JP2016524149A - カラーコーディングによる三角測量におけるダイナミクスの増加 - Google Patents

Abstract

適切な狭帯域のカラーフィルタを使用することによってカラーコーディングによる三角測量時におけるダイナミズムを増加させる装置が提供される。カラーフィルタのスペクトル透過帯域は、カメラセンサのスペクトル感受帯域とオーバーラップしている。しかしながら、カラーフィルタのスペクトル透過帯域は、カメラセンサのスペクトル感受帯域とは異なりスペクトル的に互いに分離されており、従って、透過した色同士を一義的に識別することが可能である。

Description

本発明は、カラーコーディングによる三角測量を用いて対象物の表面を測定する装置に関する。

光学式三角測量法は、三次元の対象物の表面又は幾何形状全体を非接触に測定するために多岐に亘って利用されている。三角測量とは一般的に、三角形内の角度測定によって光学的に距離を測定する幾何学的手法である。ここでは三角関数を用いて計算が行われる。一般的に、受動型三角測量と能動型三角測量とが区別される。能動型の手法は、受動型の手法とは異なり、パターニングされた光を対象物の表面上に投影するプロジェクタユニットを有する。プロジェクタユニットは、プロジェクタ、又はレーザ若しくはレーザダイオードとすることができる。従来技術によれば、測定すべき対象物の表面上に光が投影される。その後、散乱光がカメラによって一定の角度で、すなわち三角測量角度で記録され、そして分析される。光源とカメラとを結ぶ線と、測定すべき対象物からの光線と、測定すべき対象物への光線とが１つの三角形を形成し、これによって、光源とカメラとの間の距離と放射方向とが既知である場合には、カメラと対象物との間の距離を算出することが可能である。

一般的に、カラーコーディングによる三角測量を用いた三次元測定の場合には、例えばスライドによって形成される複数のカラーストライプからなる１つのパターンが、測定すべき対象物上に所定の放射方向で投影される。有利には、プロジェクタにおける空間位置が、対象物の表面上にカラーコーディングされて表示される。その後、一定の角度で、有色の散乱光がカメラによって分析される。カラーストライプは、対象物の表面の湾曲形状に基づいて位置に依存して位相シフトされ、この位相シフトから最終的に表面形状を特定することが可能である。しかしながら、散乱光の像におけるカラーストライプは、対象物表面での局所的に色に依存した吸収及び反射によって生じる輝度変調を受ける。さらには、多くの場合は有色である周囲光との重畳が生じる。従って、例えば像において色空間における色のずれが生じたり、又は、輝度の損失によって個々の色の識別が困難になったりするおそれがある。従来技術によれば、このダイナミクスの損失をＨＤＲカメラによって補償することが試みられている。とりわけ医療用途のためにこの技術を利用することは、これまでのところ、対象物が高速に移動するせいで不可能である。

カメラの側では、従来技術によれば、ベイヤーセンサが前置接続された像センサが使用されている。このベイヤーセンサは、主に青色、緑色、及び赤色に位置する３つのスペクトル感受帯域を有する。従って、対象物表面の像の有色光は、カメラの像センサの受光面に到達する前に、色に即してスペクトル的にフィルタリングすることができる。しかしながら、色を特定する装置は極めて不正確である。なぜなら、ベイヤーセンサの場合には、周知のように色のクロストークが生じる可能性があるからである。ベイヤーセンサを備えるカメラの代わりに、色分離が比較的多少は良好である３チップカメラを使用することもできる。色選択又は色分離が不鮮明であれば、その結果、測定すべき対象物の三次元形状を特定する際に測定誤差が生じてしまう。例えば赤色のストライプが投影された場合に、ベイヤーセンサの感受帯域同士のオーバーラップによって緑色の信号が発生するおそれもある。対象物表面が高いコントラストダイナミクスを有する場合には、このことによって、ストライプの色分析に誤差が生じ、ひいては表面領域の欠如が生じ、この欠如した表面領域を、複数の異なる三角測量角度による複数回の走査によって補完しなければならなくなる。

本発明の課題は、三角測量のための装置を改良して、測定すべき対象物の表面上に投影されたカラーパターンの像を分析する際におけるスペクトル帯域同士のロバストな分離が可能となるような装置を提供することである。

この課題は、独立請求項に記載された特徴を有する装置によって解決される。従属請求項には、本発明の有利な実施形態及び発展形態が示されている。

本発明に係る装置は、プロジェクタユニットと、カメラセンサを備える少なくとも１つのカメラとを含み、前記プロジェクタユニットは、測定すべき対象物の表面上にカラーパターンを投影する。前記カメラは、前記表面上に投影された前記カラーパターンの像を記録するために使用される。前記カメラセンサは、第１スペクトル感受帯域と、少なくとも１つの第２スペクトル感受帯域と、第３スペクトル感受帯域とにおいて光に対して通過性又は感受可能であり、但し、各前記スペクトル感受帯域は、波長の昇順で並べられている。前記装置はさらに、第１スペクトル通過帯域と、少なくとも１つの第２スペクトル通過帯域と、第３スペクトル通過帯域とにおいて通過性であるカラーフィルタを含み、前記カラーフィルタの個々の前記スペクトル通過帯域は、ペア毎に互いに分離されている。前記第１スペクトル通過帯域の上側のエッジ波長は、前記カメラセンサの前記第１スペクトル感受帯域内に位置している。前記少なくとも１つの第２スペクトル通過帯域の下側のエッジ波長及び上側のエッジ波長は、前記カメラセンサの第２スペクトル感受帯域内に位置しており、前記第３スペクトル通過帯域の下側のエッジ波長は、前記カメラセンサの前記第３スペクトル感受帯域内に位置している。

カメラセンサは、第２スペクトル感受帯域を複数有することができる。カラーフィルタも、第２スペクトル通過帯域を複数有することができる。この場合には、各第２スペクトル通過帯域の下側のエッジ波長及び上側のエッジ波長は、それぞれカメラセンサの第２スペクトル感受帯域のうちの１つ内に位置している。２つの第２スペクトル感受帯域が設けられた、４つのスペクトル感受帯域を備えるカメラセンサが有利である。つまり、これら２つの第２スペクトル感受帯域は、カメラセンサの第１スペクトル感受帯域と第３スペクトル感受帯域との間に位置している。

有利な実施形態では、カラーフィルタは、表面の像の有色光が最初にカラーフィルタを通過し、その後にカメラセンサ、とりわけベイヤーセンサを通過するように取り付けられている。

特に有利な実施形態では、カラーフィルタは、ベイヤーセンサの市松模様状のカラーパターンに組み込まれている。カラーフィルタは、ペア毎に互いに分離された少なくとも３つのスペクトル通過帯域を有し、これらのスペクトル通過帯域は、緑色、青色、及び赤色の光スペクトル内に位置している。これらのスペクトル通過帯域を、高いエッジ急峻性を有する狭帯域に構成することが有利である。

カラーフィルタの通過帯域とは、下側のエッジ波長及び上側のエッジ波長によって画定されたスペクトル帯域であると理解すべきである。下側のエッジ波長及び上側のエッジ波長とは、それぞれフィルタの透過率が最大透過率の半分まで低減されているところの波長である。下側のエッジ波長は、上側のエッジ波長よりも小さい波長を有する。カラーフィルタの通過帯域は、一般的には半値幅とも呼ばれる。

有利には、スペクトル通過帯域のエッジ波長のスペクトル位置によって、カメラセンサのスペクトル感受帯域に関連して、像の透過した色をスペクトル通過帯域にロバストに対応付けることができ、従って、カメラセンサのスペクトル感受帯域に一義的に対応付けることができる。これによって特に有利には、カメラによって記録する際における色のクロストークを阻止することができ、従って、測定精度もダイナミックレンジも改善される。有利には、カメラセンサにおいてオーバーラップしている波長帯域は、記録時にカラーフィルタを使用することによって考慮されない。これによって例えば、青色、緑色、及び赤色の基本色も、シアン、マゼンタ、及び白のような二次色も良好に分離することができる。カラーフィルタのスペクトル通過帯域の外側の帯域では、該帯域の透過率を少なくとも３％に制限することが有利である。透過率を１％以下に制限することが特に有利である。

有利な実施形態では、相対する両エッジ波長のスペクトル間隔は、少なくとも１０ｎｍとすることができる。これによって高い光効率が実現される。特に有利には３０ｎｍである。これによって良好なスペクトル分離が実現され、従って、色をロバストに識別又は分離することが可能となる。

有利な実施形態では、前記第１スペクトル通過帯域が４８０ｎｍ未満の青色スペクトル帯域内に位置しており、前記少なくとも１つの第２スペクトル通過帯域が５２０ｎｍと５６５ｎｍの間の緑色スペクトル帯域内に位置しており、前記第３スペクトル通過帯域が６００ｎｍよりも上の赤色光スペクトル内に位置しているカラーフィルタが使用される。これによって、相対する両エッジ波長のスペクトル間隔は３０ｎｍを上回り、従って、色の一義的な対応付けが実現される。各通過帯域はさらに、それぞれ一般的なカメラセンサのスペクトル感受帯域内に位置している。従って、カラーフィルタのスペクトル通過帯域は、一般的なカメラセンサ、とりわけ一般的なベイヤーセンサに適合されている。有利には、カラーフィルタとカメラセンサとが組み合わせられて、一義的に分離された複数のスペクトル感受帯域を有する最適化されたカメラセンサのように機能する。特に有利には、一般的なカメラセンサにおいてオーバーラップしている波長帯域は、例えば３チップカメラの場合には考慮されない。これによって色の識別確実性が改善される。

有利な実施形態では、前記カメラは、前記カラーフィルタを含み、従ってとりわけ、前記像の光が最初に前記カラーフィルタを通過し、その後に前記カメラセンサを通過する。特に有利な実施形態では、前記カラーフィルタは、ベイヤーセンサの市松模様状のカラーパターンに適合されており、かつ組み込まれている。カラーフィルタは、一般的なカメラセンサにも組み込むことができる。これにより、カラーフィルタとカメラセンサとが、１つの有効な狭帯域のカメラセンサ、又は１つの有効な狭帯域のベイヤーセンサを形成する。これによって色の識別確実性が改善され、その結果、測定精度が改善される。

有利な実施形態では、前記プロジェクタユニットが、前記カラーフィルタを含む。これにより、プロジェクタユニットから出射した光を、測定すべき対象物の表面上に到達する前にスペクトル的に処理することができる。

前記カラーフィルタは、有利には前記プロジェクタユニット内にて光源と、カラーパターンを備えるスライドとの間に取り付けることができる。これによって光源の光は、カラーパターンを備えるスライドよりも前にスペクトル的に処理され、従って、カメラセンサによる色のロバストな対応付けが可能となる。特に有利な実施形態では、カメラのケーシング内に第２カラーフィルタが取り付けられており、従って、カラーパターンが対象物上に投影される前と、前記カメラによって像が検出される前とにおいて、それぞれ色のフィルタリングが実施される。これにより、有色の周辺光が色の識別確実性に及ぼす影響が低減される。

前記プロジェクタユニットの前記光源は、少なくとも１つのレーザを備えるレーザ光源として構成することができる。有利な実施形態では、レーザの波長は、カラーフィルタのスペクトル通過帯域内に位置している。これによってカラーフィルタは、色同士のロバストなスペクトル分離において支援される。

前記プロジェクタユニットの前記光源は、３つのレーザ光源を含むことができ、前記３つのレーザ光源の各波長は、青色、緑色、及び赤色の光スペクトル内に位置している。有利には、青色レーザ光源の波長は、カラーフィルタの第１スペクトル通過帯域内にあり、緑色レーザ光源の波長は、第２スペクトル通過帯域内にあり、赤色レーザ光源の波長は、第３スペクトル通過帯域内に位置している。これによってカラーフィルタは、色同士のロバストなスペクトル分離において支援される。

前記プロジェクタユニットは、ＤＬＰプロジェクタとして構成することができる。有利な実施形態では、ＤＬＰプロジェクタに既存のカラーホイールが、カラーフィルタによって有利には置き換えられ、又は、既存のカラーホイールに組み込まれる。これにより、投影において使用される色がスペクトル的に制限され、従って、カメラによって像を分析する際に色のロバストな対応付けが可能となる。

以下では本発明を、添付した図面を参照しながら３つの好ましい実施例に基づいて説明する。

ベイヤーセンサのスペクトル感受帯域と、カラーフィルタのスペクトル通過帯域とを説明する図である。 カラーコーディングによる三角測量の第１実施形態を示す図であり、この第１実施形態では、カメラのケーシング内にカラーフィルタが取り付けられている。 カラーコーディングによる三角測量の第２実施形態を示す図であり、この第２実施形態では、プロジェクタユニット内にカラーフィルタが取り付けられている。

図１は、一般的なベイヤーセンサ１０の第１スペクトル感受帯域１２、第２スペクトル感受帯域１４、及び第３スペクトル感受帯域１６の各スペクトル位置と、カラーフィルタ１８の第１通過帯域２０、第２通過帯域２２、及び第３通過帯域２４とを説明するスペクトルを示す。ベイヤーセンサ１０のスペクトル感受帯域１２，１４，１６は実線で示されており、その一方で、カラーフィルタ１８のスペクトル通過帯域２０，２２，２４は破線で矩形状に示されている。横軸３６は、波長を単位ｎｍで表す。縦軸３８は、ベイヤーセンサ１０及びカラーフィルタ１８の透過率を単位％で表す。この実施例では、ベイヤーセンサ１０の第１スペクトル感受帯域１２は、青色光スペクトル内に位置し、第２スペクトル感受帯域１４は、緑色光スペクトル内に位置し、第３スペクトル感受帯域１６は、赤色光スペクトル内に位置している。カラーフィルタ１８の第１スペクトル通過帯域２０、第２スペクトル通過帯域２２、及び第３スペクトル通過帯域２４も、青色光スペクトル、緑色光スペクトル、及び赤色光スペクトル内に位置している。本発明によれば、第１スペクトル通過帯域２０の上側のエッジ波長２６は、ベイヤーセンサ１０の第１スペクトル感受帯域１２内に位置している。第２スペクトル通過帯域２２の下側のエッジ波長２８及び上側のエッジ波長３０は、ベイヤーセンサ１０の第２スペクトル感受帯域１４内に位置している。第３通過帯域２４の下側のエッジ波長３２は、ベイヤーセンサ１０の第３スペクトル感受帯域１６内に位置している。例えば、第１スペクトル通過帯域２０の上側のエッジ波長２６は、４６０ｎｍ付近に位置している。この場合には、第２スペクトル通過帯域２２の下側のエッジ波長２８は、好ましくは５２０ｎｍ付近に位置しており、第２スペクトル通過帯域２２の上側のエッジ波長３０は、好ましくは５６０ｎｍ付近に位置しており、第３スペクトル通過帯域２４の下側のエッジ波長３２は、６１０ｎｍ付近に位置している。これによってカラーフィルタ１８の各スペクトル通過帯域２０，２２，２４は、互いに分離されており、さらには、この実施例では６０ｎｍ及び５０ｎｍのスペクトル間隔を有する。従って、例えば光がカラーフィルタ１８を通過した場合に、これに基づいて色のロバストな識別確実性が保証される。さらには、カラーフィルタ１８を透過した各色に対し、ベイヤーセンサ１０のスペクトル感受帯域１２，１４，１６を一義的に対応付けることができる。とりわけこの意味で、カラーフィルタ１８は、ベイヤーセンサ１０に適合されている。

図２は、測定すべき対象物２のカラーコーディングによる三角測量のための第１装置１を示す。装置１は、光源３４及びスライド６を備えるプロジェクタユニット４を含む。光源３４は、例えば白色光ランプであり、従って、光スペクトルの全ての色を含む。とりわけ青色、緑色、及び赤色が同じ割合で存在することが好ましい。スライド６は、好ましくは青色、緑色、及び赤色のカラーストライプからなる１つのカラーパターンを有する。装置１はさらに、カメラセンサ１０、とりわけベイヤーセンサを備えるカメラ８を含む。カラーフィルタ１８は、例えばカメラケーシング内に取り付けられており、第２放射方向４２においてカメラセンサ１０の前に配置されている。プロジェクタユニット４は、スライド６によって形成されたカラーストライプを、第１放射方向４０に沿って、測定すべき対象物２の表面上に投影する。第２放射方向４２に沿って散乱した、対象物表面の像の光は、カラーフィルタ１８を通過してカメラセンサ１０に到達した後、カメラ８によって記録される。これによって対象物表面の像の光は、カメラ８によって記録される前に、一義的に対応付け可能な３つのスペクトル帯域へと分けられる。これらの対応付けられた３つのスペクトル帯域は、カラーフィルタ１８の各スペクトル通過帯域２０，２２，２４に相当する。

図３は、測定すべき対象物２のカラーコーディングによる三角測量のための第２装置１を示す。図３は、図２と同じ要素を含み、これらの要素には同じ参照符号が付されている。図２に代えて図３では、カラーフィルタ１８は、プロジェクタユニット４内にて光源３４とスライド６との間に取り付けられている。従って、カラーフィルタ１８は、第１放射方向４０において光源３４の前に、かつスライド６の後に配置されている。これにより、光源３４から第１放射方向４０に沿って出射した光は、カラーフィルタ１８の各スペクトル通過帯域２０，２２，２４に基づいて、カラーストライプが投影される前に既に処理される。

Claims (9)

1. 測定すべき対象物（２）をカラーコーディングによって三角測量する装置（１）であって、
   前記装置（１）は、前記測定すべき対象物（２）の表面上にカラーパターンを投影するためのプロジェクタユニット（４）と、前記表面上に投影された前記カラーパターンの像を記録するための、カメラセンサ（１０）を備える少なくとも１つのカメラ（８）とを含み、
   前記カメラセンサ（１０）は、第１スペクトル感受帯域（１２）と、少なくとも１つの第２スペクトル感受帯域（１４）と、第３スペクトル感受帯域（１６）とにおいて感受可能であり、但し、各前記スペクトル感受帯域（１２，１４，１６）は、波長の昇順で並べられている、
   装置（１）において、
   第１スペクトル通過帯域（２０）と、少なくとも１つの第２スペクトル通過帯域（２２）と、第３スペクトル通過帯域（２４）とを有する少なくとも１つのカラーフィルタ（１８）が設けられており、
   各前記スペクトル通過帯域（２０，２２，２４）は、ペア毎に互いに分離されており、
   前記第１スペクトル通過帯域の上側のエッジ波長（２６）は、前記カメラセンサ（１０）の前記第１スペクトル感受帯域（１２）内に位置しており、前記少なくとも１つの第２スペクトル通過帯域の下側のエッジ波長（２８）及び上側のエッジ波長（３０）は、前記少なくとも１つの第２スペクトル感受帯域（１４）内に位置しており、前記第３スペクトル通過帯域の下側のエッジ波長（３２）は、前記カメラセンサ（１０）の前記第３スペクトル感受帯域（１６）内に位置している
   ことを特徴とする、装置（１）。
2. 相対する両エッジ波長（２６，２８，３０，３２）のスペクトル間隔は、少なくとも１０ｎｍであり、とりわけ３０ｎｍである
   請求項１記載の装置（１）。
3. 前記カラーフィルタ（１８）の前記第１スペクトル通過帯域（２０）は、４８０ｎｍ未満にあり、前記カラーフィルタ（１８）の少なくとも１つの第２スペクトル通過帯域（２２）は、５２０ｎｍから５６５ｎｍのスペクトル帯域内にあり、前記カラーフィルタ（１８）の前記第３スペクトル通過帯域（２４）は、６００ｎｍよりも上にある
   請求項１又は２記載の装置（１）。
4. 前記カメラ（８）は、前記カラーフィルタ（１８）を含む
   請求項１から３のいずれか１項記載の装置（１）。
5. 前記プロジェクタユニット（４）は、前記カラーフィルタ（１８）を含む
   請求項１から４のいずれか１項記載の装置（１）。
6. 前記カラーフィルタ（１８）は、前記プロジェクタユニット（４）内にて光源（３４）とスライド（６）との間に取り付けられている
   請求項１から５のいずれか１項記載の装置（１）。
7. 前記プロジェクタユニット（４）の前記光源（３４）は、レーザ光源として構成されており、少なくとも１つのレーザを含む
   請求項１から６のいずれか１項記載の装置（１）。
8. 前記プロジェクタユニット（４）の前記光源（３４）は、３つのレーザ光源を含み、前記３つのレーザ光源の各波長は、青色、緑色、及び赤色の光スペクトル内に位置している
   請求項７記載の装置（１）。
9. 前記プロジェクタユニット（４）の前記光源（３４）は、ＤＬＰプロジェクタとして構成されている
   請求項１から５のいずれか１項記載の装置（１）。

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