JP2009168658A - 三次元形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光切断法による三次元形状計測において、測定対象物の形状を比較的に少ない処理能力で精度よく計測できる手段を提供する。
【解決手段】 三次元形状計測装置は、測定対象物に対してパターン光を照射する投光部と、撮像部と、輝度条件調整部と、制御部と、演算部を備える。撮像部は、パターン光によって測定対象物の表面に形成されるパターンを含む画像を撮像する。輝度条件調整部は、画像の輝度に影響を与えるパラメータのうち少なくとも１つを変化させる。制御部は、測定対象物とパターン光とを所定方向に相対的に走査させるとともに、パターン光の走査位置がそれぞれ相違する複数の画像を上記のパラメータを変化させながら取得する。演算部は、複数の画像のうちで輝度レベルが所定範囲に収まるものを対象画像として抽出し、該対象画像に対応するパターンの輝度情報を用いて測定対象物の三次元形状を求める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光切断法を用いた三次元形状計測装置に関する。

従来から、非接触型の三次元計測方法として、測定対象物にパターン光を投射して物体の三次元形状を求める光切断法が公知である。ここで、測定対象物の形状や表面状態に応じて光の反射率は大きく変化する。そのため、光切断法で三次元形状の計測を行うときに撮影条件を固定して測定対象物を走査すると、パターン光を撮像した画像において輝度不足や白トビが発生し、計測の精度が著しく低下しうる。

その対策の一例として、特許文献１には、撮影条件の異なる複数の画像を合成することで、任意の走査位置での光切断線の画像を生成する光学式計測装置の構成が開示されている。
特開２００２−３５７４０８号公報

しかし、上記の特許文献１の技術では、複数の画像を合成して一つのパターン（光切断線）の画像を生成するため、計測装置に高い処理能力が要求される点でなお改善の余地があった。

そこで、本発明の目的は、光切断法による三次元形状計測において、測定対象物の形状を比較的に少ない処理能力で精度よく計測できる手段を提供することにある。

一の形態に係る三次元形状計測装置は、測定対象物に対してパターン光を照射する投光部と、撮像部と、輝度条件調整部と、制御部と、演算部を備える。撮像部は、パターン光によって測定対象物の表面に形成されるパターンを含む画像を撮像する。輝度条件調整部は、画像の輝度に影響を与えるパラメータのうち少なくとも１つを変化させる。制御部は、測定対象物とパターン光とを所定方向に相対的に走査させるとともに、パターン光の走査位置がそれぞれ相違する複数の画像を上記のパラメータを変化させながら取得する。演算部は、複数の画像のうちで各画素の輝度レベルが所定範囲に収まるものを対象画像として抽出し、該対象画像に対応するパターンの輝度情報を用いて測定対象物の三次元形状を求める。

上記の一の形態において、制御部は、走査のときにパラメータを周期的に変化させてもよい。

上記の一の形態において、演算部は、撮像部への入射光量と輝度レベルとの相関が線形性を示す範囲で対象画像を抽出してもよい。

上記の一の形態において、輝度条件調整部は、パターン光の光量、撮像部の露光時間および測定対象物の全体を照明する照明光の光量のうち少なくとも１つを変化させてもよい。

上記の一の形態において、輝度条件調整部は、走査に先立って実行された予備計測の結果に基づいて、走査のときのパラメータの変化量を決定してもよい。

上記の一の形態において、輝度条件調整部は、走査のときに撮像された第１画像の輝度レベルに基づいて、第１画像よりも後に撮像される第２画像についてのパラメータの変化量を調整してもよい。

上記の一の形態において、演算部は、パターン光の空間重心または時間重心から測定対象物の三次元形状を求めてもよい。

なお、上記の一の形態の三次元形状計測装置の動作を三次元形状計測方法として表現したものや、この三次元形状計測方法を装置に実行させるためのプログラムなども、本発明の具体的態様として有効である。

本発明では、画像の輝度に影響を与えるパラメータを変化させながら撮像した走査位置の相違する複数の画像のうち、各画素の輝度レベルが所定範囲に収まるものから測定対象物の三次元形状を求める。これにより、測定対象物の形状を比較的に少ない処理能力で精度よく計測できる。

＜一実施形態の説明＞
図１は、一実施形態である三次元形状計測装置の構成例を示している。図１の三次元形状計測装置は、駆動装置１１ａを有するステージ１１と、投光部１２と、照明部１３と、カメラユニット１４と、第１メモリ１５と、タイミングコントローラ１６と、パターン光抽出部１７と、輝度判定部１８と、サブピクセル演算部１９と、点群データ生成部２０と、撮像条件演算部２１と、輝度制御部２２と、操作部２３と、ＣＰＵ２４と、第２メモリ２５とを有している。ここで、ステージ１１の駆動装置１１ａ、投光部１２、カメラユニット１４、タイミングコントローラ１６、輝度判定部１８、点群データ生成部２０、輝度制御部２２、操作部２３、第２メモリ２５はそれぞれＣＰＵ２４と接続されている（なお、図１では輝度制御部２２とＣＰＵ２４との信号線の図示は省略する）。

ステージ１１の上面には測定対象物１０が載置される。この実施形態でのステージ１１は、例えばモータおよびネジ送り機構を有する駆動装置１１ａによって走査方向（図１の左右方向）に移動可能となっている。そのため、ステージ１１の移動により、投光部１２およびカメラユニット１４に対して測定対象物１０の位置を調整することができる。なお、駆動装置１１ａはエンコーダを内蔵しており、ＣＰＵ２４に対してステージの位置情報を出力する。

投光部１２は、走査方向と交差（好ましくは直交）するスリット状のパターン光をステージ１１上の測定対象物１０に対して照射する。また、照明部１３は、必要に応じて測定対象物１０の全体を照明する。

カメラユニット１４は、光電変換によって二次元の画像を撮像する電子カメラであって、投光部１２のパターン光の照射方向に対して光軸を傾けて配置されている。そして、カメラユニット１４は、パターン光によって測定対象物１０の表面に形成されるパターン（以後、光切断線と適宜称する）を含む画像を撮像する。また、カメラユニット１４の画像出力は、第１メモリ１５に接続されている。なお、この実施形態での投光部１２およびカメラユニット１４の位置はいずれも固定された状態にある。

第１メモリ１５は、パターン光抽出部１７による処理の前工程で画像のデジタルデータを一時的に記憶するバッファメモリである。この第１メモリ１５の出力はパターン光抽出部１７に接続されている。

タイミングコントローラ１６は、第１メモリ１５およびパターン光抽出部１７の動作を同期制御するＩＣである。このタイミングコントローラ１６は、画像のデータの読み出しを制御する制御信号を第１メモリ１５およびパターン光抽出部１７にそれぞれ供給する。また、タイミングコントローラ１６は、ＣＰＵ２４に対して画像処理のタイミングを示すタイミング信号を出力する。

パターン光抽出部１７は、画像のデータを水平ライン毎にパイプライン式に読み込むとともに、各水平ラインにおける画素の輝度レベルから画像に含まれる光切断線の画素位置を抽出する。そして、パターン光抽出部１７は、各画像において光切断線に対応する画素の位置とその輝度レベルとを示す輝度分布データを出力する。また、パターン光抽出部１７の出力は、輝度判定部１８および撮像条件演算部２１に接続されている。

輝度判定部１８は、輝度分布データに基づいて、カメラユニット１４で撮像した画像のうちから測定対象物１０の三次元形状を求めるための対象画像を抽出する。具体的には、輝度判定部１８は、光切断線に対応する画素の輝度レベルが閾値の範囲内にある画像を抽出して対象画像とする。なお、輝度判定部１８が対象画像を抽出するときの閾値は、カメラユニット１４の出力特性に基づいて決定される。

また、輝度判定部１８は、サブピクセル演算部１９と接続されている。そして、輝度判定部１８は、対象画像の輝度分布データをサブピクセル演算部１９に出力する。さらに、輝度判定部１８は、対象画像を識別するための判定結果データをＣＰＵ２４に対して出力する。

サブピクセル演算部１９は、対象画像の輝度分布データを用いて、カメラユニット１４の画素分解能以上のパターン光の変位（サブピクセル変位）を求める。このサブピクセル演算部１９は、公知のサブピクセル推定のアルゴリズムによって上記の演算処理を実行する。また、サブピクセル演算部１９の出力は、点群データ生成部２０と接続されている。

点群データ生成部２０は、サブピクセル演算部１９が対象画像の輝度分布データから求めた光切断線のサブピクセル変位のデータを用いて、測定対象物１０の三次元形状を示す点群データ（空間座標値のデータ）を生成する。なお、点群データ生成部２０の出力は、不図示の記録部に接続されている。

撮像条件演算部２１は、輝度分布データを用いて画像の輝度分布解析を行うとともに、その解析結果に基づく制御信号を輝度制御部２２に出力する。例えば、撮像条件演算部２１は、点群データを生成する本走査に先だって行われる予備計測において、本走査で適用する撮像条件を求める。また、撮像条件演算部２１は、本走査のときに輝度分布データをフィードバックして撮像条件を調整することもできる。

輝度制御部２２は、撮像条件演算部２１から入力される制御信号に基づいて、投光部１２におけるパターン光の光量、照明部１３の照明光量およびカメラユニット１４の露光時間を制御する。また、操作部２３は、三次元形状計測の実行指示を含む各種の入力を受け付ける。

ＣＰＵ２４は、三次元形状計測装置の動作を統括的に制御するプロセッサである。例えば、ＣＰＵ２４は、プログラムに従って予備計測および本走査を実行する。また、ＣＰＵ２４は、本走査で取得した各々の画像と、測定対象物１０の走査位置との対応関係を示す画像管理データを生成する。また、ＣＰＵ２４は、判定結果データに基づいて、対象画像を示す情報を画像管理データに対応付けする。

第２メモリ２５は、ＣＰＵ２４が生成した画像管理データを記憶する。また、第２メモリ２５には、ＣＰＵ２４の実行するプログラムが記憶されている。

次に、図２の流れ図を参照しつつ、一実施形態における点群データの生成処理の例を説明する。以下の例では、点群データを生成する本走査のときに、カメラユニット１４が撮像条件を変更しつつ複数の画像を撮像する。なお、図２では、パターン光の空間重心によって測定対象物１０の三次元形状を求めている。

ステップＳ１０１：ＣＰＵ２４は、三次元形状計測の実行指示を操作部２３から受け付けると、測定対象物１０の予備計測を実行する。具体的には、ＣＰＵ２４は、投光部１２からパターン光を照射しつつステージ１１を移動させて、パターン光の重畳した位置がそれぞれ異なる測定対象物１０のサンプル画像をカメラユニット１４で複数撮像する。なお、予備計測で撮像されるサンプル画像のフレーム数は、後述の本走査で撮像するフレーム数よりも少なく設定される。そして、撮像条件演算部２１は、一連のサンプル画像から生成された複数の輝度分布データに基づいて、本走査で用いる１周期分の複数の撮像条件（カメラユニット１４の露光時間、パターン光の光量）を決定する。

ここで、本実施形態では、本走査のときに１周期分として２種類の撮像条件（第１撮像条件、第２撮像条件）を交互に適用して画像を撮像する例を前提として説明を行う。なお、本実施形態の例では、第１撮像条件および第２撮像条件はいずれもパターン光の光量が同じであって、第１撮像条件の露光時間は第２撮像条件の４倍に設定されるものとする。

ステップＳ１０２：ＣＰＵ２４は、ステージ１１を初期位置に戻すとともに、測定対象物１０の本走査を開始する。まず、輝度制御部２２は、カメラユニット１４の撮像条件を第１撮像条件に設定する。そして、ＣＰＵ２４は、投光部１２からパターン光を照射しつつ、ステージ１１を走査方向に移動させる。なお、ステージ１１の移動は本走査が終了するまで継続する。

ステップＳ１０３：カメラユニット１４は、現在設定されている撮像条件を適用して、パターン光によって測定対象物１０の表面に形成される光切断線を含む画像を撮像する。このＳ１０３で撮像される画像は、測定対象物１０を走査したときの所定の走査位置における光切断線の形状を示すものである。カメラユニット１４から出力された１フレーム分の画像のデータは、第１メモリ１５に記憶される。

また、ＣＰＵ２４は、Ｓ１０３で撮像した画像と、測定対象物１０の走査位置（この場合にはステージ１１の位置）との対応関係を示す画像管理データを第２メモリ２５に記録する。

ステップＳ１０４：パターン光抽出部１７は、Ｓ１０３で撮像された画像のデータを用いて、光切断線に対応する画素の位置および輝度レベルを示す輝度分布データを生成する。具体的には、パターン光抽出部１７は、タイミングコントローラ１６の制御信号に応じて、Ｓ１０３で撮像した画像のデータを水平ライン毎に第１メモリ１５から順次読み込む。

次に、パターン光抽出部１７は、水平ライン単位で各画素の輝度値を参照し、処理対象の水平ラインで輝度レベルがピークとなっている高輝度画素を探索する。一例として、パターン光抽出部１７は、処理対象の水平ラインで最高輝度の画素を上記の高輝度画素とする。その後、パターン光抽出部１７は、処理対象の水平ラインで高輝度画素とその前後の数画素をそれぞれ抽出し、各々の水平ラインで抽出された画素の位置とこれらの画素の輝度レベルとを示す輝度分布データを生成する。

ステップＳ１０５：輝度判定部１８は、Ｓ１０４で生成された輝度分布データを参照し、光切断線に対応する画素の輝度レベルがいずれも閾値の範囲内にあるか否かを判定する。上記要件を満たす場合（ＹＥＳ側）にはＳ１０６に移行する。一方、上記要件を満たさない場合（ＮＯ側）には、ＣＰＵ２４はＳ１０４で生成した輝度分布データを破棄して、Ｓ１０９に移行する。この場合（Ｓ１０５でのＮＯ側）には、最終的な点群データにおいて、破棄された輝度分布データに対応する走査位置のデータは欠落することとなる。

ここで、Ｓ１０５における輝度レベルの閾値の範囲は、カメラユニット１４の出力特性に着目して、カメラユニット１４への入射光量に対して出力される輝度レベルが線形性を有する範囲を基準としている。

図３は、カメラユニット１４の出力特性の一例を示している。図３の縦軸は、カメラユニット１４の出力する輝度レベルの値（１６ｂｉｔ：０〜６５５３５）を示している。一方、図３の横軸は、カメラユニット１４で画像を撮像するときの露光時間を示している。なお、図３に示す出力特性では、高輝度側（輝度レベルが４００００を超える部分）において出力特性の傾きが非線形で小さくなるニー領域が存在する。カメラユニット１４から出力された輝度レベルがニー領域の値である場合には、カメラユニット１４への入射光量と輝度レベルとの線形性が失われるため、サブピクセル変位を推定するときの精度が低下する。そのため、図３の例であれば、輝度判定部１８は、輝度レベルが４００００以下となる輝度分布データを用いて点群データを生成する。

以下、図４、図５を参照しつつ、カメラユニット１４の出力特性が異なる場合の重心演算誤差をより具体的に説明する。図４は、飽和レベルまで線形性のある出力特性のカメラユニット１４を用いた計測例である。一方、図５は、高輝度側にニー領域を有する出力特性のカメラユニット１４を用いた計測例である。図４、図５の例において、正確な重心位置の値は３５．７５とする。また、図４および図５のグラフの縦軸は輝度レベルを示し、グラフの横軸はパターン光の投射位置を示している。なお、図５の例において、エンコーダ値３０，４０，５０に対応する輝度レベルの値は、ニー領域の出力値である。

図４のように、飽和レベルまで線形性のある出力特性のカメラユニット１４の計測値を用いて重心演算を行うと、重心位置の演算結果の値は３５．７８となる。一方、図５のように、高輝度側にニー領域を有する出力特性のカメラユニット１４の計測値を用いて重心演算を行うと、重心位置の演算結果の値は３５．６９となる。以上から、ニー領域の出力値を用いて重心演算を行った場合には、重心位置の誤差が大きくなることが分かる。

ステップＳ１０６：輝度判定部１８は、入力された輝度分布データの画像を対象画像とする。そして、輝度判定部１８は、現在処理中の画像が対象画像となったことを示す判定結果データをＣＰＵ２４に対して出力する。なお、ＣＰＵ２４は、第２メモリ２５の画像管理データに対象画像を示す情報を対応付けして記録する。

ステップＳ１０７：サブピクセル演算部１９は、対象画像の輝度分布データ（Ｓ１０６）を用いて、光切断線のサブピクセル変位を求める。

ステップＳ１０８：点群データ生成部２０は、光切断線のサブピクセル変位のデータ（Ｓ１０７で求めたもの）と、ＣＰＵ２４から入力される走査位置のデータとに基づいて、測定対象物１０の所定の走査位置での点群データを生成する。そして、点群データ生成部２０は、生成した点群データを記録部に記録する。

ステップＳ１０９：ＣＰＵ２４は、本走査が終了したか否かを判定する。本走査が終了した場合（ＹＥＳ側）には、ＣＰＵ２４は一連の処理を終了して待機状態に移行する。一方、本走査が終了していない場合（ＮＯ側）には、Ｓ１１０に移行する。

ステップＳ１１０：輝度制御部２２は、ＣＰＵ２４の指示に応じて現在設定されている撮像条件の切り替えを実行する。本実施形態の例であれば、輝度制御部２２は、第１撮像条件と第２撮像条件（露光量が第１撮像条件の１／４）との切り替えを行う。その後、ＣＰＵ２４は、Ｓ１０３に戻って上記動作を繰り返す。これにより、次の走査位置では、前の走査位置とは異なる撮像条件でカメラユニット１４が画像を撮像することとなる。以上で、図２の流れ図の説明を終了する。

図６は、一実施形態での本走査における対象画像の抽出例を示している。図６では、簡単のため、４フレーム分の同じ水平ライン（１Ｈ）での輝度レベルの状態を模式的に示すものとする。なお、図６において、第１フレームおよび第２フレームは測定対象物１０の表面反射率が低い部分に対応し、第３フレームおよび第４フレームは測定対象物１０の表面反射率が高い部分に対応する。

本走査における各フレームは、それぞれ異なる走査位置の光輪郭線に対応している。そして、本走査での奇数フレームは露光時間の長い第１撮像条件で撮像され、本走査での偶数フレームは露光時間の短い第２撮像条件で撮像される。

測定対象物１０の表面反射率が低く、パターン光の散乱が少ない部分では、第１撮像条件で撮像された第１フレームの輝度レベルは適正な範囲に収まる一方で、第２撮像条件で撮像された第２フレームでは光量不足によって輝度の階調が埋もれている。この場合には、輝度判定部１８は第１フレームを対象画像とする一方で、第２フレームを対象画像から除外する。

また、測定対象物１０の表面反射率が高く、パターン光の散乱が多い部分では、第１撮像条件で撮像された第３フレームでは白トビが生じる一方で、第２撮像条件で撮像された第４フレームの輝度レベルは適正な範囲に収まっている。この場合には、輝度判定部１８は第４フレームを対象画像とする一方で、第３フレームを対象画像から除外する。上記の処理によって、測定対象物１０の表面反射率が大きく異なる箇所がある場合でも、精度の高い点群データを生成することが可能となる。

次に、一実施形態での作用効果を説明する。一実施形態の三次元形状計測装置は、本走査のときに各々の走査位置で撮像条件を周期的に変更しながら光切断線の画像を順次撮像する。そして、三次元形状計測装置は、輝度レベルが所定の範囲に収まる画像を対象画像として抽出し、この対象画像に対応する輝度分布データを用いて点群データを生成する。

したがって、一実施形態では測定対象物１０に投影された光切断線を複数の異なる撮像条件で撮像し、輝度レベルが適正な範囲から外れている画像を除外して点群データを生成するので、測定対象物１０の三次元形状を一回の本走査で精度良く求めることができる。また、一実施形態では、画像合成のような複雑な画像処理を行わないため、より少ない演算負荷で測定対象物１０の三次元形状を精度良く求めることができる。

さらに、一実施形態では測定対象物１０の形状が複雑で表面反射率が大きく異なる箇所がある場合でも、それぞれの場所で輝度レベルが適正な範囲にある画像を高い確率で確保できる。そのため、計測不能な部分や計測の精度が低い部分が生じるおそれを大幅に抑制できる。

＜他の実施形態の説明＞
図７は、他の実施形態における三次元形状計測装置の構成例を示している。図７に示す三次元形状計測装置は、図１に示した三次元形状計測装置の変形例であって、両者で共通する構成要素については同一符号を付して重複説明を省略する。

図７に示す他の実施形態の三次元形状計測装置は、パターン光の時間重心によって測定対象物１０の三次元形状を求める。図７での三次元形状計測装置では、ステージ１１およびカメラユニット１４の位置が固定されており、投光部１２の位置が駆動装置１２ａによって移動するように構成されている。

次に、他の実施形態での点群データの生成処理の例を説明する。他の実施形態における本走査では、ＣＰＵ２４は投光部１２を移動させつつ、撮像条件を周期的に変化させてカメラユニット１４に複数の画像を撮像させる。例えば、上記の一実施形態のように、２つの撮像条件を交互に切り替えて画像を撮像するようにしてもよい。また、他の実施形態においても、輝度判定部１８は、光切断線に対応する画素の輝度レベルがいずれも閾値の範囲内にある対象画像のデータを用いて点群データを生成する。

ここで、本走査のときに同じ撮像条件で取得した複数の画像の一点（注目画素）に着目すると、注目画素で撮像される範囲の測定対象物１０表面をパターン光が通過するタイミングで注目画素の輝度レベルが高くなる。そのため、他の実施形態の三次元形状計測装置は、各画素の輝度レベルの時間重心を求め、時間重心のタイミングに対応するパターン光の入射位置から測定対象物１０の形状を演算する。

以下、図８を参照しつつ、撮像条件の異なる画像群を用いて時間重心を求める例を説明する。図８の例では、簡単のため、２つの撮像条件を交互に切り替えて６フレーム分の画像を撮像した場合を前提とする。このとき、奇数フレームは上記の一実施形態の第１撮像条件で撮像され、偶数フレームは上記の一実施形態の第２撮像条件で撮像されたものとする。なお、図８の各グラフは、いずれも同一の注目画素について同じ撮像条件で撮像した３つのフレーム間での輝度レベルの変化を示している。

図８（ａ）は、第１撮像条件で撮像された奇数フレームの輝度レベルを用いた時間重心演算の結果を示している。一方、図８（ｂ）は、第２撮像条件で撮像された偶数フレームの輝度レベルを用いた時間重心演算の結果を示している。奇数フレームは偶数フレームよりも露光時間が４倍と長いため、奇数フレームを用いた時間重心演算（図８（ａ）の場合）は特にパターン光の散乱が少ない部分で効果が大きい。一方、偶数フレームを用いた時間重心演算（図８（ｂ）の場合）は特にパターン光の散乱が多い部分で効果が大きくなる。

かかる他の実施形態によれば、撮像条件が同一でかつ輝度レベルが適正範囲にある画像を用いて、時間重心演算により測定対象物１０の三次元形状を測定する。そのため、測定対象物１０の形状が複雑で表面反射率が大きく異なる箇所がある場合でも、撮像条件が同一の画像群のうち輝度レベルが適正範囲にある方を適用して時間重心演算を行うことで、測定対象物１０の三次元形状を精度良く求めることができる。

＜実施形態の補足事項＞
（１）上記の各実施形態において、予備計測の工程を省略して最初から本走査を開始するようにしてもよい。また、上記実施形態の予備測定では、測定対象物１０の全体をカメラユニット１４で撮像し、１回の撮像で測定対象物１０の表面反射率を求めるようにしてもよい。

（２）輝度制御部２２が調整する撮像条件のパラメータの組み合わせは上記の各実施形態に限定されない。例えば、輝度制御部２２は、本走査のときに３種類以上の撮像条件を周期的に適用するようにしてもよい。また、輝度制御部２２は、カメラユニット１４の露光時間を一定にしてパターン光の光量を調整してもよく、あるいはカメラユニット１４の露光時間とパターン光の光量とを両方とも変化させてもよい。さらに、輝度制御部２２は、測定対象物１０の全体を照明する照明部１３の光量を制御してもよい。

（３）上記の一実施形態において、撮像条件演算部２１は、本走査で取得された輝度分布データを用いて、以後の本走査での撮像条件が適正になるようにフィードバック制御を行ってもよい。

一例として、第２撮像条件で取得した画像の輝度レベルは適正な範囲に収まるが、第１撮像条件で取得した画像の輝度レベルが閾値の範囲から外れる状態が所定期間継続するとき、撮像条件演算部２１は、本走査において第１撮像条件で撮像を行う設定に変更する。その後、第１撮像条件で取得した画像の輝度レベルが閾値の範囲から外れた場合には、撮像条件演算部２１は、本走査において第１撮像条件および第２撮像条件を交互に切り替えて撮像を行う設定に再び戻す。この場合には、本走査のときに適正な輝度レベルで撮像される画像のデータが増加するので、測定対象物１０の三次元形状の測定精度がより一層向上する。

（４）上記の一実施形態の三次元形状計測装置では、ステージ１１の位置を固定して、カメラユニット１４および投光部１２を移動させて本走査を行うようにしてもよい。

なお、本発明における多くの特徴点および利点は詳細な説明から明らかになるであろう。それは、請求の範囲が、本請求項の精神と権利範囲を逸脱しない範囲で、実施形態における特徴および利点にまで及ぶことを意図するものである。さらに、当該技術分野において通常の技術を有する者は、あらゆる改良および変更を容易に思い付くことができるはずであり、本願における発明性のある実施形態の範囲をここに説明・表現された構成に限定する意図はない。したがって、本発明の範囲は、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。

一実施形態である三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図 一実施形態における点群データの生成処理の例を示す流れ図 カメラユニットの出力特性の一例を示す図 飽和レベルまで線形性のある出力特性のカメラユニットを用いた計測例を示す図 高輝度側にニー領域を有する出力特性のカメラユニットを用いた計測例を示す図 一実施形態での本走査における対象画像の抽出例を示す図 他の実施形態における三次元形状計測装置の構成例を示すブロック図 （ａ）第１撮像条件で撮像された奇数フレームを用いた時間重心演算の例を示す図、（ｂ）第２撮像条件で撮像された偶数フレームを用いた時間重心演算の例を示す図

符号の説明

１０…測定対象物、１２…投光部、１３…照明部、１４…カメラユニット、１７…パターン光抽出部、１８…輝度判定部、１９…サブピクセル演算部、２０…点群データ生成部、２１…撮像条件演算部、２２…輝度制御部、２４…ＣＰＵ、２５…第２メモリ

Claims (7)

1. 測定対象物に対してパターン光を照射する投光部と、
   前記パターン光によって前記測定対象物の表面に形成されるパターンを含む画像を撮像する撮像部と、
   前記画像の輝度に影響を与えるパラメータのうち少なくとも１つを変化させる輝度条件調整部と、
   前記測定対象物と前記パターン光とを所定方向に相対的に走査させるとともに、前記パターン光の走査位置がそれぞれ相違する複数の前記画像を前記パラメータを変化させながら取得する制御部と、
   複数の前記画像のうちで各画素の輝度レベルが所定範囲に収まるものを対象画像として抽出し、該対象画像に対応するパターンの輝度情報を用いて前記測定対象物の三次元形状を求める演算部と、
   を備えることを特徴とする三次元形状計測装置。
2. 請求項１に記載の三次元形状計測装置において、
   前記制御部は、前記走査のときに前記パラメータを周期的に変化させることを特徴とする三次元形状計測装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の三次元形状計測装置において、
   前記演算部は、前記撮像部への入射光量と前記輝度レベルとの相関が線形性を示す範囲で前記対象画像を抽出することを特徴とする三次元形状計測装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置において、
   前記輝度条件調整部は、前記パターン光の光量、前記撮像部の露光時間および前記測定対象物の全体を照明する照明光の光量のうち少なくとも１つを変化させることを特徴とする三次元形状計測装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置において、
   前記輝度条件調整部は、前記走査に先立って実行された予備計測の結果に基づいて、前記走査のときの前記パラメータの変化量を決定することを特徴とする三次元形状計測装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置において、
   前記輝度条件調整部は、前記走査のときに撮像された第１画像の輝度レベルに基づいて、前記第１画像よりも後に撮像される第２画像についての前記パラメータの変化量を調整することを特徴とする三次元形状計測装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の三次元形状計測装置において、
   前記演算部は、前記パターン光の空間重心または時間重心から前記測定対象物の三次元形状を求めることを特徴とする三次元形状計測装置。
   

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