JP2927179B2 - ３次元形状入力装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スリット光を用いて３
次元物体の形状測定を行う３次元形状入力装置に関し、
より詳しくは、対象物体までの距離あるいは撮像画角に
応じてスリット光の走査領域・走査速度・サイズの変更
が可能な３次元形状入力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の３次元形状を測定する際に、光切
断法を用いることが提案されている。光切断法とは、図
１（詳細は後述）に示すように、対象物体表面にスリッ
ト光を投光し、その反射光をエリアセンサーなどで撮像
することを基本とする。撮像された像の１点ｑに対応す
る対象物体上の点ｐの空間座標は、スリット光のなす平
面Ｓが点ｑと撮像レンズの中心Ｏとを結ぶ直線に交差す
る点の座標として求められる。このように、１本のスリ
ット光からスリット光上の物体表面各点の空間座標が求
められるため、スリット光をスリット光の長手方向に垂
直な方向に走査して画像入力を繰り返すことにより、対
象物体全体の３次元形状の情報を得ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来提案されている３
次元入力装置では、装置に対してあらかじめ決められた
位置に対象物体を置く必要があった。このように対象物
体の設置位置が限定されている他、撮像画角も一定であ
り、従って、撮像できる対象物体の大きさや解像度にも
制限があった。しかしながら、自然物や生体の計測、あ
るいは、ロボットの視覚認識などの各産業分野におい
て、さまざまな条件下で動作可能な３次元形状入力装置
が不可欠となりつつある。

【０００４】本発明の目的は、装置の小型化が進み可搬
性が出てきた場合に備えて、対象物体までの距離・対象
物体の大きさ・装置の解像度などの制限を出来るだけ取
り払い、測定の自由度を高めた３次元形状入力装置を提
供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、対象物体の表面へ向けてスリット光を投
光するとともに、このスリット光により対象物体の表面
を走査する走査手段と、対象物体表面によるスリット光
投光像を、走査手段から一定距離離れた位置で撮像する
撮像手段と、対象物体までの距離あるいは撮像手段の撮
像画角を検出する検出手段と、検出手段により検出され
た対象物体までの距離あるいはスリット光投光像の撮像
画角に応じて、スリット光の走査領域・走査速度・サイ
ズを変更するよう走査手段を制御する制御手段と、を備
えたことを特徴とする。

【０００６】

【作用】制御手段により、対象物体までの距離あるいは
スリット光投光像の撮像画角に応じて、スリット光の走
査領域・走査速度・サイズが変更されるように走査手段
が制御される。

【０００７】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細
に説明する。

【０００８】３次元形状入力装置の基本構成を図１に示
す。光源１から発生した光ビームが、ガルバノスキャナ
ーやポリゴンスキャナーなどの第１の光路偏向装置２に
よりその光路を偏向され、円筒レンズ３によって一方向
に引き伸ばされてスリット光となり、対象物体４上に投
光される。このスリット光は、第１の光路変更装置２に
よりスリット光の長手方向に直交する方向に走査され
る。また、スリット光投光像は投光光学系から所定の距
離だけ離して設置された撮像系５によって撮像される。

【０００９】３次元形状入力装置を用いた実際的な測定
について、スリット光の長手方向に２５６点、走査方向
に３２４点の距離情報を持つ画像（以下距離画像と呼
ぶ）を生成する場合を例にとって説明する。この場合、
撮像系５に備わる距離画像センサは少なくとも２５６×
３２４画素を有する２次元ＣＣＤエリアセンサなどで構
成されることになる。

【００１０】極めて細い幅を与えられて投光されるスリ
ット光は、距離画像用センサが１回の画像蓄積を行う間
に、第１の光路偏向装置２により距離画像用センサの１
ピッチ分だけ走査される。距離画像用センサはこの蓄積
された画像情報を出力するとともに次の画像蓄積を行
う。１回の画像蓄積により得られた画像情報に基づい
て、スリット光の長手方向に直交する２５６列それぞれ
に受光量の重心位置が演算される。これが、距離画像用
センサの１ピッチ分における２５６点の距離情報とな
る。受光されたスリット光投光像は対象物体の形状に対
応して走査方向に変位しているので、得られた距離情報
はスリット光が投光されている位置における対象物体の
形状を表すことになる。この画像蓄積を、距離画像用セ
ンサのピッチ分、すなわち３２４回繰り返すことによ
り、２５６×３２４点の距離画像が生成される。

【００１１】ここで、対象物体までの距離が変更された
場合や、距離画像用センサによる撮像画角（すなわち、
光学系の焦点距離）が変更された場合には、距離画像用
センサにより撮像される対象物体領域が変化する（詳細
は後述する）。従って、このような場合にスリット光の
走査領域が一定のままでは、走査されない領域が生じた
り、逆に測定領域外の領域を走査してしまうという不都
合が生じる。このようなことから、スリット光の走査領
域は、対象物体までの距離や撮像画角に応じて適切に設
定されることが望ましい。

【００１２】また、スリット光が距離画像用センサの１
ピッチ分だけ走査する時間は、距離画像用センサが蓄積
された画像情報を出力する時間に比べて十分に大きいこ
とが必要である。走査速度が速すぎると、画像の蓄積時
間が短くなってS/N比が下がり、距離情報の演算精度の
低下を招く。しかしながら、走査速度があまりに遅すぎ
ても、画像の蓄積時間が長くなりすぎてセンサが飽和す
るおそれがあり、これもやはり距離情報の演算精度の低
下を招く。このようなことから、スリット光の走査速度
は、距離画像用センサ面、すなわち撮像系の結像面上に
おいて一定の適切な値となるように設定されることが望
ましい。

【００１３】図２に、スリット光の走査領域及び走査速
度の変更が可能な実施例の基本構成を示す。図中、実線
矢印は情報の流れを示し、破線矢印は光ビーム及びスリ
ット光の進行を示す。

【００１４】光源１から発せられた光ビームは、第１の
光路偏向装置２によってその進路を偏向される。第１の
光路偏向装置２は、走査速度制御装置６により所定のタ
イミングで且つある速度で駆動される。さらに光路上に
は偏向角を操作可能な第２の光路偏向装置７が備えら
れ、光ビームは再度進路を偏向されて、円筒レンズ３で
スリット光に引き伸ばされた後、最終的に対象物体４上
に投光される。

【００１５】一方、撮像系５は、物体距離検出装置８と
画角検出装置９とを備え、それぞれ対象物体までの距離
と撮像系５の撮像画角を検出する。物体距離検出装置８
には、例えばオートフォーカスカメラに用いられる焦点
検出装置などを用いればよく、画角検出装置９には、例
えば撮像系がズームレンズ系の場合、レンズ駆動部分に
備えられたエンコーダを用いればよい。物体距離検出装
置８から出力される物体距離情報と画角検出装置９から
出力される撮像画角情報は演算装置１０に取り込まれ
る。演算装置１０では、物体距離情報と撮像画角情報と
に基づいて、その時点で撮像系５において観測されてい
る視野の領域を推定し、その領域をスリット光でくまな
く走査するための走査開始角及び走査終了角を決定す
る。走査範囲制御装置１１は、演算装置１０で決定され
た走査開始角及び走査終了角に基づいて、第２の光路偏
向装置７を駆動してスリット光の投光方向を調節すると
ともに、光源１を制御して投光開始時間及び投光終了時
間を調節することにより、スリット光の走査範囲を制御
する。また、演算装置１０では、決定された走査領域か
ら、撮像系の結像面上におけるスリット像の移動速度を
所定の値とする走査速度が決定され、その情報に基づい
て走査速度制御装置６が第１の光路偏向装置２を駆動す
る。

【００１６】つまり、物体距離情報と撮像画角情報とに
基づいて、走査速度制御装置６によりスリット光の走査
速度が、走査範囲制御装置１１によりスリット光の走査
範囲が制御されるわけである。

【００１７】以上の構成に基づくことにより、物体距離
や撮像画角が変更されても、撮像系５の撮像領域はスリ
ット光によりくまなく走査されるとともに、結像面上で
のスリット光の移動速度も一定となる。しかも、撮像領
域外の無効な領域を走査することが極力避けられるの
で、例えば連続して測定を行う場合に、一回の画像入力
の終了から次回の画像入力の開始までのタイムラグが小
さくてすむ。

【００１８】図３に本発明の第１実施例の説明図を示
す。本実施例では、第２の光路偏向装置７としてガルバ
ノスキャナーを使用している。尚、スリット光は紙面に
垂直な方向に投光されている。いま、対象物体面Ｓ１の
位置においてスリット光の走査領域Ｐ１と観測領域Ｍ１
とが整合していた状態から、対象物体面がＳ２の位置に
移動したとする。このとき、走査される領域がＰ２、撮
像される領域がＭ２に変化するため、両者の間にずれが
発生し、撮像されている領域中に走査されない部分Ｘが
存在することになり不都合が生じる。そこで、物体距離
検出装置８が検出する物体距離情報に基づいた演算装置
１０の演算結果に応じて、走査範囲制御装置１１は、第
２の光路偏向装置７を駆動しスリットの偏向角度を変更
するとともに、光源１の投光開始時間及び投光終了時間
を制御して走査開始角及び走査終了角をそれぞれθｓ及
びθｅだけずらす。これによって走査される領域がＰ３
となり、撮像領域Ｍ２と整合する。

【００１９】ここで、スリット光の走査速度が常に一定
であるとすると、撮像系の結像面上でのスリット光の移
動速度は、走査領域が大きくなる（この実施例では、対
象物体までの距離が大きくなる）に従って遅くなってし
まい、距離による測定精度の差異を招く。このため、演
算装置１０が新たに決定された走査開始角と走査終了角
から、撮像系の結像面上でのスリット光の移動速度を所
定の値とする走査速度を演算する。走査速度制御装置６
は、この演算結果に基づいて第１の光路偏向装置２の駆
動速度を制御する。第１の光路偏向装置２は、走査角領
域が最も大きくなければならない条件、実際には物体距
離が最大（ただし測定可能領域内で）の場合に対応する
大きさの偏向角領域で常に駆動される。

【００２０】尚、第２の光路偏向装置７として、ガルバ
ノスキャナーのような反射型の装置以外に、例えば屈折
角を変更可能なプリズムを用いても同様の効果が得られ
ることは言うまでもない。さらに、第１の光路偏向装置
２による偏向角領域は一定でよいので、例えばポリゴン
スキャナーのような回転型のスキャナーを使用すること
により、より高速の走査が可能となる。

【００２１】図４に本発明の第２実施例の説明図を示
す。この実施例では、光源１、走査速度制御装置２、円
筒レンズ３により構成される走査系の全体あるいは一部
が可動装置７Ａに取り付けられており、装置全体に対す
る設置角度が変更可能となっている。この可動装置７Ａ
が走査範囲制御装置としての役割を果たす。

【００２２】第１実施例と同様に、対象物体面がＳ１の
位置からＳ２の位置に移動したとする。このとき、物体
距離検出装置８により検出される物体距離情報をもと
に、走査範囲制御装置１１が、可動装置７Ａを駆動して
装置全体に対する設置角度を変更することでスリットの
投光角度を変更するとともに、光源１の投光開始時間及
び投光終了時間を制御して走査開始角及び走査終了角を
それぞれθｓ及びθｅだけずしている。これによって走
査される領域はＰ３となり、観測領域Ｍ２と整合する。
また、第１の光路偏向装置２による走査速度の変更制御
は、第１実施例と同様に行われる。

【００２３】本実施例によれば、第１実施例と同様に第
１の光路偏向装置２にポリゴンスキャナーのような回転
型のスキャナーを使用することができ、より高速の走査
が可能である他、走査領域変更装置を光路上に設置しな
いので、スリット光量のロスが少なくて済むという効果
が得られる。尚、逆に走査系を固定とし、撮像系を可動
装置に取付けて装置全体に対する設置角度を変更するこ
とにより走査領域と観測領域とを整合させても、同様の
効果が得られる。

【００２４】図５に本発明の第３実施例の説明図を示
す。この実施例では、第１の光路偏向装置２Ａとして、
走査開始角、走査終了角、走査速度を変更可能な装置、
例えばガルバノスキャナーを使用する。

【００２５】この実施例でも、第１実施例と同様に、対
象物体面がＳ１の位置からＳ２の位置に移動したとす
る。このとき、物体距離検出装置８により検出される物
体距離情報をもとに、制御装置６／１１が、光路偏向装
置２／７の動作を制御して振角領域をＲ１からＲ２に変
更するとともに、光源１の投光開始時間及び投光終了時
間を制御して走査開始角及び走査終了角をθｓ及びθｅ
だけずらす。これによって走査される領域はＰ３とな
り、観測領域Ｍ２と整合する。走査速度の変更制御は第
１・第２実施例と同様に行われる。

【００２６】この第３実施例は、第１実施例における走
査速度制御装置６と走査範囲制御装置１１、及び第１の
光路偏向装置２と第２の光路偏向装置７をそれぞれ一つ
の装置、すなわち制御装置６／１１及び光路偏向装置２
／７で実現したものと考えることができる。従って、装
置の構成が簡略化される。

【００２７】図６は、上述した第３実施例において、撮
像系５の撮像画角が変更された場合の制御を説明するた
めの図である。いま、撮像系５の画角がΦ１である状態
において、走査領域Ｐ１と観測領域Ｍ１とが整合してい
た状態から、撮像系５の画角がΦ２、すなわちより広角
側に変更されたとする。このとき、走査領域Ｐ１に対し
観測領域がＭ２となって両者に差が発生し、観測されて
いる領域中に走査されない部分Ｘ及びＸ’が存在するこ
とになって測定に不都合が生じる。そこで、画角検出装
置９により検出される画角情報をもとに、制御装置６／
１１が、光路偏向装置２／７の動作を制御して回転角を
Ｒ１からＲ２に変更するとともに、光源１の投光開始時
間及び投光終了時間を制御して走査開始角及び走査終了
角をθｓ及びθｅだけずらす。これによって走査される
領域はＰ２となり、観測領域Ｍ２と整合する。もちろ
ん、走査速度の変更制御は光路偏向装置２／７により行
われる。

【００２８】図７は本発明の第３実施例において、対象
物体に奥行きＤが存在することを考慮した場合の説明図
である。物体距離検出装置８により距離が検出されるの
は、物体距離検出装置８の設置条件にもよるが、多くの
場合画面の中心に近い場所、例えば点Ｃである。ところ
が、この点Ｃの位置に物体面Ｓ１を置くと、観測領域Ｍ
１に対し走査領域はＰ１となって、物体の奥行きをカバ
ーしきれずに走査されない部分Ｘが生じる場合がある。
そこで、物体距離検出装置８により検出された物体距離
に物体の奥行きを考慮したオフセットΔｄを加え、これ
をもって改めて物体距離と定める。この操作により、図
７中で物体面はＳ２の位置に想定される。このＳ２に対
する走査領域はＰ２となり、物体の奥行きをカバーする
ことができる。ここでオフセットΔｄは、例えば以下の
ように決定することができる。いま、測定にあたり、撮
像系の撮像素子上の任意の画素において走査方向に−Ｋ
１画素〜＋Ｋ２画素、即ち幅Ｋ１＋Ｋ２画素分に相当す
る奥行きを一定して確保しようとするものとする。この
とき、図８に示すように、物体距離検出装置８により検
出される物体距離ｄ１が、奥行きの最も撮像系よりの限
界Ｓ１に一致するようにするには、幾何学的に次式で与
えられる距離ｄ２に仮想の物体面Ｓ２を置けばよい。即
ち、 d2＝α／tan（arctan（α／d1）−K1・Δθ） ただし、撮像系５の撮像素子のスリット走査方向の１画
素あたりの走査角をΔθ、投光走査系の主点と撮像系の
主点との撮像系光軸に垂直な方向の間隔である基線長を
αとする。したがって、オフセット量は Δｄ＝d2−d1＝α／tan（arctan（α／d1）−K1・Δθ）
−d1 で与えられる。尚、このとき奥行きの撮像系から最も遠
い限界d3は次式で与えられることになる。

【００２９】 d3＝α／tan（arctan（α／d1）−K1・Δθ−K2・Δθ） 次に、第３実施例を例にとって、走査開始角、走査終了
角、走査速度の決定法の一例について説明する。図９に
示すように、投光走査系の主点と撮像系の主点とのＹ方
向の間隔である基線長α、同じくＺ方向の間隔であるＺ
方向オフセットｄoff、物体面距離ｄ、撮像系に使用さ
れている距離画像用センサのサイズ（イメージサイズ）
ｉ、走査の開始及び終了の端部の領域に対しても３次元
検出の奥行きを中央部と同じように確保するために受光
視野よりも若干広い領域を走査するオーバースキャン量
δ、画像センサのＹ方向の有効画素数ｎp、そして撮像
系の焦点距離ｆが与えられたとする。このとき、走査開
始角ｔh1、走査終了角ｔh2、走査角速度ωは幾何学的に
次式で与えられることになる。

【００３０】ｔh1（°）＝arctan［｛ｄ（ｉ／２＋δ）
／ｆ＋α｝／（ｄ＋ｄoff）］×１８０／π ｔh2（°）＝arctan［｛−ｄ（ｉ／２＋δ）／ｆ＋α｝
／（ｄ＋ｄoff）］×１８０／π ω＝ｋ・（ｔh１−ｔh２）／ｎp （ｋは定数） 算出されるｔh1及びｔh2を、ｆをパラメーターとして、
物体面距離を横軸にして図１０に示す。同様に、算出さ
れるωを図１１に示す。但し本例は、イメージサイズ１
／２インチ、定数ｋ＝１、基線長α＝２５０ｍｍとした
場合である。この基線長により走査系と撮像系とに視差
が生じるため、物体面距離に応じて開始角及び終了角が
大きく変動する。尚、縦軸は撮像系光軸と投光スリット
とのなす角である。

【００３１】さて、ここまでの実施例では、対象物体ま
での距離あるいは撮像画角に応じてスリット光の走査領
域（走査方向、及び、走査開始角と走査終了角）を変更
するものを示してきた。しかしながら、対象物体までの
距離あるいは撮像画角の変化に伴って変動する走査領域
の全て（すなわち撮像系の視野の全て）をカバーするよ
うに、最初から十分に大きな領域をスリット光で走査す
ることも可能である。この場合、測定領域外の無効な領
域を走査する状況も生じるが、測定領域のみを走査する
ために必要な機構や制御が不要になり装置の簡略化とい
う効果を奏する。

【００３２】図１２に、スリット光の走査速度の変更の
みが可能（走査領域は常に一定）な実施例の基本構成を
示す。図２と同様、実線矢印は情報の流れを示し、破線
矢印は光ビーム及びスリット光の進行を示す。図２と異
なっているのは、走査領域を変更するための走査範囲制
御装置１１及び第２の光路偏向装置７が存在しないこと
だけである。

【００３３】図１３及び図１４に本発明の第４実施例の
説明図を示す。本実施例は、前述の第３実施例に対し
て、走査領域の変更のために光路偏向装置２を駆動しな
いものである。図１３は対象物体までの距離が変更され
る状況を、図１４は撮像画角が変更される状況を示して
おり、それぞれ第３実施例の図５及び図６に対応してい
る。尚、走査速度の制御には、前述した演算式をそのま
ま用いることが可能である。

【００３４】以下の表１は、上述の各実施例１から４の
走査範囲及び走査速度を実際に制御する装置の一覧を示
したものである。

【００３５】

【表１】

【００３６】続いて、撮像画角が変化する場合、スリッ
ト光の幅が同じままでは受光素子上で受光する画素数が
変化するという問題について検討する。

【００３７】スリット位置を精度よく検出するには、撮
像系で見たスリットの幅、光量分布が常に一定になるの
が望ましい。スリット光の幅が変化する際、幅方向に対
するスリット光の重心を演算するという方法も考えられ
るが、画角によりスリット幅が異なるっているため、重
心の演算精度すなわち測定精度も画角に依存することに
なり好ましくない。例えば、スリット光がほぼガウス分
布をしているとすると、スリット光が細くて受光画素数
が少なすぎても重心演算精度は悪く（図１５）、逆にス
リット光が太すぎて受光画素数が多すぎても重心演算精
度は悪くなる（図１６）。よって、スリット光の幅は、
受光レンズの画角に関わらず、受光素子上では一定画素
幅であることが望ましい。

【００３８】例えば、画角の変化に連動してスリット光
の幅が変化しなければ、受光レンズがズームして撮像領
域が図１７の領域Ａから領域Ｂに変化した場合、エリア
センサのような受光面上での受光領域は、図１８ａの状
態から図１８ｂの状態に変化してしまう（定量的にはズ
ーム比と同量だけ変化することになる）。これにより幅
方向の受光画素数が変化するので、画角により測定精度
が異なり、ズーム比が大きい場合には測定不可能な画角
も存在することになる。

【００３９】また、スリット光の長手方向に関しても、
撮像画角の変化に伴って不都合が生じる。例えば、図１
５において撮像範囲を領域Ａから領域Ｂに変化させた場
合、領域Ａを適切に投光するように調整されたスリット
光は、領域Ｂでは必要以上の範囲を投光し光量に無駄が
発生する。

【００４０】図１９は本発明の第５実施例を示すもので
ある。図１９において、２１は例えば半導体レーザの様
な光源（以下ＬＤ）。２２は、ＬＤからの光束を、平行
光束に近い所定角度の広がりで射出させるコリメータレ
ンズ。２３は、コリメータレンズに入射する光束を規制
するためのマスクである。このマスクは、レーザー光源
から発生される光のうち、ガウス分布からはずれる光を
遮光する。これによって光強度がガウス分布であるビー
ムが得られ、受光される光もほぼガウス分布となる。

【００４１】２４、２５は投影するスリット光の幅、長
さを変更するレンズであり、２４は一方向にのみ曲率を
もつシリンダレンズＡ。２５はシリンダレンズＡの曲率
方向に直交する方向に曲率をもつシリンダレンズＢであ
る。このようにシリンダレンズを２枚以上用いることに
より、幅と長さの両方向を自由に制御可能なスリット光
が容易に生成できる。つまり、コリメータレンズが射出
される光束の光束径を光軸方向に単調に変化させるの
で、シリンダレンズの位置を光軸方向に変化させるとシ
リンダレンズへの入射高さが変わり、スリット光の形状
を変化させることができるのである。従って容易な構成
でスリット光の形状、すなわち幅と長さを任意にを制御
することができる。

【００４２】例えば、シリンダレンズＡの位置が図２０
のａの位置からｂの位置まで距離Ｄ１変化した場合、コ
リメータレンズから射出角γで射出されている光線Ｌ１
（射出光束の最外郭の光線）のシリンダレンズＡへの入
射高さ及び曲面Ｃ１への入射角が変わるので、シリンダ
レンズＡの射出角も光軸に対し角度θａ１から角度θａ
２まで変化する。シリンダレンズＢについても同様であ
る。従って、シリンダレンズＡとシリンダレンズＢを光
軸方向に駆動することにより、対象物上でのスリット光
の形状を所定の形状に変化させることができる。

【００４３】それぞれのシリンダレンズの曲率は、シリ
ンダレンズの駆動量と駆動に伴うスリット光の形状の変
化率とから決定される。この際、コリメータレンズとシ
リンダレンズ間の距離や光束のコリメータレンズからの
射出角がパラメータとして参照し、２つのシリンダレン
ズの駆動制御が容易になるようにするのが望ましい。例
えば、２つのシリンダレンズの駆動ギア比が同じになる
ようにすれば、１個の駆動源での駆動が可能になり、装
置の小型化や消費電力の省力化が可能になる。ここで、
２つのシリンダレンズはそれぞれのシリンダレンズを保
持するホルダ（図示されない）に保持され、このホルダ
は、例えばボールネジのような駆動手段を介して駆動源
に接続されている。尚、駆動手段には、ラックとピニオ
ンやカムを使用しても構わない。

【００４４】２６は、例えばガルバノミラーのような光
走査手段であって、光路中最も対象物側に配置される。
この配置により投光するスリット光の方位角にかかわら
ず線形性の高いスリット光の投光が可能となる。本実施
例とは逆に、光走査手段より対象物側にシリンダレンズ
を配置した場合、通常形状のシリンダレンズを使用する
と投光角によってはスリット光の端部がゆがんでしま
う。これを避けるためには、シリンダレンズの形状を走
査起点を中心とする円弧状しなければならず、レンズ及
び装置全体が大型となる。従って、本実施例の光学系の
配置は、シリンダレンズ、及び、３次元測定装置の小型
化を実現する。尚、前記光走査手段は回転多面鏡でも構
わない。

【００４５】本発明では、３次元形状の測定を行うに先
立って、受光素子で得られた像をモニターに映し出して
フレーミングを行う。フレーミング中、操作者はモニタ
ー像を観察しながら測定装置の方位、受光レンズの焦点
距離、位置を変更する。ズーミングにより受光レンズの
焦点距離（すなわち撮影画角）が変更されると、受光レ
ンズの位置に基づいて画角変動を検出する画角検出手段
から、駆動量制御部へ信号が送られる。駆動量制御部
は、送られてきた信号に基づいてシリンダレンズＡ、Ｂ
の駆動量を演算し、駆動信号を出力してシリンダレンズ
を駆動する。

【００４６】この方法によれば、操作者が手を煩わすこ
となくビーム形状を最適化できる。例えば、受光レンズ
の画角を変化させることにより撮像倍率がβ１（図２１
領域Ａ）からβ２（図２１領域Ｂ）まで変化した場合、
スリット光の幅Ｗ及び長さＬをズーム前のβ１／β２倍
して、幅Ｗ×（β１／β２）、長さＬ×（β１／β２）
となるようにシリンダレンズＡ、シリンダレンズＢを駆
動する。この結果、受光素子上では図２２のように受光
レンズのズームにかかわらず幅、長さ共に一定となり、
ズームによる精度変化の少ない３次元形状測定が可能と
なる。

【００４７】また、受光レンズが高倍率比の場合、スリ
ット光のサイズ変化も大きいので一定出力のＬＤでは受
光素子の露光量の変化も大きい。従って、露光量を調節
する露光量調節手段が必要となり、本実施例（図２３）
ではＬＤ出力制御部１によって露光量を調節する。例え
ば、撮像系の撮像倍率がβ１からβ２までβ１２（＝β
２／β１）倍変化することにより、スリット光の面積が
（１／β１２）の２乗倍だけ変化した場合、受光素子上
での光量は（１／β１２）の２乗倍となる。そこで本実
施例では、前記画角検出部の出力から倍率β１２を求め
ると、必要露光量は画角が変化する前と比べて（β１
２）の２乗倍必要となるので、ＬＤ出力が（β１２）の
２乗倍となるようにＬＤ出力制御部１でＬＤ出力を制御
する。この方法によれば、新たに機械的構成装置を追加
することなく調整できるので安価である。また、スリッ
ト光用の受光レンズとフレーミング作業を行う受光レン
ズが共通の場合でも、フレーミング用受光素子の露光量
と独立して調整を行うことができ、最適な露光量で測定
ができる。

【００４８】また、露光量調節手段の変形例として、図
２４に示すように、前記画角検出部の出力から適当な露
光量を得るために必要となる受光素子の利得を演算・制
御する利得制御部を受光装置に設けることも可能であ
る。演算される利得は、例えば、撮像倍率がβ１からβ
２までβ１２（＝β２／β１）倍変化することにより、
スリット光の面積が（１／β１２）の２乗倍だけ変化し
た場合、受光素子上での光量は（１／β１２）の２乗倍
となるので、画角が変化する前と比べて利得が（β１
２）の２乗倍となるように利得制御部で利得を制御す
る。この方法によれば、新たに機械的構成装置を追加す
ることなく調整できるので安価である。また、スリット
光の受光レンズとフレーミング作業を行う受光レンズが
共通の場合でも、フレーミング用受光素子の露光量と独
立して調整を行うことができ、最適な露光量で測定がで
きる。

【００４９】また、露光量調節手段の別の変形例とし
て、図２５に示すように、受光素子の入射側に絞りを設
け、前記画角検出部の出力から適当な露光量を得るため
に必要となる絞りの絞り量を演算・制御する絞り制御部
を受光装置に設けることも可能である。例えば、撮像倍
率がβ１からβ２までβ１２（＝β２／β１）倍変化す
ることにより、スリット光の面積が（１／β１２）の２
乗倍だけ変化した場合、受光素子上での光量は（１／β
１２）の２乗倍となるのる。従って、演算される絞り量
は、画角が変化する前と比べて開口面積が（β１２）倍
となる。

【００５０】また、露光量調節手段のさらに別の変形例
として、図２６に示すように、受光素子の露光量がしき
い値設定部で設定されたしきい値を下回っているか否か
を判別する露光量検出部を設け、露光量がしきい値を下
回ると判別された場合ＬＤ出力がしきい値を上回るよう
にＬＤの出力を制御することも可能である。この方法に
よれば、新たに機械的構成装置を追加することなく調整
できるので安価である。また、スリット光の受光レンズ
とフレーミング作業を行う受光レンズが共通の場合でも
フレーミング用受光素子の露光量と独立して調整を行う
ことができ、最適な露光量で測定ができる。

【００５１】前記露光量調節手段は、単独で用いても相
互に補うようにして構成しても構わない。例えば、露光
量調節手段としてＬＤ出力制御部１・利得制御部・絞り
制御部を設けた場合の流れ図を図２７に記す。

【００５２】上記第５実施例では２枚のシリンダレンズ
を用いたが、アナモフィックレンズを用いる構成も可能
である。この場合、２枚以上のシリンダレンズを用いた
場合に比べて自由度が減るが、いずれかのシリンダレン
ズと同方向に円筒軸をもつビームエクスパンダをコリメ
ータレンズとアナモフィックレンズの間に配置すること
により、図２０のｈとγをパラメータとして所望射出角
が得られる。この方法によれば、シリンダレンズを最少
１個にできるとともに、駆動部と駆動源も１個となり装
置の小型化、低コスト化が可能となる。

【００５３】図２８は本発明の第６実施例を示す。第６
実施例では、第５実施例に対して、発光部３１・コリメ
ータレンズ３２・マスク３３・シリンダレンズ３４をそ
れぞれ３個ずつ有している。３個の発光部から発せられ
た光はシリンダレンズＢ通過後に１本のスリットとなっ
て投光されるような入射条件で入射されるので、シリン
ダレンズ３５は１個で十分であり低コストで調整も簡便
になる。また、シリンダレンズ３５通過後はビームが１
本のスリット光となっているので、光走査手段３６も１
個で機能でき部品点数を減らせ、装置の小型化、低コス
ト化が可能となる。図２９に示すように、シリンダレン
ズ３５を通過後のスリットの長手方向の広がり角ｉと隣
り合うスリットの主軸のなす角ｊの関係は、スリット投
光面で常に各スリットの一部が重複するように保たれて
いる。

【００５４】また、ビーム強度がガウス分布しているも
のとすると、外側の２本のビームのなす角ｋ（図２９）
が視野領域の画角の近傍となるようにするとともに、外
側のビームと中央ビームとの出力比を調整することで、
図３０のような外側の方が光強度の強い分布が得られ
る。この強度分布であれば、受光レンズ通過後のコサイ
ン４乗則、ケラレによる周辺光量の減少を補うことがで
きる。この結果、撮像領域内の端まで精度の高い３次元
形状の測定を行うことができる。

【００５５】本実施例は、図３１に示すように、１個の
スリットでは視野領域を投光カバ−できなくなるしきい
値画角を設定するしきい値画角設定部と、設定されたし
きい値画角と画角検出部からの画角の値を比較する画角
比較部と、その結果に応じてＬＤ３個をＯＮ、ＯＦＦ制
御するＬＤｏｎ、ｏｆｆ制御部を有している。例えば、
前記比較の結果、１個のＬＤでは視野領域をカバ−でき
ない場合、ＬＤｏｎ、ｏｆｆ制御部によって３個のＬＤ
を全てｏｎにすることにより、視野領域全域を投光して
測定を行う（図３２）。この実施例によれば駆動部がな
くなるので低消費電力化、部品点数減による低コスト
化、装置の小型化が可能になる。図３３にその流れ図を
記す。

【００５６】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
３次元形状入力装置によると、制御手段により、対象物
体までの距離あるいはスリット光投光像の撮像画角に応
じて、スリット光の走査領域・走査速度・サイズが変更
するよう走査手段が制御されるため、対象物体までの距
離あるいは撮像画角の影響を受けることなく高精度の３
次元形状測定を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ３次元形状入力装置の典型的構成を示す図

【図２】 本発明の基本構成を示すブロック図

【図３】 本発明の第１実施例の構成を示す図

【図４】 本発明の第２実施例の構成を示す図

【図５】 本発明の第３実施例の構成を示す図

【図６】 第３実施例において撮影画角が変化した場合
を説明する図

【図７】 第３実施例において奥行きのある対象物体の
場合を説明する図

【図８】 第３実施例において奥行きのある対象物体の
場合を説明する図

【図９】 第３実施例において各種のパラメーターを説
明する図

【図１０】第３実施例において走査角と物体面距離との
関係を示す図

【図１１】第３実施例において走査速度と物体面距離と
の関係を示す図

【図１２】本発明の別の基本構成を示すブロック図

【図１３】本発明の第４実施例の構成を示す図

【図１４】第４実施例において撮影画角が変化した場合
を説明する図

【図１５】スリット光の受光分布の違いによる不具合を
説明する図

【図１６】スリット光の受光分布の違いによる不具合を
説明する図

【図１７】スリット光の幅が変化しない場合の不具合を
説明する図

【図１８】スリット光の幅が変化しない場合の不具合を
説明する図

【図１９】本発明の第５実施例の構成を示す図

【図２０】スリット光の幅が変化する理由を説明する図

【図２１】スリット光の幅が変化する場合を示す図

【図２２】スリット光の幅が変化する場合を示す図

【図２３】第５実施例における露光量調節部材の１例を
示すブロック図

【図２４】露光量調節部材の他の例を示すブロック図

【図２５】露光量調節部材の他の例を示すブロック図

【図２６】露光量調節部材の他の例を示すブロック図

【図２７】露光量調節部材の他の例を示すブロック図

【図２８】本発明の第６実施例の構成を示す図

【図２９】３個のＬＤにより作られた１本のスリット光
を示す図

【図３０】スリット光の長手方向における光量分布を示
す図

【図３１】１個のＬＤによるスリット光を示す図

【図３２】３個のＬＤによるスリット光を示す図

【図３３】第６実施例における露光量調節部材の１例を
示すブロック図

【符号の説明】

１ 光源 ２ 第１の光路偏向装置 ５ 撮像系 ６ 走査速度制御装置 ７ 第２の光路偏向装置 ８ 距離検出装置 ９ 画角検出装置 １０ 演算装置 １１ 走査範囲制御装置 ２４ シリンドリカルレンズＡ ２５ シリンドリカルレンズＢ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−132373（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−174537（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−328624（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−292019（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 B25J 19/04

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対象物体の表面へ向けてスリット光を投光
   するとともに、このスリット光により対象物体の表面を
   走査する走査手段と、 対象物体表面によるスリット光投光像を、走査手段から
   一定距離離れた位置で撮像する撮像手段と、 対象物体までの距離を検出する検出手段と、 検出手段により検出された対象物体までの距離に応じて
   スリット光の走査領域を変更するよう走査手段を制御す
   る制御手段と、 を有することを特徴とする３次元形状入力装置。
2. 【請求項２】対象物体の表面へ向けてスリット光を投光
   するとともに、このスリット光により対象物体の表面を
   走査する走査手段と、 対象物体表面によるスリット光投光像を、走査手段から
   一定距離離れた位置で撮像する撮像手段と、 撮像手段の撮像画角を検出する検出手段と、 検出手段により検出された撮像手段の撮像画角に応じて
   スリット光の走査領域を変更するよう走査手段を制御す
   る制御手段と、 を有することを特徴とする３次元形状入力装置。
3. 【請求項３】対象物体の表面へ向けてスリット光を投光
   するとともに、このスリット光により対象物体の表面を
   走査する走査手段と、 対象物体表面によるスリット光投光像を、走査手段から
   一定距離離れた位置で撮像する撮像手段と、 対象物体までの距離を検出する検出手段と、 検出手段により検出された対象物体までの距離に応じて
   スリット光の走査速度を変更するよう走査手段を制御す
   る制御手段と、 を有することを特徴とする３次元形状入力装置。
4. 【請求項４】対象物体の表面へ向けてスリット光を投光
   するとともに、このスリット光により対象物体の表面を
   走査する走査手段と、 対象物体表面によるスリット光投光像を、走査手段から
   一定距離離れた位置で撮像する撮像手段と、 撮像手段の撮像画角を検出する検出手段と、 検出手段により検出された撮像手段の撮像画角に応じて
   スリット光の走査速度を変更するよう走査手段を制御す
   る制御手段と、 を有することを特徴とする３次元形状入力装置。
5. 【請求項５】対象物体の表面へ向けてスリット光を投光
   するとともに、このスリット光により対象物体の表面を
   走査する走査手段と、 対象物体表面によるスリット光投光像を、走査手段から
   一定距離離れた位置で撮像する撮像手段と、 撮像手段の撮像画角を検出する検出手段と、 検出手段により検出された撮像手段の撮像画角に応じて
   スリット光のサイズを変更するよう走査手段を制御する
   制御手段と、 を有することを特徴とする３次元形状入力装置。