JP2005062063A - 物体形状測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】多重反射の影響下で測定物体の形状測定の信頼性を、各種のパターン投影法に適確に対応した状態で高精度に検出可能な物体形状測定装置を提供する。
【解決手段】プロジェクタ２により照射パターンが測定物体に照射され、カメラ８により照射パターンの測定物体１での反射撮像パターンが撮像され、形状演算部１３により、反射パターンに基づき測定物体１の表面形状が演算され、信頼度演算部１４により、照射パターンの光量下限値をＰｌｂ、光量上限値をＰｕｂ、照射パターンの光量をＩａとして、測定物体の測定信頼度を示すコントラスト比が、Ｉａ／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）により演算され、データ出力手段により表面形状データとコントラスト比データとが出力され、多重反射の影響を受ける測定物体１の形状測定データの信頼性を、各種のパターン投影法に広く適確に対応して高精度に検出し撮像画像の画素ごとに適確に把握可能になる。
【選択図】 図１
【解決手段】プロジェクタ２により照射パターンが測定物体に照射され、カメラ８により照射パターンの測定物体１での反射撮像パターンが撮像され、形状演算部１３により、反射パターンに基づき測定物体１の表面形状が演算され、信頼度演算部１４により、照射パターンの光量下限値をＰｌｂ、光量上限値をＰｕｂ、照射パターンの光量をＩａとして、測定物体の測定信頼度を示すコントラスト比が、Ｉａ／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）により演算され、データ出力手段により表面形状データとコントラスト比データとが出力され、多重反射の影響を受ける測定物体１の形状測定データの信頼性を、各種のパターン投影法に広く適確に対応して高精度に検出し撮像画像の画素ごとに適確に把握可能になる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、測定物体に照射パターンを照射し、測定物体から反射する反射撮像パターンを撮像することにより、測定物体の形状測定を非接触で行なう物体形状測定装置に関する。
測定物体にプロジェクタから照射光パターンを照射し、測定物体からの反射光パターンをカメラで撮像し、反射光パターンの照射光パターンからのずれ変形に基づいて、測定物体の形状測定を非接触で行なうパターン投影法による三次元計測が知られている。
ポターン投影法としては、照射光パターンに位相の異なる正弦波状の光量分布を有する縞パターンを使用する縞走査法がよく用いられるが、この縞走査法については、後記する非特許文献１に原理が説明されている。
非特許文献１の記載によると、ｘ軸方向の照度変化Ｉ（ｘ）がＩ（ｘ）＝Ａ（ｘ）＋Ｂ｛φ（ｘ）＋φｏ｝となる照射パターンを測定物体に照射した場合に、φｏ＝０、π／２、３π／２に対応する照射パターンのカメラが撮像する測定物体からの反射撮像パターンの光量分布を、Ｉｏ、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３とし、関数ｔａｎの逆関数をａｔａｎとして、位相分布φ（ｘ）は、（１）式で表される。
ポターン投影法としては、照射光パターンに位相の異なる正弦波状の光量分布を有する縞パターンを使用する縞走査法がよく用いられるが、この縞走査法については、後記する非特許文献１に原理が説明されている。
非特許文献１の記載によると、ｘ軸方向の照度変化Ｉ（ｘ）がＩ（ｘ）＝Ａ（ｘ）＋Ｂ｛φ（ｘ）＋φｏ｝となる照射パターンを測定物体に照射した場合に、φｏ＝０、π／２、３π／２に対応する照射パターンのカメラが撮像する測定物体からの反射撮像パターンの光量分布を、Ｉｏ、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３とし、関数ｔａｎの逆関数をａｔａｎとして、位相分布φ（ｘ）は、（１）式で表される。
φ（ｘ）＝ａｔａｎ｛（Ｉ３（ｘ）−Ｉ１（ｘ））／（Ｉｏ（ｘ）−Ｉ２（ｘ）｝
・・・（１）
・・・（１）
（１）式においてφ（ｘ）はプロジェクタの照射角度に対応するが、φとしては各領域ごとに０から２πの値をとるので、このままでは照射角度と１対１に対応付けることはできず、領域番号をＬｉｄ（１、２、・・ｍ−１）、測定領域での大域位相をφｇとして、（２）式で大域位相φｇと照射角度との対応付けが可能になる。
φｇ＝φ＋２πＬｉｄ ・・・（２）
（２）式のφｇから反射撮像パターンの各画素ごとに、プロジェクタからの照射角度αを知ることができ、カメラの各画素ごとの入射光の入射角度βと、予め設定されるカメラ及びプロジョクタの光学中心間距離Ｌに基づいて、三角測量の原理から、（３）式によって測定物体の撮像画像の各画素ごとの測定物体表面とカメラの光学中心間の距離ｚが測定される。
ｚ＝Ｌ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ） ・・・（３）
縞走査法では領域番号Ｌｉｄは、撮像パターンからは知ることはできないので、位相不定のφからφｇを求めるために、アンラッピングと呼ばれる処理が施される。このアンラッピング処理としては、特定の縞にマーカを付したり、縞の空間周波数に制限を付けフーリエ変換を利用したり、隣接周期間で位相の連続性を仮定するなどの方法が採用されている。
ところで、パターン投影法で物体の形状測定を行なう場合には、図７に示すように、プロジェクタ２からの照射光を測定物体１に照射して、測定物体１のＡ点からの反射撮像パターンを撮像する場合、例えば、プロジェクタ２からの照射光が測定物体１のＡ点の近傍のＢ点で多重反射し、測定物体１のＡ点には、本来の照射光ＩｉｏとＢ点での反射光が多重散乱光Ｉｉｍとして入射することになる。このために、測定物体１のＡ点からは、照射光Ｉｉｏと多重散乱光Ｉｉｍに基づく反射撮像パターン光Ｉｒｏ＋Ｉｒｍがカメラ８に入射し、この反射撮像パターン光に基づいた撮像画像が得られる。
このようにして、測定点周辺の反射光が積分された多重散乱光が含まれると、撮像画像分布が平滑化されることになり、空間周波数に関する一種のローパスフィルタとして機能するので、繰り返し光パターンからなる照射パターンを照射すると、空間周波数が高いほどなまり易くなり、正弦波パターンを照射する縞走査法の場合には、多重散乱光の重畳によって、ピークとボトムの光量差が減少し、観察される撮像画像のコントラストが劣化する。
このようにして、測定点周辺の反射光が積分された多重散乱光が含まれると、撮像画像分布が平滑化されることになり、空間周波数に関する一種のローパスフィルタとして機能するので、繰り返し光パターンからなる照射パターンを照射すると、空間周波数が高いほどなまり易くなり、正弦波パターンを照射する縞走査法の場合には、多重散乱光の重畳によって、ピークとボトムの光量差が減少し、観察される撮像画像のコントラストが劣化する。
ところで、（１）式によりすでに説明したように、背景光を除いた光量分布Ｐａ＝Ｉ３−Ｉ１、Ｐｂ＝Ｉｏ−Ｉ２とし、φ（ｘ）＝ａｔａｎ（Ｐａ／Ｐｂ）から照射角度αが演算されるが、正弦波のコントラストが低下すると、ＰａとＰｂの絶対値が減少する。
一方、カメラの光量感度は有限なので、Ｐａ、Ｐｂは量子化されて測定され、Ｐａ、Ｐｂの絶対値が小さくなると情報量が減少し、位相分布φ（ｘ）の信頼度が低下し、測定物体の計測誤差が増大する。
この問題を解決するために、後記する特許文献１には、パターン投影法として空間コード化法を用いた場合に、測定空間に割り当てられた空間コードが、一定の規則のもとに変化することに基づき、或る空間コードに対して隣接する空間の空間コードを予想することにより、多重反射の影響を検出する三次元形状の計測方法が開示されている。
この特許文献１の方法では、空間コード増減抽出工程を設けることにより、予め予想される増減から所定値を越えてずれて計測される空間コードを、多重反射の影響を受けたとして除去している。
また、後記する特許文献２には、同様にしてパターン投影法として空間コード化法を用い、得られる撮像画像のパターンと、所定の基準パターンとの光量差を取った差分画像が、予め設定した閾値を越えるかどうかで光量ノイズを判断する画像ノイズ検出装置が開示されている。
一方、カメラの光量感度は有限なので、Ｐａ、Ｐｂは量子化されて測定され、Ｐａ、Ｐｂの絶対値が小さくなると情報量が減少し、位相分布φ（ｘ）の信頼度が低下し、測定物体の計測誤差が増大する。
この問題を解決するために、後記する特許文献１には、パターン投影法として空間コード化法を用いた場合に、測定空間に割り当てられた空間コードが、一定の規則のもとに変化することに基づき、或る空間コードに対して隣接する空間の空間コードを予想することにより、多重反射の影響を検出する三次元形状の計測方法が開示されている。
この特許文献１の方法では、空間コード増減抽出工程を設けることにより、予め予想される増減から所定値を越えてずれて計測される空間コードを、多重反射の影響を受けたとして除去している。
また、後記する特許文献２には、同様にしてパターン投影法として空間コード化法を用い、得られる撮像画像のパターンと、所定の基準パターンとの光量差を取った差分画像が、予め設定した閾値を越えるかどうかで光量ノイズを判断する画像ノイズ検出装置が開示されている。
前述した特許文献１に開示されている三次元形状の計測方法は、空間コード化法でのコードを予想し、予想からのずれに基づいて多重反射の影響を検出する空間コード法以外のパターン投影法に適用することはできない。
また、前述した特許文献２の開示では、差分画像が示すのは光量であり、光量の絶対値そのものは、測定物体の反射率などの計測条件に大きく依存し、多重反射の影響に基づく信頼性の判定には向いていない。
吉沢 徹 編「光三次元計測」新技術コミュニケーションズ 特開２０００−１９３４３８号公報
特開平７−２２５８３４号公報
また、前述した特許文献２の開示では、差分画像が示すのは光量であり、光量の絶対値そのものは、測定物体の反射率などの計測条件に大きく依存し、多重反射の影響に基づく信頼性の判定には向いていない。
吉沢 徹 編「光三次元計測」新技術コミュニケーションズ
本発明は、前述したようなこの種のパターン投影法による物体形状測定装置の動作の現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、多重反射の影響を受けて計測される測定物体の形状測定データの信頼性を、各種のパターン投影法に適確に対応した状態で高精度に検出可能な物体形状測定装置を提供することにある。
前記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、繰り返し光パターンからなる照射パターンを測定物体に照射する照射手段と、該照射手段と異なる位置に配設され、前記照射パターンが前記測定物体で反射して得られる反射撮像パターンを撮像する撮像手段と、該撮像手段が撮像する反射撮像パターンに基づいて、前記測定物体の表面形状を演算する形状演算手段とを備えた物体形状測定装置において、前記照射パターンの光量分布の下限値をＰｌｂ、前記照射パターンの光量分布の上限値をＰｕｂとし、前記照射パターンの光量をＩａとして、前記測定物体の測定信頼度を示すコントラスト比ＲをＩａ／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）により演算する信頼度演算手段と、前記形状演算手段が演算する表面形状データと前記信頼度演算手段が演算するコントラスト比データとを出力するデータ出力手段とを有することを特徴とするものである。
このような手段によると、照射手段によって、繰り返し光パターンからなる照射パターンが測定物体に照射され、照射手段と異なる位置に配設された撮像手段によって、照射パターンが測定物体で反射して得られる反射撮像パターンの撮像が行なわれ、形状演算手段によって、撮像手段が撮像する反射撮像パターンに基づいて、測定物体の表面形状の演算が行なわれるが、照射パターンの光量分布の下限値をＰｌｂ、照射パターンの光量分布の上限値をＰｕｂ、照射パターンの光量をＩａとして、信頼度演算手段によって、測定物体の測定信頼度を示すコントラスト比Ｒが、Ｉａ／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて演算され、データ出力手段によって、形状演算手段が演算する表面形状データと信頼度演算手段が演算するコントラスト比データとが出力されるので、多重反射の影響を受けて計測される測定物体の形状測定データの信頼性を、各種のパターン投影法に広く適確に対応した状態で高精度に検出し、撮像画像の画素ごとに適確に把握する。
同様に前記目的を達成するために、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、Ａ、Ｂ、φｃを定数、φを０〜２π範囲の位相、初期位相をφｏとして、照射パターンの光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）、前記照射パターンの光量分布の下限値ＰｌｂがＰｌｂ＝Ａ−Ｂ、前記照射パターンの光量分布の上限値ＰｕｂがＰｕｂ＝Ａ＋Ｂであり、φｏ＝０、π／２、π、３π／２の前記照射パターンの光量分布Ｉを、それぞれＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃ、Ｐｐｓとし、ｔａｎ関数の逆関数をａｔａｎ、測度関数をφとして、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、φ＝ａｔａｎ｛（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）｝＋φｃに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Ｒの演算が、Ｒ＝｛ｃｏｓ（φ＋φｏ）（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）＋ｓｉｎ（φ＋φｏ）（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）｝／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて行なわれることを特徴とするものである。
このような手段によると、光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）でφｏが０、π／２、π、３π／２に対応する４種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体１に照射され、多数の照射パターンを使用することにより、測定物体に対して高精度の測定を行なって、請求項１記載の発明での作用が実行される。
同様に前記目的を達成するために、請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、Ａ、Ｂ、φｃを定数、φを０〜２π範囲の位相、初期位相をφｏとして、照射パターンの光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）、前記照射パターンの光量分布の下限値ＰｌｂがＰｌｂ＝Ａ−Ｂ、前記照射パターンの光量分布の上限値ＰｕｂがＰｕｂ＝Ａ＋Ｂであり、φｏ＝０、π／２、πの前記照射パターンの光量分布Ｉを、それぞれＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃとし、ｔａｎ関数の逆関数をａｔａｎ、測度関数をφとして、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、φ＝ａｔａｎ｛（Ｐｎｃ−Ｐｎｓ）／（Ｐｐｃ−Ｐｎｓ）｝＋φｃに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Ｒの演算が、Ｒ＝［ｃｏｓ（φ＋φｏ）（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）＋２ｓｉｎ（φ＋φｏ）｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２Ｐｎｓ］／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて行なわれることを特徴とするものである。
このような手段によると、光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）でφｏが０、π／２、πに対応する３種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体１に照射され、請求項２記載の発明よりも少ない照射パターン数を使用することにより、請求項１記載の発明での作用を、測定物体に対する高精度の測定を必要な測定時間を短縮して実行する。
同様に前記目的を達成するために、請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、Ａ、Ｂ、φｃを定数、φを０〜２π範囲の位相、初期位相をφｏとして、照射パターンの光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）、前記照射パターンの光量分布の下限値ＰｌｂがＰｌｂ＝Ａ−Ｂ、前記照射パターンの光量分布の上限値ＰｕｂがＰｕｂ＝Ａ＋Ｂであり、φｏ＝０、π／２の前記照射パターンの光量分布Ｉを、それぞれＰｐｃ、Ｐｎｓとし、ｔａｎ関数の逆関数をａｔａｎ、測度関数をφとして、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、φ＝ａｔａｎ［｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２Ｐｎｓ｝／｛Ｐｐｃ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２｝］］＋φｃに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Ｒの演算が、Ｒ＝２［ｃｏｓ（φ＋φｏ）｛Ｐｐｃ（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２｝＋ｓｉｎ（φ＋φｏ）｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２｝−Ｐｎｓ］／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて行なわれることを特徴とするものである。
このような手段によると、光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）でφｏが０、π／２に対応する２種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体１に照射されるので、請求項３記載の発明よりも少ない照射パターン数を使用することにより、測定物体に対する高精度の測定を測定時間をさらに短縮して、請求項１記載の発明での作用が実行される。
同様に前記目的を達成するために、請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明において、照射パターンが複数のスリットに対する光走査で得られ、Ａ、Ｂを定数として前記照射パターンの光量が、スリットのない部分で前記照射パターンの光量分布の下限値Ｐｌｂ＝Ａ−Ｂ、スリット部分で前記照射パターンの光量分布の上限値Ｐｕｂ＝Ａ＋Ｂとなり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、スリットパターンに対する光量分布Ｐｓに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Ｒの演算が、Ｒ＝{２Ｐｓ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）}／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて行なわれることを特徴とするものである。
このような手段によると、照射パターンが複数のスリットに対する光走査で得られ、Ａ、Ｂを定数として照射パターンの光量が、スリットのない部分で照射パターンの光量分布の下限値Ｐｌｂ＝Ａ−Ｂ、スリット部分で照射パターンの光量分布の上限値Ｐｕｂ＝Ａ＋Ｂとなり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、指定したスリット位置に基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Ｒの演算が、Ｒ＝{２Ｐｓ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）}／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて行なわれ、光量が明暗の２値のために、多重反射の影響を受けにくい状態で、請求項１記載の発明での作用が実行される。
同様に前記目的を達成するために、請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、照射パターンの光量分布が、空間コード化法で用いられるＡ、Ｂを定数とするＡ−ＢとＡ＋Ｂの２値矩形波分布であり、前記照射パターンの光量分布の下限値ＰｌｂがＡ−Ｂ、前記照射パターンの光量分布の上限値ＰｕｂがＡ＋Ｂであり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、照射パターンの１レベル部と０レベル部に対する光量分布Ｐｓｃから得られる空間コードに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Ｒの演算が、Ｒ＝{２Ｐｓｃ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）}／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて行なわれることを特徴とするものである。
このような手段によると、照射パターンの光量分布が、空間コード化法で用いられるＡ、Ｂを定数とするＡ−ＢとＡ＋Ｂの２値矩形波分布であり、照射パターンの光量分布の下限値ＰｌｂがＡ−Ｂ、照射パターンの光量分布の上限値ＰｕｂがＡ＋Ｂであり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、照射パターンの１レベル部と０レベル部に対する光量分布Ｐｓｃから得られる空間コードに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Ｒの演算が、Ｒ＝{２Ｐｓc−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）}／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて行なわれ、光量が明暗の２値のために、多重反射の影響を受けにくい状態で、請求項１記載の発明での作用が実行される。
同様に前記目的を達成するために、請求項７記載の発明は、請求項１記載の発明において、データ出力手段が、信頼度演算手段が演算するコントラスト比が予め設定される基準値を下回った測定座標に対しては、形状演算手段の演算した表面形状データと対応するコントラスト比データの出力を禁止することを特徴とするものである。
このような手段によると、データ出力手段が、信頼度演算手段が演算するコントラスト比が予め設定される基準値を下回った測定座標に対しては、形状演算手段の演算した表面形状データと対応するコントラスト比データの出力を禁止するので、測定物体の信頼性の高い形状測定データが抽出検出される。
同様に前記目的を達成するために、請求項８記載の発明は、請求項１記載の発明において、データ出力手段が、信頼度演算手段が演算するコントラスト比データと形状演算手段の演算する表面形状ダータに対して、サンプリング出力を行なう場合は、サンプリング点の座標を近傍座標にコントラスト比で重み付け平均した座標とし、サンプリング点のコントラスト比を近傍座標のコントラスト比の平均値とすることを特徴するものである。
このような手段によると、データ出力手段が、信頼度演算手段が演算するコントラスト比データと形状演算手段の演算する表面形状データに対して、サンプリング出力を行なう場合は、サンプリング点の座標を近傍座標にコントラスト比で重み付け平均した座標とし、サンプリング点のコントラスト比を近傍座標のコントラスト比の平均値とするので、測定物体の形状測定データのサンプリング出力に際して、サンプリング点と近傍点との測定信頼度に基づく演算により、サンプリング出力の測定信頼度が高められる。
請求項１記載の発明によると、多重反射の影響を受けて計測される測定物体の形状測定データの信頼性を、各種のパターン投影法に広く適確に対応した状態で高精度に検出し、撮像画像の画素ごとに適確に把握することが可能になる。
請求項２記載の発明によると、光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）でφｏが０、π／２、π、３π／２に対応する４種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体１に照射されるので、多数の照射パターンを使用することにより、測定物体に対して高精度の測定を行なって、請求項１記載の発明で得られる効果を実現することが可能になる。
請求項３記載の発明によると、光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）でφｏが０、π／２、πに対応する３種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体１に照射されるので、請求項２記載の発明よりも少ない照射パターン数を使用することにより、請求項１記載の発明で得られる効果を、測定物体に対する高精度の測定に必要な測定時間を短縮して実現することが可能になる。
請求項４記載の発明によると、光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）でφｏが０、π／２に対応する２種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体１に照射されるので、請求項３記載の発明よりも少ない照射パターン数を使用することにより、測定物体に対する高精度の測定を測定時間をさらに短縮して、請求項１記載の発明で得られる効果を実現することが可能になる。
請求項５記載の発明によると、照射パターンが複数のスリットに対する光走査で得られ、Ａ、Ｂを定数として照射パターンの光量が、スリットのない部分で照射パターンの光量分布の下限値Ｐｌｂ＝Ａ−Ｂ、スリット部分で照射パターンの光量分布の上限値Ｐｕｂ＝Ａ＋Ｂとなり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、指定したスリット位置に基づいて行なわれ、 信頼度演算手段によるコントラスト比Ｒの演算が、Ｒ＝{２Ｐｓ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）}／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて行なわれ、光量が明暗の２値のために、多重反射の影響を受けにくい状態で、請求項１記載の発明で得られる効果を実現することが可能になる。
請求項６記載の発明によると、照射パターンの光量分布が、空間コード化法で用いられるＡ、Ｂを定数とするＡ−ＢとＡ＋Ｂの２値矩形波分布であり、照射パターンの光量分布の下限値ＰｌｂがＡ−Ｂ、照射パターンの光量分布の上限値ＰｕｂがＡ＋Ｂであり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、照射パターンの１レベル部と０レベル部に対する光量分布Ｐｓｃから得られる空間コードに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Ｒの演算が、Ｒ＝{２Ｐｓ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）}／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて行なわれ、光量が明暗の２値のために、多重反射の影響を受けにくい状態で、請求項１記載の発明で得られる効果を実現することが可能になる。
請求項７記載の発明によると、データ出力手段が、信頼度演算手段が演算するコントラスト比が予め設定される基準値を下回った測定座標に対しては、形状演算手段の演算した表面形状データと対応するコントラスト比データの出力を禁止するので、測定物体の信頼性の高い形状測定データを抽出検出することが可能になる。
請求項８記載の発明によると、データ出力手段が、信頼度演算手段が演算するコントラスト比データと形状演算手段の演算する表面形状データに対して、サンプリング出力を行なう場合は、サンプリング点の座標を近傍座標にコントラスト比で重み付け平均した座標とし、サンプリング点のコントラスト比を近傍座標のコントラスト比の平均値とするので、測定物体の形状測定データのサンプリング出力に際して、サンプリング点と近傍点との測定信頼度に基づく演算により、サンプリング出力の測定信頼度を高めることが可能になる。
（第１の実施の形態）
実施例１
本発明の実施例１を、図１ないし図３を参照して説明する。
図１は本実施例の全体構成を示すブロック図、図２は本実施例の撮像光の光量分布とコントラスト比との特性を示す特性図、図３は本実施例の形状測定により得られる撮像画像である。
実施例１
本発明の実施例１を、図１ないし図３を参照して説明する。
図１は本実施例の全体構成を示すブロック図、図２は本実施例の撮像光の光量分布とコントラスト比との特性を示す特性図、図３は本実施例の形状測定により得られる撮像画像である。
本実施例では、図１に示すように、測定対象となる測定物体１に対向して、光源３、液晶パネル５及び結像レンズ６を備え、繰り返し光パターンからなる照射パターンを測定物体１に照射するプロジェクタ２と、結像レンズ１０とＣＣＤ１１を備え、測定物体１からの反射撮像パターンを撮像するカメラ８とが、それぞれの光学中心間距離をＬに設定して配設されている。
プロジェクタ２は、光源３からの光を液晶パネル５により、繰り返し光パターンからなる動的照射パターンに変換して測定物体１に照射する機能と、繰り返し光パターンの最大均一光量の上限パターンと最小均一光量の下限パターンとを測定物体１に照射する機能を有している。また、カメラ８は、測定物体１からの反射撮像パターンを結像レンズ１０から取込み、ＣＣＤ１１で光電変換して撮像信号として出力する機能を有している。
さらに図１においては、カメラ８の結像レンズ１０の光学中心に座標原点が設定され、この座標のｘ軸上にプロジェクタ２の結像レンズ６の光学中心が位置している。
プロジェクタ２は、光源３からの光を液晶パネル５により、繰り返し光パターンからなる動的照射パターンに変換して測定物体１に照射する機能と、繰り返し光パターンの最大均一光量の上限パターンと最小均一光量の下限パターンとを測定物体１に照射する機能を有している。また、カメラ８は、測定物体１からの反射撮像パターンを結像レンズ１０から取込み、ＣＣＤ１１で光電変換して撮像信号として出力する機能を有している。
さらに図１においては、カメラ８の結像レンズ１０の光学中心に座標原点が設定され、この座標のｘ軸上にプロジェクタ２の結像レンズ６の光学中心が位置している。
プロジェクタ２には、プロジェクタ２の動作を制御するプロジェクタ制御部７が接続され、カメラ８には、カメラ８の動作を制御し撮像信号を取り出すカメラ制御部１２が接続され、カメラ制御部１２には、撮像信号から測定物体１の形状を演算する形状演算部１３と、撮像信号から信頼度を示すコントラスト比を演算する信頼度演算部１４とが接続されている。こりらの形状演算部１３と信頼度演算部１４とには、形状演算部１３の出力信号と信頼度演算部１４の出力信号とを取込み、必要に応じてデータ処理を施して出力するデータ出力部１５が接続され、データ出力部１５には、データ出力部１５からの出力データがファイル１７として格納されるメモリ１６が接続されている。
また、本実施例では、照射パターンとして互いにπ／２ずつ位相の異なる正弦波パターンが用いられ、Ａ、Ｂ、φｃを定数、φを０〜２π範囲の位相、初期位相をφｏとして、照射パターンの光量分布Ｉは、Ｉ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）として、φｏ＝０、π／２、π、３π／２の４種の照射パターンが用いられる。
また、本実施例では、照射パターンとして互いにπ／２ずつ位相の異なる正弦波パターンが用いられ、Ａ、Ｂ、φｃを定数、φを０〜２π範囲の位相、初期位相をφｏとして、照射パターンの光量分布Ｉは、Ｉ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）として、φｏ＝０、π／２、π、３π／２の４種の照射パターンが用いられる。
このような構成の本実施例の測定物体１の形状測定動作を説明する。
プロジェクタ２からは、Ｓａ、Ｓｂを定数として、照射角度φに対して以下の式で示される光強度の正弦波パターンが測定物体１に照射される。
プロジェクタ２からは、Ｓａ、Ｓｂを定数として、照射角度φに対して以下の式で示される光強度の正弦波パターンが測定物体１に照射される。
Ｓｐｃ＝Ｓａ＋Ｓｂｃｏｓ（φ＋φｏ） ・・・（４ａ）
Ｓｎｓ＝Ｓａ−Ｓｂｓｉｎ（φ＋φｏ） ・・・（４ｂ）
Ｓｎｃ＝Ｓａ−Ｓｂｃｏｓ（φ＋φｏ） ・・・（４ｃ）
Ｓｐｓ＝Ｓａ＋Ｓｂｓｉｎ（φ＋φｏ） ・・・（４ｄ）
Ｓｎｓ＝Ｓａ−Ｓｂｓｉｎ（φ＋φｏ） ・・・（４ｂ）
Ｓｎｃ＝Ｓａ−Ｓｂｃｏｓ（φ＋φｏ） ・・・（４ｃ）
Ｓｐｓ＝Ｓａ＋Ｓｂｓｉｎ（φ＋φｏ） ・・・（４ｄ）
一方、光量振幅の基準となる下限パターンＬＢ、上限パターンＵＢの光量は、それぞれ正弦波パターンの光量の下限値と上限値に等しい均一光量で次式のようになる。
Ｓｌｂ＝Ｓａ−Ｓｂ ・・・（５ａ）
Ｓｕｂ＝Ｓａ＋Ｓｂ ・・・（５ｂ）
Ｓｕｂ＝Ｓａ＋Ｓｂ ・・・（５ｂ）
カメラ８で（４ａ）〜（４ｄ）に示す照射パターンの測定物体１からの反射光を撮像する場合の撮像光量は、背景光をＡ、測定物体１の反射率とカメラ８、測定物体１及びプロジェクタ２の幾何学配置に基づく係数をＢ、照射パターンの空間周波数に基因する多重反射による光量振幅の低下効果のコントラスト係数をＣ（０≦Ｃ≦１）として、以下の式で示される。
Ｐｐｃ＝Ａ＋Ｂ・Ｃ２ｃｏｓ（φ＋φｏ） ・・・（６ａ）
Ｐｎｓ＝Ａ−Ｂ・Ｃ２ｓｉｎ（φ＋φｏ） ・・・（６ｂ）
Ｐｎｃ＝Ａ−Ｂ・Ｃ２ｃｏｓ（φ＋φｏ） ・・・（６ｃ）
Ｐｐｓ＝Ａ＋Ｂ・Ｃ２ｓｉｎ（φ＋φｏ） ・・・（６ｄ）
Ｐｎｓ＝Ａ−Ｂ・Ｃ２ｓｉｎ（φ＋φｏ） ・・・（６ｂ）
Ｐｎｃ＝Ａ−Ｂ・Ｃ２ｃｏｓ（φ＋φｏ） ・・・（６ｃ）
Ｐｐｓ＝Ａ＋Ｂ・Ｃ２ｓｉｎ（φ＋φｏ） ・・・（６ｄ）
また、均一光量の下限パターンＬＢと上限パターンＵＢは、空間周波数が異なるために、正弦波パターンとは異なるコントラスト係数Ｃ１を用いて次式で示される。
Ｐｌｂ＝Ａ−Ｂ・Ｃ１ ・・・（７ａ）
Ｐｕｂ＝Ａ＋Ｂ・Ｃ１ ・・・（７ｂ）
Ｐｕｂ＝Ａ＋Ｂ・Ｃ１ ・・・（７ｂ）
一方、照射角度を求めるための位相分布φは次式で与えられる。
φ＝ａｔａｎ｛（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）｝＋φｃ
・・・（８）
・・・（８）
本実施例においては、（８）式により求めた局所位相から、すでに説明したアンラッピングによって大域位相が求められ、さらに対応する照射角度αが決定される。そして、撮像パターンの結像位置から得られる撮像角度βと カメラ及びプロジョクタの光学中心間距離Ｌに基づいて、すでに説明した（３）式に基づいて、形状演算部１３において、測定物体１の撮像画像の各画素ごとの測定物体表面とカメラ８の光学中心間の距離ｚが、ｚ＝Ｌ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ）として演算され、演算データはデータ出力部１５に入力される。
ところで、撮像により観察されるパターンの振幅は、係数Ｂとコントラスト係数Ｃとの積に対応し、以下の式のように表される。
Ｂ２ａ＝Ｂ・Ｃ２＝（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）／２ｃｏｓ（φ＋φｏ）
・・・（９ａ）
Ｂ２ｂ＝Ｂ・Ｃ２＝（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／２ｓｉｎ（φ＋φｏ）
・・・（９ｂ）
Ｂ１＝Ｂ・Ｃ１＝（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）／２ ・・・（１０）
・・・（９ａ）
Ｂ２ｂ＝Ｂ・Ｃ２＝（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／２ｓｉｎ（φ＋φｏ）
・・・（９ｂ）
Ｂ１＝Ｂ・Ｃ１＝（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）／２ ・・・（１０）
（９ａ）（９ｂ）式において、正弦波パターンに対する振幅Ｂ２ａ、Ｂ２ｂは同じ量であるが、このままでは、分母のｃｏｓとｓｉｎの値によっては不定値となることがあるので、このことを避けるために、Ａの二乗をＡ∩２と記載することにして、Ｂ２ａ、Ｂ２ｂにそれぞれ｛ｃｏｓ（φ＋φｏ）｝∩２、｛ｓｉｎ（φ＋φｏ）｝∩２の重み付けをした和を次式で改めてＢ２とする。
Ｂ２＝Ｂ２ａ｛ｃｏｓ（φ＋φｏ）｝∩２＋Ｂ２ｂ｛ｓｉｎ（φ＋φｏ）∩２
＝ｃｏｓ（φ＋φｏ）（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）／２
＋ｓｉｎ（φ＋φｏ）（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／２
・・・（１１）
＝ｃｏｓ（φ＋φｏ）（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）／２
＋ｓｉｎ（φ＋φｏ）（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／２
・・・（１１）
この場合、多重反射光量がなければＢ１とＢ２は等しいが多重反射の影響でＢ１＞Ｂ２となるので、Ｂ１とＢ２の比がコントラストＲ＝Ｂ２／Ｂ１になり、次式で与えられる。
Ｒ＝｛ｃｏｓ（φ＋φｏ）（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）＋ｓｉｎ（φ＋φｏ）（Ｐｐｓ
−Ｐｎｓ）｝／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ） ・・・（１２）
−Ｐｎｓ）｝／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ） ・・・（１２）
カメラ８の撮像角度（ＣＣＤ１１上の結像位置）に対するＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃ、Ｐｐｓ、Ｐｌｂ、Ｐｕｂは、図２（ａ）に示すようになるが、Ｐｕｂ、Ｐｌｂは、均一な照射光量に測定物体１の反射率がかけられて撮像されるので、本来は直線ではないが、同図では簡単のためにＰｕｂ、Ｐｌｂを直線にしている。また、Ｐｕｂ、Ｐｌｂは多重反射の影響が小さいが、照射パターンは空間周波数が高いほど多重反射の影響によりコントラスト係数が減少し、カメラ８から見ると、図２（ａ）に示すように、点線で示した包絡線Ｅｎａ１、Ｅｎｂ１間の幅が、ＰｕｂとＰｌｂ間の幅よりも小さくなる。
信頼度演算部１４では、（１２）式によってコントラスト比Ｒを演算し、演算データはデータ出力部１５に入力される。演算されるコントラスト比Ｒは、図２（ｂ）に示すようになり、この場合は撮像角度の大きい部分で多重反射の影響が大きく、コントラストＲが小さくなっている。
信頼度演算部１４では、（１２）式によってコントラスト比Ｒを演算し、演算データはデータ出力部１５に入力される。演算されるコントラスト比Ｒは、図２（ｂ）に示すようになり、この場合は撮像角度の大きい部分で多重反射の影響が大きく、コントラストＲが小さくなっている。
本実施例で、測定物体を白色の発泡スチロール製の顔模型とし、白色板を背景にして撮像して得られた撮像画像ＩＭとコントラスト比を演算した結果とは図３に示すようになり、白色がコントラスト比１に黒色がコントラスト比０に対応し、完全に黒色の部分は反射光量が小さく測定できなかった部分であり、セル数ｕ、ｖはＣＣＤ１１の画素位置を示している。図３で照射パターンの周期で見られる縞は、照射した正弦波パターンと、真の正弦波パターンとのずれを示し、この縞の発生のないように修正することは可能である。
図３では、目の周辺、鼻の下、上顎、喉下側では多重反射の影響が大きいために、撮像画像が暗くなっており、撮像画像では得られる全ての空間座標について、それぞれコントラスト比を演算して信頼度の判定を行なうことができる。
図３では、目の周辺、鼻の下、上顎、喉下側では多重反射の影響が大きいために、撮像画像が暗くなっており、撮像画像では得られる全ての空間座標について、それぞれコントラスト比を演算して信頼度の判定を行なうことができる。
図１のデータ出力部１５からは、形状演算部１３によって（３）式に基づいて演算された各画素のｘ、ｙ、ｚ座標データに、信頼度演算部１４によって（１２）式に基づいて演算されたコントラスト比データをそれぞれ付加した点群データがメモリ１６に出力される。 この場合、必要に応じてユーザが選択することによって、コントラスト比に所定の閾値を予め設定し、データ出力部１５からは、閾値を越えるコントラスト比のｘ、ｙ、ｚ座標データのみが出力される。例えば、図３に示す測定物体の測定の場合には、必要精度と実測形状との比較によると、閾値を０．２とすれば条件を満足すると判定された。
また、全点群データからサンプリング出力を行なう場合には、出力するサンプリング点数と重み付けの近傍点数Ｎを指定し、点群データのサンプリング位置を、測定物体１の形状曲率の大きい部分では密に選択し、形状曲率の小さい部分では粗く選択して初期のサンプリング位置（座標番号）を定める。次いで、サンプリング位置の近傍のＮ個の座標に対して（１３）式に基づき、コントラスト比で重み付け平均化処理してサンプリング出力を行なう。
即ち、ｋ番目の測定座標（ｘ、ｙ、ｚ座標の３成分を持つベクトル）をｒ＿ｋ、ｋ番目の測定座標のコントラスト比をＲ＿ｋ、サンプリング点の位置番号をｉとして、ｉの近傍の位置番号ｊに対して次式に基づいて重み付け平均化演算が行なわれ、正確なサンプリング座標は、ｒ＿ｉから、信頼度の高い座標側にずれることになる。
即ち、ｋ番目の測定座標（ｘ、ｙ、ｚ座標の３成分を持つベクトル）をｒ＿ｋ、ｋ番目の測定座標のコントラスト比をＲ＿ｋ、サンプリング点の位置番号をｉとして、ｉの近傍の位置番号ｊに対して次式に基づいて重み付け平均化演算が行なわれ、正確なサンプリング座標は、ｒ＿ｉから、信頼度の高い座標側にずれることになる。
ｒ＿ｉ＝（Σｒ＿ｊＲ＿ｊ）／（ΣＲ＿ｊ） ・・・（１３）
このようにして、本実施例によると、プロジェクタ２によって、光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）でφｏが０、π／２、π、３π／２に対応する４個の繰り返しパターンからなる照射パターンが測定物体１に照射され、カメラ８によって撮像される撮像パターンの光量分布をＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃ、Ｐｐｓとし、照射パターンの光量分布の上限値をＰｕｂ、下限値をＰｌｂとして、位相分布φが、ａｔａｎ｛（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）｝＋φｃで、測定物体表面とカメラ８間の距離ｚが、ｚ＝Ｌ／（ｔａｎα＋ｔａｎβ）で演算され、信頼度演算部１４によって、コントラスト比Ｒが、Ｒ＝｛ｃｏｓ（φ＋φｏ）（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）＋ｓｉｎ（φ＋φｏ）（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）｝／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて演算されるので、多重反射の影響を受けて計測される測定物体の形状測定データの信頼性を、各種のパターン投影法に広く適確に対応した状態で高精度に検出し、撮像画像の画素ごとに適確に把握することが可能になる。
（第２の実施の形態）
実施例２
本発明の実施例２を説明する。
本実施例では、図１を流用して説明すると、プロジェクタ２からは、光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）でφｏが０、π／２、πに対応する３種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体１に照射される。
本実施例のその他の部分の構成は、すでに説明した実施例１と同一なので、重複する説明は行なわない。
実施例２
本発明の実施例２を説明する。
本実施例では、図１を流用して説明すると、プロジェクタ２からは、光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）でφｏが０、π／２、πに対応する３種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体１に照射される。
本実施例のその他の部分の構成は、すでに説明した実施例１と同一なので、重複する説明は行なわない。
本実施例では、３種の繰り返しパターンから得られる撮像パターンの光量分布Ｐｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃは、実施例１と同様に、すでに説明した６（ａ）、６（ｂ）、６（ｃ）とそれぞれ等しくなり、下限パターンＬＢ、上限パターンＵＢは、７（ａ）、７（ｂ）と等しくなる。
本実施例では位相分布φは、φｃ＝（π／４）−φｏとして次式で与えられる。
本実施例では位相分布φは、φｃ＝（π／４）−φｏとして次式で与えられる。
φ＝ａｔａｎ｛（Ｐｎｃ−Ｐｎｓ）／（Ｐｐｃ−Ｐｎｓ）｝＋φｃ
・・・（１４）
・・・（１４）
また、撮像により観察されるパターンの振幅は、係数Ｂとコントラスト係数Ｃとの積に対応し、以下の式のように表される。
Ｂ２ａ＝Ｂ・Ｃ２＝（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）／２ｃｏｓ（φ＋φｏ）
・・・（１５ａ）
Ｂ２ｃ＝Ｂ・Ｃ２＝｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２・Ｐｎｓ｝／ｓｉｎ（φ＋φｏ）
・・・（１５ｂ）
Ｂ１＝Ｂ・Ｃ１＝（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）／２ ・・・（１６）
・・・（１５ａ）
Ｂ２ｃ＝Ｂ・Ｃ２＝｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２・Ｐｎｓ｝／ｓｉｎ（φ＋φｏ）
・・・（１５ｂ）
Ｂ１＝Ｂ・Ｃ１＝（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）／２ ・・・（１６）
安定な演算実行のために、Ｂ２ａ、Ｂ２ｃにそれぞれ｛ｃｏｓ（φ＋φｏ）｝∩２、｛ｓｉｎ（φ＋φｏ）｝∩２の重み付けをした和をＢ２として次式が得られる。
Ｂ２＝Ｂ・Ｃ２
＝Ｂ２ａ｛ｃｏｓ（φ＋φｏ）｝∩２＋Ｂ２ｂ｛ｓｉｎ（φ＋φｏ）｝∩２
＝ｃｏｓ（φ＋φｏ）（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）／２
＋ｓｉｎ（φ＋φｏ）（Ａ−Ｐｎｓ）／２ ・・・（１７）
＝Ｂ２ａ｛ｃｏｓ（φ＋φｏ）｝∩２＋Ｂ２ｂ｛ｓｉｎ（φ＋φｏ）｝∩２
＝ｃｏｓ（φ＋φｏ）（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）／２
＋ｓｉｎ（φ＋φｏ）（Ａ−Ｐｎｓ）／２ ・・・（１７）
また、コントラスト比Ｒ＝Ｂ２／Ｂ１は次式で与えられる。
Ｒ＝［ｃｏｓ（φ＋φｏ）（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）＋２ｓｉｎ（φ＋φｏ）｛（Ｐｕｂ
＋Ｐｌｂ）｝／２Ｐｎｓ］／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）
・・・（１８）
＋Ｐｌｂ）｝／２Ｐｎｓ］／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）
・・・（１８）
このようにして、本実施例によると、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、φ＝ａｔａｎ｛（Ｐｎｃ−Ｐｎｓ）／（Ｐｐｃ−Ｐｎｓ）｝＋φｃに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Ｒの演算が、Ｒ＝［ｃｏｓ（φ＋φｏ）（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）＋２ｓｉｎ（φ＋φｏ）｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２Ｐｎｓ］／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて行なわれる。
本実施例のその他の動作は、すでに説明した実施例１と同一なので、重複する説明は行なわない。
本実施例のその他の動作は、すでに説明した実施例１と同一なので、重複する説明は行なわない。
本実施例によると、すでに説明した実施例１よりも少ない照射パターン数を使用することにより、実施例１で得られる効果に加えて、測定物体の形状測定を測定時間を短縮して実行し、測定物体１に対する高精度の形状測定を実現することが可能になる。
本実施例のその他の効果は、すでに説明した実施例１と同一なので重複する説明は行なわない。
本実施例のその他の効果は、すでに説明した実施例１と同一なので重複する説明は行なわない。
（第３の実施の形態）
実施例３
本発明の実施例３を説明する。
本実施例では、図１を流用して説明すると、プロジェクタ２からは、光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）でφｏが０、π／２に対応する２種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体１に照射される。
本実施例のその他の部分の構成は、すでに説明した実施例１と同一なので、重複する説明は行なわない。
実施例３
本発明の実施例３を説明する。
本実施例では、図１を流用して説明すると、プロジェクタ２からは、光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）でφｏが０、π／２に対応する２種の繰り返しパターンが、照射パターンとして測定物体１に照射される。
本実施例のその他の部分の構成は、すでに説明した実施例１と同一なので、重複する説明は行なわない。
本実施例では、２種の繰り返しパターンから得られる撮像パターンの光量分布Ｐｐｃ、Ｐｎｓは、実施例１と同様にすでに説明した６（ａ）、６（ｂ）とそれぞれ等しくなり、下限パターンＬＢ、上限パターンＵＢは、７（ａ）、７（ｂ）と等しくなる。
本実施例では位相分布φは、φｃ＝−φｏとして次式で与えられる。
本実施例では位相分布φは、φｃ＝−φｏとして次式で与えられる。
φ＝ａｔａｎ［｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２Ｐｎｓ｝／｛Ｐｐｃ−（Ｐｕｂ
＋Ｐｌｂ）／２｝］＋φｃ
・・・（１９）
＋Ｐｌｂ）／２｝］＋φｃ
・・・（１９）
また、撮像により観察されるパターンの振幅は、係数Ｂとコントラスト係数Ｃとの積に対応し、以下の式のように表される。
Ｂ２ｄ＝Ｂ・Ｃ２＝｛Ｐｐｃ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２｝／ｃｏｓ（φ＋φｏ）
・・・（２０ａ）
Ｂ２ｃ＝Ｂ・Ｃ２＝｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２−Ｐｎｓ｝／ｓｉｎ（φ＋φｏ） ・・・（２０ｂ）
Ｂ１＝Ｂ・Ｃ１＝（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）／２ ・・・（２１）
・・・（２０ａ）
Ｂ２ｃ＝Ｂ・Ｃ２＝｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２−Ｐｎｓ｝／ｓｉｎ（φ＋φｏ） ・・・（２０ｂ）
Ｂ１＝Ｂ・Ｃ１＝（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）／２ ・・・（２１）
安定な演算実行のために、Ｂ２ｄ、Ｂ２ｃにそれぞれ｛ｃｏｓ（φ＋φｏ）｝∩２、｛ｓｉｎ（φ＋φｏ）｝∩２の重み付けをした和をＢ２として次式が得られる。
Ｂ２＝ＢＣ２
＝Ｂ２ａ｛ｃｏｓ（φ＋φｏ）｝∩２＋Ｂ２ｂ｛ｓｉｎ（φ＋φｏ）｝∩２
＝ｃｏｓ（φ＋φｏ）｛Ｐｐｃ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２｝
＋ｓｉｎ（φ＋φｏ）｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２−Ｐｎｓ｝
・・・（２２）
＝Ｂ２ａ｛ｃｏｓ（φ＋φｏ）｝∩２＋Ｂ２ｂ｛ｓｉｎ（φ＋φｏ）｝∩２
＝ｃｏｓ（φ＋φｏ）｛Ｐｐｃ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２｝
＋ｓｉｎ（φ＋φｏ）｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２−Ｐｎｓ｝
・・・（２２）
また、コントラスト比Ｒは次式で与えられる。
Ｒ＝２［ｃｏｓ（φ＋φｏ）｛Ｐｐｃ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２｝＋ｓｉｎ（φ＋φｏ）｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２｝−Ｐｎｓ］／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）
・・・（２３）
・・・（２３）
このようにして、本実施例によると、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、φ＝ａｔａｎ［｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２Ｐｎｓ｝／｛Ｐｐｃ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２｝］＋φｃに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Ｒの演算が、Ｒ＝２［ｃｏｓ（φ＋φｏ）｛Ｐｐｃ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２｝＋ｓｉｎ（φ＋φｏ）｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２｝−Ｐｎｓ］／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて行なわれる。
本実施例のその他の動作は、すでに説明した実施例１と同一なので、重複する説明は行なわない。
本実施例のその他の動作は、すでに説明した実施例１と同一なので、重複する説明は行なわない。
本実施例によると、すでに説明した実施例２よりも少ない照射パターン数を使用することにより、実施例１で得られる効果に加えて、測定物体の形状測定を測定時間をさらに短縮して実行し、測定物体１に対する高精度の形状測定を実現することが可能になる。
本実施例のその他の効果は、すでに説明した実施例１と同一なので重複する説明は行なわない。
本実施例のその他の効果は、すでに説明した実施例１と同一なので重複する説明は行なわない。
（第４の実施の形態）
実施例４
本発明の実施例４を図４を参照して説明する。
図４は本実施例の撮像光の光量分布とコントラスト比との特性を示す特性図である。
実施例４
本発明の実施例４を図４を参照して説明する。
図４は本実施例の撮像光の光量分布とコントラスト比との特性を示す特性図である。
本実施例では、照射パターンが複数のスリットに対する光走査で得られ、Ａ、Ｂを定数として前記照射パターンの光量が、スリットのない部分で前記照射パターンの光量分布の下限値Ｐｌｂ＝Ａ−Ｂ、スリット部分で前記照射パターンの光量分布の上限値Ｐｕｂ＝Ａ＋Ｂとなり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、指定したスリット位置に基づいて行なわれるように構成されている。
また、本実施例では、スリットが複数用いられるので、ＣＣＤ１１上に結像した複数のスリットに対してスリット番号を特定する必要がある。このために、測定物体の表面高さの範囲をスリット幅に対応させて限定することにより、結像時に各スリットに結像範囲の重なりが発生しないように構成されている。
本実施例のその他の部分の構成は、すでに説明した実施例１と同一なので、重複する説明は行なわない。
また、本実施例では、スリットが複数用いられるので、ＣＣＤ１１上に結像した複数のスリットに対してスリット番号を特定する必要がある。このために、測定物体の表面高さの範囲をスリット幅に対応させて限定することにより、結像時に各スリットに結像範囲の重なりが発生しないように構成されている。
本実施例のその他の部分の構成は、すでに説明した実施例１と同一なので、重複する説明は行なわない。
本実施例のスリットによる照射パターンの撮像光量分布は、スリット部では（２４ａ）式により、スリット部以外では（２４ｂ）で表される。
Ｐｓ＝Ａ＋Ｂ・Ｃ２ ・・・（２４ａ）
Ｐｓ＝Ａ−Ｂ・Ｃ２ ・・・（２４ｂ）
Ｐｓ＝Ａ−Ｂ・Ｃ２ ・・・（２４ｂ）
また、下限パターンＬＢと上限パターＵＢは、それぞれすでに説明した（７ａ）式と（７ｂ）式とで表される。
さらに、本実施例において、撮像パターンの振幅は、スリットパターンのスリット部に対して（２５ａ）式で、均一パターンに対して（２５ｂ）で表される。
さらに、本実施例において、撮像パターンの振幅は、スリットパターンのスリット部に対して（２５ａ）式で、均一パターンに対して（２５ｂ）で表される。
Ｂ２＝Ｂ・Ｃ２＝Ｐｓ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２
・・・（２５ａ）
Ｂ１＝Ｂ・Ｃ１＝（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）／２ ・・・（２５ｂ）
・・・（２５ａ）
Ｂ１＝Ｂ・Ｃ１＝（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）／２ ・・・（２５ｂ）
そして、コントラスト比Ｒは次式で表される。
Ｒ＝Ｂ２／Ｂ１＝｛２Ｐｓ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）｝／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）
・・・（２６）
・・・（２６）
本実施例では、図４（ａ）に示すように、照射パターンの撮像光量分布Ｐｓの山部分となるスリット位置に対応する包絡線Ｅｎａ２と、照射パターンの撮像光量分布Ｐｓの谷部分となるスリット以外の部分に対応する包絡線Ｅｎｂ２との差が照射パターンの光量振幅となる。図４（ｂ）に示すように、（２６）式に従ってスリット位置で演算したコントラスト比Ｒは、包絡線Ｅｎａ２に等しいが、スリット以外の部分では空間周波数の高周波成分は少ないので、包絡線Ｅｎｂ２はＰｌｂにほぼ等しく、この場合はスリット位置でしか形状測定は行なわれないので、コントラスト比Ｒは（２６）式で演算される。
本実施例のその他の動作は、すでに説明した実施例１と同一なので、重複する説明は行なわない。
本実施例のその他の動作は、すでに説明した実施例１と同一なので、重複する説明は行なわない。
本実施例によると、照射パターンが複数のスリットに対する光走査で得られ、スリット位置のみで形状測定を行なうことにより光量が明暗の２値となり、多重反射の影響を受けにくい状態で、測定物体の形状測定を信頼度を高めて行なうことが可能になる。
本実施例のその他の効果は、すでに説明した実施例１と同一なので、重複する説明は行なわない。
本実施例のその他の効果は、すでに説明した実施例１と同一なので、重複する説明は行なわない。
（第５の実施の形態）
実施例５
本発明の実施例５を図５及び図６を参照して説明する。
図５は本実施例の照射光の光量分布と空間番号との特性を示す特性図、図６は本実施例の撮像光の光量分布とコントラスト比との特性を示す特性図である。
実施例５
本発明の実施例５を図５及び図６を参照して説明する。
図５は本実施例の照射光の光量分布と空間番号との特性を示す特性図、図６は本実施例の撮像光の光量分布とコントラスト比との特性を示す特性図である。
本実施例では、照射パターンの光量分布が、空間コード化法で用いられるＡ、Ｂを定数とするＡ−ＢとＡ＋Ｂの２値矩形波分布であり、照射パターンの光量分布の下限値ＰｌｂがＡ−Ｂ、照射パターンの光量分布の上限値ＰｕｂがＡ＋Ｂであり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、照射パターンの１レベル部と０レベル部に対する光量分布Ｐｓｃから得られる空間コードに基づいて行なわれるように構成されている。
本実施例のその他の部分の構成は、すでに説明した実施例１と同一なので、重複する説明は行なわない。
本実施例のその他の部分の構成は、すでに説明した実施例１と同一なので、重複する説明は行なわない。
本実施例では、図５（ａ）（ｂ）に示すように、照射角度に対して空間コードを２値化した光量分布の空間コード化パターンを照射するが、例えば４ビットで空間に０から１５までの空間番号Ｌｉｄを対応付ける。図５（ａ）の場合は、Ｉｇｏが最低ビット位でＩｇ３が最上ビット位であるが、コード化のビット数を増やすとより細かい空間分解能を得ることができる。
本実施例では、空間周波数の一番高い最低ビット位のＩｇｏのパターンを撮像し、そこからコントラスト比の演算を行なう。最低ビット位のパターンを撮像した撮像角度に対する光量分布は、図６（ａ）のようになり、多重反射の影響を受けて、最低ビット位のパターン光量は、上限パターンと下限パターンの中間に位置する。
本実施例では、空間周波数の一番高い最低ビット位のＩｇｏのパターンを撮像し、そこからコントラスト比の演算を行なう。最低ビット位のパターンを撮像した撮像角度に対する光量分布は、図６（ａ）のようになり、多重反射の影響を受けて、最低ビット位のパターン光量は、上限パターンと下限パターンの中間に位置する。
本実施例の空間コードパターンの撮像光量分布Ｐｓｃは、１レベル部では（２７ａ）式で、０レベル部では（２７ｂ）式で与えられる。
Ｐｓc＝Ａ＋Ｂ・Ｃ２ ・・・（２７ａ）
Ｐｓc＝Ａ−Ｂ・Ｃ２ ・・・（２７ｂ）
Ｐｓc＝Ａ−Ｂ・Ｃ２ ・・・（２７ｂ）
ｎビットのコード化を行なう場合、空間コード化パターン数はｎ、判別可能な空間コード数は２のｎ乗で、ｎ＝８の場合には空間コード化パターン数は８、空間コード数は２５６となり、測定範囲を２５６分割することができる。
また、下限パターンＬＢと上限パターンＵＢとは、すでに説明した（７ａ）式（７ｂ）式でそれぞれ表される。
また、撮像により観察されるパターンの振幅は、スリットパターンのスリット部と均一パターンに対して次式のようになる。
また、下限パターンＬＢと上限パターンＵＢとは、すでに説明した（７ａ）式（７ｂ）式でそれぞれ表される。
また、撮像により観察されるパターンの振幅は、スリットパターンのスリット部と均一パターンに対して次式のようになる。
Ｂ２＝ＢＣ２＝Ｐｓｃ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２
・・・（２８）
・・・（２８）
そして、スリット部におけるコントラスト比Ｒは次式で表される。
Ｒ＝Ｂ２／Ｂ１＝｛２Ｐｓｃ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）｝／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）
・・・（２９）
・・・（２９）
（２９）式に基づいて演算したコントラスト比Ｒは、図６（ｂ）のようになり、撮像角度の大きいところではコントラスト比Ｒが劣化するので、空間コードの信頼度は低下する。図６（ａ）の光量が大きく変化する境界位置に対応して、同図（ｂ）のコントラスト比Ｒが低下しているが、これは照射パターンのエッジがぼけたための影響で、多重反射の発生によるものではない。図６（ｂ）の包絡線Ｅｎｃで示すコントラスト比が多重反射の発生の影響を示している。
本実施例によると、照射パターンが空間コード化法に基づき、その光量分布が２値矩形波分布となり、光量が明暗の２値となって多重反射の影響を受けにくい状態となり、測定物体の形状測定を信頼度を高めて行なうことが可能になる。
本実施例のその他の効果は、すでに説明した実施１と同一なので、重複する説明は行なわない。
本実施例のその他の効果は、すでに説明した実施１と同一なので、重複する説明は行なわない。
本発明は、整形・口腔外科などの医療分野における人体形状計測、紳士・婦人服業界での自動採寸、自動車、カメラ、電気製品などのグレイモデルからの三次元ＣＡＤデータの計測、美術工芸品の三次元などに利用することができる。
１ 測定物体
２ プロジェクタ
７ プロジェクタ制御部
８ カメラ
１１ ＣＣＤ
１２ カメラ制御部
１３ 形状演算部
１４ 信頼度演算部
１５ データ出力部
１６ メモリ
２ プロジェクタ
７ プロジェクタ制御部
８ カメラ
１１ ＣＣＤ
１２ カメラ制御部
１３ 形状演算部
１４ 信頼度演算部
１５ データ出力部
１６ メモリ
Claims (8)
- 繰り返し光パターンからなる照射パターンを測定物体に照射する照射手段と、該照射手段と異なる位置に配設され、前記照射パターンが前記測定物体で反射して得られる反射撮像パターンを撮像する撮像手段と、該撮像手段が撮像する反射撮像パターンに基づいて、前記測定物体の表面形状を演算する形状演算手段とを備えた物体形状測定装置において、 前記照射パターンの光量分布の下限値をＰｌｂ、前記照射パターンの光量分布の上限値をＰｕｂとし、前記照射パターンの光量をＩａとして、前記測定物体の測定信頼度を示すコントラスト比ＲをＩａ／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）により演算する信頼度演算手段と、
前記形状演算手段が演算する表面形状データと前記信頼度演算手段が演算するコントラスト比データとを出力するデータ出力手段と
を有することを特徴とする物体形状測定装置。 - Ａ、Ｂ、φｃを定数、φを０〜２π範囲の位相、初期位相をφｏとして、照射パターンの光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）、前記照射パターンの光量分布の下限値ＰｌｂがＰｌｂ＝Ａ−Ｂ、前記照射パターンの光量分布の上限値ＰｕｂがＰｕｂ＝Ａ＋Ｂであり、
φｏ＝０、π／２、π、３π／２の前記照射パターンの光量分布Ｉを、それぞれＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃ、Ｐｐｓとし、ｔａｎ関数の逆関数をａｔａｎ、測度関数をφとして、 形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、φ＝ａｔａｎ｛（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）／（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）｝＋φｃに基づいて行なわれ、
信頼度演算手段によるコントラスト比Ｒの演算が、Ｒ＝｛ｃｏｓ（φ＋φｏ）（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）＋ｓｉｎ（φ＋φｏ）（Ｐｐｓ−Ｐｎｓ）｝／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて行なわれることを特徴とする請求項１記載の物体形状測定装置。 - Ａ、Ｂ、φｃを定数、φを０〜２π範囲の位相、初期位相をφｏとして、照射パターンの光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）、前記照射パターンの光量分布の下限値ＰｌｂがＰｌｂ＝Ａ−Ｂ、前記照射パターンの光量分布の上限値ＰｕｂがＰｕｂ＝Ａ＋Ｂであり、
φｏ＝０、π／２、πの前記照射パターンの光量分布Ｉを、それぞれＰｐｃ、Ｐｎｓ、Ｐｎｃとし、ｔａｎ関数の逆関数をａｔａｎ、測度関数をφとして、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、φ＝ａｔａｎ｛（Ｐｎｃ−Ｐｎｓ）／（Ｐｐｃ−Ｐｎｓ）｝＋φｃに基づいて行なわれ、
信頼度演算手段によるコントラスト比Ｒの演算が、Ｒ＝［ｃｏｓ（φ＋φｏ）（Ｐｐｃ−Ｐｎｃ）＋２ｓｉｎ（φ＋φｏ）｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２Ｐｎｓ］／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて行なわれることを特徴とする請求項１記載の物体形状測定装置。 - Ａ、Ｂ、φｃを定数、φを０〜２π範囲の位相、初期位相をφｏとして、照射パターンの光量分布ＩがＩ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋φｏ）、前記照射パターンの光量分布の下限値ＰｌｂがＰｌｂ＝Ａ−Ｂ、前記照射パターンの光量分布の上限値ＰｕｂがＰｕｂ＝Ａ＋Ｂであり、
φｏ＝０、π／２の前記照射パターンの光量分布Ｉを、それぞれＰｐｃ、Ｐｎｓとし、ｔａｎ関数の逆関数をａｔａｎ、測度関数をφとして、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、φ＝ａｔａｎ［｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２Ｐｎｓ｝／｛Ｐｐｃ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２｝］＋φｃに基づいて行なわれ、
信頼度演算手段によるコントラスト比Ｒの演算が、Ｒ＝２［ｃｏｓ（φ＋φｏ）｛Ｐｐｃ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２｝＋ｓｉｎ（φ＋φｏ）｛（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）／２｝−Ｐｎｓ］／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて行なわれることを特徴とする請求項１記載の物体形状測定装置。 - 照射パターンが複数のスリットに対する光走査で得られ、Ａ、Ｂを定数として前記照射パターンの光量が、スリットのない部分で前記照射パターンの光量分布の下限値Ｐｌｂ＝Ａ−Ｂ、スリット部分で前記照射パターンの光量分布の上限値Ｐｕｂ＝Ａ＋Ｂとなり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、スリットパターンに対する光量分布Ｐｓに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Ｒの演算が、Ｒ＝{２Ｐｓ−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）}／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて行なわれることを特徴とする請求項１記載の物体形状測定装置。
- 照射パターンの光量分布が、空間コード化法で用いられるＡ、Ｂを定数とするＡ−ＢとＡ＋Ｂの２値矩形波分布であり、前記照射パターンの光量分布の下限値ＰｌｂがＡ−Ｂ、前記照射パターンの光量分布の上限値ＰｕｂがＡ＋Ｂであり、形状演算手段による測定物体の表面形状の演算が、照射パターンの１レベル部と０レベル部に対する光量分布Ｐｓｃから得られる空間コードに基づいて行なわれ、信頼度演算手段によるコントラスト比Ｒの演算が、Ｒ＝{２Ｐｓc−（Ｐｕｂ＋Ｐｌｂ）}／（Ｐｕｂ−Ｐｌｂ）に基づいて行なわれることを特徴とする請求項１記載の物体形状測定装置。
- データ出力手段が、信頼度演算手段が演算するコントラスト比が予め設定される基準値を下回った測定座標に対しては、形状演算手段の演算した表面形状データと対応するコントラスト比データの出力を禁止することを特徴とする請求項１記載の物体形状測定装置。
- データ出力手段が、信頼度演算手段が演算するコントラスト比データと形状演算手段の演算する表面形状データに対して、サンプリング出力を行なう場合は、サンプリング点の座標を近傍座標にコントラスト比で重み付け平均した座標とし、サンプリング点のコントラスト比を近傍座標のコントラスト比の平均値とすることを特徴とする請求項１記載の物体形状測定装置。
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