JP2007017401A - 立体画像情報取得方法並びに装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１台の撮影装置による１回の撮影で簡便に立体画像情報を得る。
【解決手段】軸上色収差により光の波長毎に結像距離が異なる撮影光学系を通して被写体を撮影し、軸上色収差を利用して被写体の表面の異なる部分に焦点が合っている複数の光の波長毎の被写体画像を得るようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、立体画像情報取得方法並びに装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、被写体表面の凹凸等を把握可能な立体画像情報を得る立体画像情報取得方法並びに装置に関する。

（用語の定義）
本発明においては、結像距離とは撮像素子の表面に結像される像の焦点が合うときの被写体の表面と撮影光学系の中心までの距離のことをいう。撮影距離とは被写体の表面と撮影光学系の中心までの距離をいう。したがって、撮像素子の表面に結像される像の焦点が合うときの撮影距離は即ち結像距離である。また、軸上色収差とは光の色毎の波長の違いに起因して光軸上の結像距離が異なることをいう。

被写体を撮影して立体画像情報を取得・作成するために各種の方法が開発されている。例えば、図１１に示すように、複数のカメラ１００を用いて被写体１０１を異なる角度から同時に撮影する方法が知られている（特許文献１）。また、複数のカメラを用いずに１台のカメラの位置を変更しながら撮影する方法や、図１２に示すように光学系１０３における光学的な手法により１台のカメラ１０２で同時に複数枚の画像を取得する方法が開発されている（特許文献２、３）。あるいは、図１３に示すように、１台のカメラ１０４を用いて光学系１０５のピント面（図中一点鎖線で示す）を移動させて結像距離の異なる画像を複数枚撮影し、立体画像情報を得る方法が開発されている（例えば特許文献４、非特許文献１）。
特開２００１−２１８２２９号公報 特開２００３−２６４８５１号公報 特開２００４−３０２１２１号公報 特開２００１−８２９３５号公報 株式会社KEYENCE デジタルマイクロスコープVHX-200/100F総合カタログ

しかしながら、図１１に示すように複数台のカメラ１００を用いる場合には、カメラ１００のコストが高くなってしまう。しかも、微小な形状を撮影する場合には、複数台のカメラ１００の設置が困難あるいは複雑になってしまう。また、１台のカメラを移動させて異なる角度からの画像を撮影する場合には、複数枚の画像を得るために撮影時間が枚数分だけ長く必要となり、特に被写体１０１の位置や形状が時間的に変化する場合の撮影には不向きである。

さらに、図１２に示すように光学的な手法により同時に複数枚の画像を取得する場合には、光軸を分岐させるために光学系１０３が複雑なものとなり、また、画像処理時には画像相互間の位置補正等の高度な画像処理技術が必要となり、汎用性が高いとは言えない。

また、図１３に示すように結像距離の異なる画像を複数枚撮影して立体画像情報を得る場合には、被写体１０１に対して複数枚の撮影が必要であるため、複数枚の画像を得るために撮影時間が枚数分だけ長く必要となり、被写体１０１の位置や形状が時間的に変化する場合には不向きである。また、精度良く結像距離を調整するために高価な光学系の制御機能が必要となり、コストが高くなる。

そこで本発明は、１台の撮影装置による１回の撮影で簡便に立体画像情報を得ることが可能な立体画像情報取得方法並びに装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、請求項１記載の立体画像情報取得方法は、軸上色収差により光の波長毎に結像距離が異なる撮影光学系を通して被写体を撮影し、軸上色収差を利用して被写体の表面の異なる部分に焦点が合っている複数の光の波長毎の被写体画像を得るようにしている。

また、請求項３記載の立体画像情報取得装置は、軸上色収差により光の波長毎に結像距離が異なる撮影光学系と、被写体を撮影する撮像素子とを有し、軸上色収差を利用して被写体の表面の異なる部分に焦点が合っている複数の光の波長毎の被写体画像を得るようにしている。

したがって、この立体画像情報取得方法並びに装置によると、１台の撮影装置による１回の撮影で、被写体表面の異なる部分（例えば凹凸や傾斜により高さが異なる部分）に焦点のあった複数の平面画像を立体画像情報として得ることが可能である。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の立体画像情報取得方法において、被写体を撮影する際に前記複数の光の波長と同じ波長の光を含む光線を被写体に照射するようにしている。また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の立体画像情報取得装置において、前記複数の光の波長と同じ波長の光を含む光線を前記被写体に照射する照明装置を備えるようにしている。これにより、立体画像情報をより確実に取得することが可能である。

以上説明したように、請求項１又は３記載の発明によれば、１台の撮影装置による１回の撮影で、被写体表面の異なる部分（例えば凹凸や傾斜により高さが異なる部分）に焦点の合った複数の平面画像データを立体画像情報として得ることが可能である。

即ち、複数の撮影装置や高価な撮影光学系を用いる必要がないので、簡便且つ低コストで立体画像情報を得ることが可能であると共に汎用性が高い。また、複数の撮影装置を用いる必要がないので、例えば被写体が微小なものであっても立体画像情報を得ることが可能である。更に、撮影装置や被写体を移動させることなく一瞬にして立体画像情報が得られるため、被写体の位置や形状が時間的に変化する場合であっても立体画像情報を得ることが可能である。具体的には例えば、トナーやインクジェットなどの粒子形状計測、微細加工などによる加工物の構造計測、顕微鏡計測などに適した立体画像情報を得ることができる。

また、請求項２又は４記載の発明によれば、立体画像情報をより確実に取得することが可能である。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１から図１０に、本発明の立体画像情報取得方法並びに装置の実施形態の一例を示す。なお、本実施形態では、説明の便宜上、被写体として、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、縁部表面２ａ、縁部表面２ａより凹んだ中間部表面２ｂ及び中間部表面２ｂより更に凹んだ中央部表面２ｃを有する被写体２を例に挙げて説明する。

本実施形態の立体画像情報取得装置１は、図１に示すように、軸上色収差により光の波長毎に結像距離が異なる撮影光学系３と、被写体２を撮影する撮像素子４と、撮像素子４が検知する光の波長と同じ波長の光を含む光線を被写体２に照射する照明装置６とを備えたものである。

なお、図１の中の一点鎖線は光軸７を表す。また、ｄは被写体２の縁部表面２ａと撮影光学系３の中心までの距離であり、縁部表面２ａについての撮影距離である。

ここで、光は色により波長が異なるので、光の波長が異なるということは光の色が異なるということを意味する。そこで、説明の便宜上、以降では適宜、光の波長の代わりに光の色を用いて説明する。

撮影光学系３は光学レンズである。光学レンズは軸上色収差のあるものであれば良く、例えば、光の色別の結像距離で１〜２％程度の軸上色収差を有する一般的な光学レンズを用いることが可能である。しかしながら、軸上色収差の大きさはこれに限定されるものではなく、光学レンズが有する軸上色収差はこれより小さくても大きくても構わない。そして、本発明においては、光学レンズが有する軸上色収差を補正しないで利用する。更に、場合によっては軸上色収差を強調して使う場合や完全になくならない程度に弱めて使う場合がある。

なお、被写体２自体の大きさや被写体２表面の凹凸や傾斜の大きさに合わせて光学レンズの種類を選択することにより軸上色収差の大きさを調整することが好ましい。具体的には例えば、被写体２自体や被写体２表面の凹凸等が小さい場合には軸上色収差の小さい光学レンズを用いるようにし、被写体２自体や被写体２表面の凹凸等が大きい場合には軸上色収差の大きい光学レンズを用いるようにする。軸上色収差の大きいものとしては具体的には例えばフリントガラス等が挙げられる。

また、軸上色収差の大きさを調整するために複数の光学レンズを組み合わせても構わない。

撮像素子４としては例えば、被写体２の光学像を電気信号に変換可能な受光素子を用いることができる。

本実施形態では、撮影光学系３と撮像素子４を有し、撮影光学系３を通して被写体２を撮影する装置としてカメラ５を用いる。

カメラ５は、撮影した被写体画像を二色に色分解可能なカメラであり、好ましくは三色以上に色分解可能なカメラである。

本実施の形態では、カメラ５として、被写体画像を光の色ａ、ｂ及びｃの三色に色分解可能なカメラを用いた場合について説明する。

色分解の方法としては、例えば、一枚の撮像素子を用いてオンチップカラーフィルタで色分解する単板方式、光源又はカラーフィルタを色毎に順次切り替える単板順次方式、又は色分解プリズムにより色像を分解すると共に複数枚の撮像素子を用いる多板方式等があるがいずれの方法であっても良い。

具体的には例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の三枚の撮像素子を備え、色分解プリズムにより色像を分解する三板式ＲＧＢカラーＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラを用いることができる。

被写体２を撮影する色は撮像素子４が検出可能な光の波長を有する色であればいずれの色であっても構わないが、被写体２自体の大きさや被写体２表面の凹凸や傾斜の大きさに合わせて選択することが好ましい。具体的には例えば、被写体２自体や被写体２表面の凹凸等が小さい場合には波長が近い色を選択するようにし、被写体２自体や被写体２表面の凹凸等が大きい場合には波長が遠い色を選択するようにする。

また、本実施形態では、照明装置６を備え、撮像素子４が検知する光の波長と同じ波長の光を含む光線を被写体２の撮影される側の表面に照射するようにしている。

照明装置６としては、例えば白色光のライトを用いることができる。また、撮像素子４が例えば青色光と赤色光を検知するようにしている場合には、青色光のライトと赤色光のライトの２個のライトを用いても良い。

以下に、立体画像情報取得装置１により得られる立体画像情報について説明する。

図３に示すように、光の色ａ、ｂ、ｃでは光の波長が異なるために軸上色収差により結像距離ｄａ、ｄｂ、ｄｃが一致しない。

したがって、光の色ａ、ｂ、ｃは、凹凸を有する被写体２の表面の異なる部分で焦点が合うことになる。

具体的には例えば、光の色ａ、ｂ、ｃの波長や撮影光学素子３の屈折率等によっては、図４に示すように、光の色ａは被写体２の縁部表面２ａの部分で焦点が合い中間部表面２ｂや中央部表面２ｃでは焦点が合わず、光の色ｂは中間部表面２ｂに焦点が合い他の部分では焦点が合わず、光の色ｃは中央部表面２ｃに焦点が合い他の部分では焦点が合わないという場合が考えられる。

それにより、光の色ａの画像は、図５（Ａ）に示すように、被写体２の縁部表面２ａは焦点が合い他の部分は焦点が合っていない画像となる。また、光の色ｂについては中間部表面２ｂのみ焦点が合っている画像となり（図５（Ｂ））、光の色ｃについては中央部表面２ｃのみ焦点が合っている画像となる（図５（Ｃ））。

以上説明したように、本実施形態の立体画像情報取得装置１を用いて被写体２を撮影することにより、被写体２の表面の異なる部分（例えば凹凸や傾斜により高さが異なる部分）に焦点が合っている色毎の被写体２の画像が得られる。

そして、これら色毎の画像各々の焦点が合っている部分は、被写体２の異なる高さの表面の画像であり、被写体２についての立体画像情報として利用できるものである。

具体的には例えば、色毎の画像各々の焦点が合っている部分のみを光軸７を中心にし、平行に且つ向きを揃えて光の波長の順に並べて立体画像として利用しても良いし（図６）、色毎の画像の各々をある特定の高さにおける被写体２の表面の画像として利用しても良い。

また、複数の光の波長毎の被写体２の画像の受光量から撮影距離を導出し、被写体２の表面の凹凸の深さ・高さを明らかにするための立体画像情報として利用することもできる。

撮影距離と撮像素子４が検知する受光量の関係は、図７の概念図に示すように、撮影距離に対して受光量が上に凸の分布となる。また、図８の概念図に示すように、光の波長が異なる光の色ａとｂとでは受光量が極大となる撮影距離が異なる（ＤａとＤｂ）。なお、受光量の分布型は、光の波長、撮影光学系３の屈折率及び撮影光学系３の中心から撮像素子４の表面４ａまでの距離等に基づいて特定することができる。

したがって、例えば、図９に示すように、光の色ａについての撮影距離と受光量の関係を特定し、光の色ａの画像における被写体２の表面のある部分の受光量がＬ１のときはその部分までの撮影距離はＤ１又はＤ２であると判断することができる。

更に、図１０に示すように、光の色ｂについての撮影距離と受光量の関係を特定し、光の色ｂの画像における同じ部分の受光量がＬ２のときは撮影距離はＤ１又はＤ３であると判断できる。したがって、光の色ａと光の色ｂの画像情報から撮影距離はＤ１であると決定することができる。

上記の撮影距離の導出を被写体２の表面の複数の部分について行うことにより部分各々の撮影距離の差として被写体２の表面の凹凸の深さ・高さが得られ、受光量が異なる色毎の被写体２の画像を立体画像情報として利用することができる。

なお、被写体２の表面の部分毎の受光量の比較は、例えば撮像素子４の画素毎に行うことができる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態で立体画像情報として説明した被写体２の表面の異なる部分に焦点が合っている色毎の画像と被写体２の部分毎の撮影距離を組み合わせて利用しても良い。この場合には、例えば縁部表面２ａを基準面としたときの中間部表面２ｂや中央部表面２ｃまでの深さが明らかとなり、被写体２の凹みの形状を立体画像として正確に再現することができる。

また、本実施形態ではカメラ５としてＣＣＤカメラを例に挙げて主に説明したが、カメラ５はこれに限られるものではなく、色分解可能なビデオカメラ等を用いることもできる。

本発明の立体画像情報取得装置の実施形態の一例を示す構成図である。 本実施形態の被写体を示す図である。（Ａ）は被写体の平面図である。（Ｂ）は（Ａ）に示すＸ断面の断面図である。（Ｃ）は（Ａ）に示すＹ断面の断面図である。 光の色別の結像距離の概念図である。 光の色により焦点が合う部分が異なることを説明する図である。 光の色別の画像を説明する図である。（Ａ）は光の色ａの画像を説明する図である。（Ｂ）は光の色ｂの画像を説明する図である。（Ｃ）は光の色ｃの画像を説明する図である。 本実施形態の被写体の表面の異なる部分に焦点が合っている色毎の画像の利用例を示す図である。 撮影距離と受光量の関係を示す概念図である。 光の色ａとｂについての撮影距離と受光量の関係を示す概念図である。 受光量が定まった場合の撮影距離の判断方法を説明する図である。 光の色ａとｂについての撮影距離と受光量の関係から撮影距離を決定する方法を説明する図である。 従来の立体画像撮像装置を示す概略図である。 従来の別の立体画像撮像装置を示す概略図である。 従来の更に別の立体画像撮像装置を示す概略図である。

符号の説明

１ 立体画像情報取得装置
２ 被写体
３ 撮影光学系
４ 撮像素子
６ 照明装置

Claims (4)

1. 軸上色収差により光の波長毎に結像距離が異なる撮影光学系を通して被写体を撮影し、前記軸上色収差を利用して前記被写体の表面の異なる部分に焦点が合っている複数の光の波長毎の被写体画像を得ることを特徴とする立体画像情報取得方法。
2. 前記被写体を撮影する際に前記複数の光の波長と同じ波長の光を含む光線を前記被写体に照射することを特徴とする請求項１記載の立体画像情報取得方法。
3. 軸上色収差により光の波長毎に結像距離が異なる撮影光学系と、被写体を撮影する撮像素子とを有し、前記軸上色収差を利用して前記被写体の表面の異なる部分に焦点が合っている複数の光の波長毎の被写体画像を得ることを特徴とする立体画像情報取得装置。
4. 前記複数の光の波長と同じ波長の光を含む光線を前記被写体に照射する照明装置を備えたことを特徴とする請求項３記載の立体画像情報取得装置。
   

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