JP3321866B2

JP3321866B2 - 表面形状検出装置およびその方法

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Publication number: JP3321866B2
Application number: JP34768692A
Authority: JP
Inventors: 稔野口; 泰夫中川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1992-12-28
Publication date: 2002-09-09
Anticipated expiration: 2017-09-09
Also published as: JPH06201337A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工業製品の生産、物体
移動時の外観形状の認識、あるいは認識した結果に基づ
いた検査をするに際し、検出した画像信号から立体形状
を有する対象物の表面形状を検出する表面形状検出装置
およびその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から検出した画像から立体形状を再
現する方法は数多く報告されている。特開平３−６３５
０７号公報には、対称物にテクスチャパターンを投影
し、焦点位置を変えながら焦点位置が異なる複数の画像
を検出し、検出した像のコントラストの変化から対称物
の表面形状を測定する方法が開示されている。

【０００３】また、小笠原著、「人工視覚における運動
視差の機能レベル模倣」（電子情報通信学会論文誌、Ｄ
−II Ｖｏｌ．Ｊ７４−Ｄ−II Ｎｏ．７ｐｐ．９３
３−９４４）には、視点の移動による立体形状の検出方
法が開示されている。

【０００４】また、Adiv G.:"Determining three-demen
sional motion and structure fromoptical flow gener
ated by sevral moving objects",IEEE Trans. Pattern
Anal. &Mach. Intell., PAMI-7, 4, pp. 384-401(1985)
には、オプティカルフローを用いた方法が提案されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
３−６３５０７号公報によって、焦点位置の異なる複数
の画像から任意の対象物の立体形状を高速に検出できる
が、表面にテックスチャを持たない鏡面あるいは滑らか
な拡散面を有する対象物、表面テクスチャのコントラス
トが薄い対象物、奥行方向に深い対象物、表面テクスチ
ャの形状やコントラストが変化する表面を有する対象物
の立体形状を検出することはできない。

【０００６】一方、小笠原著、「人工視覚における運動
視差の機能レベル模倣」（電子情報通信学会論文誌、Ｄ
−II Ｖｏｌ．Ｊ７４−Ｄ−II Ｎｏ．７ｐｐ．９３
３−９４４）によっても、エッヂの強調された対象物の
立体形状を検出することはできても、表面にテックスチ
ャを持たない鏡面あるいは滑らかな拡散面を有する対象
物、表面テクスチャのコントラストが薄い対象物、表面
テクスチャの形状やコントラストが変化する表面を有す
る対象物の立体形状を検出することはできない。また、
エッヂの強調された対象物の立体形状は検出できるとは
言っても、エッヂ追跡等の時間を要する演算処理が必要
になり、さらに、クラス化、セグメンテイション等、高
度でノイズに弱い演算処理が必要になる。

【０００７】また、一方でオプティカルフローを用いた
方法は、微分連属性が必要条件であるため、ＴＶカメラ
等を用いた方法では、急峻なエッヂ部で微分連属性が保
てず、立体形状を検出できないという問題があった。

【０００８】本発明の目的は、これらの課題を解決し
て、表面にテックスチャを持たない鏡面あるいは滑らか
な拡散面を有する対象物、表面テクスチャのコントラス
トが薄い対象物、表面テクスチャの形状やコントラスト
が変化する表面を有する対象物の表面形状、立体形状を
高速で検出できる表面形状検出装置およびその方法を提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、対象物に対してテクスチャパターンを投
影する照明手段と、該照明手段で投影したテクスチャパ
ターンを検出して光電変換手段により画像信号に変換す
る検出手段と、焦点位置を変化させるように制御する焦
点位置制御手段と、該焦点位置制御手段により焦点位置
を変化させながら前記検出手段で複数のテクスチャパタ
ーンの画像信号を検出して記憶し、該記憶した複数のテ
クスチャパターンの画像信号を前記対象物の表面の影響
による変形分を補正して処理することにより立体形状を
算出する立体形状算出手段とを備えたことを特徴とする
表面形状検出装置およびその方法である。即ち、本発明
は、表面にテックスチャを持たない鏡面あるいは滑らか
な拡散面を有する対象物、表面テクスチャのコントラス
トが薄い対象物、表面テクスチャの形状やコントラスト
が変化する表面を有する対象物の表面形状を検出するた
めに、対象物に対してテクスチャパターンを投影する照
明手段と、該照明手段で投影したテクスチャパターンを
光電変換手段で受光して画像信号として検出する検出手
段と、前記照明手段でテクスチャパターンを投影する際
あるいは前記検出手段で検出する際に焦点位置を変化さ
せる焦点位置変化手段と、該焦点位置変化手段で焦点位
置を変化させながら前記検出手段で複数の画像を検出し
て記憶し、該記憶した画像信号を前記対象物の表面の影
響による変形分を補正して処理することにより立体形状
を算出する算出手段より構成される。

【００１０】より具体的には、本発明は、表面にテック
スチャを持たない鏡面を有する対象物の形状検出は、表
面付近にテクスチャパターンを投影し、これを焦点を変
えながら、複数の画像として検出し、反射および表面の
レンズ効果による検出位置の変動を補正することによっ
て達成される。

【００１１】また本発明は、表面にテックスチャを持た
ない滑らかな拡散面を有する対象物あるいは表面テクス
チャのコントラストが薄い対象物の形状検出は、開口数
（N.A.)の小さな光学系を有する照明光学系により焦点
深度の大きなテクスチャパターンを投影し、開口数の大
きな光学系を有する検出光学系により焦点位置の異なる
複数の画像を検出し、検出した画像からコントラスト変
化を算出し表面形状を算出するか、または、開口数の大
きな光学系を有する照明光学系により焦点深度の小さな
テクスチャパターンを投影時の焦点位置を変化させなが
ら投影し、開口数の小さな光学系を有する検出光学系に
より画像を検出し、検出した画像からコントラスト変化
を算出し表面形状を算出するか、または、開口数の大き
な光学系を有する照明光学系により焦点深度の小さなテ
クスチャパターンを投影時の焦点位置を変化させながら
投影し、同時に開口数の大きな光学系を有する検出光学
系の焦点位置を照明光学系の焦点位置と同じになるよう
に同期させながら変化させながら画像を検出し、検出し
た画像からコントラスト変化を算出し表面形状を算出す
ることによって達成される。

【００１２】また本発明は、表面テクスチャの形状（ピ
ッチあるいはコントラスト）やコントラストが変化する
表面を有する対象物の形状検出は、コントラスト算出時
の微分オペレータのサイズを動的に変化させコントラス
トの算出時のＳ／Ｎを最大にする演算処理により達成さ
れる。あるいは、開口数の大きな投影光学系により、検
出し算出される際のコントラストが十分大きくなるよう
なテクスチャパターンを投影することによって達成され
る。

【００１３】また、本発明は、表面テクスチャの形状
（ピッチあるいはコントラスト）やコントラストが変化
する表面を有する対象物の形状検出はまた、コントラス
トと言う概念を用いずに検出した濃淡画像を平面方向に
微分し、微分して得られた画像の各同一座標位置で微分
値が最大値になる焦点位置を算出することで形状が算出
される。

【００１４】また、本発明は、表面テクスチャの形状や
コントラストが変化する表面を有する対象物の形状検出
は、対象物を検出器上に結像する光学系と、結像した像
を光学系の結像分解能より高い分解能を持つ検出器で検
出する手段と、画像を検出する際画像を検出する位置あ
るいは検出の方向を変化させる（視点の位置を移動させ
る）手段と、空間変化率が十分大きくなるように空間的
に十分な移動量が確保できるまでの間次のサンプリング
までの時間を（空間変化率算出の為のサンプリング時間
を）大きく取り、またエッジ部のような急峻な部分では
空間変化率が無限大にならないように、換言すれば算出
可能な程度にサンプリング時間を小さく取るようサンプ
リング時間をコントロールして上記条件を変化させて検
出器から得られる画像信号より光強度の空間変化率と時
間変化率を算出し、該算出された空間変化率および時間
変化率から視点の移動に対する検出位置の変化である速
度を算出し、該算出された速度に基づいて対象物の表面
形状を算出する算出手段とを備えたことを特徴とする。

【００１５】また、本発明は、対象物の２次元的な画像
を検出する際、検出器のコントラストを大きくすること
により達成される。

【００１６】

【作用】表面にテックスチャを持たない鏡面あるいは滑
らかな拡散面を有する対象物、表面テクスチャのコント
ラストが薄い対象物、表面テクスチャの形状やコントラ
ストが変化する表面を有する対象物の表面形状を検出す
るために、対象物に対してテクスチャパターンを投影す
る手段、投影したテクスチャパターンを検出する手段、
テクスチャパターンを投影する際あるいは検出する際に
焦点位置を変化させる手段、焦点位置を変化させながら
複数の画像を検出、記憶する手段、検出、記憶した信号
を処理し上記目標の立体形状を算出する手段より構成さ
れる。

【００１７】表面にテックスチャを持たない鏡面を有す
る対象物の形状検出方法の作用について説明する。

【００１８】表面にテクスチャを持たない鏡面状の平面
の焦点位置を検出する方法が特開昭６１−１２４８０９
号公報に開示されている。この方法は平面上にパターン
を投影しこのコントラスト変化から焦点位置を検出する
ものであるが、任意の立体形状を有する鏡面の形状検出
はこの方法ではできない。しかしながら、鏡面状の表面
にパターンを投影すると言う思想は、本課題の解決に利
用できるということに着目した。即ち、表面にテクスチ
ャを持たない鏡面を有する対象物の形状を測定するに当
たって、表面付近にテクスチャパターンを投影し、これ
を焦点を変えながら、複数の画像として検出すればコン
トラストの変化は算出できる。さらにこのようにして算
出されたコントラストから、特開平３−６３５０７号公
報に開示されている方法により何らかの形状を算出する
ことができるが、このようにして算出された形状には、
反射および表面のレンズ効果による検出位置の変動が含
まれていることを考慮しなければいけない。この補正方
法について説明する。

【００１９】表面にテックスチャを持たない鏡面を有す
る対象物にテクスチャパターンを投影すると、テクスチ
ャパターンは対象物に反射して対象物の対称な位置にあ
るように観察される。さらに、対象物の表面の凹凸構造
のレンズ効果により変換された位置にあるように観察さ
れる。従って、焦点位置を変えて画像を検出し対象物表
面の形状を測定すると実際の形状と異なった形状が測定
される。そこで、真の形状を知るには、この反射の効果
とレンズ効果による変形分を補正する必要がある。反射
の効果とレンズ効果で変形した形状、即ち検出される形
状をΔｚ(x,y)とすると、真の形状をΔｚ０(x,y)は、以
下の式（数１）、（数２）で示される。

【００２０】１／ａ(Δｚ(x,y)，ａ０)＋１／ｂ＝１／ｆ(Ｆ，Ｒ(x,y)) （数１）Ｒ(x,y)＝ｋ・grad(Δｚ０(x,y)) （数２）ここで、検出光学系の一次側主平面から対象物までの距
離ａ（Δｚ(ｘ,ｙ),ａ０）は、真の形状Δｚ０(ｘ,ｙ)
によるレンズ効果により補正されるため、真の形状Δｚ
０(ｘ,ｙ)およびレンズ効果がない場合の一次側主平面
から対象物までの距離ａ０の関数である。

【００２１】検出される形状Δｚ(x,y)をもとに、上記
式（数１）（数２）を用いて補正することによって、真
の形状Δｚ０(x,y)が測定（算出）することができる。

【００２２】表面にテックスチャを持たない滑らかな拡
散面を有する対象物の形状検出方法の作用について説明
する。このような対象物では表面にテクスチャを投影す
る必要がある。表面にテクスチャパターンを投影する方
法は特開平３−６３５０７号公報にも開示されている
が、光学系の焦点深度と解像度については言及されてい
ない。ところが、テクスチャパターンの投影の際には光
学系の焦点深度と解像度を考慮する必要がある。表面が
滑らかな拡散面でありかつ形状が高さ方向に深い場合、
このような対称物にテクスチャパターンを投影するに
は、焦点深度の大きい光学系が必要になる。ところが、
焦点深度の大きな光学系は、開口数が小さい必要があ
り、開口数の小さい光学系は解像度が小さく、微細なテ
クスチャパターンを投影できない。即ち、テクスチャパ
ターンの検出の際、平面方向に十分な分解能を持ち、光
軸方向に焦点深度の深い光学系は実現できないことにな
る。解像度ｄは、開口数をN.A.(Numerical Aperture)、
使用波長をλとすると以下の式（数３）で示される。

【００２３】ｄ＝１．２２・λ／N.A. （数３）一方、焦点深度±ｈは、以下の式（数４）で示される。

【００２４】ｈ＝０．５・λ／（N.A.）² （数４）図１０に、上記の式（数３）（数４）で算出した光学系
の開口数N.A.と開口数N.A.に対する焦点深度ｈおよび分
解能（解像度）ｄを示す。図１０では、波長を0.5ミク
ロンとして算出した結果を示す。

【００２５】この図１０から、例えば、照明光学系の開
口数N.A.を0.008付近にとれば、分解能ｄは７６ミクロ
ン程度、焦点深度±ｈは３．９ｍｍ程度になる。ここ
で、検出光学系の開口数N.A.を0.04程度にとれば、焦点
深度±ｈは１５６ミクロン程度検出時の平面方向の分解
能ｄは10ミクロン程度になる。ここで、特開平３−６３
５０７号公報には、検出系の焦点深度±ｈを変化させる
構成が開示されているが、とくに、滑らかな拡散面を有
する対象物の場合は、照明系の焦点深度±ｈを小さくし
て照明系の焦点位置を変化させてもよいことがわかる。
すなわち、照明系の開口数N.A.を0.03程度にとり、100
ミクロン程度のテクスチャパターンを投影する。照明系
の分解能ｄは２０ミクロン程度であるから、テクスチャ
パターンは高解像度で投影される。この際、検出光学系
の開口数N.A.を0.006程度にとれば、分解能ｄは100ミク
ロン程度になり、また焦点深度±ｈは、７ｍｍを確保で
きる。従って、滑らかな拡散面を有する対象物の立体形
状を検出することができる。

【００２６】さらに、例えば、高さ方向１ｍｍ程度の表
面テクスチャをもたない対象物を１０ミクロン程度の平
面分解能で検出したい場合、図１０より投影光学系も検
出光学系も適切なものが存在しないことがわかる。この
ような場合、照明光学系も検出光学系も開口数N.A.を0.
1程度にして、６ミクロンの分解能ｄを確保する。さら
に、照明光学系の焦点位置と検出光学系の焦点位置を同
期させながら複数の画像を検出し、コントラスト変化か
ら平面形状を検出することができる。この構成により、
光学系の焦点深度より高さ方向に高い対象物に対しても
立体形状を検出することができる。また、鏡面状の対象
物の形状を検出する際には、照明光学系の焦点深度を浅
くする必要があるため、このような検出光学系と照明光
学系の焦点を同期させる構成は有効である。

【００２７】表面テクスチャの形状（ピッチあるいはコ
ントラスト）やコントラストが変化する表面を有する対
象物の形状検出方法の作用について説明する。コントラ
スト算出時には、とくに表面のテクスチャによる光の強
度変化が緩やかな場合、変化の緩やかな範囲でコントラ
ストを算出すると現実的には、微分によるノイズの増加
によりコントラストを算出できない場合がある。そこ
で、微分オペレータのサイズを動的に変化させコントラ
ストの価が十分大きくなるようにあるいは算出時のＳ／
Ｎを最大にする様なオペレータによる演算処理によりコ
ントラストを高精度で算出できるようになる。あるい
は、滑らかな拡散面を有する対象物に対するように適切
なテクスチャを投影することによって、拡散面を有する
対象物の検出方法と同様の作用により、高精度でコント
ラストを算出できる。

【００２８】また、平面方向にコントラストが変化する
ようなテクスチャを持つ対象物、あるいは投影したテク
スチャのコントラストが変化するような場合、特開平３
−６５３０７号公報の方法では、コントラストを算出す
る微分オペレータのサイズを適切な価にしないとコント
ラストを算出できない。しかしながら、本発明の構成で
は、各座標位置毎に各焦点位置毎に算出した微分値の変
化量から微分値の極大値を算出するため、コントラスト
が平面内で変化するような対象物、テクスチャパターン
の周期が変化するような対象物の立体形状を算出するこ
とができる。

【００２９】また、表面テクスチャの形状やコントラス
トが変化する表面を有する対象物の形状検出は、対象物
を検出器上に結像する光学系と、結像した像を光学系の
結像分解能より高い分解能を持つ検出器で検出する手段
と、画像を検出する際画像を検出する位置あるいは検出
の方向を変化させる手段と、上記条件を変化させて取得
した画像より光強度の空間変化率と時間変化率を算出す
る手段と、該空間変化率および時間変化率の算出に当た
っては空間変化率が十分大きくなるように空間的に十分
な移動量が確保できるまでの間次のサンプリングまでの
時間を（空間変化率算出の為のサンプリング時間を）大
きく取り、またエッジ部のような急峻な部分では空間変
化率が無限大にならないように、換言すれば算出可能な
程度にサンプリング時間を小さく取るようサンプリング
時間をコントロールする手段と、該空間変化率及び時間
変化率から角速度を算出する手段とにより解決される。

【００３０】焦点位置を変えながらコントラストの変化
を算出する特開平３−６３５０７号公報では、テクスチ
ャパターンの空間的周期が検出光学系の分解能より十分
大きい対称物の場合、焦点位置の変化ではコントラスト
が変化しないため、コントラスト変化を検出するのは難
しい。これに対し本発明の上記構成では、検出器の位置
を変えながらコントラストの変化を算出するのでコント
ラスト変化を得ることができる。

【００３１】また、上記課題は対象物の２次元的な画像
を検出する際、検出器のコントラストを大きくすること
により達成される。

【００３２】

【実施例】図１１に、本発明の一実施例を示す。本発明
は、光源４０１、拡散板４０２、テクスチャパターン４
０３、ハーフミラー４０４より構成される照明光学系４
００、検出レンズ５０１、検出器５０２より構成される
検出光学系５００、微分回路５０１、フレームメモリ５
０２、５０３、５０４、ピーク検出回路５０５、フレー
ムメモリ５０６より構成される信号処理系５００より構
成される。

【００３３】照明光学系４００では、光源４０１により
テクスチャパターン４０３を照明しハーフミラー４０４
および検出レンズ５０１を通し対象物１の近傍４に結像
する。検出光学系５００では、近傍４に結像されたテク
スチャパターン４０３の像を検出レンズ５０１により検
出器５０２上に結像する。

【００３４】例えば図１２に示した対象物７に対し、焦
点位置を１３、１４、１５と変えた位置で検出された複
数の画像（光強度）を図１３の８、９、１０にそれぞれ
示す。それぞれ検出された画像信号は微分回路６０１に
より微分され、図１４の１６、１７、１８のようコント
ラストが算出される。この微分結果即ちコントラスト
が、フレームメモリ６０２、６０３、６０４に取り込み
格納される。フレームメモリ６０２、６０３、６０４に
取り込み格納された複数の画像から各座標位置毎に微分
値が最大となる焦点位置を算出手段６０５により算出す
る。例えば座標位置１９のときの例を示す。この座標位
置１９での各画像でのコントラストはそれぞれ２０、２
１、２２である。このコントラスト２０、２１、２２を
図１５に、横軸を焦点位置として示す。この図１５を内
挿してコントラスト極大値を算出手段６０５により算出
する。この極大値の算出の際、特開平３−６３５０７号
公報には、ガウシャン分布を仮定して極大値を算出する
方法が開示されているが、必ずしもガウシャン分布を仮
定する必要はなく、２次曲線の近似であってもよい。こ
の場合、コントラストの極大値は図１５の如く２次曲線
で内挿することにより算出される。この際、算出結果が
結果的に内挿により算出されるのが望ましい。また、図
１５の如く算出しても実質的に問題なく、かつ演算処理
が容易であるという利点を有する。

【００３５】焦点位置、即ち対象物の高さ情報として算
出された結果はフレームメモリ６０６に格納される。

【００３６】前記の如く算出手段６０５で算出された極
大値がフレームメモリ６０６に格納され、焦点位置、即
ち対象物の高さ情報から形成された対象物表面の立体形
状になる。ここで、極大値が存在しない場合は、この範
囲のなかに焦点が合った個所が無いことになり位置が検
出されなかったことになる。このような場合は予め設定
されたエラー信号をフレームメモリ６０６に格納すれば
よい。ここでは、３枚の画像データのコントラストから
各座標位置のコントラストを算出したが、用いる画像デ
ータの数は３枚である必要はなく複数の画像であればよ
い。もちろんより多くの画像を用いることでＳ／Ｎを向
上できるのは言うまでもない。

【００３７】以下、本発明の動作を説明する。対象物１
が鏡面に近い場合テクスチャパターン４０３の像は対象
物１に反射して位置３にあるように観察される。さら
に、対象物の表面の凹凸構造のレンズ効果により位置２
にあるように観察される。従って、焦点位置を変えて画
像を検出し対象物表面の形状を測定すると２の形状が測
定される。この形状には反射の効果とレンズ効果により
変形されたものとなっている。そこで、真の形状１を知
るには、この反射の効果とレンズ効果による変形分を補
正する必要がある。反射の効果とレンズ効果で変形した
形状、即ち検出される形状をΔｚ(ｘ,ｙ)とすると、真
の形状をΔｚ０(ｘ,ｙ)は、前記した式（数１）（数
２）で示される。

【００３８】位置２にあるように観察される像は検出器
５０２により検出され微分処理回路６０１により微分処
理が施されフレームメモリ６０２、６０３、６０４に格
納される。この微分処理は、検出した画像のコントラス
トを算出するためのものであって、例えば、３（ｘ方向
の画素サイズ）×３（ｙ方向の画素サイズ）の範囲に対
して２次微分を施すことによって達成される。あるい
は、５×５などより大きな範囲の２次微分であってもよ
く、２次微分以外のラプラシアン、ガウシャンラプラシ
アン、１次微分など各種の微分オペレータであってよ
い。

【００３９】ここで、コントラストの算出にあたって
は、オペレータサイズをテクスチャのピッチＰに合わせ
ると算出のＳ／Ｎが向上する。従って、テクスチャパタ
ーンを照射するような場合は、テクスチャパターンのピ
ッチにオペレータサイズを合わせてコントラストを算出
するとよい。

【００４０】図１３ではコントラストを微分処理回路６
０１により微分を用いて算出しているが、コントラスト
を算出するに当たって、テクスチャパターンの強度変化
のコントラストで算出してもよい。具体的には、図１３
の検出波形の隣り合う極大値ＭＡＸとＭＩＮを用いると
コントラトＣは以下の式（数５）で示される。

【００４１】Ｃ＝（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／（ＭＡＸ＋ＭＩＮ）（数５）この式（数５）によって、上記のコントラストＣを算出
してもよい。この式（数５）を用いると検出波形の強度
変化が小さいような場合であっても光感度でコントラス
トを算出できると言う効果がある。しかし、一方で極大
値、極小値を算出する必要が出てきて、演算処理が増加
する。この演算処理を減らすために強度変化の周期、即
ちテクスチャの空間的な周期に合わせて信号を取り込む
ようにすればよい。この実現のためには、テクスチャパ
ターンの周期が一定である必要がある。あるいは、テク
スチャパターンの周期を局所毎に算出してその結果で、
式（数５）のコントラスト算出を実施すればよい。

【００４２】また、鏡面とは言っても実際には表面に小
さな傷、異物あるいは凹凸が存在するためこれらを検出
してこれらの検出像のコントラスト変化から立体形状を
検出することができる。また、表面に解像度の１０倍程
度の大きさの凹凸がある場合、この凹凸を検出して検出
された凹凸のコントラスト変化から表面形状を検出する
ことができる。この場合、表面にある凹凸なのか表面で
反射してくる背景光なのかを分ける必要がある。このた
めには無限遠から白色のインコヒーレント光を照明する
のがよい。この、白色のインコヒーレント光の照射で
は、あらゆる方向に光が射出しているため凹凸でのレン
ズ効果により表面の凹凸の位置などが急激に変化する現
象が起きにくいからである。が生じだからである。

【００４３】以上の実施例では、対象物１により反射し
た像を検出しているため、反射した像の光束がレンズの
開口に入射する必要がある。急峻な形状の対象物の場
合、反射した像の光束がレンズの開口に入射しないた
め、急峻な形状を検出することは難しい。そこで、この
ような急峻な形状の対象物を検出するための構成を図１
６に示す。

【００４４】図１６に示した実施例は、図１１に示した
構成のなかの照明光学系４００と同様な複数の照明光学
系４０５、４０６、４０７、４０８、検出光学系５００
により構成される。この複数の照明光学系４０５、４０
６、４０７、４０８は、それぞれ異なる波長を照射でき
るようにそれぞれ異なる色フィルターを有している。検
出光学系５００ではそれぞれの色を検出する検出器５０
２、５０３、５０４、５０５によりそれぞれの照明方向
からの光が検出される。

【００４５】ここで、それぞれの方向からの光を独立に
検出する手段として、図１６に示す実施例では異なる波
長の光を照射し、これを分離する構成としたが、本発明
の効果を得るためにはこのような構成である必要はな
く、例えば、各照明の方向から順次照明し、各タイミン
グで検出光学系５００が信号を検出する構成であっても
よく、図１８に示すように、照明光学系４００と検出光
学系５００を合わせ持つ構成の光学系を有し、この光学
系を対象物１に対する角度を変えながら各角度での信号
を検出する構成であってもよい。ここで、図１６のよう
な構成で検出した各方向からの検出像を図１７（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）に示す。このような画像を各波長毎にテ
クスチャパターンの投影位置を変えながら検出し、各波
長毎に信号処理系６０７、６０８、６０９、６１０によ
り形状が算出される。ここで、それぞれの算出された形
状は各照明光学系の方向から照明された場合の検出形状
であるから、方向補正回路６１１により補正され、フレ
ームメモリ６１２に格納される。ハッチングを施した個
所が各方向からの検出信号のコントラストがある値以上
になった部分を示す。具体的には、このハッチング以外
の部分からは光が反射しなかったということを示す。対
象物１によっては、照明系が２本で十分の場合もあり、
４から５本必要になる場合もある。いずれにせよ、視野
全面が必要に応じて網羅されていなければならない。こ
の様な構成によって急峻な形状の鏡面を有する対象物の
形状を測定することができる。

【００４６】図１９に、表面にテクスチャを持たない滑
らかな深い拡散面を有する対象物１の表面形状を検出す
る実施例を示す。この実施例は図１１の実施例と同様の
照明光学系４００、対物レンズ駆動機構５０９を有する
図１１の実施例と同様の検出光学系５００、第１図の構
成と同様の信号処理系４００より構成される。この実施
例では、テクスチャパターン４０３がハーフミラー４０
４、対物レンズ５０１を通して対象物１の近傍１３に投
影される。この投影されたパターンに焦点が合うように
検出光学系５００は設定されている。ここで、パターン
の投影位置を位置１３から位置１４に変えるために、対
物レンズ駆動系５０９により対物レンズ５０１を光軸方
向に駆動する。この構成により、照明光学系４００が対
象物１の全ての面に焦点を合わせてテクスチャパターン
を投影できないような光軸方向に深い対象物に対して
も、焦点を合わせてテクスチャパターンを投影すること
ができる。ここで、この実施例では、投影時の焦点位置
を変えることができるので、深い焦点深度を有する照明
光学系を用いる必要がない、結果的に焦点深度の浅い言
い換えれば結像解像度の高い照明系を用いることがで
き、高い解像度でテクスチャパターンを投影できるた
め、立体形状の検出分解能を向上できる。

【００４７】図１０に、前記式（数３）（数４）で算出
した一般的な光学系の開口数と開口数に対する焦点深度
および分解能を示す。照明光学系４００の開口数N.A.を
0.008付近にとれば、分解能ｄは７６ミクロン程度、焦
点深度±ｈは３．９ｍｍ程度になる。ここで、検出光学
系５００の開口数N.A.を0.04程度にとれば、焦点深度±
ｈは１５６ミクロン程度検出時の平面方向の分解能ｄは
10ミクロン程度になる。ここで、特開平３−６３５０７
号公報には、検出系の焦点深度±ｈを変化させる構成が
開示されているが、とくに、滑らかな拡散面を有する対
象物の場合は、照明系の焦点深度±ｈを小さくして照明
系の焦点位置を変化させてもよいことがわかる。すなわ
ち、照明系４００の開口数N.A.を0.03程度にとり、100
ミクロン程度のテクスチャパターンを投影する。照明系
４００の分解能ｄは２０ミクロン程度であるから、テク
スチャパターンは高解像度で投影される。この際、検出
光学系５００の開口数N.A.を0.006程度にとれば、分解
能ｄは100ミクロン程度になり、また焦点深度±ｈは、
７ｍｍを確保できる。従って、滑らかな拡散面を有する
対象物１の立体形状を検出することができる。

【００４８】さらに、例えば、高さ方向１ｍｍ程度の表
面テクスチャをもたない対象物１を１０ミクロン程度の
平面分解能で検出したい場合、図１０より投影光学系も
検出光学系も適切なものが存在しないことがわかる。こ
のような場合、照明光学系４００も検出光学系５００も
開口数N.A.を0.1程度にして、６ミクロンの分解能ｄを
確保する。さらに、照明光学系４００の焦点位置と検出
光学系５００の焦点位置を同期させながら複数の画像を
検出し、コントラスト変化から平面形状を検出すること
ができる。この構成により、光学系の焦点深度より高さ
方向に高い対象物に対しても立体形状を検出することが
できる。また、鏡面状の対象物の形状を検出する際に
は、照明光学系４００の焦点深度を浅くする必要がある
ため、このような検出光学系５００と照明光学系４００
の焦点を同期させる構成は有効である。

【００４９】以下に本発明の立体形状検出装置の具体的
実施例を図１から図２を用いて説明する。本実施例は、
光源１０１、スリット１０２、ハーフミラー１０３、照
明レンズ１０４、拡散板１０６より構成される照明系１
００、ホ物レンズ２０１、リレーレンズ２０２、結像レ
ンズ２０３、検出器２０４、空間フィルター２０５、空
間フィルター制御系２０６、倍率可変機構２０８、焦点
機構２０９より構成される検出光学系２００、平滑回路
３０１、メモリ３０２、３０３、３０４、時間微分回路
３０５、空間微分回路３０６、速度検出回路３０７、初
速度検出回路３０８、隠線処理回路３０９、積分回路３
１０、速度メモリ３１１より構成される信号処理系３０
０より構成される。

【００５０】照明系１００では、光源１０１により格子
形状、水玉もよう、ランダムパターン、スペックルもよ
う等のもようを持つスリットが照明される。このスリッ
ト１０２は照明レンズ１０４により対象物１上に結像さ
れる。ここで、拡散板１０６をスリット１０２の直前に
設けることで、光源の照度ムラに対応することができ
る。光源１０１は通常の白色フィラメント灯でよいが、
その他の光源、すなわち蛍光灯、ハロゲンランプ、水銀
灯、キセノンランプ等であってよい。さらに、赤外線ラ
ンプあるいは紫外線ランプ等、あるいは半導体レーザ、
Ａｒレーザ、Ｈｅ−Ｎｅレーザなどのレーザ光源であっ
てもよい。

【００５１】また、ここでは照明レンズ１０４として対
物レンズ２０１を併用しているが、照明レンズ１０４
は、図２に示すように検出光学系２００から切り放され
たものであってもよく、また、太陽、月等からの自然光
であってもよい。

【００５２】検出系２００では、対象物１から射出する
光を対物レンズ２０１、リレーレンズ２０２、結像レン
ズ２０３により検出器（光電変換手段）２０４に導き対
象物１の２次元画像を検出器２０４上に結像する。この
光学系内には、空間フィルター２０５が挿入されてい
る。この空間フィルター２０５は対象物１の光学系によ
るフーリエ変換の位置に設定されるのが最良であるが、
対物レンズ２０１の直前あるいは直後、あるいは結像レ
ンズの直前、直後あるいは対物レンズの焦点位置であっ
てよい。空間フィルター２０５は図３に示すように円形
の開口２０７を有し、空間フィルター制御系２０６によ
り、開口２０７の半径ｒ、位置ｘ，ｙが制御され、対象
物１上の点に対する検出位置または検出方向δが変化
（移動）するように制御される。この際の制御方法は、
液晶表示素子を用いても、あるいは虹彩絞りによりｒを
制御しＸＹステージによりｘ，ｙを制御してもよい。こ
の開口２０７は、ここでは円形のものを用いているが、
必ずしも円形である必要はなく、正方形、長方形、楕
円、あるいはその他の形状であってよい。また、検出系
２００は、倍率可変機構２０８により、検出器２０４に
結像される結像倍率を変化させ、対象物１上の点に対す
る検出位置または検出方向δが変化（移動）するように
制御することができる。この倍率可変により、検出器上
に結像される像の分解能を検出器の画素サイズより大き
くするという本発明の技術的目的も達成することができ
る。同時に、この機構により、対象物の一部を拡大して
検出できるという効果を達成できる。また、検出系２０
０は焦点機構２０９を有していて、対象物１の像を検出
器２０４上（検出器２０４上の座標ｘ）に結像するよう
になっている。

【００５３】ここで、開口２０７を等速で操作すること
によって、結果的に、対象物１を見る視点の位置δが移
動し、座標ｘを有する検出器（光電変換手段）２０４上
に結像される画像の位置を変化させることができる。こ
の操作によって、図９により後に説明するような視点の
位置δの移動（検出位置または検出方向を変化させるこ
と）が可能である。ここで、検出器２０４の画素サイズ
ｗは、対物レンズ２０１、リレーレンズ２０２、結像レ
ンズ２０３から構成された結像光学系の分解能より小さ
く設定され、検出器（光電変換手段）２０４から出力さ
れる画像信号が連続した光強度変化として得られるよう
に構成している。また、検出器２０４のダイナミックレ
ンジは、後に説明する値より大きく設定されている。

【００５４】検出器２０４は１次元のセンサでも２次元
のセンサでも良いことは言うまでもない。

【００５５】信号処理系３００では、平滑回路３０１を
通過した信号はメモリ３０２、３０３を有する信号伝達
経路、メモリ３０４を有する信号伝達経路、メモリを有
しない信号伝達経路に分岐される。平滑回路３０１は、
検出信号の高周波ノイズ（急峻な画像信号）を除去して
画像信号の強度変化が位置座標で微分可能な程度に緩や
かに変化させるものであって、ノイズ（急峻な画像信
号）が問題にならないときは省くことができる。それぞ
れのメモリはいずれもいわゆるフレームメモリであり、
１フレーム分の画像情報ｉを記憶しておく。この結果メ
モリ３０４を通過後の情報は平滑回路３０１通過後の情
報の１フレーム前のものであり、メモリ３０３通過後の
情報はメモリ３０４通過後の情報の１フレーム前のもの
である。この、３つの情報より時間微分回路３０５によ
り、フレームメモリ内の各位置座標毎に、画像信号（検
出像の光強度分布）ｉを時間微分（ｄｉ／ｄｔ）され
る。同時に平滑回路３０１からの信号ｉは、空間微分回
路３０６により空間的に微分（ｄｉ／ｄｘ）され、その
逆数（ｄｘ／ｄｉ）が出力される。これらの微分回路３
０８、３０６から出力される信号（ｄｉ／ｄｔ）、（ｄ
ｘ／ｄｉ）に基づいて後述する式（数７）により速度検
出回路３０７により速度（ｄｘ／ｄδ）が検出される。
なお、後述する視点の位置δの移動速度（ｄδ／ｄｔ）
は等速度運動にすれば、定数となり、予め設定すること
もでき、等速度にしないとしても、予め空間フィルター
制御系２０６または倍率可変機構２０８によって所望の
プロファイルとして設定することもでき、また測定手段
を備えて空間フィルター制御系２０６によって制御され
る開口２０７による移動速度、または倍率可変機構２０
８によって可変される結像倍率による移動速度を測定し
て算出することもできる。

【００５６】前記の如く検出された速度（ｄｘ／ｄ
δ））より初速度検出回路３０８で各点での初速度（ｔ
０のときの速度（ｄｘ／ｄδ））が算出される。この
後、隠線処理回路３０９により隠線処理が施され、積分
回路で各時間タイミングで出力される信号が積分され、
速度メモリ３１１に記憶される。速度メモリ３１１内の
情報は後述する式（数６）の関係から高さ情報ｚに変換
される。

【００５７】以下、本発明の動作について説明する。対
象物１に光源１０１から射出された光が照明される。対
象物１からはその形状に応じて照明された光が様々な方
向に射出する。この際、射出する光は、対象物１の表面
状態に応じて、回折し、散乱し、反射し、また多くの場
合、これらの現象が複合された形で射出する。ここで、
対象物１が図４に示す形状をしている場合、表面の凹凸
形状、あるいは表面の反射率分布、表面の微細形状によ
り、射出光の強度は、各点で各射出方向ごとに分布を持
つ。その結果、射出した光により検出光学系２００を通
して検出器２０４上に結像し、座標ｘを有する検出器２
０４を通過し、平滑回路３０１通過後の信号は図５に示
すような強度分布ｉを持つ。

【００５８】この信号（光強度）ｉを空間微分回路３０
５によって検出位置ｘに対して微分した信号（ｄｉ／ｄ
ｘ）が図６に示した信号である。また、時間微分回路３
０５によって微分した信号（ｄｉ／ｄｔ）が図７に示し
た信号である。さらに、後述する式（数７）に基づいて
速度検出回路３０７によって、速度（ｄｘ／ｄδ）が算
出され、該速度に基づいて後述する式（数６）により第
８図に示すような検出位置ｘに対する高さｚ情報として
立体形状を検出することができる。ここで、この速度検
出にあっては、以下に示す基本原理によって、算出され
るわけであるが、空間微分回路３０６による信号につい
て逆数（ｄｘ／ｄｉ）をとる必要が有り、この空間微分
信号（ｄｉ／ｄｘ）が０あるいは０に近い値の時は、０
割（０で割算すること）ができないため、この速度検出
回路３０７で速度（ｄｘ／ｄδ）を検出することができ
ない。そこで、空間微分回路３０６は、その微分値が０
に近い値にならないように十分な距離ｘをもって微分す
るようになっている。即ち、結像レンズ２０３等の結像
光学系の結像分解能よりも検出器２０４の検出分解能を
大きくすれば空間微分値を０に近い値にならないように
することができる。また、平滑回路３０１で検出信号の
内、急俊な信号成分を取り除くのは、空間微分値を０に
近い値にならないようにするためである。

【００５９】しかしながら、十分な距離ｘをもってして
も空間微分値（ｄｉ／ｄｘ）を十分大きな値にできない
ような信号の場合、速度検出回路３０７は「速度検出不
能」という信号を出力する。前記の如く算出された速度
信号（ｄｘ／ｄδ）により、後述する式（数６）により
図８に示すごとく、対象物１の立体形状が算出される。

【００６０】図９に本発明の基本原理を示す。対象物１
を視点Ａ及び視点Ａから微小距離離れた視点Ｂから観察
した場合を示している。この場合、対象物上のＰ１、Ｐ
２はそれぞれ視点ＡからのＰ１，Ｐ２の方向を基準にし
て、θ１、θ２の方向に移動して観察される。すなわ
ち、対象物１は、検出器２０４上で、対象物１を視点
Ａ，Ｂから仮想の平面２上に投影結像した図形として検
出される。即ち、各点Ｐ１，Ｐ２がある角速度で移動し
たように検出器２０４で検出される。本発明は、この角
速度を算出することが重要である。この結果、Ｐ１の結
像された投影像Ｐ１１はＰ１２に、Ｐ２の結像された投
影像Ｐ２１はＰ２２に移動したように検出される。この
移動量をｘ１，ｘ２（検出器２０４上の座標）とする
と、対象物１の立体形状すなわち奥行きｚ１、ｚ２は、
視点の移動量δに対するｘ１，ｘ２の変化率ｖ１，ｖ２
の関数ｆ（ｖ１），ｆ（ｖ２）になっている。従って、
観察される全ての点で移動量の変化率ｖを求めればよ
い。

【００６１】以上より、移動量の変化率ｖを算出すれば
対象物１の立体形状が求められる。すなわち以下の式
（数６）が成り立つ。

【００６２】ｚ＝ｆ（ｖ）＝ｆ（ｄｘ／ｄδ）（数６）ここで、ｆ（ｖ）は、検出光学系（対物レンズ２０１、
リレーレンズ２０２、結像レンズ２０４等）の関数であ
る。具体的には、δが十分小さい場合には線形である。
δが大きい場合、視点ＢからのＰ１，Ｐ２の見込み角θ
１、θ２を基にした補正関数になる。ここでの線形係数
等は、検出光学系等の仕様により別途設定される。

【００６３】次に式（数６）をいかにして求めるかを説
明する。さらに変数分離によって以下の式（数７）が成
立する。

【００６４】ｄｘ／ｄδ＝（ｄｘ／ｄｉ）・（ｄｉ／ｄδ）＝（ｄｘ／ｄｉ）・（ｄｉ／ｄｔ）・（ｄｔ／ｄδ）（数７）ここで変数分離の式（数７）が成立するためには、ｉ
は、ｘ，δ、の関数、すなわち、ｉ（ｘ，δ）であり、
ｘがｉの関数であり、ｉがδの関数である必要があり、
かつそれぞれが微分可能である必要がある。このような
関数ｉとして、近似的に、かつ特殊な場合として、検出
像の光強度分布をとることができる。ここで、ｄｘ／ｄ
ｉは、光強度ｉを検出画像の位置座標ｘで微分した空間
微分値（ｄｉ／ｄｘ）の逆数である。

【００６５】あるいは、ｉがｘの関数であり、ｄｉ／ｄ
ｘが０にならない場合であってもよい。ここには、この
問題を自然科学としてだけでなく工学としてとらえる考
え方が必要である。すなわち、ｄｉ／ｄｘが０にならな
い状態、さらには、ｄｉ／ｄｘが無限大にならない状態
（微分可能な状態）を積極的に作り出す必要がある。

【００６６】このｄｉ／ｄｘが０にならない状態を作る
方法がさきに説明した空間微分回路３０６の機能であ
る。さらに、ｄｉ／ｄｘの算出に当たっては、ｄｉが十
分大きくなるようにｄｘを大きく取る必要がある。検出
方向を変化させながら信号を検出する図１に示すような
検出光学系の場合、サンプリング時間を十分大きく取る
ことによってこの条件は満たされる。具体的には、図１
に示すように、空間微分回路３０６は、微分回路３１
３、微分値積分回路３１４、積分値判定回路３１５によ
り構成される。ここで、画像信号は、微分回路３１３に
より微分され、この結果が微分値積分回路３１４で積分
される。積分値判定回路３１５によって、この積分値が
０より十分大きい価かどうか判定され、０より十分大き
い価になるまで微分値積分回路３１５によって積分され
る。

【００６７】同様に、時間微分回路３０５でも、微分回
路３１６による微分値が微分値積分回路３１８によって
積分される。積分値判定回路３１７によってこの積分値
が０より十分大きい価かどうか判定され、０より十分大
きい価になるまで微分値積分回路３１８によってさらに
積分される。

【００６８】またｄｉ／ｄｘが無限大にならない状態を
作る方法が、先に説明した空間微分回路３０６および検
出光学系の分解能より検出器の分解能の方を高くした光
学系である。検出光学系の分解能より検出器の分解能の
方を高くし、ｄｉ／ｄｘ算出時のサンプリング時間中の
検出像の移動距離が分解能と同程度あるいは十分小さく
なるように設定することにより、エッジ部など従来の方
法では微分できなかった場合であっても上記のｉの空間
的微分可能性は保たれる。具体的には、検出器２０４が
電荷転送型の検出器の場合、検出器の蓄積時間がサンプ
リング時間になる。従って、この蓄積時間中に空間フィ
ルター２０５の移動による検出像の移動距離が先の検出
光学系の分解能より小さくなるように、蓄積時間を設定
する。

【００６９】以上の微分積分回路、および判定回路は、
デジタル回路によって実現されてもよいし、アナログ回
路によって実現されてもよい。

【００７０】また、検出光学系２００あるいは空間フィ
ルター２０５の移動速度ｄδ／ｄｔが一定の場合、すな
わち等速運動Ｖ０の場合、検出器２０４で検出された画
像面上の速度（移動量ｄδに対する）ｄｘ／ｄδは式
（数７）よりｄｘ／ｄδ＝(ｄｘ／ｄｉ)・(ｄｉ／ｄｔ)・(１／Ｖ０) ＝ｋ・(ｄｘ／ｄｉ)・(ｄｉ／ｄｔ) （数８）となり、(ｄｘ／ｄｉ)、(ｄｉ／ｄｔ)は夫れ夫れ、空間
微分回路３０６、時間微分回路３０５で演算可能であ
り、その結果速度ｄｘ／ｄδを算出することができる。
ｄδ／ｄｔが等速度でない場合、式（数７）よりｄδ／
ｄｔも含めて算出する必要がる。

【００７１】なお、ｄδ／ｄｔが等速度でない場合、検
出光学系２００あるいは空間フィルター２０５の速度を
なんらかの測定手段で測定すれば良い。また制御駆動系
からのデータにより算出される速度を用いても良い。

【００７２】そして、速度算出回路３０７では、式（数
７）に示した演算を実施し、各点の速度が算出される。

【００７３】以上結像光学系の分解能を、検出器２０４
の分解能より低くして、検出画像を平面的（空間的）に
微分可能にする手段として、光学系の分解能を光学系で
悪くする方法も説明したが、他の方法であっても良い。
例えば、分解能の高い光学系で取り込んだ画像信号を、
平面的に平滑回路３０１で平滑化処理しても良い。一度
平滑化すると、あたかも光学系の分解能が低いかのよう
なボケた画像信号が得られる。この際の平滑化の処理は
Ｘ方向画素数Ｘｎ、Ｙ方向画素数ＹｎとしてＸｎ×Ｙｎ
の範囲のたたみ込み積分をしても良いし、フーリエ変換
領域で高周波成分を遮断しても良い。

【００７４】以上の各時刻毎の結果を基に、ある時刻ｔ
０のときの各点の速度（ｄｘ／ｄδ）を算出するのが初
速度検出回路３０８である。このあと、隠線処理回路３
０９により、各時刻ｔの時の信号の内時刻ｔ０で見えな
いはずの部分を認識しておく。積分回路３１０では、こ
の見えないは図の部分を除いて、各時刻ｔの時のデータ
から算出された時刻ｔ０の時の速度を積分する。この操
作によりノイズが軽減される。結果は速度メモリ３１１
に記憶される。

【００７５】この速度メモリ３１１内の情報からＣＰＵ
３１２により式（数６）に示した補正関数ｆ（ｖ）によ
り、対象物１の立体形状ｚが算出される。

【００７６】以上、画像の移動として、空間フィルター
２０５の平面方向の移動による画像上の各点の角速度を
算出したが、本発明の目的である立体形状の算出では、
検出器２０４以外の検出光学系２００自体を平面的ある
いは光軸方向（対象物１に近ずけたり、遠ざけたり）に
移動したり、倍率可変機構２０８により倍率を変化させ
ても、画像は移動し、この移動をもとに式（数７）より
速度を算出しても良い。

【００７７】以上、本発明は、対象物の立体形状を検出
するにあたり、対象物の表面テクスチャに応じて、検出
光学系の分解能、検出視野、検出時のサンプリング時
間、を変化させてこれらのデータを検出し処理すること
に特徴がある。言い換えれば、検出画像の空間的分解
能、時間的分解能を対象物に応じて、ほぼ自動的に変化
させながら、画像情報を検出するところに特徴がある。
即ち、空間変化率（ｄｉ／ｄｘ）および時間変化率（ｄ
ｉ／ｄｔ）の算出に当たっては空間変化率が十分大きく
なるように空間的に十分な移動量ｄδが確保できるまで
の間、次のサンプリングまでの時間を（空間変化率算出
の為のサンプリング時間を）大きく取り、またエッジ部
のような急峻な部分では空間変化率（ｄｉ／ｄｘ）が無
限大にならないように、換言すれば算出可能な程度にサ
ンプリング時間を小さく取るようにサンプリング時間を
コントロールする構成になっている。

【００７８】以上、本発明の要素技術は、高分解能かつ
高ダイナミックレンジの検出器にある。以下、高ダイナ
ミックレンジの検出器の実現方法について説明する。

【００７９】とくに、これを実現するためには、検出器
２０４の信号の直後に、具体的には、検出器の光電変換
直後、すなわち、検出器のチップ内に、上記の空間微分
回路３０６と時間微分回路３０５を設けるのが望まし
い。この場合、図１に示したようなメモリを用いた時間
微分回路であってもよいが、アナログデータのまま時間
微分する回路が望ましい。このような回路の実現によ
り、実質的に、画像上のエッヂのような微分値がきわめ
て大きくなるような場合であっても、微分の際のｄｔを
小さくすることで、微分を可能とすることができる。ま
た、空間微分（ｄｉ／ｄｘ）の値を０にしないために
は、大きなダイナミックレンジの検出器が必要になる
が、これは、空間微分値を出力するような構成で実現で
きる。

【００８０】また図２４には、このような空間・時間微
分をチップ内で実現する実施例を示す。この実施例は、
２対の光電変換手段８１０、８２０、配線８３０、配線
８４０より構成される。それぞれの光電変換手段８１
０、８２０は陽電極８１１、８２１、陰電極８１２、８
２２より構成される。一方の陽電極が他方の陰電極と結
合されている。この構成によって、光電変換手段８１０
で変換された電荷と光電変換手段８２０で変換された電
荷の差が端子８５１、８５２に生じる。以上微分手段８
５３は、この光電変換手段８１０、８２０を含むもので
ある。

【００８１】このような光電変換手段８１０、８２０
を、図２５に示すように、平面上に配置し、あるいは、
図２６(ａ)，(ｂ)に示すように配置し、また、１次元セ
ンサとして図２７(ａ)，(ｂ)に示すように、パッケージ
８５４内に配置することによって、光電変換手段８１
０、８２０間で検出される光の微分値を、端子８５１、
８５２間に検出することができる。このような構成によ
り、画像の空間的な微分値を検出器上で得ることができ
る。このような構成の効果は、検出器上で微分値が得ら
れるだけでなく、この直接微分値を得られる結果とし
て、検出器間の差分（微分）が高精度で得られる効果が
ある。また、微分演算を高速で処理できることになる。

【００８２】また図２８(ａ)，(ｂ)，(ｃ)に、空間微分
と時間微分を検出器上で実施する構成を示す。図２５に
示した手段によって空間微分を実現し、これと並列に載
置された光電変換手段８６０および微分手段８７０によ
って、時間微分が実施される。具体的には、微分手段８
７０は、例えば、図２９に示すように微小なコイル８７
１の両端に発生する電圧を計測することによって実現さ
れる。あるいは、図３０に示すように、光電変換手段８
８０、８９０、電荷蓄積手段９１０、９２０、スイッチ
９３０によって構成される。光電変換手段８６０によっ
て、検出された電荷を陽極９１１、９２１、陰極９１
２、９２３が互いに反対の極に接続されるようにし、こ
の端子、９３１、９３２間に微分結果が出力される。

【００８３】また、以上の、時間微分（ｄｉ／ｄｔ）と
空間微分（ｄｉ／ｄｘ）を検出器上で実施するユニット
セル８５５を、図３１に示すように検出器の表面に配列
し、図１に示す速度検出回路３０７をその背面に配置
し、この除算結果即ち高さ情報を転送手段８５８により
シリアルに８５６の方向あるいは、パラレルに８５７の
方向に出力する。この速度検出回路３０７の一例として
は、時間微分結果を空間微分結果で除算する構成がよ
く、ユニットセル８５５の出力をユニットセル毎に除算
するものである。この構成により、全ての処理がチップ
内で構成できる。これにより、処理手段を小型に構成で
きるばかりでなく、ノイズの少ない、結果的にダイナミ
ックレンジの大きい処理手段を構成できる。このような
構成は、人の目に近い構成になっている。また、この構
成は、図３１に示すように検出器の垂直方向に３層の構
造に構成してもよいが、３層構造が製作が難しければ、
平面内に構成してもよい。このように３層構造に構成す
ることによって、検出器表面に対して光電変換手段の面
積の比率をを大きく取れるため、検出の効果は、平面内
に構成するより効率がよい。

【００８４】光源に可干渉光を用いると、焦点がずれた
ときに干渉による鋭い光強度変化が生じてしまい、コン
トラスト変化と焦点位置の変化が対応しないことがある
ことが実験的に確認されている。そこで、以上の実施例
では、照明光として干渉しない光、時間的にも空間的に
もインコヒーレントな光を用いるのが望ましい。具体的
には、光源サイズの大きな白色光が望ましい。

【００８５】以上の実施例では、コントラストを算出す
る時、および画像の移動速度を算出するときに微分処理
を用いている。微分処理は、ノイズに弱く、大きなダイ
ナミックレンジが必要になる。

【００８６】以下、ダイナミックレンジを大きくするた
めの検出器の実施例について図２０を用いて説明する。
本実施例は光検出蓄積手段７１０、飽和検出手段７２
０、電荷供給手段７３０、電荷蓄積手段７４０、電荷供
給切断手段７５０、電荷転送手段７６０、７７０、光量
算出手段７８０から構成される。光は、光検出蓄積手段
７１０により検出、蓄積される。ここで、光検出蓄積手
段７１０が飽和した際、飽和検出手段７２０により飽和
したことが検出され、電荷供給切断手段７５０により、
電荷供給手段７３０からの電荷蓄積手段７４０への電荷
蓄積が切断される。この後、光検出蓄積手段７１０およ
び電荷蓄積手段７４０からそれぞれの電荷転送手段７６
０、７７０に電荷が移される。電荷転送手段７６０、７
７０により光量算出手段７８０に転送された信号により
光量が算出される。

【００８７】ここで、図２０のように光検出部が複数あ
る場合も同一の処理がなされる。ここで、飽和検出手段
７２０は図２１に示すように、光検出蓄積手段から溢れ
た電荷を検出する電極７２１を光電変換手段７１０の周
囲に形成した構成であっても、図２２に示すように光検
出蓄積手段７１０から電荷転送手段７７０への電荷移送
が飽和によりなくなり電流がなくなったことを検出して
もよい。この場合の飽和検出手段７２０では、光検出蓄
積手段７１０の陽極７１１から電荷転送手段７７０の陽
極７７１との間に、たとえば抵抗との素子を配置し、こ
の両端に発生する電圧を計測すればよい。

【００８８】ここで、本発明では、平面方向の検出光強
度の微分、及び時間方向の検出光強度の微分をアナログ
の回路の状態で実施することで、より微細な変化も捕え
ることができる構成を実現できることを示した。本実施
例は、トランジスタ、コンデンサなどの部品で構成して
もよいが、固体素子として作り込んでしまうとさらにこ
の効果が大きくなる。さらに、上記微分回路の結果を図
２０に示した、光検出蓄積手段７１０の出力とすること
で、微分のダイナミックレンジがさらに向上する。

【００８９】また、ここで示した、ダイナミックレンジ
向上手段、及び、微分手段は、上記説明した立体形状計
測手段だけでなく一般用途の光検出手段として持ちても
上記のダイナミックレンジの向上などの新規の効果を生
むものである。

【００９０】また、以上の、立体形状検出方法は、図２
３に示したように、検出ヘッド９９９とコントローラー
９９８とを切り離した形状にして使用することもでき
る。図１０に示したように、本発明の効果は特に遠方の
物体の形状認識に好都合である。従って、図２３のよう
に構成することによって、例えば、自動車に搭載し、道
路の形状、道路の状態を検出し、操縦装置と結合するこ
とで、自動の操縦装置を構成することができる。このよ
うな構成を実現することによって、例えば、居眠り運転
などを防止することができる。また、人の操縦を優先す
ることで、機械のご動作等の危険を回避することもでき
る。また、本発明は、ガードレール等立体的な構造物が
形成されている場合には、本発明の構成上機能を発揮し
やすい。また、検出ヘッド９９９の内部の光学系の瞳の
位置には可動の空間フィルターを載置すると検出ヘッド
９９９を固定した状態で立体形状を計測できるが、検出
へっそ９９９自体が動く場合は、この可動の空間フィル
ターはなくてもよい。もちろん有ってもよい。但し物体
が高速で動くことになる自動車搭載用の検出ヘッドの場
合可動フィルターを稼働させることによって返って計測
時間がかかり目的の計測精度を実現できないこともあ
る。動いているものは見つけやすい。微分値が重要なキ
ーを握っていることの一つの証明になっている。

【００９１】さらに、医療の分野、例えば、歯の治療
で、削った後の凹みの形状を計測する装置を構成するこ
とができる。この場合、検出ヘッド９９９を小型に構成
するとよい。また、内視鏡と結合して使用することで、
口の内部等奥まったところの観察計測を好適に実施する
ことができる。

【００９２】さらに、本発明は、産業用として、幅広く
使用できる。例えば、部品の組立作業で、部品の位置、
形状を計測し自動機械につかませることを可能にし、部
品組立を実現する。

【００９３】また、本発明は、検出光学系の分解能より
も画素サイズを小さくすることで、立体形状を計測可能
にしている。従って、特に、広いシーンを計測する場
合、第１に、検出光学系の絞りを絞って、あるいは、検
出した信号を平面方向にスムージングして、低い分解能
で計測し、第２に目的の計測したい部分を高い分解能で
計測することが良い場合もある。特に、高速の計測を要
求される場合、あるいは、対象物が、検出器の分解能と
同程度の大きさのテクスチャパターンを持つ場合などで
ある。

【００９４】

【発明の効果】本発明によれば、表面にテクスチャのな
い対象物、鏡面に近い面を有する対象物、滑らかな拡散
面を有する奥行きの大きい対象物であっても、表面に面
内方向および面に垂直な方向に高精度でテクスチャパタ
ーンを投影できるので、微細な対象物から大きな対象物
まで高精度で形状検出を可能にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】照明系の他の実施例を示すブロック図である。

【図３】空間フィルターの形状を示す平面図である。

【図４】検出対象物の形状を示す側面図である。

【図５】検出信号の一つの走査線の強度分布を示す図で
ある。

【図６】図５の信号を検出位置ｘで微分した図である。

【図７】図５の信号を検出時刻ｔで微分した図である。

【図８】速度検出結果を示す図である。

【図９】本発明の基本原理を説明するブロック図であ
る。

【図１０】開口数に対する焦点深度と分解能を示す図で
ある。

【図１１】本発明の一実施例を示すブロック図である。

【図１２】対象物の断面を示す図である。

【図１３】検出信号を示す図である。

【図１４】検出信号の微分結果を示す図である。

【図１５】各座標位置でのコントラスト変化を示す図で
ある。

【図１６】本発明の他の一実施例を示す図である。

【図１７】図１６の実施例による検出画像の例を示す図
である。

【図１８】本発明の他の一実施例を示す図である。

【図１９】本発明の他の一実施例を示す図である。

【図２０】本発明の検出器のブロック構成図である。

【図２１】本発明の飽和検出手段の平面的ブロック構成
図である。

【図２２】本発明の飽和検出手段の側面的ブロック構成
図である。

【図２３】本発明の他の一実施例の外観図である。

【図２４】空間的微分の基本チップの側面的ブロック構
成図である。

【図２５】空間的微分の基本チップを配列した実施例の
平面的ブロック構成図である。

【図２６】空間的微分の基本チップを配列した実施例の
平面的ブロック構成図である。

【図２７】空間的微分の基本チップを配列した実施例の
平面的ブロック構成図である。

【図２８】空間および時間微分の基本チップを配列した
実施例の平面的ブロック構成図である。

【図２９】時間微分の基本チップの的ブロック構成図で
ある。

【図３０】時間微分の基本チップの側面的ブロック構成
図である。

【図３１】速度検出をチップ内で実施する実施例の側面
的構成ブロック図である。

【符号の説明】

1…対象物、 100…照明系、 101…光源、 102…スリ
ット 103…ハーフミラー、 104…照明レンズ、 200…検出
光学系 201…対物レンズ、 202…リレーレンズ、 203…結像
レンズ、 204…検出器 205…空間フィルター、 206…空間フィルター制御系、
300…信号処理系 301…平滑回路、 302、303、304…メモリ、 305…時
間微分回路 306…空間微分回路、 307…速度検出回路、 308…初
速度検出回路 309…隠線処理回路、 310…積分回路、 311…速度メ
モリ 400…照明光学系、 500… 検出光学系、 600…信号処
理系、403…テクスチャパターン、 502…検出器、 60
1…微分回路 602、603、604、606…フレームメモリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】対象物に対してテクスチャパターンを投影
する照明手段と、該照明手段で投影したテクスチャパタ
ーンを検出して光電変換手段により画像信号に変換する
検出手段と、焦点位置を変化させるように制御する焦点
位置制御手段と、該焦点位置制御手段により焦点位置を
変化させながら前記検出手段で複数のテクスチャパター
ンの画像信号を検出して記憶し、該記憶した複数のテク
スチャパターンの画像信号を前記対象物の表面の影響に
よる変形分を補正して処理することにより立体形状を算
出する立体形状算出手段とを備えたことを特徴とする表
面形状検出装置。
【請求項２】前記対象物の表面の影響による変形分の補
正が、反射および表面のレンズ効果による検出位置の変
動を補正することであることを特徴とする請求項１記載
の表面形状検出装置。
【請求項３】前記立体形状算出手段として、微分オペレ
ータを用いオペレータサイズを動的に変化させて複数の
テクスチャパターンの画像信号に対してコントラストを
算出するコントラスト算出手段を有することを特徴とす
る請求項１記載の表面形状検出装置。
【請求項４】前記照明手段は開口数（N.A.)の大きな光
学系を有して焦点深度の小さなテクスチャパターンを投
影するように構成し、前記検出手段は前記照明手段によ
り投影されたテクスチャパターンの位置に焦点が合うよ
うに構成された開口数の大きな光学系を有し、前記焦点
位置制御手段は前記照明手段の光学系の焦点位置と検出
手段の光学系の焦点位置とが重なるように焦点位置を変
化させるように構成したことを特徴とする請求項１記載
の表面形状検出装置。
【請求項５】前記検出手段の光電変換手段は、隣接する
複数の素子の電極を互いに電荷が打ち消される方向に結
合して形成したことを特徴とする請求項１記載の表面形
状検出装置。
【請求項６】対象物に対してテクスチャパターンを照明
して投影し、該投影したテクスチャパターンを焦点位置
を制御して変化させながら検出して光電変換手段により
複数のテクスチャパターンの画像信号に変換して検出
し、該検出された複数のテクスチャパターンの画像信号
を前記対象物の表面の影響による変形分を補正して処理
することにより立体形状を算出することを特徴とする表
面形状検出方法。