ、９４は曲率の大きなレンズであり、ライト（９１、９２）、レンズ９３、およびレンズ９４で、請求項６に記載の被計測物体９５から同一距離にあり異なる拡散光を照射する複数の照明手段を構成する。
９５は被計測物体、９６は撮影カメラ、９７は画像データを記録する記録メモリ、９８は画像データの演算器、９９は全体を制御する制御装置である。
なお、記録メモリ９７、演算器９８、および制御装置９９は、画像入カポートを備えたコンピュータで構成し、演算器９８と制御装置９９は同じＣＰＵに兼用させても良いし、記録メモリ９７は、メモリの他、ハードディスクや光ディスクで代用しても良い。また、図中、細い矢印は制御の流れ、太い矢印はデータの流れを表す。
【００２４】
本実施の形態の３次元形状計測装置の動作を説明する。
制御装置９９は、ライト９１を発光させて、撮影カメラ９６で被計測物体９５の撮影を行い、記録メモリ９７に画像データを記録した後で、ライト９１を消灯する。この時、ライト９１から発せられた拡散光は、レンズ９３にて拡散角を調整された上で被計測物体９５に照射される。
次に、制御装置９９は、ライト９２を発光させて、撮影カメラ９６で被計測物体９５の撮影を行い、記録メモリ９７に画像データを記録した後で、ライト９２を消灯する。この時、ライト９２から出た拡散光は、レンズ９４にて負の拡散角を有する収束光に変換され、レンズ９４の先で一旦収束した後で拡散光になり、被計測物体９５に照射される。
制御装置９９は、記録メモリ９７に記録された２枚の画像データから、演算器９８を用いて、前記の（３）式の演算を行うことによって、３次元形状データを算出し記録メモリ９７に記録する。
なお、本実施の形態では、レンズ９３とレンズ９４とを用いたが、これは曲面ミラー、フレネルレンズ、ホログラフィカルレンズなどを用いても良い。
本実施の形態によれば、性能を落とさずに奥行き長の短い小型の３次元形状計測装置を実現することが可能となる。特に、一方だけを負の拡散角を有する拡散光（収束光）とすることによって、照明手段を著しく小型化することができる。
【００２５】
［実施の形態２］
図９は、本発明の実施の形態２の３次元形状計測装置の概略構成を示す図であり、この図９は、本願の請求項７に記載の３次元形状計測装置の実施の形態である。
図９において、１０１と１０２は拡散光を照射するライト、１０３は曲率の大きなレンズ、１０４は曲率の小さなレンズ、１０５はハーフミラー、１０６は被計測物体、１０７は撮影カメラ、１０８は画像データを記録する記録メモリ、１０９は画像データの演算器、１０１０は全体を制御する制御装置である。
なお、記録メモリ１０８、演算器１０９、および制御装置１０１０は、画像入カポートを備えたコンピュータで構成し、演算器１０９と制御装置１０１０は同じＣＰＵに兼用させても良いし、記録メモリ１０８はメモリの他、ハードディスクや光ディスクで代用しても良い。また、図中、細い矢印は制御の流れ、太い矢印はデータの流れを表す。
【００２６】
本実施の形態の３次元形状計測装置の動作を説明する。
制御装置１０１０は、ライト１０１を発光させて、撮影カメラ１０７で被計測物体１０６の撮影を行い、記録メモリ１０８に画像データを記録した後で、ライト１０１を消灯する。この時、ライト１０１から発せられた拡散光は、レンズ１０３にて負の拡散角を有する収束光に変換され、ハーフミラー１０５にて光量の半分が反射した先で、一旦収束した後で、拡散光になり被計測物体１０６に照射される。
次に、制御装置１０１０は、ライト１０２を発光させて、撮影カメラ１０７で被計測物体１０６の撮影を行い、記録メモリ１０８に画像データを記録した後でライト１０２を消灯する。この時、ライト１０２から発せられた拡散光は、レンズ１０４にて拡散角を調整され、ハーフミラー１０５にて光量の半分が透過して被計測物体１０６に照射される。
制御装置１０１０は、記録メモリ１０８に記録された２枚の画像データから演算器１０９を用いて、前述の（３）式の演算を行うことによって、３次元形状データを算出し記録メモリ１０８に記録する。
なお、本実施の形態では、レンズ１０３とレンズ１０４とを用いたが、これは曲面ミラー、フレネルレンズ、ホログラフィカルレンズなどを用いても良い。
本実施の形態によれば、照明手段（１０１，１０２）は同じ光軸上で拡散光を照射することが可能となる。この結果、照射角度の差がほとんど生じないので、被計測物体が鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも計測が可能となる。
【００２７】
［実施の形態３］
図１０は、本発明の実施の形態３の３次元形状計測装置の概略構成を示す図であり、この図１０は、本願の請求項９に記載の３次元形状計測装置の実施の形態である。
図１０において、１１１は平行ビームを照射するレーザ発振器、１１２は円盤の半分が反射ミラーコーティングされ残り半分が透明な円盤、１１３は円盤１１２を回転させるモータ、１１４と１１５は曲率の異なるレンズ、１１６と１１７はミラー、１１８は被計測物体、１１９は撮影カメラ、１１１０は画像データを記録する記録メモリ、１１１１は画像データの演算器、１１１２は全体を制御する制御装置である。
なお、記録メモリ１１１０、演算器１１１１、および制御装置１１１２は画像入カポートを備えたコンピュータで構成し、演算器１１１１と制御装置１１１２は同じＣＰＵに兼用させても良いし、記録メモリ１１１０はメモリの他、ハードディスクや光ディスクで代用しても良い。また、図中、細い矢印は制御の流れ、太い矢印はデータの流れを表す。
【００２８】
本実施の形態の３次元形状計測装置の動作を説明する。
制御装置１１１２は、モータ１１３に円盤１１２を回転させるように命令する。
図１０（ａ）に示すように、円盤１１２の透明領域が上部に位置する状態で、制御装置１１１２はレーザ発振器１１１を発光させる。なお、この状態の検知は、モータ１１３にロータリエンコーダ等を装備させても、モータ１１３にサーボモータを使っても、あるいは円盤１１２に非接触の透過光スイッチをつけて検知しても良い。
レーザ発振器１１１から照射された光は、円盤１１２の透明領域を通過しミラー１１６にて反射した後、レンズ１１４で所定の拡散角を有する拡散光に変換され再び円盤１１２の下部に入射する。円盤１１２の下部は、ミラー領域なので全光量が反射して被計測物体１１８を照射する。
制御装置１１１２は、撮影カメラ１１９を用いて被計測物体１１８の画像を撮影し、画像データを記録メモリ１１１０に記録した後で、レーザ発振器１１１を消灯する。
【００２９】
次に、図１０（ｂ）に示すように、円盤１１２のミラー領域が上部に位置する状態で、制御装置１１１２はレーザ発振器１１１を発光させる。
レーザ発振器１１１から照射された光は、円盤１１２で反射し、ミラー１１７で再度反射した後、レンズ１１５によって、図１０（ａ）のときとは異なる拡散角の拡散光に変換されて、円盤１１２の下部に入射する。円盤１１２の下部は、透明領域なので全光量が通過して被計測物体１１８を照射する。
制御装置１１１２は、撮影カメラ１１９を用いて被計測物体１１８の画像を撮影し画像データを記録メモリ１１１０に記録した後でレーザ発振器１１１を消灯する。
制御装置１１１２は、記録メモリ１１１０に記録された２枚の画像データから演算器１１１１を用いて、前述の（３）式３演算を行うことによって、３次元形状データを算出し記録メモリ１１１０に記録する。
本実施の形態の３次元形状計測装置の作用は、前述の実施の形態２の３次元形状計測装置と同じであるが、発光した光量全てを被計測物体１１８に照射できる点、および、光源が一つなので確実かつ正確に同強度の拡散光を照射できる点で優れている。
【００３０】
また、円盤１１２のミラー化する領域は、例えば、９０度毎に透明領域とミラー領域が繰り返されるパターンでも良く、図１０に示したパターンに限定されるものではない。
また、本実施の形態では、時分割で複数の光学経路を内部に作り出す方法として、回転するミラーと透明の複合光学系を用いたが、例えば、図３に示した機械的に動くミラー、液晶または音響光学素子など屈折率を制御できる素子を用いても実現可能である。時分割で複数の異なる光学経路を照明手段内部に作る光学系であるならば、本実施の形態の手段に限定するものではない。
本実施の形態によれば、照明手段が同じ光軸上で拡散光を照射することが可能となる。この結果、照射角度の差がほとんど生じないので、被計測物体が鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも計測が可能となる。
更に、前述の実施の形態２の３次元形状計測装置と比べて、照明光量の利用効率が２倍高く、かつ、光源が一つなので確実かつ正確に同強度の拡散光を照射できる利点を有する。
【００３１】
［実施の形態４］
図１１は、本発明の実施の形態４の３次元形状計測装置の概略構成を示す図であり、この図１１は、本願の請求項１０に記載の３次元形状計測装置の実施の形態である。
図１１において、１２１は拡散光を照射するライト、１２２は２周波液晶を用いた可変焦点レンズ、１２３は可変焦点レンズ１２２を駆動するためのアンプ、１２４は被計測物体、１２５は撮影カメラ、１２６は画像データを記録する記録メモリ、１２７は画像データの演算器、１２８は全体を制御する制御装置である。
なお、記録メモリ１２６、演算器１２７、および制御装置１２８は画像入カポートを備えたコンピュータで構成し、演算器１２７と制御装置１２８は同じＣＰＵに兼用させても良いし、記録メモリ１２６はメモリの他、ハードディスクや光ディスクで代用しても良い。また、図中、細い矢印は制御の流れ、太い矢印はデータの流れを表す。
【００３２】
本実施の形態の３次元形状計測装置の動作を説明する。
制御装置１２８は、アンプ１２３を用いて可変焦点レンズ１２２を所定の屈折率（第１の屈折率）に調整する。
次に、制御装置１２８は、ライト１２１を発光させて、撮影カメラ１２５で被計測物体１２４の撮影を行い、記録メモリ１２６に画像データを記録した後でライト１２１を消灯する。この時、ライト１２１から発せられた拡散光は、可変焦点レンズ１２２にて所定の拡散角（第１の拡散角）を有する拡散光に変換された後で被計測物体１２４に照射される。
次に、制御装置１２８は、アンプ１２３を用いて可変焦点レンズ１２２を、第１の屈折率とは異なる屈折率に調整する。
それから、制御装置１２８は、ライト１２１を発光させて撮影カメラ１２５で被計測物体１２４の撮影を行い、記録メモリ１２６に画像データを記録した後でライト１２１を消灯する。この時、ライト１２１から発せられた拡散光は、可変焦点レンズ１２２にて、第１の拡散角とは異なる拡散角を有する拡散光に変換された後で被計測物体１２４に照射される。
制御装置１２８は、記録メモリ１２６に記録された２枚の画像データから演算器１２７を用いて、前述の（３）式の演算を行うことによって、３次元形状データを算出し記録メモリ１２６に記録する。
【００３３】
なお、本実施の形態では、拡散角を任意に制御できる手段に２周波液晶を用いた可変焦点レンズを用いたが、ズームレンズやバリフォーカルレンズを用いて拡散角を任意に制御できる手段を構成しても良い。
本実施の形態によれば、照明手段が同じ光軸上で拡散光を照射することが可能となる。この結果、照射角度の差がほとんど生じないので、被計測物体が鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも計測が可能となる。
更に、前述の実施の形態２の３次元形状計測装置と比べて、照明光量の利用効率が２倍高く、光源が一つなので確実かつ正確に同強度の拡散光を照射できる利点を有する。
また、図４（ｂ）と図４（ｃ）に示すように、本実施の形態の３次元形状計測装置は、被計測物体の大きさや計測３次元形状計測装置からの距離に幅広く対応できる効果も有する。
【００３４】
［実施の形態５］
図１２は、本発明の実施の形態５の３次元形状計測装置の概略構成を示す図であり、この図１２は、本願の請求項１１に記載の３次元形状計測装置の実施の形態である。
図１２において、１３１と１３２は偏光する拡散光を照射するレーザダイオードであり、偏光の向きは同じに揃えている。
１３３は曲率の小さなレンズ、１３４は曲率の大きなレンズ、１３５は被計測物体、１３６は、レーザダイオード１３１や、レーザダイオード１３２とは偏光の向きが直交する光のみを分離する偏光フィルタ、１３７は撮影カメラ、１３８は画像データを記録する記録メモリ、１３９は画像データの演算器、１３１０は全体を制御する制御装置である。
なお、記録メモリ１３８、演算器１３９、および制御装置１３１０は画像入カポートを備えたコンピュータで構成し、演算器１３９と制御装置１３１０は同じＣＰＵに兼用させても良いし、記録メモリ１３８はメモリの他、ハードディスクや光ディスクで代用しても良い。また、図中、細い矢印は制御の流れ、太い矢印はデータの流れを表す。
【００３５】
本実施の形態の３次元形状計測装置の動作を説明する。
制御装置１３１０は、レーザダイオード１３１を発光させて、撮影カメラ１３７で被計測物体１３５の撮影を行い、記録メモリ１３８に画像データを記録した後でレーザダイオード１３１を消灯する。この時、レーザダイオード１３１から発せられた偏光の拡散光は、レンズ１３３にて拡散角を調整された上で被計測物体１３５に照射される。
被計測物体１３５からの反射光は、偏光の向きが、レーザダイオード１３１の偏光の向きと直交する光のみが偏光フィルタ１３６を透過して撮影カメラ１３７に届く。
次に、制御装置１３１０は、レーザダイオード１３２を発光させて、撮影カメラ１３７で被計測物体１３５の撮影を行い、記録メモリ１３８に画像データを記録した後でレーザダイオード１３２を消灯する。
この時、レーザダイオード１３２から出た偏光の拡散光は、レンズ１３４にて負の拡散角を有する収束光に変換され、レンズ１３４の先で一旦収束した後で拡散光になり被計測物体１３５に照射される。被計測物体１３５からの反射光は、偏光の向きが、レーザダイオード１３１の偏光の向きと直交する光のみが偏光フィルタ１３６を透過して撮影カメラ１３７に届く。
【００３６】
制御装置１３１０は、記録メモリ１３８に記録された２枚の画像データから演算器１３９を用いて、前述の（３）式の演算を行うことによって、３次元形状データを算出し記録メモリ１３８に記録する。
なお、本実施の形態では、光源として、レーザダイオード１３１とレーザダイオード１３２を用いたが、一般の光源に偏光フィルタを組み合わせて光源を構成しても良い。また、偏光フィルタの代わりに偏光プリズムを用いて構成しても良い。
本実施の形態によれば、被計測物体１３５に生じるハイライトだけを消失して計測が可能となるため、被計測物体１３５が鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも計測が可能となる。
更に、ハイライトによって起こされる撮影可能なダイナミックレンジを越える問題（白トビまたはオーバーフロー）を軽減する効果も有する。
【００３７】
［実施の形態６］
図１３は、本発明の実施の形態６の３次元形状計測装置の概略構成を示す図であり、この図１３は、本願の請求項１２に記載の３次元形状計測装置の実施の形態である。
図１３において、１４１と１４２は赤外光の拡散光を照射するライト、１４３は曲率の大きなレンズ、１４４は曲率の小さなレンズ、１４５はハーフミラー、１４６は被計測物体、１４７は赤外光のみを透過するコールドミラー、１４８はミラー、１４９は赤外光の撮影カメラ、１４１０はカラーカメラ、１４１１は画像データを記録する記録メモリ、１４１２は画像データの演算器、１４１３は全体を制御する制御装置である。
なお、記録メモリ１４１１、演算器１４１２、および制御装置１４１３は画像入カポートを備えたコンピュータで構成し、演算器１４１２と制御装置１４１３は同じＣＰＵに兼用させても良いし、記録メモリ１４１１はメモリの他、ハードディスクや光ディスクで代用しても良い。また、図中、細い矢印は制御の流れ、太い矢印はデータの流れを表す。
【００３８】
本実施の形態の３次元形状計測装置の動作を説明する。
制御装置１４１３は、ライト１４１を発光させて、撮影カメラ１４９で被計測物体１４６の赤外撮影を行い、記録メモリ１４１１に画像データを記録した後で、ライト１４１を消灯する。この時、ライト１４１から発せられた赤外拡散光は、レンズ１４３にて負の拡散角を有する収束光に変換され、ハーフミラー１４５にて光量の半分が反射した先で一旦収束した後で拡散光になり、被計測物体１４６に照射される。
次に、制御装置１４１３は、ライト１４２を発光させて撮影カメラ１４９で被計測物体１４６の撮影を行い、記録メモリ１４１１に画像データを記録した後でライト１４２を消灯する。この時、ライト１４２から発せられた赤外拡散光は、レンズ１４４にて拡散角を調整され、ハーフミラー１４５にて光量の半分が透過して被計測物体１４６に照射される。
制御装置１４１３は、記録メモリ１４１１に記録された２枚の画像データから演算器１４１２を用いて、前述の（３）式の演算を行うことによって、３次元形状データを算出し記録メモリ１４１１に記録する。
【００３９】
次に、制御装置１４１３は、カラーカメラ１４１０を用いて被計測物体１４６の色を撮影し、色情報データとして記録メモリ１４１１に記録する。
この時、環境光が被計測物体１４６に反射してできる色情報を含む可視光は、コールドミラー１４７にて反射し、ミラー１４８にて再度反射してカラーカメラ１４１０で撮影される。
なお、ミラー１４８で再度反射させるのは、コールドミラー１４７から反射した画像は左右が反転するため、もう一度反射する必要があるからである。
カラーカメラ１４１０に左右逆転機能を有するカラーカメラを用いるのであれば、ミラー１４８は省略できる。
本実施の形態によれば、形状計測カメラも色計測カメラも同じ光軸から撮影するので、色計測力メラには写りながら形状計測カメラには影となって写らない領域、若しくはこれと反対の領域などのオクルージョンを発生しないで色と形状の同時計測が可能となる。
また、形状計測に専用のモノクロカメラを使用できるので、高ＳＮ比で形状計測が可能な他、色画像取得のためのライティングを計測光に影響されることなく独立に設定できる効果も有する。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
（１）本発明によれば、性能を落とさずに奥行き長の短い小型の３次元形状計測装置を実現することが可能となる。
特に、一方だけを負の拡散角を有する拡散光（収束光）とすることによって、照明手段を著しく小型化することができる。
（２）本発明によれば、照明手段が同じ光軸上で拡散光を照射することが可能となる。この結果、照射角度の差がほとんど生じないので、被計測物体が鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも計測が可能となる。
（３）本発明によれば、照明光量の利用効率を向上させ、さらに、確実かつ正確に同強度の拡散光を照射することが可能となる。
（４）本発明によれば、被計測物体の大きさや３次元形状計測装置からの距離に幅広く対応することが可能となる。
【００４１】
（５）本発明によれば、被計測物体に生じるハイライトだけを消失して計測が可能となるため、被計測物体が鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも計測が可能となる。
更に、ハイライトによって起こされる撮影可能なダイナミックレンジを越える問題（白トビまたはオーバーフロー）を軽減することも可能となる。
（６）本発明によれば、形状計測カメラも色計測カメラも同じ光軸から撮影するので、色計測力メラには写りながら形状計測カメラには影となって写らない領域若しくはこれと反対の領域などのオクルージョンを発生しないで色と形状の同時計測が可能となる。
また、形状計測に専用のモノクロカメラを使用できるので、高ＳＮ比で形状計測が可能な他、色画像取得のためのライティングを計測光に影響されることなく独立に設定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の３次元形状計測装置の照明手段の構成を示す図である。
【図２】本発明の３次元形状計測装置の照明手段の構成を示す図である。
【図３】本発明の３次元形状計測装置の照明手段の構成を示す図である。
【図４】本発明の３次元形状計測装置の照明手段の構成を示す図である。
【図５】本発明の３次元形状計測装置の照明手段と撮影手段の構成を示す図である。
【図６】本発明の３次元形状計測装置の作用を説明するための、被計測物体の反射率を照明光と同じ向きの偏光、および照明光と直交する向きの偏光に分けて示したグラフである。
【図７】本発明の３次元形状計測装置の照明手段と撮影手段の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１の３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２の３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態３の３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態４の３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態５の３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態６の３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。
【図１４】従来の３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１１，１２，２１，２２，２６，２７，３１，３２，４１，５１，２１１，２１０…光源、１３，２３，３４，４８，５３，６４，８３，９５，１０６，１１８，１２４，１３５，１４６…被計測物体、１４，９６，１０７，１１９，１２５，１３７…撮影カメラ、１５，９７，１０８，１２６，１３８，１１１０，１４１１…記録メモリ、１６，９８，１０９，１２７，１３９，１１１１，１４１２…演算器、１７，９９，１２８，１０１０，１１１２，１３１０，１４１３…制御装置、３３，１０５，１４５…ハーフミラー、３５…撮影手段、３６，４９，８７，４１０…光軸、４２，４３…回転ミラー、４４，４５，１１６，１１７，１４８…ミラー、４６，４７，９３，９４，１０３，１０４，１１４，１１５，１３３，１３４，１４３，１４４…レンズ、５２…拡散角を任意に制御できる光学系、５４，５５，５６，５７…拡散光、６１，６２…拡散光を照射する手段、６３，６５…特定の向きの偏光を分離する手段、６６…撮影手段、６７，６９…画像、６８…ハイライト領域、８１，８２…赤外の異なる拡散光を照射する手段、
８４，１４７…コールドミラー、８５…赤外光を撮影する撮影手段、８６…可視光を撮影する撮影手段、９１，９２，１０１，１０２，１２１…ライト、
１１１…レーザ発振器、１１２…円盤、１１３…モータ、１２２…可変焦点レンズ、１２３…アンプ、１３１，１３２…レーザダイオード、１３６…偏光フィルタ、１４１，１４２…赤外光の拡散光を照射するライト、１４９…赤外光の撮影カメラ、１４１０…カラーカメラ。

Claims (12)

1. 照明手段から前記被計測物体に対して拡散光を照射する第１のステップと、
   前記第１のステップで照射された前記被計測物体を撮影する第２のステップと、
   前記第２のステップで撮影された画像データを記録する第３のステップと、
   前記第１ないし第３のステップを、前記被計測物体から同一距離に配置され、それぞれ拡散角の異なる拡散光を照射する複数の照明手段毎に実行する第４のステップと、
   前記第３のステップで記録された各照射手段毎の画像データを用いて、３次元形状を演算する第５のステップとを有することを特徴とする３次元形状計測方法。
2. 前記第１のステップにおいて、前記各照明手段から照射される拡散角がそれぞれ異なる拡散光を同一の光軸上に合成して、前記各照明手段から前記被計測物体に対して照射することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状計測方法。
3. 照明手段から前記被計測物体に対して拡散光を照射する第１のステップと、
   前記第１のステップで照射された前記被計測物体を撮影する第２のステップと、
   前記第２のステップで撮影された画像データを記録する第３のステップと、
   前記第１ないし第３のステップを、前記照明手段から照射される拡散光の拡散角を時分割で変化させて複数回実行する第４のステップと、
   前記第３のステップで記録された複数回の画像データを用いて、３次元形状を演算する第５のステップとを有することを特徴とする３次元形状計測方法。
4. 前記第１のステップは、偏光の向きが第１の方向の拡散光を照射するステップであり、
   前記第２のステップは、偏光の向きが前記第１の方向と直交する第２の方向の光のみを撮影するステップであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の３次元形状計測方法。
5. 前記第１のステップは、赤外光を照射するステップであり、
   前記被計測物体から反射される可視光を撮影するステップを有し、
   前記赤外光と可視光の撮影を同一の光軸上で行うことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の３次元形状計測方法。
6. 被計測物体から同一距離にあり、拡散角の異なる拡散光を照射する複数の照明手段と、
   前記各照明手段で照射された前記被計測物体を撮影する第１の撮影手段と、
   前記第１の撮影手段で撮影された画像データを記録する記録手段と、
   前記記録手段に記録された画像データを用いて、３次元形状を演算する演算手段とを備えることを特徴とする３次元形状計測装置。
7. ハーフミラーを有し、
   前記ハーフミラーにより、前記各照明手段から照射される拡散光を一つの光軸上に合成して、前記被計測物体を照射することを特徴とする請求項６に記載の３次元形状計測装置。
8. 前記各照明手段は、一つの光源と、
   前記光源から照射される光を拡散光に変換する光学手段とを有することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の３次元形状計測装置。
9. 拡散角の異なる拡散光を照射する照明手段と、
   前記照明手段で照射された前記被計測物体を撮影する第１の撮影手段と、
   前記第１の撮影手段で撮影された画像データを記録する記録手段と、
   前記記録手段に記録された画像データを用いて、３次元形状を演算する演算手段とを備え、
   前記照明手段は、一つの光源と、
   時分割で複数の異なる光学経路を生成する光学系と、
   前記光学系で生成される光学経路毎に、異なる拡散角の拡散光に変換する複数の光学手段とを有することを特徴とする３次元形状計測装置。
10. 拡散角の異なる拡散光を照射する照明手段と、
    前記照明手段で照射された前記被計測物体を撮影する第１の撮影手段と、
    前記第１の撮影手段で撮影された画像データを記録する記録手段と、
    前記記録手段に記録された画像データを用いて、３次元形状を演算する演算手段とを備え、
    前記照明手段は、一つの光源と、
    前記光源から照射される光を、時分割で拡散角がそれぞれ異なる拡散光に変換する光学手段とを有することを特徴とする３次元形状計測装置。
11. 前記照明手段は、偏光の向きが第１の方向の拡散光を照射し、
    前記第１の撮影手段の前に、前記偏光の向きが前記第１の方向と直交する第２の方向の光を分離する偏光分離手段を有し、
    前記第１の撮影手段は、前記偏光分離手段で分離された、偏光の向きが前記第２の方向の光のみを撮影することを特徴とする請求項６ないし請求項１０のいずれか１項に記載の３次元形状計測装置。
12. 前記照明手段は、赤外光を照射し、
    前記第１の撮影手段の前に、赤外光と可視光を分離する分離手段と、
    前記分離手段で分離された可視光を撮影する第２の撮影手段とを有し、
    前記第１の撮影手段は、前記分離手段で分離された赤外光のみを撮影するとともに、前記赤外光と可視光の撮影を同一の光軸上で行うことを特徴とする請求項６ないし請求項１１のいずれか１項に記載の３次元形状計測装置。

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