JP2019215246A - 三次元計測装置、三次元計測用のセンサデバイス、および三次元計測装置における制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元計測時の照射光よりも均一な光の照射を可能とする三次元計測装置を提供する。【解決手段】三次元計測装置は、光源と、光源からの光を被写体に導くレンズと、光源とレンズとの間の光軸上に配置され、予め定められたパターンが形成されたフォトマスクと、レンズおよびフォトマスクの少なくとも一方の部材の位置またはレンズの光学特性を変化させる駆動装置と、駆動装置を制御する制御部とを備える。制御部は、第１のモードが指定されると、上記部材の位置またはレンズの光学特性を固定することによって、フォトマスクにより形成される濃淡パターン光の結像位置を被写体の位置に固定し、第２のモードが指定されると、上記部材の位置またはレンズの光学特性を変化させる制御によって、濃淡パターン光による濃淡差が第１のモードよりも小さくなるように、濃淡パターン光の結像位置を変化させる。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元計測装置、三次元計測用のセンサデバイス、および三次元計測装置における制御方法に関する。

従来、検査対象物の高さを含む検査を実行可能な三次元計測装置が知られている。たとえば、特許文献１には、このような三次元計測装置として、所定パターンを投影して撮像された画像から所定パターンを検出することにより、三次元計測を行う装置が開示されている。

特開２０１２−７９２９４号公報

特許文献１に開示された装置は、所定パターンを投影した状態で撮像を行うため、均一な照明下での撮像（二次元計測のための撮像）ができない。

本開示は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、三次元計測時の照射光よりも均一な光の照射を可能とする三次元計測装置、三次元計測用のセンサデバイス、および三次元計測装置における制御方法を提供することにある。

本開示のある局面に従うと、三次元計測装置は、光源と、光源からの光を被写体に導くレンズと、光源とレンズとの間の光軸上に配置され、予め定められたパターンが形成されたフォトマスクと、レンズおよびフォトマスクの少なくとも一方の部材の位置またはレンズの光学特性を変化させる駆動装置と、駆動装置を制御する制御部とを備える。制御部は、第１のモードと第２のモードとを有する。制御部は、第１のモードが指定されると、部材の位置またはレンズの光学特性を固定することによって、フォトマスクにより形成される濃淡パターン光の結像位置を被写体の位置に固定する。制御部は、第２のモードが指定されると、部材の位置またはレンズの光学特性を変化させる制御によって、濃淡パターン光による濃淡差が第１のモードよりも小さくなるように、濃淡パターン光の結像位置を変化させる。

このような構成によれば、第２のモードでは、駆動対象部材の位置またはレンズの光学特性を変化させる制御によって、濃淡パターン光による濃淡差を第１のモードよりも小さくすることができる。それゆえ、第２のモードにおいては、第１のモード時よりも均一な照明下での撮像（二次元計測のための撮像）が可能となる。

好ましくは、制御部は、第２のモードでは、部材を光軸に対して垂直な方向に移動させる。

このような構成によれば、濃淡パターン光による濃淡差を第１のモードよりも小さくすることができる。

好ましくは、制御部は、第２のモードでは、部材を記光軸に対して垂直な方向に振動させる。

このような構成によれば、濃淡パターン光による濃淡差を第１のモードよりもより小さくすることができる。

好ましくは、パターンでは、複数の要素パターンが平面的に配置されている。振動の振幅は、振幅方向の要素パターンの幅よりも大きい。

このような構成によれば、振幅が要素パターンの幅よりも小さい構成よりも、濃淡差を小さくすることができる。したがって、振幅が要素パターンの幅よりも小さい構成よりも均一な光を被写体に照射することが可能となる。

好ましくは、三次元計測装置は、被写体にパターンが投影された状態で、被写体を撮像する撮像部をさらに備える。振動の周期は、撮像による露光時間よりも短い。

このような構成によれば、振動の周期が露光時間よりも長い構成よりも、濃淡差を小さくすることができる。したがって、周期が露光時間よりも長い構成よりも均一な光を被写体に照射することが可能となる。

好ましくは、制御部は、第２のモードが指定されると、部材を光軸に沿った方向に移動させる。

このような構成によれば、濃淡パターン光による濃淡差を第１のモードよりも小さくすることができる。

好ましくは、三次元計測装置は、被写体にパターンが投影された状態で、被写体を撮像する撮像部をさらに備える。制御部は、第１のモードが指定されていることを条件に、被写体の撮像画像に現れるパターンを検出し、当該検出結果に基づいて、被写体の三次元形状を計測する。第２のモードが指定されたときの部材の光軸に沿った方向への移動量は、第２のモードにおける結像位置が第１のモードが指定されたときの三次元形状の計測における計測レンジ外になるように設定されている。

このような構成によれば、第２のモードにおける結像位置が当該計測レンジ内に収まっている場合よりも、濃淡差を小さくすることができる。したがって、第２のモードにおける結像位置が当該計測レンジ内に収まっている場合よりも均一な光を被写体に照射することが可能となる。

好ましくは、レンズは、印加される駆動電圧に応じて焦点距離を変化させる液体レンズである。駆動装置は、液体レンズに対して駆動電圧を印加する駆動回路である。駆動装置は、第１のモードでは、駆動電圧の値を一定に維持する。駆動装置は、第２のモードでは、駆動電圧を変動させる。

このような構成によれば、液体レンズに印加する駆動電圧を制御することによって、レンズの光学特性を変化させることが可能となる。

本開示の他の局面に従うと、三次元計測用のセンサデバイスは、光源と、光源からの光を被写体に導くレンズと、光源とレンズとの間の光軸上に配置され、予め定められたパターンが形成されたフォトマスクと、レンズおよびフォトマスクの少なくとも一方の部材の位置またはレンズの光学特性を変化させる駆動装置とを備える。センサデバイスは、第１のモードでは、部材の位置またはレンズの光学特性を固定することによって、フォトマスクにより形成される濃淡パターン光の結像位置を被写体の位置に固定する。センサデバイスは、第２のモードでは、駆動装置によって部材の位置またはレンズの光学特性を変化させることにより、濃淡パターン光による濃淡差が第１のモードよりも小さくなるように、濃淡パターン光の結像位置を変化させる。

このような構成によれば、第２のモードでは、駆動対象部材の位置またはレンズの光学特性を変化させる制御によって、濃淡パターン光による濃淡差を第１のモードよりも小さくすることができる。それゆえ、第２のモードにおいては、第１のモード時よりも均一な照明下での撮像（二次元計測のための撮像）が可能となる。

本開示のさらに他の局面に従うと、制御方法は、三次元計測装置において実行される。三次元計測装置は、光源からの光を被写体に導くレンズと、光源とレンズとの間の光軸上に配置され、予め定められたパターンが形成されたフォトマスクとを備える。三次元計測装置は、レンズおよびフォトマスクの少なくとも一方の部材の位置またはレンズの光学特性を変化させる。制御方法は、第１のモードと第２のモードとのうちのいずれかのモードの指定を受け付けるステップと、第１のモードが指定されたことに基づき、部材の位置またはレンズの光学特性を固定することによって、フォトマスクにより形成される濃淡パターン光の結像位置を被写体の位置に固定するステップと、第２のモードが指定されたことに基づき、部材の位置またはレンズの光学特性を変化させる制御によって、濃淡パターン光による濃淡差が第１のモードよりも小さくなるように、濃淡パターン光の結像位置を変化させるステップとを備える。

このような方法によれば、第２のモードでは、駆動対象部材の位置またはレンズの光学特性を変化させる制御によって、濃淡パターン光による濃淡差を第１のモードよりも小さくすることができる。それゆえ、第２のモードにおいては、第１のモード時よりも均一な照明下での撮像（二次元計測のための撮像）が可能となる。

本開示によれば、第２のモードにおいては、第１のモード時よりも均一な照明下での撮像が可能となる。

三次元計測装置における処理の概要を説明するための図である。 三次元計測装置の概略構成を説明するための図である。 ３Ｄ計測センサの概略構成を表した図である。 空間パターンの一例を表した図である。 空間コード化法の計測原理を説明するための図である。 均一照明の生成方法を説明するための図である。 三次元計測装置の機能的構成を説明するためのブロック図である。 三次元計測装置において実行される処理の流れを表したフロー図である。 均一照明の他の生成方法を説明するための図である。 他の３Ｄ計測センサの概略構成を表した図である。 均一照明の生成方法を説明するための図である。 他の三次元計測装置の機能的構成を説明するためのブロック図である。 他の三次元計測装置において実行される処理の流れを表したフロー図である。 均一照明の他の生成方法を説明するための図である。 さらに他の三次元計測装置における処理の概要を説明するための図である。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについては詳細な説明は繰り返さない。

§１ 適用例
図１は、三次元計測装置における処理の概要を説明するための図である。三次元計測装置は、本例においては、空間コード化法を用いて三次元計測を行う。

図１に示すように、三次元計測装置は、光源と、フォトマスクと、レンズと、駆動装置と、制御部とを備えている。

レンズは、光源からの光を被写体に導く。フォトマスクは、光源とレンズとの間の光軸上に配置され、予め定められたパターンが形成されている。駆動装置は、レンズおよびフォトマスクの少なくとも一方の部材（以下、「駆動対象部材」とも称する）の位置を変化させる。

制御部は、駆動装置を制御する。詳しくは、制御部は、第１のモード（３Ｄモード）と第２のモード（２Ｄモード）とを有する。

制御部は、第１のモードが指定されると、状態（Ａ）に示すように、駆動対象部材の位置を固定することによって、フォトマスクにより形成される濃淡パターン光（パターン照明光，空間パターン光）の結像位置を被写体の位置に固定する。

制御部は、第２のモードが指定されると、状態（Ｂ）に示すように、駆動対象部材の位置を変化させる制御によって、濃淡差が第１のモードよりも小さくなるように、(好ましくは、濃淡パターン光による空間的な明るさの変化が被写体の表面に生じないように）、濃淡パターン光の結像位置を変化させる。

第１のモードにおいて、三次元計測が実行できる。詳しくは、三次元計測装置は、第１のモードにおいて、被写体に濃淡パターン光が投影された状態で、被写体を撮像する。さらに、三次元装置は、被写体の撮像画像に現れるパターンを検出し、当該検出結果に基づいて、被写体の三次元形状を計測する。

また、第２のモードでは、駆動対象部材の位置を変化させる制御によって、濃淡パターン光による濃淡差を第１のモードよりも小さくすることができる。それゆえ、第２のモードにおいては、第１のモード時よりも均一な照明下での撮像（二次元計測のための撮像）が可能となる。

また、第２のモードが指定された場合、駆動対象部材の位置を変化させるかわりに、駆動装置がレンズの光学特性を変化させることによっても、同様の効果を得られる。

§２ 構成例
［実施の形態１］
＜Ａ．システム構成＞
図２は、三次元計測装置１０００の概略構成を説明するための図である。

図２を参照して、三次元計測装置１０００は、３Ｄ（dimensions）計測センサ１と、画像処理装置２と、ディスプレイ３と、キーボード４とを備えている。画像処理装置２は、センサコントローラあるいは視覚センサとも称される。

３Ｄ計測センサ１は、画像処理装置２と通信可能に接続されている。画像処理装置２は、ディスプレイ３に接続されている。キーボード４は、画像処理装置２に接続されている。

３Ｄ計測センサ１は、典型的には、建物９内に設置される。３Ｄ計測センサ１は、設備等の対象物（被写体）を撮像する。なお、本例では、ワークＷがコンベア上を搬送されている状態を表している。対象物の撮像により、ワークＷとワークＷの周囲とを含む撮像画像が得られる。

詳細については後述するが、三次元計測装置１０００は、空間コード化法を用いて、被写体の三次元計測を行う。

＜Ｂ．３Ｄセンサ＞
図３は、３Ｄ計測センサ１の概略構成を表した図である。

図３を参照して、３Ｄ計測センサ１は、投影部１１と、撮像部１２とを備えている。
投影部１１は、光源１１１と、フォトマスク１１２と、レンズ１１３と、駆動装置１１４とを有する。撮像部１２は、受光素子１２１と、レンズ１２２とを有する。

光源１１１は、所定の波長の光をフォトマスク１１２の方向に向けて照射する。フォトマスク１１２には、所定のパターンが形成されている。フォトマスク１１２を通過した光は、レンズ１１３を介して、外部に照射される。これにより、外部空間に空間パターンが投影される。

撮像部１２は、空間パターンが投影された状態の被写体を撮像する。詳しくは、レンズ１２２を通過した光を受光素子１２１が受光することにより、撮像画像が得られる。

駆動装置１１４は、具体的には駆動機構である。駆動装置１１４は、画像処理装置２からの指示に基づき、フォトマスク１１２を駆動する。駆動装置１１４は、フォトマスク１１２の位置を変化させる。駆動装置１１４は、典型的には、フォトマスク１１２を所定の周期で振動させることにより、フォトマスク１１２の位置を周期的に変化させる。フォトマスク１１２の移動方向（具体的には、振幅の方向）については、後述する（図６，図９）。

＜Ｃ．空間コード化法＞
三次元計測装置１０００において用いられる空間コード化法について説明する。

（ｃ１．原理）
図４は、空間パターンの一例を表した図である。空間パターンＰは、フォトマスク１１２を光源１１１からの光が通過することによって生じる。

空間パターンＰは、被写体に投影される。撮像部１２は、被写体に空間パターンＰが投影された状態で、当該被写体を撮像する。

図５は、空間コード化法の計測原理を説明するための図である。
図５（Ａ）は、４種類のコードを表した図である。４種類のコードによって、０〜３の４つの数値を表現できる。

図５（Ａ）を参照して、各コードは、４つの大きな正方形Ｑａ，Ｑｂ，Ｑｃ，Ｑｄと、中心部に位置する１つの小さな正方形Ｑｅとで構成される。正方形Ｑａ〜Ｑｄの各々は、コードの中心位置Ｒがコーナとなるように配置されている。中心位置Ｒは、小さな正方形Ｑｅの中心位置でもある。

４つの大きな正方形Ｑａ，Ｑｂ，Ｑｃ，Ｑｄは、「グリッド」と称される。グリッドの交点に位置する小さな正方形Ｑｅは、「プリミティブ」と称される。後述するように、２種類のグリッドと、２種類のプリミティブとの組み合わせで、４種類のコードが表現される。

左上の正方形Ｑａが黒色のとき、所定の変数ｐ１の値を０（ｐ１＝０）とする。正方形Ｑａが白色のとき、変数ｐ１の値を１（ｐ１＝１）とする。

中心の小さな正方形Ｑｅの色が黒色のときに、所定の変数ｐ０の値を０（ｐ０＝０）とする。正方形Ｑｅの色が白色のときに、変数ｐ０の値を１（ｐ０＝１）とする。さらに、２ｐ１とｐ０との和（２ｐ１＋ｐ０）を、コードの値とする。

たとえば、正方形Ｑａが黒色、かつ正方形Ｑｅが黒色の場合、当該コードの値は、「０」となる。正方形Ｑａが黒色、かつ正方形Ｑｅが白色の場合、当該コードの値は、「１」となる。正方形Ｑａが白色、かつ正方形Ｑｅが黒色の場合、当該コードの値は、「２」となる。正方形Ｑａが白色、かつ正方形Ｑｅが白色の場合、当該コードの値は、「３」となる。

このように、４種のコードにより、「０」，「１」，「２」，「３」の４つの数値を表現できる。

図５（Ｂ）は、空間パターンＰ（図４参照）の一部と等価な行列を説明するための図である。図５（Ｂ）を参照して、投影された空間パターンの各コードの種類を数値で表現することにより、空間パターンと等価な行列Ｋを生成できる。

図５（Ｃ）は、空間パターンと等価な行列Ｋの部分行列を説明するための図である。行列Ｋに対して、高さＨwordかつ幅Ｗwordの部分行列を考える。なお、このような部分行列を「ワード」とも称する。

行列Ｋから全てのワードが取り出される。図の例では、取り出された３つのワードを示している。各ワードは、他のワードと一部が重複する。

本例の場合、高さおよび幅が「３」に設定されている。つまり、ワードが、３×３の行列に設定した場合を示している。このように、ワードが、３×３の行列とした場合、１つのワードで、２９＝５１２通りの並びを表現できる。

この点に関し、詳しく説明すると、以下のとおりである。コードは、上記のように４種類ある。しかしながら、１種類のプリミティブの隣に表現されるコードは実質的には２種類である。これは、グリッドが固定されるためである。グリッドは、実質的には、プリミティブの位置だけを表現し、ワードを表現するコード情報はプリミティブの２種類となる。このため、１コードあたり、１bitの情報となる。したがって、３×３のワードの場合、２の９乗、すなわち９ｂｉｔの情報となり、１つのワードで、５１２通りの表現が可能となる。

空間パターンＰでは、全てのワードの各々が唯一のものとなるように、コードが配置されている。ワードを３×３の行列とする場合、２９通りの中から、重複しないように各ワードの並びが設定されている。

全てのワードを取り出したときに、数値の並びが唯一のものであるワードについては、空間パターンにおける位置（ワードの位置）が特定できる。

＜Ｄ．均一照明＞
以下では、レンズ１１３およびフォトマスク１１２のうち、フォトマスク１１２を駆動対象部材とした構成例を説明する。

図６は、均一照明の生成方法を説明するための図である。図６を参照して、三次元計測装置１０００（詳しくは、後述する制御部２０）は、３Ｄモードでは、駆動装置１１４（図３参照）を停止した状態とする。これにより、状態（Ａ）に示すように、フォトマスク１１２の位置が固定される。その結果、三次元計測装置１０００は、フォトマスク１１２により形成される濃淡パターン光（空間パターンＰの光）の結像位置を被写体の位置に固定する。

次に、三次元計測装置１０００は、２Ｄモードが指定されると、駆動装置１１４（図３参照）を動作させる。詳しくは、三次元計測装置１０００は、フォトマスク１１２を光軸に対して垂直な方向（図のＸ軸方向）に移動させる。より詳しくは、三次元計測装置１０００は、矢印Ｊ１に示すように、フォトマスク１１２を光軸に対して垂直な方向に振動させる。

これにより、２Ｄモードでは、濃淡パターン光の結像位置が時間的に変化する。それゆえ、三次元計測時の照射光（濃淡パターン光の結像位置が時間的に変化しない照射光）よりも均一な照明下での撮像（二次元計測のための撮像）が可能となる。

より詳しく説明すると、以下のとおりである。空間パターンＰでは、上述したように、複数のワード（要素パターン）が平面的に配置されている。フォトマスク１１２の振動の振幅は、振幅方向のワードの幅よりも大きくなるように設定されている。なお、状態（Ｂ）では、振幅は、ｘ４−ｘ２（あるいはｘ３−ｘ１）となる。

このような振幅を有するようにフォトマスク１１２を振動させることにより、各ワード幅分、ワード位置が変更される。それゆえ、三次元計測装置１０００によれば、振幅がワードの幅よりも小さい構成よりも、空間パターン光（濃淡パターン光）による濃淡差を小さくすることができる。したがって、振幅がワードの幅よりも小さい構成よりも均一な光を被写体に照射することが可能となる。

また、三次元計測装置１０００は、被写体に空間パターンＰが投影された状態で、被写体を撮像する。フォトマスク１１２の上記振動の周期は、撮像による露光時間よりも短く設定されている。このように振動の周期を設定することにより、少なくとも１周期の間、受光素子１２１の露光状態が維持される。それゆえ、三次元計測装置１０００によれば、周期が露光時間よりも長い構成よりも、空間パターン光による濃淡差を小さくすることができる。したがって、周期が露光時間よりも長い構成よりも均一な光を被写体に照射することが可能となる。なお、上記振動の周期を整数倍した値が撮像による露光時間になることが、均一化の観点化からはさらに好ましい。

以上のように、フォトマスク１１２を光軸に垂直な方向に移動させることにより、濃淡パターン光による濃淡差を３Ｄモードよりも小さくすることができる。それゆえ、２Ｄモードが指定されることにより、三次元計測時（３Ｄモード時）の照射光よりも均一な照明下での撮像（二次元計測のための撮像）が可能となる。また、三次元計測装置１０００では、フォトマスク１１２の駆動の有無により、三次元計測と、二次元計測とを切り替えることが可能となる。

＜Ｅ．機能的構成＞
図７は、三次元計測装置１０００の機能的構成を説明するためのブロック図である。

図７を参照して、三次元計測装置１０００は、上述したように、３Ｄ計測センサ１と、画像処理装置２と、ディスプレイ３と、キーボード４とを備える。

３Ｄ計測センサ１は、上述したように、投影部１１と、撮像部１２とを備える（図３参照）。投影部１１は、上述したように、光源１１１と、フォトマスク１１２と、レンズ１１３と、駆動装置１１４とを備える。

画像処理装置２は、制御部２０を備える。制御部２０は、投影制御部２１と、撮像制御部２２と、計測部２３と、表示制御部２４とを有する。

制御部２０は、画像処理装置２の全体的な動作を制御する。制御部２０は、キーボード３等の入力装置からの入力を受け付ける。制御部２０は、たとえば上記入力として、３Ｄモードの指示、２Ｄモードの指示等を受け付ける。制御部２０は、当該入力応じた動作を実行する。たとえば、制御部２０は、３Ｄ計測センサ１の動作およびディスプレイ３への出力を制御する。

制御部２０における各処理は、典型的には、画像処理装置２のメモリ（図示せず）に予め記憶されたプログラムを、画像処理装置２のプロセッサ（図示せず）が実行することにより実現される。

投影制御部２１は、投影部１１の動作を制御する。たとえば、投影制御部２１は、光源１１１のオンおよびオフを制御する。さらに、投影制御部２１は、２Ｄモードを指定する入力を受け付けた場合、駆動装置１１４を駆動させることにより、フォトマスク１１２を光軸に対して垂直な方向に振動させる。

撮像制御部２２は、撮像部１２の動作を制御する。たとえば、撮像制御部２２は、撮像の指令を撮像部１２に送り、撮像画像を撮像部１２から得る。撮像制御部２２は、被写体の撮像画像を計測部２３に送る。

計測部２３は、３Ｄモードが指定されている場合、被写体の撮像画像に現れるパターンを検出し、当該検出結果に基づいて、被写体の三次元形状を計測する。

表示制御部２４は、３Ｄモードが指定されている場合、三次元形状の計測結果をディスプレイ３に表示する。表示制御部２４は、２Ｄモードが指定されている場合、二次元形状の計測結果をディスプレイ３に表示する。

＜Ｆ．制御構造＞
図８は、三次元計測装置１０００において実行される処理の流れを表したフロー図である。

図８を参照して、ステップＳ１において、制御部２０は、指定された計測モードが３Ｄモードであるか２Ｄモードであるかを判断する。３Ｄモードが指定されていると判断されると、ステップＳ２において、投影部１１は、空間パターンＰを被写体に投影する。ステップＳ３において、撮像部１２は、被写体に空間パターンＰが投影された状態で、被写体を撮像する。

ステップＳ４において、制御部２０は、被写体の撮像画像に現れるパターンを検出する。ステップＳ５において、制御部２０は、当該検出結果に基づいて、被写体の三次元形状を計測する。

ステップＳ１において２Ｄモードが指定されていると判断されると、ステップＳ６において、投影部１１は、空間パターンＰを被写体に投影する。ステップＳ７において、制御部２０は、駆動装置１１４によってフォトマスク１１２を振動させる。ステップＳ８において、撮像部１２は、撮像を行う。ステップＳ９において、制御部２０は、フォトマスク１１２の振動を停止させる。

＜Ｇ．変形例＞
図９は、均一照明の他の生成方法を説明するための図である。図９を参照して、三次元計測装置１０００（詳しくは、制御部２０）は、３Ｄモードでは、駆動装置１１４（図３参照）を停止した状態とする。これにより、状態（Ａ）に示すように、フォトマスク１１２の位置が固定される。その結果、三次元計測装置１０００は、フォトマスク１１２により形成される濃淡パターン光（空間パターンＰの光）の結像位置を被写体の位置に固定する。

次に、三次元計測装置１０００は、２Ｄモードが指定されると、駆動装置１１４を動作させる。詳しくは、三次元計測装置１０００は、フォトマスク１１２を光軸に沿った方向（図のＹ軸方向）に移動させる。より詳しくは、三次元計測装置１０００は、矢印Ｊ２に示すように、フォトマスク１１２を光軸に沿った方向に振動させる。

この場合であっても、フォトマスク１１２を光軸に垂直な方向に移動させる場合と、同様の効果を得ることができる。なお、この場合における、振幅は、ｙ４−ｙ２（あるいはｙ３−ｙ１）となる。

詳しくは、フォトマスク１１２の光軸に沿った方向への移動量は、２Ｄモードにおける結像位置が３Ｄモードが指定されたときの三次元形状の計測における計測レンジ外になるように設定されている。このような構成によれば、２Ｄモードにおける結像位置が当該計測レンジ内に収まっている場合よりも、空間パターン光による濃淡差を小さくすることができる。したがって、２Ｄモードにおける結像位置が当該計測レンジ内に収まっている場合よりも均一な光を被写体に照射することが可能となる。
［実施の形態２］
実施の形態１においては、２Ｄモード時にフォトマスク１１２の位置を変化させる制御を行った。本実施の形態では、２Ｄモード時にレンズ１１３の位置を変化させる構成について説明する。

本実施の形態に係る三次元計測装置１０００Ａは、３Ｄ計測センサ１Ａと、画像処理装置２と、ディスプレイ３と、キーボード４とを備える。三次元計測装置１０００Ａは、３Ｄ計測センサ１Ａを備える点において、３Ｄ計測センサ１を備える実施の形態１に係る三次元計測装置１０００とは異なる。

＜Ａ．３Ｄセンサ＞
図１０は、３Ｄ計測センサ１Ａの概略構成を表した図である。

図１０を参照して、３Ｄ計測センサ１Ａは、投影部１１Ａと、撮像部１２とを備えている。

投影部１１Ａは、光源１１１と、フォトマスク１１２と、レンズ１１３と、駆動装置１１４Ａとを有する。撮像部１２は、上述したように、受光素子１２１と、レンズ１２２とを有する。

駆動装置１１４Ａは、具体的には駆動機構である。駆動装置１１４Ａは、画像処理装置２からの指示に基づき、レンズ１１３を駆動する。駆動装置１１４Ａは、レンズ１１３の位置を変化させる。駆動装置１１４は、典型的には、レンズ１１３を所定の周期で振動させることにより、レンズ１１３の位置を周期的に変化させる。レンズ１１３の移動方向（具体的には、振幅の方向）については、後述する（図１１，図１４）。

＜Ｂ．均一照明＞
図１１は、均一照明の生成方法を説明するための図である。図１１を参照して、三次元計測装置１０００Ａ（詳しくは、制御部２０）は、３Ｄモードでは、駆動装置１１４（図３参照）を停止した状態とする。これにより、状態（Ａ）に示すように、レンズ１１３の位置が固定される。その結果、三次元計測装置１０００は、フォトマスク１１２により形成される濃淡パターン光（空間パターンＰの光）の結像位置を被写体の位置に固定する。

次に、三次元計測装置１０００Ａは、２Ｄモードが指定されると、駆動装置１１４を動作させる。詳しくは、三次元計測装置１０００Ａは、レンズ１１３を光軸に対して垂直な方向（図のＸ軸方向）に移動させる。より詳しくは、三次元計測装置１０００Ａは、矢印Ｊ３に示すように、レンズ１１３を光軸に対して垂直な方向に振動させる。

これにより、濃淡パターン光の結像位置が時間的に変化する。それゆえ、三次元計測時の照射光（濃淡パターン光の結像位置が時間的に変化しない照射光）よりも均一な照明下での撮像（二次元計測のための撮像）が可能となる。

より詳しく説明すると、以下のとおりである。空間パターンＰでは、上述したように、複数のワード（要素パターン）が平面的に配置されている。レンズ１１３の振動の振幅は、振幅方向のワードの幅よりも大きくなるように設定されている。なお、状態（Ｂ）では、振幅は、ｘ８−ｘ６（あるいはｘ７−ｘ５）となる。

このような振幅を有するようにレンズ１１３を振動させることにより、各ワード幅分、ワード位置が変更される。それゆえ、三次元計測装置１０００Ａによれば、振幅がワードの幅よりも小さい構成よりも、空間パターン光による濃淡差を小さくすることができる。したがって、振幅がワードの幅よりも小さい構成よりも均一な光を被写体に照射することが可能となる。

また、三次元計測装置１０００Ａは、被写体に空間パターンＰが投影された状態で、被写体を撮像する。フォトマスク１１２の上記振動の周期は、撮像による露光時間よりも短く設定されている。このように振動の周期を設定することにより、少なくとも１周期の間、受光素子１２１の露光状態が維持される。それゆえ、三次元計測装置１０００Ａによれば、周期が露光時間よりも長い構成よりも、空間パターン光による濃淡差を小さくすることができる。したがって、周期が露光時間よりも長い構成よりも均一な光を被写体に照射することが可能となる。

以上のように、レンズ１１３を光軸に垂直な方向に移動させることにより、濃淡パターン光による濃淡差を３Ｄモードよりも小さくすることができる。それゆえ、それゆえ、２Ｄモードが指定されることにより、三次元計測時（３Ｄモード時）の照射光よりも均一な照明下での撮像（二次元計測のための撮像）が可能となる。また、三次元計測装置１０００Ａでは、レンズ１１３の駆動の有無により、三次元計測と、二次元計測とを切り替えることが可能となる。

＜Ｃ．機能的構成＞
図１２は、三次元計測装置１０００Ａの機能的構成を説明するためのブロック図である。

図１２を参照して、三次元計測装置１０００Ａは、上述したように、３Ｄ計測センサ１と、画像処理装置２と、ディスプレイ３と、キーボード４とを備える。

３Ｄ計測センサ１Ａは、投影部１１Ａと、撮像部１２とを備える。投影部１１Ａは、光源１１１と、フォトマスク１１２と、レンズ１１３と、駆動装置１１４Ａとを備える。

本実施の形態では、制御部２０の投影制御部２１は、投影部１１Ａの動作を制御する。たとえば、投影制御部２１は、光源１１１のオンおよびオフを制御する。さらに、投影制御部２１は、２Ｄモードを指定する入力を受け付けた場合、駆動装置１１４Ａを駆動させることにより、フォトマスク１１２を光軸に対して垂直な方向に振動させる。

＜Ｄ．制御構造＞
図１３は、三次元計測装置１０００Ａにおいて実行される処理の流れを表したフロー図である。

図１３を参照して、本実施の形態では、ステップＳ７（図８）の代わりにステップＳ７Ａを有し、かつステップＳ８（図８）の代わりにステップＳ８Ａを有する点において、実施の形態１で説明した処理の流れとは異なる。以下、２Ｄモードが指定されている場合に着目して説明する。

ステップＳ１において２Ｄモードが指定されていると判断されると、ステップＳ６において、投影部１１Ａは、空間パターンＰを被写体に投影する。ステップＳ７Ａにおいて、制御部２０は、駆動装置１１４Ａによってレンズ１１３を振動させる。ステップＳ８において、撮像部１２は、撮像を行う。ステップＳ９Ａにおいて、制御部２０は、レンズ１１３の振動を停止させる。

＜Ｅ．変形例＞
図１４は、均一照明の他の生成方法を説明するための図である。図１４を参照して、三次元計測装置１０００Ａ（詳しくは、制御部２０）は、３Ｄモードでは、駆動装置１１４Ａを停止した状態とする。これにより、状態（Ａ）に示すように、レンズ１１３の位置が固定される。その結果、三次元計測装置１０００は、フォトマスク１１２により形成される濃淡パターン光（空間パターンＰの光）の結像位置を被写体の位置に固定する。

次に、三次元計測装置１０００Ａは、２Ｄモードが指定されると、駆動装置１１４Ａを動作させる。詳しくは、三次元計測装置１０００Ａは、レンズ１１３を光軸に沿った方向（図のＹ軸方向）に移動させる。より詳しくは、三次元計測装置１０００は、矢印Ｊ４に示すように、レンズ１１３を光軸に沿った方向に振動させる。

この場合であっても、レンズ１１３を光軸に垂直な方向に移動させる場合と、同様の効果を得ることができる。なお、この場合における、振幅は、ｙ６−ｙ５となる。

詳しくは、レンズ１１３の光軸に沿った方向への移動量は、２Ｄモードにおける結像位置が３Ｄモードが指定されたときの三次元形状の計測における計測レンジ外になるように設定されている。このような構成によれば、２Ｄモードにおける結像位置が当該計測レンジ内に収まっている場合よりも，空間パターン光による濃淡差を小さくすることができる。したがって、２Ｄモードにおける結像位置が当該計測レンジ内に収まっている場合よりも均一な光を被写体に照射することが可能となる。
［実施の形態３］
上記実施の形態２では、機械的に駆動する駆動機構である駆動装置１１４Ａによって、２Ｄモード時にレンズ１１３の位置を変化させる構成について説明した。本実施の形態では、機械的な駆動を行わない構成について説明する。詳しくは、本実施の形態では、レンズの位置を変化させない構成について説明する。

本実施の形態では、レンズ１１３の代わりに液体レンズを用いる。なお、以下では、主として、実施の形態１，２で説明した三次元計測装置１０００，１０００Ａとは異なる点を説明する。

図１５は、本実施の形態に係る三次元計測装置１０００Ｂにおける処理の概要を説明するための図である。図１５に示すように、三次元計測装置１０００Ｂは、光源１１１と、フォトマスク１１２と、レンズ１１３Ｂと、駆動装置１１４Ｂと、制御部２０とを備えている。

レンズ１１３Ｂは、印加される駆動電圧に応じて焦点距離を変化させる液体レンズである。レンズ１１３Ｂは、光源１１１からの光を被写体に導く。フォトマスク１１２は、光源１１１とレンズ１１３Ｂとの間の光軸上に配置され、パターンＰが形成されている。

レンズ１１３Ｂは、駆動電圧が印加されていない状態では、焦点距離が最短となる。レンズ１１３Ｂは、十分に大きな駆動電圧が印加されると、焦点距離が最長となる。

駆動装置１１４Ｂは、レンズ１１３Ｂの光学特性を変化させる。詳しくは、駆動装置１１４Ｂは、具体的には、レンズ１１３Ｂに対して駆動電圧を印加する駆動回路である。

駆動装置１１４Ｂは、３Ｄモードでは、駆動電圧の値を一定に維持する。なお、一定に維持することは、電圧値を０にしておくことも含む。

駆動装置１１４Ｂは、２Ｄモードでは、駆動電圧を変動させる。詳しくは、駆動装置１１４Ｂは、２Ｄモードでは、周期的に駆動電圧を変化させる。駆動装置１１４Ｂは、駆動電圧の上昇と下降とを、短い時間間隔で繰り返す。駆動装置１１４Ｂが駆動電圧を変動させることにより、レンズ１１３Ｂの光学特性が変化する。この光学特性の変化により、焦点距離が変化する。なお、駆動電圧の変動周期は、たとえば、実施の形態２におけるレンズ１１３の振動周期と同じにすればよい。

制御部２０は、駆動装置１１４Ｂを制御する。制御部２０は、３Ｄモードが指定されると、状態（Ａ）に示すように、レンズ１１３Ｂの光学特性を固定することによって、フォトマスク１１２により形成される濃淡パターン光（パターン照明光，空間パターン光）の結像位置を被写体の位置に固定する。

制御部２０は、２Ｄモードが指定されると、状態（Ｂ）に示すように、レンズ１１３Ｂの光学特性を変化させる制御によって、濃淡差が３Ｄモードよりも小さくなるように、(好ましくは、濃淡パターン光による空間的な明るさの変化が被写体の表面に生じないように）、濃淡パターン光の結像位置を変化させる。

このような構成によっても、実施の形態１，２と同様に、２Ｄモードにおいては、３Ｄモード時よりも均一な照明下での撮像（二次元計測のための撮像）が可能となる。

＜付記＞
〔構成１〕
光源（１１１）と、
前記光源（１１１からの光を被写体に導くレンズ（１１３，１１３Ｂ）と、
前記光源（１１１と前記レンズ（１１３，１１３Ｂ）との間の光軸上に配置され、予め定められたパターン（Ｐ）が形成されたフォトマスク（１１２）と、
前記レンズ（１１３）および前記フォトマスク（１１２）の少なくとも一方の部材の位置またはレンズ（１１３Ｂ）の光学特性を変化させる駆動装置（１１４，１１４Ａ，１１４Ｂ）と、
前記駆動装置（１１４，１１４Ａ，１１４Ｂ）を制御する制御部（２０）とを備え、
前記制御部（２０）は、
第１のモードと第２のモードとを有し、
前記第１のモードが指定されると、前記部材の位置またはレンズ（１１３Ｂ）の光学特性を固定することによって、前記フォトマスク（１１２）により形成される濃淡パターン光の結像位置を前記被写体の位置に固定し、
前記第２のモードが指定されると、前記部材の位置またはレンズ（１１３Ｂ）の光学特性を変化させる制御によって、前記濃淡パターン光による濃淡差が前記第１のモードよりも小さくなるように、前記濃淡パターン光の結像位置を変化させる、三次元計測装置（１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ）。

〔構成２〕
前記制御部（２０）は、前記第２のモードでは、前記部材を前記光軸に対して垂直な方向に移動させる、構成１に記載の三次元計測装置（１０００，１０００Ａ）。

〔構成３〕
前記制御部（２０）は、前記第２のモードでは、前記部材を前記光軸に対して垂直な方向に振動させる、構成２に記載の三次元計測装置（１０００，１０００Ａ）。

〔構成４〕
前記パターン（Ｐ）では、複数の要素パターンが平面的に配置されており、
前記振動の振幅は、前記振幅方向の前記要素パターンの幅よりも大きい、構成３に記載の三次元計測装置（１０００，１０００Ａ）。

〔構成５〕
前記被写体に前記パターン（Ｐ）が投影された状態で、前記被写体を撮像する撮像部を（１２）さらに備え、
前記振動の周期は、前記撮像による露光時間よりも短い、構成３または４に記載の三次元計測装置（１０００，１０００Ａ）。

〔構成６〕
前記制御部（２０）は、前記第２のモードが指定されると、前記部材を前記光軸に沿った方向に移動させる、構成１に記載の三次元計測装置（１０００，１０００Ａ）。

〔構成７〕
前記被写体に前記パターン（Ｐ）が投影された状態で、前記被写体を撮像する撮像部を（１２）さらに備え、
前記制御部（２０）は、前記第１のモードが指定されていることを条件に、前記被写体の撮像画像に現れるパターンを検出し、当該検出結果に基づいて、前記被写体の三次元形状を計測し、
前記第２のモードが指定されたときの前記部材の前記光軸に沿った方向への移動量は、前記第２のモードにおける結像位置が前記第１のモードが指定されたときの前記三次元形状の計測における計測レンジ外になるように設定されている、構成６に記載の三次元計測装置（１０００，１０００Ａ）。

〔構成８〕
レンズ（１１３Ｂ）は、印加される駆動電圧に応じて焦点距離を変化させる液体レンズであり、
前記駆動装置（１１４Ｂ）は、
前記液体レンズに対して前記駆動電圧を印加する駆動回路であり、
前記第１のモードでは、前記駆動電圧の値を一定に維持し、
前記第２のモードでは、前記駆動電圧を変動させる、構成１に記載の三次元計測装置（１０００Ｂ）。

〔構成９〕
三次元計測用のセンサデバイス（１，１Ａ，１Ｂ）であって、
光源（１１１）と、
前記光源（１１１）からの光を被写体に導くレンズ（１１３，１１３Ｂ）と、
前記光源（１１１）と前記レンズ（１１３，１１３Ｂ）との間の光軸上に配置され、予め定められたパターンが形成されたフォトマスク（１１２）と、
前記レンズ（１１３）および前記フォトマスク（１１２）の少なくとも一方の部材の位置またはレンズ（１１３Ｂ）の光学特性を変化させる駆動装置（１１４，１１４Ａ，１１４Ｂ）とを備え、
前記センサデバイス（１，１Ａ，１Ｂ）は、
第１のモードでは、前記部材の位置またはレンズ（１１３Ｂ）の光学特性を固定することによって、前記フォトマスク（１１２）により形成される濃淡パターン光の結像位置を前記被写体の位置に固定し、
第２のモードでは、前記駆動装置（１１４，１１４Ａ，１１４Ｂ）によって前記部材の位置またはレンズ（１１３Ｂ）の光学特性を変化させることにより、前記濃淡パターン光による濃淡差が前記第１のモードよりも小さくなるように、前記濃淡パターン光の結像位置を変化させる、三次元計測用のセンサデバイス（１，１Ａ，１Ｂ）。

〔構成１０〕
三次元計測装置（１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ）における制御方法であって、
前記三次元計測装置（１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ）は、光源（１１１）からの光を被写体に導くレンズ（１１３，１１３Ｂ）と、前記光源（１１１）と前記レンズ（１１３，１１３Ｂ）との間の光軸上に配置され、予め定められたパターン（Ｐ）が形成されたフォトマスク（１１２）とを備え、前記レンズ（１１３）および前記フォトマスク（１１２）の少なくとも一方の部材の位置またはレンズ（１１３Ｂ）の光学特性を変化させ、
前記制御方法は、
第１のモードと第２のモードとのうちのいずれかのモードの指定を受け付けるステップと、
前記第１のモードが指定されたことに基づき、前記部材の位置またはレンズ（１１３Ｂ）の光学特性を固定することによって、前記フォトマスク（１１２）により形成される濃淡パターン光の結像位置を前記被写体の位置に固定するステップと、
前記第２のモードが指定されたことに基づき、前記部材の位置またはレンズ（１１３Ｂ）の光学特性を変化させる制御によって、前記濃淡パターン光による濃淡差が前記第１のモードよりも小さくなるように、前記濃淡パターン光の結像位置を変化させるステップとを備える、三次元計測装置における制御方法。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ，１Ｂ ３Ｄ計測センサ、２ 画像処理装置、３ ディスプレイ、４ キーボード、１１，１１Ａ 投影部、１２ 撮像部、２０ 制御部、２１ 投影制御部、２２ 撮像制御部、２３ 計測部、２４ 表示制御部、１１１ 光源、１１２ フォトマスク、１１３，１１３Ｂ，１２２ レンズ、１１４，１１４Ａ，１１４Ｂ 駆動装置、１２１ 受光素子、１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ 三次元計測装置、Ｋ 行列、Ｐ 空間パターン、Ｑａ，Ｑｂ，Ｑｃ，Ｑｄ，Ｑｅ 正方形、Ｒ 中心位置、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４ 矢印、Ｗ ワーク。

Claims (10)

1. 光源と、
   前記光源からの光を被写体に導くレンズと、
   前記光源と前記レンズとの間の光軸上に配置され、予め定められたパターンが形成されたフォトマスクと、
   前記レンズおよび前記フォトマスクの少なくとも一方の部材の位置または前記レンズの光学特性を変化させる駆動装置と、
   前記駆動装置を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   第１のモードと第２のモードとを有し、
   前記第１のモードが指定されると、前記部材の位置または前記レンズの光学特性を固定することによって、前記フォトマスクにより形成される濃淡パターン光の結像位置を前記被写体の位置に固定し、
   前記第２のモードが指定されると、前記部材の位置または前記レンズの光学特性を変化させる制御によって、前記濃淡パターン光による濃淡差が前記第１のモードよりも小さくなるように、前記濃淡パターン光の結像位置を変化させる、三次元計測装置。
2. 前記制御部は、前記第２のモードでは、前記部材を前記光軸に対して垂直な方向に移動させる、請求項１に記載の三次元計測装置。
3. 前記制御部は、前記第２のモードでは、前記部材を前記光軸に対して垂直な方向に振動させる、請求項２に記載の三次元計測装置。
4. 前記パターンでは、複数の要素パターンが平面的に配置されており、
   前記振動の振幅は、前記振幅方向の前記要素パターンの幅よりも大きい、請求項３に記載の三次元計測装置。
5. 前記被写体に前記パターンが投影された状態で、前記被写体を撮像する撮像部をさらに備え、
   前記振動の周期は、前記撮像による露光時間よりも短い、請求項３または４に記載の三次元計測装置。
6. 前記制御部は、前記第２のモードが指定されると、前記部材を前記光軸に沿った方向に移動させる、請求項１に記載の三次元計測装置。
7. 前記被写体に前記パターンが投影された状態で、前記被写体を撮像する撮像部をさらに備え、
   前記制御部は、前記第１のモードが指定されていることを条件に、前記被写体の撮像画像に現れるパターンを検出し、当該検出結果に基づいて、前記被写体の三次元形状を計測し、
   前記第２のモードが指定されたときの前記部材の前記光軸に沿った方向への移動量は、前記第２のモードにおける結像位置が前記第１のモードが指定されたときの前記三次元形状の計測における計測レンジ外になるように設定されている、請求項６に記載の三次元計測装置。
8. 前記レンズは、印加される駆動電圧に応じて焦点距離を変化させる液体レンズであって、
   前記駆動装置は、
   前記液体レンズに対して前記駆動電圧を印加する駆動回路であり、
   前記第１のモードでは、前記駆動電圧の値を一定に維持し、
   前記第２のモードでは、前記駆動電圧を変動させる、請求項１に記載の三次元計測装置。
9. 三次元計測用のセンサデバイスであって、
   光源と、
   前記光源からの光を被写体に導くレンズと、
   前記光源と前記レンズとの間の光軸上に配置され、予め定められたパターンが形成されたフォトマスクと、
   前記レンズおよび前記フォトマスクの少なくとも一方の部材の位置または前記レンズの光学特性を変化させる駆動装置とを備え、
   前記センサデバイスは、
   第１のモードでは、前記部材の位置または前記レンズの光学特性を固定することによって、前記フォトマスクにより形成される濃淡パターン光の結像位置を前記被写体の位置に固定し、
   第２のモードでは、前記駆動装置によって前記部材の位置または前記レンズの光学特性を変化させることにより、前記濃淡パターン光による濃淡差が前記第１のモードよりも小さくなるように、前記濃淡パターン光の結像位置を変化させる、三次元計測用のセンサデバイス。
10. 三次元計測装置における制御方法であって、
    前記三次元計測装置は、光源からの光を被写体に導くレンズと、前記光源と前記レンズとの間の光軸上に配置され、予め定められたパターンが形成されたフォトマスクとを備え、前記レンズおよび前記フォトマスクの少なくとも一方の部材の位置または前記レンズの光学特性を変化させ、
    前記制御方法は、
    第１のモードと第２のモードとのうちのいずれかのモードの指定を受け付けるステップと、
    前記第１のモードが指定されたことに基づき、前記部材の位置または前記レンズの光学特性を固定することによって、前記フォトマスクにより形成される濃淡パターン光の結像位置を前記被写体の位置に固定するステップと、
    前記第２のモードが指定されたことに基づき、前記部材の位置または前記レンズの光学特性を変化させる制御によって、前記濃淡パターン光による濃淡差が前記第１のモードよりも小さくなるように、前記濃淡パターン光の結像位置を変化させるステップとを備える、三次元計測装置における制御方法。