JP3493403B2 - ３次元計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特定の検出光を投
射して物体形状を非接触で計測する３次元計測装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】レンジファインダと呼称される非接触型
の３次元計測装置は、接触型に比べて高速の計測が可能
であることから、ＣＧシステムやＣＡＤシステムへのデ
ータ入力、身体計測、ロボットの視覚認識などに利用さ
れている。

【０００３】レンジファインダに好適な計測方法として
スリット光投影法（光切断法ともいう）が知られてい
る。この方法は、物体を光学的に走査して三角測量の原
理により３次元画像（距離画像）を得る方法であり、特
定の検出光を照射して物体を撮影する能動的計測方法の
一種である。３次元画像は、物体上の複数の部位の３次
元位置を示す画素の集合である。スリット光投影法で
は、検出光として断面が直線状のスリット光が用いられ
る。スリット光に代えて、スポット光、ステップ光、濃
度パターン光などを投射する光投射法も知られている。

【０００４】図２６はスリット光投影法の概要を示す
図、図２７はスリット光投影法による計測の原理を説明
するための図である。計測対象の物体Ｑに断面が細い帯
状のスリット光Ｕを投射し、その反射光を例えば２次元
撮像デバイス（エリアセンサ）の撮像面Ｓ２に入射させ
る〔図２６（ａ）〕。物体Ｑの照射部分が平坦であれ
ば、撮影像（スリット画像）は直線になる〔図２６
（ｂ）〕。照射部分に凹凸があれば、直線が曲がったり
階段状になったりする〔図２６（ｃ）〕。つまり、計測
装置と物体Ｑとの距離の大小が撮像面Ｓ２における反射
光の入射位置に反映する〔図２６（ｄ）〕。スリット光
Ｕをその幅方向に偏向することにより、受光側から見え
る範囲の物体表面を走査して３次元位置をサンプリング
することができる。サンプリング点数はイメージセンサ
の画素数に依存する。

【０００５】図２７において、投光の起点Ａと受光系の
レンズの主点Ｏとを結ぶ基線ＡＯが受光軸と垂直になる
ように、投光系と受光系とが配置されている。受光軸は
撮像面Ｓ２に対して垂直である。なお、レンズの主点と
は、有限遠の被写体の像が撮像面Ｓ２に結像したとき
の、いわゆる像距離（image distance）ｂだけ撮像面Ｓ
２から離れた受光軸上の点（後側主点）である。以下に
おいて、像距離ｂを実効焦点距離Ｆｒｅａｌということ
がある。

【０００６】主点Ｏを３次元直交座標系の原点とする。
受光軸がＺ軸、基線ＡＯがＹ軸、スリット光の長さ方向
がＸ軸である。スリット光Ｕが物体上の点Ｐ（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）を照射したときの投光軸と投光基準面（受光軸と平
行な投光面）との角度をθａ、受光角をθｐとすると、
点Ｐの座標Ｚは（１）式で表される。

【０００７】 基線長Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＝Ｚｔａｎθａ＋Ｚｔａｎθｐ ∴ Ｚ＝Ｌ／（ｔａｎθａ＋ｔａｎθｐ） …（１） なお、受光角θｐとは、点Ｐと主点Ｏとを結ぶ直線と、
受光軸を含む平面（受光軸平面）とがなす角度である。

【０００８】撮像倍率β＝ｂ／Ｚ であるので、撮像面
Ｓ２の中心と受光画素とのＸ方向の距離をｘｐ、Ｙ方向
の距離をｙｐとすると〔図２７（ａ）参照〕、点Ｐの座
標Ｘ，Ｙは、（２），（３）式で表される。

【０００９】Ｘ＝ｘｐ／β …（２） Ｙ＝ｙｐ／β …（３） 角度θａはスリット光Ｕの偏向の角速度によって一義的
に決まる。受光角θｐはｔａｎθｐ＝ｂ／ｙｐの関係か
ら算出できる。つまり、撮像面Ｓ２上での位置（ｘｐ，
ｙｐ）を測定することにより、そのときの角度θａに基
づいて点Ｐの３次元位置を求めることができる。

【００１０】以上の説明は、理想的な薄肉レンズ系を前
提としたものである。実際の厚肉レンズ系では、図２７
（ｃ）のように主点Ｏは前側主点Ｈと後側主点Ｈ’とに
分かれる。

【００１１】従来において、使用態様の上で撮影距離を
可変としたレンジファインダには、パッシブ型測距セン
サが設けられている（特開平７−１７４５３６号）。測
距の結果は、ＡＦ（オートフォーカシング）、及び投射
光強度との設定に用いられている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述のパッシブ型の測
距センサでは、レンズの焦点距離、対象物のコントラス
ト分布などによって、誤差が大きくなることがある。そ
れに対して、レンジファインダにおいては、計測用の光
学系を用いてアクティブ形式の精密な測距を行うことが
できる。測距の分解能の向上により、ＡＦ用レンズの位
置・検出光の投射角度範囲といった計測条件を詳細に設
定して計測の精度を高めることができる。また、実際に
検出光を投射して受光量を測定するので、パッシブ形式
の光学的測距、超音波による測距などと違って、計測環
境情報として距離情報とともに物体面の反射率情報を得
ることができる。反射率情報を用いれば、単に距離に応
じて設定値を変更するのに比べて、より適切な受光量条
件（投射光量、受光感度など）の設定が可能となる。

【００１３】しかし、計測に先立つ予備計測として、計
測時と同様の光学的走査を実施すると、予備計測とその
後の計測とを合わせた動作の所要時間、すなわち１回の
計測時間が長くなってしまう。また、撮影範囲内の全て
のサンプリング点に対して予備計測の演算を行うと、そ
の演算量は多大であり、予備計測の所要時間が長くなっ
てしまう。

【００１４】本発明は、計測条件の設定に係わる計測環
境を効率的に測定し、高精度で且つ高速の３次元計測を
実現することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】計測時と同様の光学的走
査を行わず、単一又は複数の特定の方向に検出光を投射
する予備計測を行う。特定の方向は、固定でもよいし、
別途に設けたセンサの出力に応じて計測毎に設定しても
よい。予備計測時の投射範囲を計測時に比べて狭くする
ことにより、予備計測の所要時間を短縮することができ
る。加えて、撮像手段の受光面の一部分の撮影情報のみ
を用いるようにすれば、撮影情報の読み出し時間が短く
なるので、さらに予備計測の所要時間を短縮することが
できる。

【００１６】請求項１の発明の装置は、検出光を投射し
て物体を光学的に走査するための投光手段と、前記物体
で反射した前記検出光を受光する撮像手段とを有し、光
投影法によって物体形状を計測する３次元計測装置であ
って、計測に先立って計測時における投射角度範囲の一
部のみに検出光を投射して物体を撮影し、それにより得
られた撮影情報に応じて計測条件を設定する自動設定機
能を有している。

【００１７】請求項２の発明の装置は、検出光を投射し
て物体を光学的に走査するための投光手段と、前記物体
で反射した前記検出光を受光する撮像手段とを有し、光
投影法によって物体形状を計測する３次元計測装置であ
って、計測に先立って検出光を投射して物体を撮影し、
それにより得られた撮影情報をサンプリングし、前記撮
影情報のうちのサンプリングした一部の情報に応じて計
測条件を設定する自動設定機能を有している。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る計測システム
１の構成図である。計測システム１は、スリット光投影
法によって立体計測を行う３次元カメラ（レンジファイ
ンダ）２と、３次元カメラ２の出力データを処理するホ
スト３とから構成されている。

【００１９】３次元カメラ２は、物体Ｑ上の複数のサン
プリング点の３次元位置を特定する計測データ（スリッ
ト画像データ）とともに、物体Ｑのカラー情報を示す２
次元画像及びキャリブレーションに必要なデータを出力
する。三角測量法を用いてサンプリング点の座標を求め
る演算処理はホスト３が担う。

【００２０】ホスト３は、ＣＰＵ３ａ、ディスプレイ３
ｂ、キーボード３ｃ、及びマウス３ｄなどから構成され
たコンピュータシステムである。ＣＰＵ３ａには計測デ
ータ処理のためのソフトウェアが組み込まれている。ホ
スト３と３次元カメラ２との間では、オンライン及び可
搬型の記録メディア４によるオフラインの両方の形態の
データ受渡しが可能である。記録メディア４としては、
光磁気ディスク（ＭＯ）、ミニディスク（ＭＤ）、メモ
リカードなどがある。

【００２１】図２は３次元カメラ２の外観を示す図であ
る。ハウジング２０の前面に投光窓２０ａ及び受光窓２
０ｂが設けられている。投光窓２０ａは受光窓２０ｂの
上側にある。内部の光学ユニットＯＵが射出するスリッ
ト光（所定幅ｗの帯状のレーザビーム）Ｕは、投光窓２
０ａを通って計測対象の物体（被写体）に向かう。スリ
ット光Ｕの長さ方向Ｍ１の放射角度φは固定である。物
体の表面で反射したスリット光Ｕの一部が受光窓２０ｂ
を通って光学ユニットＯＵに入射する。なお、光学ユニ
ットＯＵは、投光軸と受光軸との相対関係を適正化する
ための２軸調整機構を備えている。

【００２２】ハウジング２０の上面には、ズーミングボ
タン２５ａ，２５ｂ、手動フォーカシングボタン２６
ａ，２６ｂ、及びシャッタボタン２７が設けられてい
る。図２（ｂ）のように、ハウジング２０の背面には、
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）２１、カーソルボタン２
２、セレクトボタン２３、キャンセルボタン２４、アナ
ログ出力端子３１，３２、デジタル出力端子３３、及び
記録メディア４の着脱口３０ａが設けられている。

【００２３】液晶ディスプレイ２１は、操作画面の表示
手段及び電子ファインダとして用いられる。撮影者は背
面の各ボタン２１〜２４によって撮影モードの設定を行
うことができる。アナログ出力端子３１からは計測デー
タが出力され、アナログ出力端子３１からは２次元画像
信号が例えばＮＴＳＣ形式で出力される。デジタル出力
端子３３は例えばＳＣＳＩ端子である。

【００２４】図３は３次元カメラ２の機能構成を示すブ
ロック図である。図中の実線矢印は電気信号の流れを示
し、破線矢印は光の流れを示している。３次元カメラ２
は、上述の光学ユニットＯＵを構成する投光側及び受光
側の２つの光学系４０，５０を有している。光学系４０
において、半導体レーザ（ＬＤ）４１が射出する波長６
９０ｎｍのレーザビームは、投光レンズ系４２を通過す
ることによってスリット光Ｕとなり、ガルバノミラー
（走査手段）４３によって偏向される。半導体レーザ４
１のドライバ４４、投光レンズ系４２の駆動系４５、及
びガルバノミラー４３の駆動系４６は、システムコント
ローラ６１によって制御される。

【００２５】光学系５０において、ズームユニット５１
によって集光された光はビームスプリッタ５２によって
分光される。半導体レーザ４１の発振波長帯域の光は、
計測用のイメージセンサ５３に入射する。可視帯域の光
は、モニタ用のカラーイメージセンサ５４に入射する。
イメージセンサ５３及びカラーイメージセンサ５４は、
どちらもＣＣＤエリアセンサである。ズームユニット５
１は内焦型であり、入射光の一部がオートフォーカシン
グ（ＡＦ）に利用される。ＡＦ機能は、ＡＦセンサ５７
とレンズコントローラ５８とフォーカシング駆動系５９
によって実現される。ズーミング駆動系６０は電動ズー
ミングのために設けられている。

【００２６】イメージセンサ５３による撮像情報は、ド
ライバ５５からのクロックに同期して出力処理回路６２
へ転送される。出力処理回路６２によってイメージセン
サ５３の各画素毎に対応する計測データが生成され、メ
モリ６３に格納される。その後、オペレータがデータ出
力を指示すると、計測データは、ＳＣＳＩコントローラ
６６又はＮＴＳＣ変換回路６５によって所定形式でオン
ライン出力され、又は記録メディア４に格納される。計
測データのオンライン出力には、アナログ出力端子３１
又はディジタル出力端子３３が用いられる。カラーセン
サ５４による撮像情報は、ドライバ５６からのクロック
に同期してカラー処理回路６７へ転送される。カラー処
理を受けた撮像情報は、ＮＴＳＣ変換回路７０及びアナ
ログ出力端子３２を経てオンライン出力され、又はディ
ジタル画像生成部６８で量子化されてカラー画像メモリ
６９に格納される。その後、カラー画像データがカラー
画像メモリ６９からＳＣＳＩコントローラ６６へ転送さ
れ、ディジタル出力端子３３からオンライン出力され、
又は計測データと対応づけて記録メディア４に格納され
る。なお、カラー画像は、イメージセンサ５３による距
離画像と同一の画角の像であり、ホスト３側におけるア
プリケーション処理に際して参考情報として利用され
る。カラー情報を利用する処理としては、例えばカメラ
視点の異なる複数組の計測データを組み合わせて３次元
形状モデルを生成する処理、３次元形状モデルの不要の
頂点を間引く処理などがある。システムコントローラ６
１は、キャラクタジェネレータ７１に対して、ＬＣＤ２
１の画面上に適切な文字や記号を表示するための指示を
与える。また、メモリ６３はシステムコントローラ６１
にも記憶内容を出力することができる。

【００２７】図４は計測システム１における３次元位置
の算出の原理図である。同図では理解を容易にするた
め、図２６及び図２７と対応する要素には同一の符号を
付してある。

【００２８】イメージセンサ５３の撮像面Ｓ２上で複数
画素分となる比較的に幅の広いスリット光Ｕを物体Ｑに
照射する。具体的にはスリット光Ｕの幅を５画素分とす
る。スリット光Ｕは、サンプリング周期毎に撮像面Ｓ２
上で１画素ピッチｐｖだけ移動するように上から下に向
かって偏向され、それによって物体Ｑが走査される。サ
ンプリング周期毎にイメージセンサ５３から１フレーム
分の光電変換情報が出力される。

【００２９】撮像面Ｓ２の１つの画素ｇに注目すると、
走査中に行うＮ回のサンプリングのうちの５回のサンプ
リングにおいて有効な受光データが得られる。これら５
回分の受光データに対する補間演算によって注目画素ｇ
がにらむ範囲の物体表面ａｇをスリット光Ｕの光軸が通
過するタイミング（時間重心Ｎｐｅａｋ：注目画素ｇの
受光量が最大となる時刻）を求める。図４（ｂ）の例で
は、ｎ回目とその１つ前の（ｎ−１）回目の間のタイミ
ングで受光量が最大である。求めたタイミングにおける
スリット光の投射方向と、注目画素ｇに対するスリット
光の入射方向との関係に基づいて、物体Ｑの位置（座
標）を算出する。これにより、撮像面の画素ピッチｐｖ
で規定される分解能より高い分解能の計測が可能とな
る。

【００３０】注目画素ｇの受光量は物体Ｑの反射率に依
存する。しかし、５回のサンプリングの各受光量の相対
比は受光の絶対量に係わらず一定である。つまり、物体
色の濃淡は計測精度に影響しない。

【００３１】本実施形態の計測システム１では、３次元
カメラ２がイメージセンサ５３の画素ｇ毎に５回分の受
光データを計測データとしてホスト３に出力し、ホスト
３が計測データに基づいて物体Ｑの座標を算出する。３
次元カメラ２における各画素ｇに対応した計測データの
生成は、出力処理回路６２が担う。

【００３２】図５は出力処理回路６２及びメモリ６３の
ブロック図、図６はイメージセンサ５３の読出し範囲を
示す図である。出力処理回路６２は、クロック信号ＣＫ
を出力するクロック発生回路６２０、イメージセンサ５
３の出力する光電変換信号のレベルを最適化するための
増幅器６２１、クロック信号ＣＫに同期して各画素ｇの
光電変換信号を８ビットの受光データＤｇに変換するＡ
Ｄ変換器６２２、直列接続された４つのフレームディレ
イメモリ６２３〜６２６、コンパレータ６２７、フレー
ム番号（サンプリング番号）ＦＮを指し示すジェネレー
タ６２８、及びマルチプレクサ６２９を有している。増
幅器６２１のゲインは可変であり、システムコントロー
ラ６１によって適切な値に設定される。４つのフレーム
ディレイメモリ６２３〜６２６は、イメージセンサ５３
の各画素ｇについて５フレーム分の受光データＤｇを同
時にメモリ６３に出力するために設けられている。

【００３３】メモリ６３は、有効な５回分の受光データ
Ｄｇを記憶するための５つのメモリバンク６３Ａ〜Ｅ
と、画素ｇ毎に特定のフレーム番号ＦＮを記憶するため
のメモリバンク６３Ｆとから構成されている。各メモリ
バンク６３Ａ〜Ｅは、計測のサンプリング点数（つま
り、イメージセンサ５３の有効画素数）と同数個の受光
データＤｇを記憶可能な容量をもち、メモリバンク６３
Ｆはサンプリング点数と同数個のフレーム番号ＦＮを記
憶可能な容量をもつ。メモリバンク６３Ｂ〜Ｆには、書
込み信号としてコンパレータ６２７の出力信号Ｓ６２７
が共通に加えられる。これに対して、メモリバンク６３
Ａには、出力信号Ｓ６２７とクロック信号ＣＫの２つの
信号のうち、マルチプレクサ６２９によって選択された
一方の信号が書込み信号として加えられる。クロック信
号ＣＫは後述の予備計測において書込み信号として選択
される。つまり、予備計測ではＡＤ変換器６２２の変換
動作と同期してメモリバンク６３Ａの書込みが行われ
る。

【００３４】予備計測に続いて行われる計測（これを本
計測と呼称する）において、イメージセンサ５３におけ
る１フレームの読出しは、撮像面Ｓ２の全体ではなく、
高速化を図るために図６のように撮像面Ｓ２の一部の有
効受光エリア（帯状画像）Ａｅのみを対象に行われる。
有効受光エリアＡｅはスリット光Ｕの偏向に伴ってフレ
ーム毎に１画素分だけシフトする。本実施形態では、有
効受光エリアＡｅのシフト方向の画素数は３２に固定さ
れている。ＣＣＤエリアセンサの撮影像の一部のみを読
み出す手法は、特開平７−１７４５３６号公報に開示さ
れている。

【００３５】ＡＤ変換部６２２は、１フレーム毎に３２
ライン分の受光データＤｇを画素ｇの配列順にシリアル
に出力する。各フレームディレイメモリ６２３〜６２６
は、３１（＝３２−１）ライン分の容量をもつＦＩＦＯ
である。ＡＤ変換部６２２から出力された注目画素ｇの
受光データＤｇは、２フレーム分だけ遅延された時点
で、コンパレータ６２６によって、メモリバンク６３Ｃ
が記憶する注目画素ｇについての過去の受光データＤｇ
の最大値と比較される。遅延された受光データＤｇ（フ
レームディレイメモリ６２４の出力）が過去の最大値よ
り大きい場合に、その時点のＡＤ変換部６２２の出力及
び各フレームディレイメモリ６２３〜６２６の出力が、
メモリバンク６３Ａ〜Ｅにそれぞれ格納され、メモリバ
ンク６３Ａ〜Ｅの記憶内容が書換えられる。これと同時
にメモリバンク６３Ｆには、メモリバンク６３Ｃに格納
する受光データＤｇに対応したフレーム番号ＦＮが格納
される。すなわち、ｎ番目（ｎ＜Ｎ）のフレームで注目
画素ｇの受光量が最大になった場合には、メモリバンク
６３Ａに（ｎ＋２）番目のフレームのデータが格納さ
れ、メモリバンク６３Ｂに（ｎ＋１）番目のフレームの
データが格納され、メモリバンク６３Ｃにｎ番目のフレ
ームのデータが格納され、メモリバンク６３Ｄに（ｎ−
１）番目のフレームのデータが格納され、メモリバンク
６３Ｅに（ｎ−２）番目のフレームのデータが格納さ
れ、メモリバンク６３Ｆにｎが格納される。

【００３６】次に、３次元カメラ２及びホスト３の動作
を計測の手順と合わせて説明する。以下では、計測のサ
ンプリング点数を２４４×２５６とする。すなわち、実
質的なフレーム数Ｎは２４４であり、撮像面Ｓ２におけ
るスリット長さ方向の画素数は２５６である。

【００３７】ユーザー（撮影者）は、ＬＣＤ２１が表示
するカラーモニタ像を見ながら、カメラ位置と向きとを
決め、画角を設定する。その際、必要に応じてズーミン
グ操作を行う。３次元カメラ２ではカラーセンサ５４に
対する絞り調整は行われず、電子シャッタ機能により露
出制御されたカラーモニタ像が表示される。これは、絞
りを開放状態とすることによってイメージセンサ５３の
入射光量をできるだけ多くするためである。

【００３８】図７は３次元カメラ２におけるデータの流
れを示す図、図８はホスト３におけるデータの流れを示
す図、図９は光学系の各点と物体Ｑとの位置関係を示す
図である。

【００３９】ユーザーによる画角選択操作（ズーミン
グ）に応じて、ズームユニット５１のバリエータ部が移
動するとともにフォーカシング部の移動によるフォーカ
シングが行われる。フォーカシングの過程でおおよその
対物間距離ｄ₀ が測定される。このような受光系のレン
ズ駆動に呼応して、投光側のバリエータレンズの移動量
が演算により算出され、算出結果に基づいてバリエータ
レンズの移動制御が行われる。投光側のレンズ制御は、
撮影距離及び画角に係わらず、イメージセンサ５３に５
画素分の幅のスリット光Ｕを入射させるためのものであ
る。

【００４０】システムコントローラ６１は、レンズコン
トローラ５８を介して、フォーカシング駆動系５９のエ
ンコーダ出力（繰り出し量Ｅｄ）及びズーミング駆動系
６０のエンコーダ出力（ズーム刻み値ｆｐ）を読み込
む。システムコントローラ６１の内部において、歪曲収
差テーブルＴ１、主点位置テーブルＴ２、及び像距離テ
ーブルＴ３が参照され、繰り出し量Ｅｄ及びズーム刻み
値ｆｐに対応した撮影条件データがホスト２へ出力され
る。ここでの撮影条件データは、歪曲収差パラメータ
（レンズ歪み補正係数ｄ１，ｄ２）、前側主点位置Ｆ
Ｈ、及び像距離ｂである。前側主点位置ＦＨは、ズーム
ユニット５１の前側端点Ｆと前側主点Ｈとの距離で表さ
れる〔図２７（ｃ）参照〕。前側端点Ｆは固定であるの
で、前側主点位置ＦＨにより前側主点Ｈを特定すること
ができる。

【００４１】また、システムコントローラ６１は、特定
の方向にスリット光Ｕを投射して計測環境を測定する本
発明に特有の予備計測（詳細は後述する）を実行し、予
備計測で得られた撮影情報に基づいて対物間距離ｄを求
め、その対物間距離ｄに基づいて、繰り出し量Ｅｄを再
設定するとともにレンズ駆動を行い、本計測の動作設定
をする。設定項目には、半導体レーザ４１の出力（レー
ザ光強度）、スリット光Ｕの偏向条件（投射開始角、投
射終了角、偏向角速度）などがある。対物間距離ｄの算
定に際しては、測距基準点である受光系の前側主点Ｈと
投光の起点ＡとのＺ方向のオフセットｄｏｆｆを考慮す
る。偏向条件の算定に際しては、走査方向の端部におい
ても中央部と同様の計測可能距離範囲ｄ’を確保するた
め、所定量（例えば８画素分）のオーバースキャンを行
うようにする。投射開始角ｔｈ１、投射終了角ｔｈ２、
偏向角速度ωは、次式で表される。 ｔｈ１＝ｔａｎ^-1〔（β×ｐｖ（ｎｐ／２＋８）＋Ｌ）
／（ｄ＋ｄｏｆｆ）〕×１８０／π ｔｈ２＝ｔａｎ^-1〔−（β×ｐｖ（ｎｐ／２＋８）＋
Ｌ）／（ｄ＋ｄｏｆｆ）〕×１８０／π ω＝（ｔｈ１−ｔｈ２）／ｎｐ β：撮像倍率（＝ｄ／実効焦点距離Ｆｒｅａｌ） ｐｖ：画素ピッチ ｎｐ：撮像面Ｓ２のＹ方向の有効画素数 Ｌ：基線長 このようにして算出された条件で本計測が行われる。物
体Ｑが走査され、上述の出力処理回路５２によって得ら
れた１画素当たり５フレーム分の計測データ（スリット
画像データ）Ｄｓがホスト２へ送られる。同時に、偏向
条件（偏向制御データＤ４３）及びイメージセンサ５３
の仕様などを示す装置情報Ｄ１０も、ホスト３へ送られ
る。表１は３次元カメラ２がホスト３へ送る主なデータ
をまとめたものである。

【００４２】

【表１】

【００４３】投射開始角ｔｈ１及び投射終了角ｔｈ２の
設定に際して、上述の式に代えて次の式を適用すれば、
測定可能距離範囲を光軸方向にシフトさせることができ
る。 ｔｈ１＝ｔａｎ^-1〔（β×ｐｖ（ｎｐ／２＋８＋ｐｉｔ
ｃｈｏｆｆ）＋Ｌ）／（ｄ＋ｄｏｆｆ）〕×１８０／π ｔｈ２＝ｔａｎ^-1〔−（β×ｐｖ（ｎｐ／２＋８＋ｐｉ
ｔｃｈｏｆｆ）＋Ｌ）／（ｄ＋ｄｏｆｆ）〕×１８０／
π ｐｉｔｃｈｏｆｆ：測定可能距離範囲のシフト量 後述のように対物間距離の算定の基準位置を物体の近接
位置（３次元カメラ２側）に設定し、その前後に計測可
能範囲ｄ’を設定すると、前側（３次元カメラ２側）の
計測可能範囲が無駄になることが多い。したがって、シ
フト量ｐｉｔｃｈｏｆｆを設定して、前側２５％、後側
７５％の割合になるように計測可能範囲ｄ’を後側へシ
フトさせるのが望ましい。シフト後の計測可能範囲ｄ”
は図１４に示す範囲となる。

【００４４】本実施形態のように有効受光エリアＡｅが
３２画素幅である場合（つまり、ＣＣＤエリアセンサが
３２ラインの読出し幅をもつ場合）、シフト量ｐｉｔｃ
ｈｏｆｆを「８」とすれば、上述の割合の計測可能範囲
が設定される。

【００４５】図８のように、ホスト３においては、スリ
ット重心演算、歪曲収差の補正演算、カメラ視線方程式
の演算、スリット面方程式の演算、及び３次元位置演算
が実行され、それによって２４４×２５６個のサンプリ
ング点の３次元位置（座標Ｘ，Ｙ，Ｚ）が算定される。
サンプリング点はカメラ視線（サンプリング点と前側主
点Ｈとを結ぶ直線）とスリット面（サンプリング点を照
射するスリット光Ｕの光軸面）との交点である。

【００４６】スリット光Ｕの時間重心Ｎｐｅａｋ（図４
参照）は、各サンプリング時の受光データＤｇ（ｉ）を
用いて（４）式で与えられる。 Ｎｐｅａｋ＝ｎ＋Δｎ …（４） Δｎ＝〔−２×Ｄｇ（ｎ−２）−Ｄｇ（ｎ−１）＋Ｄｇ
（ｎ＋１）＋２×Ｄｇ（ｎ＋２）〕／ΣＤｇ（ｉ） （ｉ＝ｎ−２，ｎ−１，ｎ，ｎ＋１，ｎ＋２） 又は Δｎ＝［−２×〔Ｄｇ〔ｎ−２）−ｍｉｎＤｇ（ｉ）〕
−〔Ｄｇ（ｎ−１）−ｍｉｎＤｇ（ｉ）〕＋〔Ｄｇ（ｎ
＋１）−ｍｉｎＤｇ（ｉ）〕＋２×〔Ｄｇ（ｎ＋２）−
ｍｉｎＤｇ（ｉ）〕］／ΣＤｇ（ｉ） ５つの受光データの内の最小のデータｍｉｎＤｇ（ｉ）
を差し引いて加重平均を求めることにより、環境光の影
響を軽減することができる。

【００４７】カメラ視線方程式は（５）式及び（６）式
である。 （ｕ−ｕ０）＝（ｘｐ）＝（ｂ／ｐｕ）×〔Ｘ／（Ｚ−ＦＨ）〕 …（５） （ｖ−ｖ０）＝（ｙｐ）＝（ｂ／ｐｖ）×〔Ｙ／（Ｚ−ＦＨ）〕 …（６） ｂ：像距離 ＦＨ：前側主点位置 ｐｕ：撮像面における水平方向の画素ピッチ ｐｖ：撮像面における垂直方向の画素ピッチ ｕ：撮像面における水平方向の画素位置 ｕ０：撮像面における水平方向の中心画素位置 ｖ：撮像面における垂直方向の画素位置 ｖ０：撮像面における垂直方向の中心画素位置 スリット面方程式は（７）式である。

【００４８】

【数１】

【００４９】幾何収差は画角に依存する。歪はほぼ中心
画素を中心として対象に生じる。したがって、歪み量は
中心画素からの距離の関数で表される。ここでは、距離
の３次関数で近似する。２次の補正係数をｄ１、３次の
補正係数をｄ２とする。補正後の画素位置ｕ’，ｖ’は
（８）式及び（９）式で与えられる。

【００５０】 ｕ’＝ｕ＋ｄ１×ｔ２² ×（ｕ−ｕ０）／ｔ２ ＋ｄ２×ｔ２³ ×（ｕ−ｕ０）／ｔ２ …（８） ｖ’＝ｖ＋ｄ１×ｔ２² ×（ｖ−ｖ０）／ｔ２ ＋ｄ２×ｔ２³ ×（ｖ−ｖ０）／ｔ２ …（９） ｔ２＝（ｔ１）^-2 ｔ１＝（ｕ−ｕ０）² ＋（ｖ−ｖ０）² 上述の（５）式及び（６）式において、ｕに代えてｕ’
を代入し、ｖに代えてｖ’を代入することにより、歪曲
収差を考慮した３次元位置を求めることができる。な
お、キャリブレーションについては、電子情報通信学会
研究会資料ＰＲＵ91-113［カメラの位置決めのいらない
画像の幾何学的補正］小野寺・金谷、電子情報通信学会
論文誌Ｄ-II vol. J74-D-II No.9 pp.1227-1235,'91/9
［光学系の３次元モデルに基づくレンジファインダの高
精度キャリブレーション法］植芝・吉見・大島、などに
詳しい開示がある。

【００５１】以下、３次元カメラ２の自動設定機能につ
いて説明する。３次元カメラ２は、予備計測の結果に基
づいて本計測の条件（投射角度範囲及びレーザ光強度）
を設定する。予備計測では、本計測とは違ってスリット
光Ｕの偏向は行われず、一方向のみにスリット光Ｕが投
射される。投射方向はズーミング状態、及び別途に設け
られたパッシブ型測距センサの出力に応じて選定され
る。投射は、短期間内に断続的に計３回行われ、その際
に投射毎にレーザ光強度（投射光強度）が大きい値から
小さい値へ変更される。つまり、強度Ａ，Ｂ，Ｃ（Ａ＞
Ｂ＞Ｃ）の３種のスリット光Ｕによる計測が行われる。
各強度Ａ〜Ｃのスリット光Ｕの投射時にイメージセンサ
５３によって得られた撮影情報は、メモリ６３のメモリ
バンク６３Ａに一旦格納された後、所定の演算に用いら
れる。メモリバンク６３Ａからの撮影情報（受光データ
Ｄｇ）の読出しは、撮像面Ｓ２の全体ではなく一部分の
みを対象に行われる。このように本実施形態において
は、投射方向及び撮影情報の読出し範囲を限定すること
によって予備計測の所要時間の短縮が図られており、強
度の異なる３種のスリット光Ｕを投射することによって
信頼性が高められている。

【００５２】図１０は予備計測時のサンプリングの範囲
を示す図である。予備計測においては、イメージセンサ
５３の撮像面Ｓ２を構成する２４４×２５５個の画素の
うち、５つのラインｖ１〜５の画素がサンプリングの対
象となる。各ラインｖ１〜５は、Ｙ方向（スリット光の
偏向方向）の一端から他端までの画素列であり、Ｘ方向
の中央付近でほぼ等間隔に並んでいる。各ラインｖ１〜
５のＸ方向の座標（画素番号）は、順に１１０，１２
０，１２８，１４０，１５０であり、ＡＦセンサ５７の
測距エリアＡ５７の範囲内の値に選定されている。一般
に、計測に際しては計測対象物体の真正面に３次元カメ
ラ２が配置されるので、できるだけ少ないサンプリング
点数で有効な情報を得ようとする場合、撮像面Ｓ２の中
央付近がサンプリング点として好適である。

【００５３】図１１はスリット画像ＧＳとサンプリング
点との関係を示す図である。例えば物体Ｑが球である場
合には曲線状のスリット画像ＧＳが撮影される。予備計
測における最初の投射時には、各ラインｖ１〜５につい
て全ての画素のデータがメモリバンク６３Ａから読み出
され、スリット画像ＧＳに対応した画素のＹ方向の座標
（スリット画像位置）が検出される。図１１（ａ）中の
黒丸はスリット画像位置を示している。これに対して、
２回目及び３回目の投射時には、既にスリット画像位置
が検出されているので、時間を節約するために、各ライ
ンｖ１〜５についてスリット画像位置及びその両側の画
素ｇを合わせた３個の画素ｇのデータのみがメモリバン
ク６３Ａから読み出される。図１１（ａ）中の斜線を付
した画素ｇがスリット画像位置に対応する。

【００５４】図１２は予備計測テーブルＴ５のデータ内
容の模式図である。予備計測テーブルＴ５は、システム
コントローラ６１に内蔵されている図示しないＲＡＭに
設けられる。上述の各強度Ａ〜Ｃのスリット光Ｕを投射
したときの受光データＤｇ及びそれに基づいて得られた
所定のデータ（スリット画像位置など）が予備計測デー
タとしてラインｖ１〜５毎に格納される。

【００５５】図１３は投射光強度と受光量との関係の代
表例を示すグラフである。図１３（ａ）の例では、強度
Ａ〜Ｃにおける受光レベルは飽和レベル（受光のダイナ
ミックレンジの上限）より低い。図１３（ｂ）の例では
強度Ａにおいて受光が飽和している。

【００５６】受光レベルが非飽和の範囲内であり且つ環
境光や信号ノイズの影響がなければ、強度Ａ〜Ｃと受光
データＤｇとの間に比例関係が成立する。したがって、
各強度Ａ〜Ｃの受光データＤｇの値から、任意の投射光
強度における受光レベルを推測することができる。言い
換えれば、最適の受光レベルの得られる投射光強度を演
算で求めることができる。強度Ａ〜Ｃの大小関係と受光
データＤｇの大小関係とが一致しない場合は、受光デー
タＤｇの信頼性に問題がある。上述の予備計測テーブル
Ｔ５には、各ラインｖ１〜５のデータの適否判別の結果
も格納される。

【００５７】システムコントローラ６１は、５つのライ
ンｖ１〜５の中から後述の要領で選択したラインのスリ
ット画像位置に基づいて三角測量法によって対物間距離
を求め、本計測のレンズ位置条件を設定する。これによ
り計測可能範囲が定まる。その後、システムコントロー
ラ６１は、５つのラインｖ１〜５のうち、計測可能範囲
内のラインの予備計測データに基づいて、本計測の投射
光強度を最適化する。

【００５８】図１４は投射光強度を最適化の手順を説明
するための図、図１５は図１４に対応した最適強度を示
すグラフである。図１４（ａ）において、背景面ＳＢの
前面側に立方体状の物体Ｑが置かれている。図１４
（ｂ）は物体Ｑに向かってスリット光Ｕを投射したとき
のスリット画像ＧＳを示している。撮像面Ｓ２の各ライ
ンｖ１〜５のスリット画像位置をＰ１〜５とする。図１
４（ｃ）は、各スリット画像位置Ｐ１〜５と物体Ｑとの
位置関係を示す平面図である。図１４（ｂ）及び（ｃ）
のように、スリット画像位置Ｐ２，Ｐ３が物体Ｑに対応
し、他の３つのスリット画像位置Ｐ１，Ｐ４，Ｐ５は背
景面ＳＢに対応する。

【００５９】ここでは、スリット画像位置Ｐ３が対物間
距離の算定の基準位置（ピントを合わせる位置）である
ものとする。黒丸を囲む○印が基準位置であることを表
している。基準位置の選定によって計測可能範囲ｄ’が
決まる。図１４（ｃ）のように、スリット画像位置Ｐ
２，Ｐ３は計測可能範囲ｄ’の内側であるが、他の３つ
のスリット画像位置Ｐ１，Ｐ４，Ｐ５は、計測可能範囲
ｄ’の外側であって本計測時には撮影されない。図中の
×印は、本計測の対象外であることを表している。本計
測の投射光強度は、本計測時の撮影対象に対応したスリ
ット画像位置Ｐ２，Ｐ３を含むラインｖ２，ｖ３の予備
計測データに基づいて設定される。

【００６０】図１５のように、各強度Ａ〜Ｃにおけるラ
インｖ２，ｖ３の受光量の実測値から、各スリット画像
位置Ｐ２，Ｐ３について最適レベルが得られる投射光強
度を求める。そして、得られた２つの投射光強度のう
ち、値の小さい方を本計測の設定値として採用する。計
測可能範囲ｄ’の内側のスリット画像位置が３以上であ
れば、それらについて求めた最適の投射光強度のうちの
最小値を採用する。最小値を採用するのは、受光の飽和
を避けるためである。

【００６１】以下、フローチャートを参照して自動設定
機能をさらに詳しく説明する。図１６はシステムコント
ローラ６１が実行する自動設定処理のメインフローチャ
ートである。

【００６２】システムコントローラ６１は、スリット光
Ｕの投射方向を決める予備計測条件の設定（＃１０）、
スリット光Ｕを投射しないときの環境情報を得る環境光
画像の撮影（＃２０）、３段階の強度Ａ〜Ｃのスリット
光Ｕを投射して環境情報を得るスリット画像の撮影（＃
３０）、予備計測の信頼性を高めるための撮影情報の適
否判別（＃４０）、対物間距離を求める距離演算（＃５
０）、及び予備計測の結果に応じた動作設定をする本計
測条件の設定、の各処理を順に実行する。

【００６３】図１７は予備計測条件の設定のフローチャ
ートである。まず、その時点のズーム段階ｚｏｏｍに応
じて、上述の３段階の強度Ａ，Ｂ，Ｃのそれぞれの値を
設定する（＃１００）。ズーム段階ｚｏｏｍの段数は例
えば９であり、ズーム刻み値ｆｐによって特定される。
強度Ａ，Ｂ，Ｃを可変とすることにより、有効な測距結
果を容易に得ることができる。

【００６４】次にズーミング状態をチェックする（＃１
０１）。ズーム段階ｚｏｏｍが４以上であるテレ状態の
場合には、ＡＦセンサ５７によるパッシブ形式の測距の
精度が比較的に高いので、その測距結果を用いることが
できる。したがって、ズーム段階ｚｏｏｍと繰り出し量
Ｅｄとから、前側主点位置ＦＨ、実効焦点距離Ｆｒｅａ
ｌ、及び対物間距離ｄ₀ を算出し（＃１０２、１０
３）、その後に受光軸と物体面との交点にスリット光Ｕ
が入射するような投射角度を算出する（＃１０４）。そ
して、算出した投射角度に対応した回転角度位置にガル
バノミラー４３をセットする（＃１０５）。

【００６５】一方、ワイド状態の場合には、パッシブ形
式の測距の精度が低いものの、受光系の視野が広いの
で、遠近の２とおり程度の投射方向の切換えを行えば、
物体で反射したスリット光Ｕを受光することができる。
そこで、前側主点位置ＦＨ及び実効焦点距離Ｆｒｅａｌ
としてズーム段階ｚｏｏｍに応じた固定値を設定した
後、繰り出し量Ｅｄに応じた既定の角度を投射角度とす
る（＃１０６〜１０９）。そして、テレ状態の場合と同
様に投射角度に対応した回転角度位置にガルバノミラー
４３をセットする（＃１０５）。

【００６６】図１８は図１６の環境光画像の撮影のフロ
ーチャートである。撮影モードを予備計測のためのモー
ドに切り換える（＃２０１）。すなわち、イメージセン
サ５３については、撮像面Ｓ２の全画素の光電変換信号
を読み出すモードとし、メモリバンク６３Ａの書込み信
号がクロック信号ＣＫとなるように出力処理回路６２の
マルチプレクサ６２９の入力選択をする。これにより、
撮影毎にイメージセンサ５３の１画面分（撮像面Ｓ２の
全域）の撮影情報がメモリバンク６３Ａに格納される。

【００６７】出力処理回路６２の増幅器６２１のゲイン
を初期値の「１」とし（＃２０２）、イメージセンサ５
３を制御するＣＣＤ駆動処理を行う（＃２０３）。具体
的には、ドライバ５５に対して積分（電荷蓄積）の開始
及び終了を指示する。続いて、撮影情報（受光データＤ
ｇ）をメモリバンク６３Ａに格納するデータ転送処理を
行い（＃２０４）、メモリバンク６３Ａから上述した５
本のラインｖ１〜５の受光データＤｇを読み込む（＃２
０５）。

【００６８】図１９は図１６のスリット画像の撮影のフ
ローチャートである。このルーチンおいて、半導体レー
ザ４１をパルス点灯させて計３回の撮影を行う。図１１
で説明したように１回目の撮影情報はスリット画像位置
を検出する上で特に重要である。レーザ光強度（投射光
強度）が大きいほどノイズの影響を受けにくい。したが
って、１回目の撮影のレーザ光強度を強度Ａに設定する
（＃３１０）。続いて、投光・受光制御（＃３２０）、
強度Ａの場合のサンプリング（＃３３０）を順に実行す
る。投光・受光制御は、次の〜の処理からなる。 イメージセンサ５３のドライバ５５に対して積分の開
始を指示する。 ＬＤドライバ４４に対して点灯を指示する。 所定時間の経過を待ってＬＤドライバ４４に対して消
灯を指示する。 積分の終了を指示する。 １画面分の受光データＤｇをメモリバンク６３Ａに格
納する。 次に２回目の撮影に移り、レーザ光強度を強度Ｂに設定
する（＃３４０）。１回目と同様の投光・受光制御（＃
３５０）を実行した後、強度Ｂの場合のサンプリング
（＃３６０）を実行する。

【００６９】３回目の撮影に際しては、レーザ光強度を
強度Ｃに設定し（＃３７０）、１回目及び２回目と同様
の投光・受光制御（＃３８０）を実行した後、強度Ｃの
場合のサンプリング（＃３９０）を実行する。強度Ｃの
場合のサンプリングの内容は、強度Ｂの場合のサンプリ
ング（＃３６０）と同様である。

【００７０】図２０は強度Ａの場合のサンプリングのフ
ローチャートである。サンプリング対象の５本のライン
ｖ１〜５のうちの第１番目のラインｖ１を注目ラインと
して選択する（＃３３０１）。予備計測テーブルＴ５に
格納されている注目ラインのレーザ光量測定値Ｊを最小
値に初期化する（＃３３０２）。注目ラインの先頭画素
を注目画素として選択し、メモリバンク６３Ａから注目
画素の受光データＤｇを読み出す（＃３３０４）。そし
て、読み出した受光データＤｇから、上述の環境光画像
の撮影ルーチンで読み出しておいた当該注目画素の受光
データ（環境光成分）を差し引き、レーザ光成分ｊを算
出する（＃３３０５）。レーザ光成分ｊが最低限の受光
レベル（スリット光Ｕと認められる最低値）より大きく
且つその時点のレーザ光量測定値Ｊより大きい場合は
（＃３３０６、３３０７）、注目画素のＹ座標をスリッ
ト画像位置として予備計測テーブルＴ５に書き込み（＃
３３０８）、強度Ａのレーザ光量測定値Ｊとしてレーザ
光成分ｊを書き込む（＃３３０９）。その後、次の画素
に注目する（＃３３１０、３３１４）。＃３３０６又は
＃３３０７でノーであれば、予備計測テーブルＴ５を更
新せずに次の画素に注目する。注目ラインの全ての画素
を順に注目してレーザ光成分ｊとレーザ光量測定値Ｊと
を比較することにより、注目ラインの中で最も明るい画
素を検出することができる。その最も明るい画素がスリ
ット画像位置に対応する。各画素のレーザ光成分ｊどう
しを比較するので、環境光成分を含む受光データＤｇど
うしを比較する場合と比べて、位置検出の誤りが少な
い。

【００７１】注目ラインの全ての画素に対する比較処理
が終われば、次のラインに注目して同様の処理を繰り返
す（＃３３１１、３３１５）。５本のラインｖ１〜５に
対する比較処理が終われば、少なくとも１本のラインに
おいてスリット画像位置を検出したか否か、すなわち所
定値以上の明るさの画素が存在したか否かをチェックす
る（＃３３１２）。スリット画像位置が見つかり且つ各
ラインｖ１〜５におけるレーザ光成分ｊの最大値が所定
の基準（重心演算の値として採用可能な最低値）に達し
ていればリターンし、達していなければ出力処理回路６
２の増幅器６２１のゲインを１ステップ大きい値に更新
する（＃３３１６、３３１７）。ゲインの更新の後、環
境光画像の撮影処理へ戻って撮影をやり直す。なお、＃
３３１６で既にゲインが上限に達していたら適切なメッ
セージを表示するエラー処理を実行する（＃３３１
８）。スリット画像位置が見つからなかった場合も、増
幅器６２１のゲインを一段上げ（＃３３１６、３３１
７）、環境光画像の撮影処理へ戻って撮影をやり直す。

【００７２】図２１は強度Ｂの場合のサンプリングのフ
ローチャートである。サンプリング対象の５本のライン
ｖ１〜５のうちの第１番目のラインｖ１を注目ラインと
して選択する（＃３６０１）。予備計測テーブルＴ５に
注目ラインにおけるスリット画像位置が格納されている
か否かを確認する（＃３６０２）。格納されていない場
合は次のラインに注目する。

【００７３】スリット画像位置が格納されている場合
は、注目ラインのレーザ光量測定値Ｊを最小値に初期化
した後、スリット画像位置の１つ前の画素に注目する
（＃３６０３、３６０４）。注目画素の受光データＤｇ
をメモリバンク６３Ａから読出し（＃３６０５）、上述
の要領で環境光成分を差し引いたレーザ光成分ｊを算出
する（＃３３０６）。レーザ光成分ｊがその時点のレー
ザ光量測定値Ｊより大きい場合は、強度Ｂのレーザ光量
測定値Ｊとしてレーザ光成分ｊを予備計測テーブルＴ５
に書き込む（＃３３０７、３３０８）。そして、次の画
素に注目して同様の処理を行う（＃３６０９、３６１
１）。つまり、各画素のレーザ光成分ｊを比較し、注目
ラインにおけるレーザ光成分ｊの最大値を記憶する。ス
リット画像位置とその前後を合わせた計３個の画素に対
する処理が終われば、次のラインに注目して前ラインと
同様に３画素のレーザ光成分ｊのうちの最大値を記憶す
る（＃３６１０、３６１２）。５本のラインｖ１〜５に
に対する処理が終われば、図１９のフローにリターンす
る。

【００７４】図２２は図１６の撮影情報の適否判別のフ
ローチャートである。サンプリング対象の５本のライン
ｖ１〜５のうちの第１番目のラインｖ１を注目ラインと
して選択し（＃４０１）、予備計測テーブルＴ５に注目
ラインにおけるスリット画像位置が格納されているか否
かを確認する（＃４０２）。スリット画像位置が格納さ
れていない場合は、注目ラインの予備計測データを無効
と判定し、その旨を示すフラグを予備計測テーブルＴ５
にセットする（＃４１０）。そして、次のラインに注目
する（＃４１１、４１２）。

【００７５】スリット画像位置が格納されている場合
は、次の要領で予備計測データの適否を判別する。ま
ず、スリット画像位置における強度Ａの受光データＤｇ
（環境光成分＋レーザ光成分）が飽和レベルであるか否
かをチェックする（＃４０３）。強度Ａの受光データＤ
ｇが飽和レベルであれば、強度Ｂの受光データＤｇが飽
和レベルであるか否かをチェックする（＃４１３）。強
度Ｂの受光データＤｇも飽和レベルであれば、さらに強
度Ｃの受光データＤｇが飽和レベルであるか否かをチェ
ックする（＃４１４）。強度Ａ，Ｂ，Ｃの受光データＤ
ｇのいずれもが飽和レベルであれば、注目ラインの予備
計測データを無効と判定する（＃４１０）。

【００７６】＃４０３において強度Ａの受光データＤｇ
が飽和レベルでなければ、強度と受光量との関係が正し
いか否かをチェックする。すなわち強度Ａのレーザ光成
分であるレーザ光量測定値Ｊが強度Ｂのレーザ光量測定
値Ｊより大きいか否かを確かめ（＃４０４）、強度Ｂの
レーザ光量測定値Ｊが強度Ｃのレーザ光量測定値Ｊより
大きいか否かを確かめる（＃４０５）。＃４１３でノー
の場合も＃４０５のチェックを行う。強度の大小とレー
ザ光量測定値Ｊの大小との関係が反転している場合は、
明らかに異常であるので、注目ラインの予備計測データ
を無効と判定する（＃４１０）。強度の大小とレーザ光
量測定値Ｊの大小との関係が適正であれば、強度Ａ（又
は強度Ｂ）のレーザ光量測定値Ｊと強度が零のときの測
光値である環境光成分とから、図１３で説明したグラフ
の傾きを求め、強度Ｃにおけるレーザ光成分の推定値を
算出する（＃４０６）。このとき、強度Ａの受光データ
Ｄｇが飽和レベルである場合にのみ強度Ｂのレーザ光量
測定値Ｊを用いる。より大きいレーザ光量測定値Ｊを用
いる方が、グラフの傾きの誤差を少なくする上で有利で
ある。

【００７７】強度Ｃのレーザ光成分について、実測値と
算出した推定値との差が許容範囲内であれば（＃４０
７）、注目ラインの予備計測データを有効と判定し（＃
４０８）、強度Ａ，Ｂ，Ｃのうちで受光データＤｇが非
飽和域である最も大きい強度の予備計測データを本計測
の条件設定のためのデータとして記憶する（＃４０
９）。そして、次のラインに注目して先頭ラインと同様
の処理を繰り返す。最良の場合は５ラインｖ１〜５のそ
れぞれから条件設定のためのデータが選定されることに
なる。実測値と推定値との差が許容範囲を越える場合
は、注目ラインの予備計測データを無効と判定する。

【００７８】図２３は図１６の距離演算のフローチャー
トである。５ラインｖ１〜５の全てにおいて予備計測デ
ータの信頼度が低い場合、すなわち５ラインｖ１〜５の
予備計測データが無効と判定された場合には、エラー処
理を実行してメインルーチンへリターンする（＃５０
１、５１０）。

【００７９】少なくとも１本のラインにおいて予備計測
データが有効であれば、第１番目のラインｖ１に注目す
る（＃５０２）。注目ラインの予備計測データが有効で
あれば、スリット画像位置に基づいて三角測量法を適用
して対物間距離ｄを算出する（＃５０３、５０４）。そ
して、次のラインに注目する（＃５０５、５０９）。注
目ラインの予備計測データが無効であれば、対物間距離
ｄを算出せずに次のラインの処理に移る。

【００８０】５ラインｖ１〜５に対する処理が終了した
時点で、最大５個の対物間距離ｄの算出値が記憶されて
いる。ズーミングがテレ状態であれば、上述したように
ＡＦセンサ５７によるパッシブ測距の精度が高いので、
パッシブ測距の結果に最も近い対物間距離ｄの算出値を
対物間距離の測定値として選択する（＃５０６、５０
７）。一方、ワイド状態であれば、対物間距離ｄの算出
値のうちの最小値を測定値として選択する（＃５０
８）。通常、計測対象の物体Ｑが３次元カメラ２に近
く、背景となる被写体は遠い位置に存在するからであ
る。

【００８１】図２４は図１６の本計測条件の設定のフロ
ーチャートである。測定値として選択された対物間距離
ｄの示す物体位置が計測可能範囲であれば、次の３つの
設定処理を行う。まず、ズーム段階ｚｏｏｍと選択され
た対物間距離ｄとに適合する繰り出し量Ｅｄを算出し、
フォーカシングの制御値として設定する（＃６１０）。
次に、ズーム段階ｚｏｏｍと算出された繰り出し量Ｅｄ
とに適合する前側主点位置ＦＨ及び実効焦点距離Ｆｒｅ
ａｌを算出し、レンズ情報として設定する（＃６２
０）。レンズ情報は投射角度範囲の演算、及びホスト３
による座標演算などに用いられる。そして、最後に投射
光強度の設定を行う（＃６３０）。

【００８２】図２５は図２４における投射光強度の設定
のフローチャートである。このルーチンの実行によって
図１４及び図１５で説明した機能が実現される。本計測
における投射の強度設定値を、人体に対する安全を考慮
した上限値に初期化し（＃６３０１）、先頭のラインｖ
１に注目する（＃６３０２）。注目ラインの予備計測デ
ータが有効であれば、注目ラインのスリット画像位置に
対応した物体上の位置が、対物間距離ｄを基準に設定さ
れる計測距離範囲（本計測の撮影範囲）の内側であるか
否かをチェックする（＃６３０４）。

【００８３】スリット画像位置が本計測時の撮影対象に
該当する場合は、撮影情報の適否判別ルーチンにおいて
記憶しておいたデータを用いて、スリット画像位置（ラ
イン）におけるレーザ光強度の最適値を計算により求め
る（＃６３０５）。計算結果が許容最大値より大きいと
きには、計算結果として許容最大値を採用する（＃６３
０６、６３０７）。計算結果がその時点における強度設
定値より小さい場合には、強度設定値を計算結果に変更
する（＃６３０９）。＃６３０３〜＃６３０９の処理を
５本の各ラインについて実行する（＃６３１０、６３１
１）。これにより、本計測時の撮影対象である各スリッ
ト画像位置に対応した最適値のうち、最も小さい値が本
計測時の強度となる。

【００８４】

【発明の効果】請求項１及び請求項２の発明によれば、
計測条件の設定に係わる計測環境を効率的に測定し、高
精度で且つ高速の３次元計測を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る計測システムの構成図である。

【図２】３次元カメラの外観を示す図である。

【図３】３次元カメラの機能構成を示すブロック図であ
る。

【図４】計測システムにおける３次元位置の算出の原理
図である。

【図５】出力処理回路及びメモリのブロック図である。

【図６】イメージセンサの読出し範囲を示す図である。

【図７】３次元カメラにおけるデータの流れを示す図で
ある。

【図８】ホストにおけるデータの流れを示す図である。

【図９】光学系の各点と物体との位置関係を示す図であ
る。

【図１０】予備計測時のサンプリングの範囲を示す図で
ある。

【図１１】スリット画像とサンプリング点との関係を示
す図である。

【図１２】予備計測テーブルのデータ内容の模式図であ
る。

【図１３】投射光強度と受光量との関係の代表例を示す
グラフである。

【図１４】投射光強度を最適化の手順を説明するための
図である。

【図１５】図１４に対応した最適強度を示すグラフであ
る。

【図１６】システムコントローラが実行する自動設定処
理のメインフローチャートである。

【図１７】図１６の予備計測条件の設定のフローチャー
トである。

【図１８】図１６の環境光画像の撮影のフローチャート
である。

【図１９】図１６のスリット画像の撮影のフローチャー
トである。

【図２０】強度Ａの場合のサンプリングのフローチャー
トである。

【図２１】強度Ｂの場合のサンプリングのフローチャー
トである。

【図２２】図１６の撮影情報の適否判別のフローチャー
トである。

【図２３】図１６の距離演算のフローチャートである。

【図２４】図１６の本計測条件の設定のフローチャート
である。

【図２５】図２４における投射光強度の設定のフローチ
ャートである。

【図２６】スリット光投影法の概要を示す図である。

【図２７】スリット光投影法による計測の原理を説明す
るための図である。

【符号の説明】

２ ３次元カメラ（３次元計測装置） ４０ 光学系（投光手段） ５３ イメージセンサ（撮像手段） Ｄｇ 受光データ（撮影情報） Ｑ 物体 Ｕ スリット光（検出光）

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−26638（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−5344（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−174536（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−2712（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01C 3/00 - 3/32 G06T 1/00 - 9/40

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】検出光を投射して物体を光学的に走査する
   ための投光手段と、前記物体で反射した前記検出光を受
   光する撮像手段とを有し、光投影法によって物体形状を
   計測する３次元計測装置であって、 計測に先立って計測時における投射角度範囲の一部のみ
   に検出光を投射して物体を撮影し、それにより得られた
   撮影情報に応じて計測条件を設定する自動設定機能を有
   したことを特徴とする３次元計測装置。
2. 【請求項２】検出光を投射して物体を光学的に走査する
   ための投光手段と、前記物体で反射した前記検出光を受
   光する撮像手段とを有し、光投影法によって物体形状を
   計測する３次元計測装置であって、 計測に先立って検出光を投射して物体を撮影し、それに
   より得られた撮影情報をサンプリングし、前記撮影情報
   のうちのサンプリングした一部の情報に応じて計測条件
   を設定する自動設定機能を有したことを特徴とする３次
   元計測装置。