JP3677444B2 - 三次元形状測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元形状測定装置に関し、特に対象領域内の物体や人物の高さや姿勢の変化を監視するための三次元形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
病院の病室内あるいはトイレ内の患者のプライバシーを損なわずに、異常を知るための監視装置として、従来から、監視対象領域に輝点を投影してその画像を撮影し、撮影された画像中の輝点の基準位置からの位置変化によって対象領域の高さ変化を検出し、対象領域内の物体や人物の有無や高さ変化、姿勢変化を監視する装置が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような装置を例えばトイレなどに実際に取付ける場合、高さの高い監視対象物の測定を可能にすると、低い監視対象物を監視するときの分解能が悪くなってしまう。逆に低い監視対象物に対する分解能を良くすると、高い対象物の測定ができなくなってしまう。測定すべき高さのダイナミックレンジ（高さ方向の測定範囲）があまり大きくない場合は問題にならないが、トイレなどでの人物の状況把握等の場合は、人が起立した状態から床に転倒している状態までの広い範囲の高さ測定を行う要求があったが、従来の装置では、広い範囲の高さをカバーして測定することはできなかった。
【０００４】
そこで本発明は、最小分解能が高く且つ測定可能な最大値が大きい三次元形状測定装置を提供することを目的とする。
【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、請求項１に係る発明による三次元形状測定装置は、例えば図１に示すように、測定対象物１を置く測定対象領域２に照明パターン１１４ａを投影するパターン投影光学系１１３と；測定対象物１の置かれた測定対象領域２に投影された照明パターン１１４ａを撮像する撮像光学系１１１と；撮像光学系１１１で撮像された照明パターン１１４ａの画像と比較すべき基準パターン画像を保存する基準パターン画像保存ファイル１１７ｂ（図１８）と；撮像された照明パターン画像から抽出された測定点１ａ’と、前記基準パターン画像の測定点１ａ’に対応する基準点２ａ’の座標とを比較して、測定対象物１の３次元形状を演算する形状演算手段１１７ａ（図１８）とを備え；複数の照明パターン画像を取得するために、前記パターン投影光学系と前記撮像光学系との少なくとも一方が、複数１１１、１１２備えられ；前記基準パターン画像は、前記複数のパターン投影光学系または撮像光学系１１１、１１２毎に、基準パターン画像保存ファイル１１７ｂに保存され；前記取得された複数の照明パターン画像と該照明パターン画像に対応する基準パターン画像とに基づいて形状演算手段１１７ａで演算される複数の演算結果を統合する統合演算手段１１７ｃ（図１８）とを備える。
【０００６】
ここで、照明パターンは典型的には複数の輝点で構成される輝点パターン、またはラインで構成される縞模様の輝線パターンである。複数のパターン投影光学系と１つの撮像光学系との間隔は互いに異なる。または複数の撮像光学系と１つのパターン投影光学系との間隔は互いに異なる。パターン画像保存ファイルはイメージ画像に限らず、パターンが輝点パターンの場合は、輝点の位置を特定する座標によるものであってもよく、輝線パターンの場合は、ラインの位置を特定する座標によるものであってもよい。
【０００７】
このように構成すると、パターン投影光学系と前記撮像光学系との少なくとも一方が、複数備えられているので、基線長（パターン投影光学系と撮像光学系との距離）の異なる複数の測定系を構成することができ、複数の異なる画像パターンを得ることができる。また基準パターン画像保存ファイルに保存された基準パターンを呼び出して、これと取得された複数のパターン画像とを比較することができる。また統合演算手段を備えるので、複数の演算結果を統合することができる。
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項２に係る発明による三次元形状測定装置は、例えば図１に示すように、測定対象物１を置く測定対象領域２に照明パターン１１４ａを投影するパターン投影光学系１１３と；測定対象物１の置かれた測定対象領域２に投影された照明パターン１１４ａを撮像する第１の撮像光学系１１１と；測定対象物１の置かれた測定対象領域２に投影された照明パターン１１４ａを撮像する、第１の撮像光学系１１１とはパターン投影光学系１１３からの距離が異なる位置に設置された第２の撮像光学系１１２と；第１の撮像光学系１１１で撮像された照明パターン１１４ａの画像と比較すべき第１の基準パターン画像と、第２の撮像光学系１１２で撮像された照明パターン１１４ａの画像と比較すべき第２の基準パターン画像とを保存する基準パターン画像保存ファイル１１７ｂ（図１８）と；第１または第２の撮像光学系１１１、１１２で撮像された照明パターン画像から抽出された測定点１ａ’と、前記第１または第２の基準パターン画像の測定点１ａ’に対応する基準点２ａ’の座標とを比較して、測定対象物１の３次元形状を演算する形状演算手段１１７ａ（図１８）とを備え；第１と第２の撮像光学系１１１、１１２で取得された２つの照明パターン画像と前記２つの基準パターン画像とに基づいて形状演算手段１１７ａで演算される２つの演算結果を統合する統合演算手段１１７ｃ（図１８）とを備える。
【０００９】
ここで典型的には、パターン投影光学系と第１と第２の撮像光学系は測定対象領域に平行な面内に配置され、その面内でのパターン投影光学系からの距離が異なる。このときパターン投影光学系と第１と第２の撮像光学系は、ほぼ直線に沿って配置するのが好ましい。また第３以上の撮像光学系を備えてもよい。
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項３に係る発明による三次元形状測定装置は、例えば図９に示すように、測定対象物１を置く測定対象領域２に照明パターンを投影する第１のパターン投影光学系１１３と；測定対象物１の置かれた測定対象領域に投影された照明パターンを撮像する撮像光学系１１１と；前記測定対象領域に照明パターンを投影する、第１のパターン投影光学系１１３とは撮像光学系１１１からの距離が異なる位置に設置された第２のパターン投影光学系１１８と；第１のパターン投影光学系１１３で投影された照明パターンの画像と比較すべき第１の基準パターン画像と、第２のパターン投影光学系１１８で投影された照明パターンの画像と比較すべき第２の基準パターン画像とを保存する基準パターン画像保存ファイル１１７ｂ（図１８）と；第１または第２のパターン投影光学系１１３、１１８で測定対象物１の置かれた測定対象領域２が照明され、撮像光学系１１１で撮像された照明パターン画像から抽出された測定点と、それぞれ前記第１または第２の基準パターン画像の前記測定点に対応する基準点の座標とを比較して、測定対象物１の３次元形状を演算する形状演算手段１１７ａ（図１８）と；第１または第２のパターン投影光学系１１３、１１８で測定対象物１の置かれた測定対象領域２が照明されて、取得された２つの照明パターン画像と前記２つの基準パターン画像とに基づいて形状演算手段１１７ａで演算される複数の演算結果を統合する統合演算手段１１７ｃ（図１８）とを備え；撮像光学系１１１は、第１と第２のパターン投影光学系１１３、１１８で投影された照明パターンを区別して撮像可能に構成される。
【００１１】
ここで、第１、第２のパターン投影光学系に加えて、第３以上のパターン投影光学系を備えてもよい。
【００１２】
また請求項４に記載のように、請求項３に記載の三次元形状測定装置では、第１と第２のパターン投影光学系は、それぞれ投影を所定のタイミングをもって時分割で行わせるように構成してもよい。第１と第２のパターン投影光学系に、それぞれ投影を所定のタイミングをもって時分割で行わせるようにするには、典型的には例えば図９に示すようにタイミング発生手段１１９を備えるようにする。タイミング発生手段１１９は、該タイミングに合わせて撮像光学系１１１に撮像を行わせ、撮像された画像が第１と第２のパターン投影光学系１１３、１１８のうちどちらで照明されて得られた画像かを区別させる。
【００１３】
さらに請求項５に記載のように、また例えば図１０に示すように、請求項３に記載の三次元形状測定装置では、第１と第２のパターン投影光学系１２１、１２２は、互いに光学的性質の異なる光を投影するように構成してもよい。
【００１４】
光学的性質は、典型的には波長であり、このときは、三次元形状測定装置は波長毎に別々に受光する受光素子を有する１以上の撮像素子を含んで構成される。また光学的性質は、偏光方位であってもよく、このときは、三次元形状測定装置は偏光方位毎の光を分割する偏光フィルタと、分割された偏光毎に、別々に受光する受光素子を有する１または複数の撮像素子を含んで構成するとよい。
【００１５】
さらに請求項６に記載のように、また例えば図２に示すように、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置では、パターン投影光学系が、コヒーレント光Ｌ１を発生する光源１１３ａと；光源１１３ａで発生されたコヒーレント光Ｌ１を通過させる回折格子１１４とを備えるようにしてもよい。
【００１６】
回折格子１１４を通過したコヒーレント光は干渉によりパターンを生成する。回折格子１１４は、例えば複数のスリットを平行に切ったスリット板、光ファイバを平面に密着して並べたファイバーグレーティング、シリンドリカルレンズアレイであってもよい。このように構成すると、複数のラインパターンを投影できる。また、図２に示すように、これらを重ねて方向を交差させて配列したものであってもよい。このときは、複数の輝点パターンを投影できる。
【００１７】
また請求項７に記載のように、また例えば図７に示すように、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置では、統合演算手段１１７ｃ（図１８）は、先ず前記パターン投影光学系と撮像光学系との距離が短い方（１１１ａ−１１４）の照明パターン画像に基づく演算結果を採用し、該演算結果に基づき、測定対象領域２からの高さが所定の値よりも低い高さＺ１’を有する測定対象物１の地点を抽出し、その地点についてはパターン投影光学系と撮像光学系との距離が長い方（１１２ａ−１１４）の照明パターン画像に基づく演算結果を採用するように構成するとよい。図７には、前記所定の値よりも高い高さとしてＺ１を示してある．
【００１８】
撮像光学系またはパターン投影光学系は、例えば図１７に示すように、３以上備えてもよく、そのときは先ず前記パターン投影光学系と撮像光学系との距離がｎ番目に短い照明パターン画像に基づく演算結果を採用し、該演算結果に基づき、前記測定対象領域からの高さが所定の値よりも低い測定対象物の地点を抽出し、その地点についてはパターン投影光学系と撮像光学系との距離がｎ＋１番目に短い照明パターン画像に基づく演算結果を採用し、この手順をｎ＝１から最大距離の組み合わせまで繰り返し演算するように構成されていてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２０】
図１は、本発明による第１の実施の形態である三次元形状測定装置１０を示す概念的斜視図である。図中測定対象物としての直方体形状をした物体１が、測定対象領域としての平面２上に載置されている。ＸＹ軸を平面２内に置くように、直交座標系ＸＹＺがとられており、物体１はＸＹ座標系の第１象限に置かれている。物体の代わりに人物を測定対象物としてもよい。
【００２１】
一方、図中Ｚ軸上で平面２の上方には撮像光学系１１１が配置されている。ここでは便宜上撮像光学系は撮像レンズとしての１つの凸レンズ１１１ａで構成されているものとして図示してある。撮像光学系１１１の撮像レンズ１１１ａは、その光軸がＺ軸に一致するように配置されている。撮像レンズ１１１ａが、平面２あるいは物体１の像を結像する結像面（イメージプレーン）１１５は、Ｚ軸に直交する面である。結像面１１５内にｘｙ直交座標系をとり、Ｚ軸が、ｘｙ座標系の原点を通るようにする。
【００２２】
平面２から撮像レンズ１１１ａと等距離で、撮像レンズ１１１ａからＹ軸の負の方向に距離ｄ１だけ離れたところに、ファイバーグレーティング（ＦＧ）素子１１４が配置されている。図２を参照して後で説明するように、ＦＧ素子１１４にはレーザー光Ｌ１がＺ軸方向に入射して、正方格子状に点が配列されたパターンが平面２に照射される。即ち、物体１と平面２は、パターン状照明光で照明される。撮像光学系１１１には、画像処理手段としてのコンピュータ１１７が電気的に接続されている。
【００２３】
さらにＦＧ素子１１４から撮像光学系１１１の方向に距離ｄ２だけ離れたところに、撮像光学系１１２が配置されている。撮像光学系１１１、１１２は並列に、また投影光学系１１３と共に直線上に配置されている。またここでは距離ｄ１＜距離ｄ２である。
【００２４】
図２を参照して、ＦＧ素子１１４を説明する。ＦＧ素子１１４は、直径が数十ミクロン、長さ１０ｍｍ程度の光ファイバを１００本程度シート状に並べて、それを２枚ファイバーが直交するように重ね合わせたものである。ＦＧ素子は、シートが平面２に平行に（Ｚ軸に直角に）配置される。このＦＧ素子１１４に、レーザー光Ｌ１を、Ｚ軸方向に入射させる。するとレーザー光Ｌ１は、個々の光ファイバーの焦点で集光したのち、球面波となって広がって行き、干渉して、測定領域としての投影面である平面２に、正方格子状に輝点マトリクスである輝点パターン１１４ａが投影される。言いかえれば、平面２またはその上の物体１は、輝点パターン１１４ａが投影されることによって、いわば輝点パターン状照明光で照明される。
【００２５】
このようなＦＧ素子１１４によれば、光の回折効果により、グレーティングからの距離に依らずに点状光（輝点）や後で説明するライン光のコントラストの良いシャープな照明パターンを得ることができ、パターンの撮像に好適である。またこのようなＦＧ素子を用いるときは、輝点の移動量を測定して演算するだけで三次元形状が測定できるので、三次元形状の測定が比較的簡単な演算手段で実現できる。また、光量を集中できるので周囲が明るい状態でも照明パターン（ここでは輝点）の撮像が簡単にでき好適である。
【００２６】
図３に、トイレの天井に配置された、ＦＧ素子１１４を用いた投影光学系１１３、撮像光学系１１１、１１２の斜視図を示す。これら素子、光学系は、画像処理装置１１７を収納した収納パネル上に直線状に配置されている。
【００２７】
図４に、撮像光学系１１１、１１２の結像面１１５、１１６をＺ軸方向に見た平面図を示す。図示のように、結像面１１５、１１６は、ＦＧ素子１１４からｙ軸方向に直線上に、それぞれ距離ｄ１、ｄ２をもって並列配置されている。
【００２８】
図１に戻って、第１の実施の形態の作用を説明する。ここでは、撮像光学系１１１と測定対象物体１との関係を示している。撮像光学系１１２については距離ｄ２が距離ｄ１より大きい点を除けば同様である。ＦＧ素子１１４により平面２に投影された輝点パターン１１４ａは、物体１が存在する部分は、物体１に遮られ平面２には到達しない。ここで物体１が存在しなければ、平面２上の点２ａ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に投射されるべき輝点は、物体１上の点１ａ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）に投射される。輝点が点２ａから点１ａに移動したことにより、また撮像レンズ１１１ａとＦＧ素子１１４とが距離ｄ１だけ離れているところから、結像面１１５上では、点２ａ’（ｘ，ｙ）に結像すべきところが点１ａ’（ｘ，ｙ＋δｙ）に結像する。即ち、ｙ軸方向に距離δｙだけ移動する。なお、撮像レンズ１１１ａとＦＧ素子１１４とは、ｙ軸方向には離れているが、ｘ軸方向には離れていないので、点１ａ’のｘ軸方向の移動量をδｘとすると、δｘ＝０である。すなわちｘ軸方向の移動は考える必要がない。
【００２９】
このδｙを計測することにより、物体１上の点１ａの位置が三次元的に特定できる。このように、ある輝点が、物体１が存在しなければ、結像面１１５上に結像すべき点と、結像面１１５上の実際の結像位置との差を測定することにより、物体１の三次元形状が計測できる。あるいは物体１の三次元座標が計測できるといってもよい。輝点の対応関係が不明にならない程度に、パターン１１４ａのピッチ、即ち輝点のピッチを細かくすれば、物体１の三次元形状はそれだけ詳細に計測できることになる。
【００３０】
なお、パターン投影光学系及び複数の撮像光学系が、対象領域に略平行な面内で直線に配置されているときは、物体の存在による照明パターンの移動方向を同一方向にできるので、複数の演算装置での演算アルゴリズムをほとんど同じ構成にすることができる。したがって、装置の構成が単純になる。また、装置内のデバイスの配置も単純になり構成が簡単になる。
【００３１】
図５、図６の平面図、及び図７の側面図を参照して、以上の測定原理を説明する。図５は、測定対象物が無い場合の測定対象領域に投影された輝点パターンの、結像面１１５または結像面１１６上への撮像画像を示す。正方格子状に輝点マトリクスであるパターン１１４ａの画像が形成されている。
【００３２】
図６は、測定対象物が置かれた場合の測定対象領域及び測定対象物に投影された輝点パターンの、結像面１１５または結像面１１６上への撮像画像を示す。正方格子状の輝点マトリクスのうち、測定対象物に投影された部分がδｙ（結像面１１５上または結像面１１６上）だけ移動したパターンの画像が形成されている。
【００３３】
図７は、撮像光学系１１１、ＦＧ素子１１４、測定対象物１、平面２との関係をＸ軸方向に見た側面図である。（ａ）は、測定対象物１の高さが比較的高いＺ１である場合、（ｂ）は、測定対象物の高さがＺ１より低いＺ１’である場合を示している。（ａ）の場合、ＦＧ素子１１４の中心と撮像レンズ１１１ａの中心とは、平面２に平行に距離ｄ１だけ離して配置されており、撮像レンズ１１１ａから結像面１１５までの距離はｌ（エル）（撮像レンズ１１１ａの焦点とほぼ等しい）、撮像レンズ１１１ａから平面２までの距離はｈ、測定対象物１の点１ａの平面２からの高さはＺ１である。測定対象物１が平面２上に置かれた結果、結像面１１５上の点２ａ’はδｙ１だけ離れた点１ａ’に移動した。
【００３４】
図中撮像レンズ１１１ａの中心と点１ａとを結ぶ線が平面２と交差する点を２ａ”とすれば、点２ａと点２ａ”との距離Ｄは、三角形１ａ’−２ａ’−１１１ａと三角形２ａ”−２ａ−１１１ａとに注目すれば、Ｄ＝δｙ１・ｈ／ｌであり、三角形１１１ａ−１１４−１ａと三角形２ａ”−２ａ−１ａに注目すれば、Ｄ＝（ｄ１・Ｚ１）／（ｈ−Ｚ１）である。この両式からＺ１及びδｙ１を求めると次式のようになる。
Ｚ１＝（ｈ２・δｙ１）／（ｄ１・ｌ＋ｈ・δｙ１） …式１
δｙ１＝（ｄ１・ｌ・Ｚ１）／ｈ・（ｈ−Ｚ１） …式２
【００３５】
式１と式２を使って、このような装置を例えばトイレなどに実際に取付ける場合の測定可能なＺ１の最小値及び最大値を検討する。式１中のｈに付いては、装置は人の邪魔にならないように天井に取付ける場合がほとんどであるので、式１、式２中のｈの値は自ずと決る。また、ｌ（エル）の値もトイレ内全体を撮影できるような値に自ずと決る。
【００３６】
ここで残りの変数のδｙ１とｄ１について考える。高さＺ１が小さい物の場合、δｙ１はイメージプレーンの例えば画素の大きさで定まる最小分解能以上である必要があり、もし最小分解能に満たない場合はｄ１を大きくすることにより測定可能にすることができる。しかしながら、逆に高さＺ１が大きい物の場合、δ１の最大値がイメージプレーン１１５上のｙ方向の隣の輝点までの距離以下になるようにｄ１を小さく調整しなければならなくなる。この場合、輝点間隔を広くすれば測定可能な高さの最大値を大きくできるが、その場合は高さの測定点が疎になってしまう。このように、複数の輝点を用いた高さ測定のダイナミックレンジは、イメージプレーンの最小分解能とＦＧ素子１１４とレンズ１１１ａ間の距離ｄ１（基線長と呼ぶ）で制約を受ける。即ち、分解能を高く（識別可能な大きさの最小値を小さく）すると大きな高さの測定ができなくなり、大きな高さの測定に対応しようとすると分解能が低く（識別可能な大きさの最小値が大きく）なってしまう。この問題に対応するために、輝点間隔を大きくする方法があるが、そうすると測定点間隔が空いてしまい詳細な三次元形状が測定できなくなってしまうという問題が生じる。
【００３７】
そこで、測定対象物１の高さがＺ１’と低い場合は、（ｂ）に示すように、撮像光学系１１２による画像を利用する。撮像光学系１１２の撮像レンズ１１２ａは、ＦＧ素子１１４から距離ｄ２だけ離して配置されている。ここではｄ１＜ｄ２である。その他の寸法関係は、撮像光学系１１１と同様である。式１、式２も、Ｚ１をＺ１’と、ｄ１をｄ２と、δｙ１をδｙ２と置きかえればそのまま使える。
【００３８】
（ｂ）には、低い測定対象物を撮像光学系１１１で画像形成した場合を破線で示してある。その場合は、結像面上の輝点の移動量はδｙ１であり、Ｚ１’が小さく、またｄ１も小さいので、式２から分かるように、δｙ１は小さい値となり、画素サイズから定まる分解能を下回ってしまう。そこで撮像光学系１１２で形成された画像を用いる。この場合はｄ２がｄ１より大きいので、式２（変数の置き換えをして、δｙ２＝（ｄ２・ｌ・Ｚ１’）／ｈ・（ｈ−Ｚ１’） ）から分かるように、Ｚ１’が小さい分をｄ２が相殺することになり、十分に大きいδｙ２が得られる。
【００３９】
このように本実施の形態によれば、測定すべき高さのダイナミックレンジが大きい場合でも、即ちトイレなどで、人が起立した状態から床に転倒している状態までの広い範囲の高さ測定を行う要求がある場合でも、対処することができる。ここでは撮像光学系を２個用いる場合で説明したが、さらに距離ｄ２より大きい距離ｄ３の位置に第３の撮像光学系を配置することにより、さらに広い範囲の高さをカバーすることができる。もちろん同様に、段階的に距離を大きくした第４以上の撮像光学系を配置してもよい。この場合、距離の短い撮像光学系から順番に測定対象物の高さを測定し、結像面の分解能限界に到る手前の高さ閾値を下回る高さ地点を抽出し、その地点については、次に距離の短い位置の撮像光学系を用いるようにすればよい。
【００４０】
図８の結像面の平面図を参照して第２の実施の形態を説明する。第１の実施の形態では、投影光学系であるＦＧ素子１１４と撮像光学系１１１、１１２を１つの直線上に配置する場合で説明したが、第２の実施の形態では、撮像光学系１１２（結像面１１６）をＦＧ素子１１４から見て撮像光学系１１１（結像面１１５）の配置方向に直角な方向に配置してある。但し、ＦＧ素子１１４から２つの撮像光学系までの距離ｄ１、ｄ２が異なる点は第１の実施の形態と同様である。距離ｄ１、ｄ２が異なるので、第１の実施の形態で説明したのと同様な作用効果が得られる。
【００４１】
図９の模式図を参照して、第３の実施の形態を説明する。この実施の形態では、測定対象物１の鉛直方向上方に、撮像光学系としての１個のＣＣＤカメラ１１１、これと一直線上に距離ｄ１をもってパターン投影光学系としての輝点投光器１１３、距離ｄ２をもって同じく輝点投光器１１８が配置されている。
【００４２】
輝点投光器１１３と輝点投光器１１８には、タイミング発生装置１１９が接続されている。タイミング発生装置１１９には、ＣＣＤカメラ１１１と画像処理装置としての演算装置１２０が接続されている。タイミング発生装置１１９はタイミング信号を発生し、輝点投光器１１３と１１８を交互に発光させる。またタイミング信号は、カメラ１１１と演算装置１２０にも送信され、輝点投光器１１３が発光しているときの画像と輝点投光器１１８が発光しているときの画像とを区別して、演算装置１２０が取り込むことができるように構成されている。
【００４３】
この実施の形態では、撮像光学系は１つであるが、複数のパターン投影光学系から時分割でパターン投影を行い、それらのパターン投影光学系の投影タイミングと同期を取って区別して撮像・演算することにより、どのパターン投影光学系から出射した照明パターンかを区別することができるので、実質的に基線長ｄの長さの違う複数の測定系を構成することができる。
【００４４】
さらに説明すれば、例えばタイミング発生装置１１９から投光器１１３を発光させる信号が送られる。それと同時にＣＣＤカメラ１１１のシャッターを開放する信号をＣＣＤカメラ１１１に送って画像を撮影する。この画像は、演算装置１２０に送られて輝点の移動量により物体の高さが計算されるが、このときタイミング発生装置１１９からどちらの投光器が光ったという情報が送られるので、演算装置１２０では、例えば投光器１１３が光ったときはその基線長ｄ１で高さの計算を行うことが出来る。投光器１１８の場合も投光器１１３が発光していないときに同様の処理を行う。
【００４５】
このようにすれば、実施の形態１で述べたような計算で、高さの低い物体から高い物体までの三次元形状計測ができる。ここで、輝点発光器１１３、１１８としては、先に説明したようなファイバの方向が直交するように２枚重ねたクロス型のファイバーグレーティングや、小さなレンズが縦横に並んだマイクロレンズアレイなどを用いることができる。また投光器は２台に限らず、３台以上にしてｄ１より短い基線長やｄ２より長い基線長を構成すると更に測定可能な高さの範囲が拡がって好適である。
【００４６】
このようにすると、投影光学系と撮像光学系との距離が異なる２つの画像が得られるので、第１の実施の形態の場合と同様に、測定対象物の高さに応じて、それぞれの画像の輝点移動距離δｙ１とδｙ２は、共に結像面内に収まり且つ結像面の分解能以上の値にすることができる。
【００４７】
図１０の模式図を参照して第４の実施の形態を説明する。この図では、測定対象物は図示を省略してある。この実施の形態は、撮像光学系は１つであるが、光学的性質別に照明パターンを撮像することにより、どのパターン投影光学系から出射した照明パターンかを区別することができるので、実質的に基線長ｄの長さの違う複数の測定系を構成することができるものである。
【００４８】
図中、光学的性質の異なる光を投影する手段としての、Ｒ光（レッド例えば波長６３０ｎｍの単色光）を投影する輝点投光器１２１、Ｂ光（ブルー例えば波長４７０ｎｍの単色光）を投影する輝点投光器１２２が、カラーＣＣＤカメラ１２３と一直線上に配置されている。カメラ１２３と投光器１２１、１２２の距離は、それぞれｄ１、ｄ２である。カラーＣＣＤカメラ１２３には、カメラ１２３からの信号を取り込んで、Ｒ、Ｇ、Ｂを区別して処理する演算装置１２４が接続されている。
【００４９】
単色光源としては、レーザや、通常の白色光源例えばハロゲンランプにフィルタを適用して単色化したもの、波長によっては鋭い輝線スペクトルを有するナトリウムランプなどを用いることができる。
【００５０】
この実施の形態では、輝点投光器１２１、１２２は、継続的に点灯していてよい。この両投光器で投影されたパターンは、カラーＣＣＤカメラ１２３で撮像され、Ｒ光で形成された画像とＢ光で形成された画像とが、カラーＣＣＤカメラ１２３のＲ光とＢ光を担当するＣＣＤ素子に受光されて、レッド画像、ブルー画像として、２つの異なる画像として区別されて演算装置１２４に出力される。投光器はＲ光とＢ光の組み合わせに限らず、Ｇ光とＲ光またはＢ光とを組み合わせて用いてもよい。
【００５１】
演算装置１２４では色毎に基線長が分かっているので、第１の実施の形態と同様にして物体の三次元形状が測定される。カラーカメラ１２３には、色毎に受光するＣＣＤ素子を用意し、別々のＣＣＤ素子で色毎の画像を撮像する３板式と1枚のＣＣＤ素子上に配した波長フィルタを用いて色毎の画像を撮像する１板式があるが、そのどちらを利用してもよい。
【００５２】
本実施の形態では、比較的簡単に入手できる一般的なカラーＣＣＤカメラを使用するものとして説明したが、測定に好適な波長の光を使用できるようにするために、各種フィルタやビームスプリッタを用いて、２つの投光器のそれぞれの波長の輝点のみを撮影するカメラを特別に製作してもよい。例えば、７８０ｎｍと８４０ｎｍの近赤外線光で照明する場合、図１１に示すようなカメラを用いて２つの波長によるパターン画像を区別して撮像することができる。７８０ｎｍや８４０ｎｍの波長の光源には、市販の半導体レーザを利用できる。図１１中のビームスプリッタや波長フィルタは、一般に市販されているものを用いることができる。
【００５３】
図１１を参照して、第４の実施の形態で使用するカラーＣＣＤカメラの構成例を説明する。カラーＣＣＤカメラ１２３は、撮像レンズ２０１とそれによって測定対象物１の画像を形成するＣＣＤ素子２０４を備え、撮像レンズ２０１とＣＣＤ素子２０４との間にはビームスプリッタ２０２及び波長フィルタであるＲ（レッド）光フィルタ２０３がこの順番で配置されている。またビームスプリッタ２０２の反射方向には別の波長フィルタであるＢ（ブルー）光フィルタ２０５、ＣＣＤ素子２０６がこの順番に配置されている。
【００５４】
このような構成のカラーＣＣＤカメラ１２３では、Ｒ光で投影されたパターンは、ビームスプリッタ２０２を透過した光をＲ光フィルタ２０３を通すことによってＣＣＤ素子２０４に結像し、Ｂ光で投影されたパターンは、ビームスプリッタ２０２で反射された光をＢ光フィルタ２０５を通すことによってＣＣＤ素子２０６に結像する。ＣＣＤ素子２０４、２０６からの画像信号は、図１０で説明したように、それぞれ演算装置１２４に送られて処理される。
【００５５】
なお図１１のカメラでは、ビームスプリッタをもう一つ追加して、３つの像を形成するように構成してもよい。例えばビームスプリッタ２０２とＲ光フィルタ２０３との間に不図示のビームスプリッタを挿入し、その反射方向にＧ光フィルタとＣＣＤ素子をこの順番に配置する。輝点投光器としては、Ｒ光投光器、Ｂ光投光器の他に、カメラからの距離をそれぞれの投光器からの距離と異なる距離にＧ（グリーン）光投光器を配置する。以上のように構成すると、３つのＣＣＤ素子にそれぞれＲ、Ｇ、Ｂ光による画像が形成される。
【００５６】
図１２の斜視図を参照して、第５の実施の形態で使用される投影光学系と撮像光学系の例を説明する。この装置は例えば不図示のトイレの天井に取り付けられる、画像処理装置１３４を収納する直方体のパネルの表面に、撮像光学系としてのＣＣＤカメラ１３３、このカメラから距離ｄ１位置に投影光学系としての輝点投光器１３１、距離ｄ２の位置に同じく輝点投光器１３２が、不図示のトイレの床に平行な直線状に配置されている。輝点投光器１３１、１３２は、それぞれ図２を参照して説明したようなＦＧ素子を備えている。
【００５７】
また輝点投光器１３１は、図中前記直線（基線）に平行な方向の偏光を透過させる偏光板１３１ａを、輝点投光器１３２は、前記直線に直角な方向の偏光を透過させる偏光板１３２ａを、それぞれのＦＧ素子の前または後に備えている。但し、偏光板の配置される位置は、前記に限らず、測定対象物（不図示）１と、光源との間であればどこでもよいし、偏光板１３１ａ、１３２ａの偏光方向は、互いに直交する方向であれば、前記方向に限定されるものではない。このように偏光板１３１ａ、１３２ａは異なる偏光方向を有するので、輝点投光器１３１、１３２は、互いに光学的性質の異なる光を投影する投影光学系の一例である。
【００５８】
図１３を参照して、図１２の装置で使用されるＣＣＤカメラの構成例を説明する。ＣＣＤカメラ１３３は、撮像レンズ２１１とそれによって測定対象物１の画像を形成するＣＣＤ素子２１４を備え、撮像レンズ２１１とＣＣＤ素子２１４との間には偏光ビームスプリッタ２１２が配置されている。偏光ビームスプリッタ２１２は、図中紙面に平行な偏光方向の光を透過し、紙面に垂直な偏光方向の光を反射する。光の反射方向には、ＣＣＤ素子２１６が配置されている。この例では、偏光ビームスプリッタを用いるので、部品点数を削減できる。
【００５９】
このような構成のＣＣＤカメラ１３３では、輝点投光器１３１（図１２）で投影されたパターンは偏光ビームスプリッタ２１２を透過するので、これをＣＣＤ素子２１４に結像し、輝点投光器１３２（図１２）で投影されたパターンは偏光ビームスプリッタ２１２で反射されるので、この光をＣＣＤ素子２１６に結像する。ＣＣＤ素子２１４、２１６からの画像信号は、図１０で説明したのと同様に、それぞれ演算装置に送られて処理される。
【００６０】
図１４を参照して、図１３で説明したＣＣＤカメラの構成の変形例を説明する。ＣＣＤカメラ１３３ａは、撮像レンズ２２１とそれによって測定対象物１の画像を形成するＣＣＤ素子２２４を備え、撮像レンズ２２１とＣＣＤ素子２２４との間にはビームスプリッタ２２２が配置されている。ビームスプリッタ２２２は、偏光ビームスプリッタ２１２と異なり、全ての光を半分ずつ透過しまた反射する。ビームスプリッタ２２２とＣＣＤ素子２２４との間には、図中紙面に平行な偏光方向の光を透過する偏光フィルタ２２３が挿入配置されている。またビームスプリッタ２２２の反射方向にはＣＣＤ素子２２６が配置されており、ビームスプリッタ２２２とＣＣＤ素子２２６との間には、図中紙面に垂直な偏光方向の光を透過する偏光フィルタ２２５が挿入配置されている。
【００６１】
このような構成のＣＣＤカメラ１３３ａの作用効果は、図１３を参照して説明したＣＣＤカメラ１３３と同様であるので重複した説明は省略する。
【００６２】
なおこの場合も図１１で説明したのと同様に、ビームスプリッタと偏光板をもう一つずつ追加して、３つの像を形成するように構成してもよい。偏光方向毎に、３つのＣＣＤ素子にそれぞれ異なった画像が形成される。このときは偏光方向は９０度ではなく、３つの偏光方向を互いに６０度ずらすのがよい。
【００６３】
図１５の概念的斜視図を参照して、本発明による第６の実施の形態である三次元形状測定装置１４０を説明する。この実施の形態では、第１の実施の形態と異なり、輝点パターンではなく輝線パターンを投影する。輝線は基線に直交する線により構成されている。その他は第１の実施の形態と同様である。測定対象物としての直方体形状をした物体１の平面２への置き方、直交座標系ＸＹＺのとり方、撮像光学系１１１の撮像レンズ１１１ａの配置、結像面（イメージプレーン）１１５の配置も図１の場合と同様である。但し輝線の移動は輝線に交差する方向であるｙ軸方向だけ考えればよい。
【００６４】
平面２から撮像レンズ１１１ａと等距離で、撮像レンズ１１１ａからＹ軸の負の方向に距離ｄ１だけ離れたところに、ファイバーグレーティング（ＦＧ）素子１４１が配置されている。ＦＧ素子１４１にはレーザー光Ｌ１がＺ軸方向に入射されるが、図２の場合と違って、正方格子状ではなく平行で等間隔に配列された直線状のパターンが平面２に投影される。即ち、物体１と平面２は、直線パターン状照明光で照明される。撮像光学系１１１には、画像処理手段が電気的に接続されている。
【００６５】
さらにＦＧ素子１４１から撮像光学系１１１の方向に距離ｄ２だけ離れたところに、不図示の撮像光学系１１２が配置されている。撮像光学系１１１、１１２は並列に、また輝線投光器１４１と共に、平面２に平行な直線上に配置されている。また距離ｄ１＜距離ｄ２である。
【００６６】
このような輝線パターンを投影する発光器は、図２の場合と同様な光ファイバを並べたシートを、図２に示すＦＧ素子と違って１枚だけ平面２に平行に（Ｚ軸に直角に）配置したものである。このＦＧ素子１４１に、レーザー光Ｌ１を、Ｚ軸方向に入射させると、レーザー光Ｌ１は個々の光ファイバーの焦点で線状に集光したのち、円筒面波となって広がって行く。そして互いに干渉して、測定領域としての投影面である平面２に、平行で等間隔な輝線パターン１４１ａとして投影される。
【００６７】
図１６の、結像面に形成された輝線パターン（縞模様）画像を参照して、第６の実施の形態の作用を説明する。輝線であるので、一方向に連続したパターンである点を除けば、第１の実施の形態で説明したのと同様な作用を有する。即ち、図示のように、高さのある測定対象物体１により、輝線パターン画像は、δだけｙ軸方向に移動する。この場合にも輝点の場合と同様に式１、式２が適用できる。カメラ１１２に形成される画像においても、同様である。第１の実施の形態のδｙをこのδに置き換えて、ｙ軸方向の分析を採用すればよいので以下重複する説明を省略する。
【００６８】
輝線パターン例えばスリット光を使用した場合は、輝点を使用した場合とは違い、スリット光上の任意の地点でスリット光の移動距離を測定できるので、輝点を投影する場合に比べてｙ方向の分解能を向上することができるという利点がある。特にスリット線に直交する方向に流れるベルトコンベアなどに乗せられた物体の三次元形状測定には好適である．
【００６９】
このような輝線パターン（縞模様パターンといってもよい）を投影するものとしては、回折格子や先に説明したファイバを横に密着して並べて回折格子と同じ効果を持たせたファイバーグレーティング（ＦＧ素子）の他、シリンドリカルレンズアレイ、また単純に、複数のスリットが平行に明けられたスリット板を用いてスリット状の光束を照射する方法などが挙げられる。
【００７０】
図１７の側面図を参照して、撮像光学系またはパターン投影光学系を３以上備える場合を説明する。本図は、撮像レンズ１１１ａ、複数（３個図示）の投影光学系１１４（ｎ）、１１４（ｎ＋１）、１１４（ｎ＋２）、高さＺ１、Ｚ２、Ｚ３を有する測定対象物１、平面２との関係をＸ軸方向に見た側面図である。ここで３個の投影光学系については、撮像レンズ１１１ａからの距離は、投影光学系１１４（ｎ）が一番近く、投影光学系１１４（ｎ＋２）が最も遠いものとする。また高さ間には、Ｚ１＞Ｚ２＞Ｚ３の関係があるものとする。
【００７１】
この例では、先ず高さＺ１の地点については投影光学系１１４（ｎ）によるパターン画像に基づく演算結果を採用し、また該演算結果に基づき、前記測定対象領域からの高さが所定の値よりも低い測定対象物の地点を抽出し、その地点の高さＺ２については投影光学系（ｎ＋１）によるパターン画像に基づく演算結果を採用し、高さＺ３の地点については投影光学系（ｎ＋２）によるパターン画像に基づく演算結果を採用するというようにする。投影光学系が４以上の場合は、以上の操作を繰り返す。
【００７２】
このようにすると、簡単なアルゴリズムで複数の基線長の違う測定の結果を統合することができ、高さの高い部分から低い部分までデータを得ることができる。
【００７３】
ここで所定の値とは、それを越えて低くなると結像面上の点の移動量δがＣＣＤカメラの画素サイズから定まる分解能を下回ってしまう値と、それより高いところで次の投影光学系に切りかえると移動量δがＣＣＤカメラの結像面を外れてしまうか、または隣り合う輝点同士の間隔を越えてしまうような値との間の値に定めればよい。
【００７４】
図１８を参照して、本発明の画像処理手段であるコンピュータの構成例を説明する。コンピュータ１１７は、形状演算部１１７ａ、基準パターン画像保存ファイル１１７ｂ、統合演算部１１７ｃを備えている。基準パターン画像保存ファイル１１７ｂには、平面２（図１）に物体１が置かれていないときの輝点パターンの画像が保存される。これが基準パターン画像となる。
【００７５】
基準パターン画像を取り込むには、先ず、平面２に何も置かない状態で、例えば図３に示す装置を用いて、輝点投光器１１３で輝点パターンを平面に投影する。次にＣＣＤカメラ１１１で平面２上のパターンを撮像する。撮像されたパターンを、形状演算部で二値化や重心検出などの画像処理手法により輝点の重心の座標を基準座標データに変換する。この基準座標データを、ＣＣＤカメラ１１１用の基準パターン画像として基準パターン画像保存ファイル１１７ｂに保存する。同様にして、ＣＣＤカメラ１１２を用いて取得した基準座標データを、ＣＣＤカメラ１１２用の基準パターン画像として基準パターン画像保存ファイル１１７ｂに保存する。即ちこの例では、画像保存ファイル１１７ｂには、画像は座標データで保存されるので、イメージデータで保存する場合と比較して、データ量を少なくでき保存領域を効率的に使用できる。もちろんイメージデータで保存してもよい。
【００７６】
次に、物体１が平面に置かれた状態で、輝点投光器１１３により輝点パターンを平面２（及び物体１）に投影し、ＣＣＤカメラ１１１で平面２（及び物体１）上のパターンを撮像する。撮像されたパターンを、形状演算部１１７ａで基準パターを取得したのと同じ画像処理手法により輝点の重心の座標を座標データに変換する。この座標データを、ファイル１１７ｂから呼び出された基準座標データと比較して、δｙ１を求め、式１によりＺ１を算出する。算出したＺ１を輝点の座標と対応させることにより、物体１の三次元形状を特定することができる。
【００７７】
同様にして、ＣＣＤカメラ１１２を用いて、物体１の低い地点の高さＺ２を求める。ＣＣＤカメラ１１２よりも距離の遠い第３のカメラが備えられているときは、これを用いてさらに低い地点の高さを求めることができる。
【００７８】
このようにして求められた、物体１の各部の高さ情報を、統合演算部１１７ｃに送り、これらを統合して高い地点から低い地点までをカバーする、物体１の形状を測定する。
【００７９】
基準パターン画像保存ファイル１１７ｂに平面２の輝点パターンをイメージで保存しているときは、物体１が置かれたときの画像もイメージで取り込み、イメージ画像同士の比較で移動距離δｙを計算する。図３では、演算装置１１７は、２つのカメラに１つ備えられるものとして示したが、ＣＣＤカメラ１１１用の演算装置、ＣＣＤカメラ１１２用の演算装置を別々に備え、両演算装置の演算結果を統合する第３の演算装置というように独立した構成としてもよい。
【００８０】
図９には、本発明の実施の形態をトイレに応用した場合を図示してあるが、老人介護施設などに用いれば、トイレで何か異常が生じたような場合に、プライバシーを損なうことなく、その異常を検知することができる。特に時間による変化を測定すれば、本来の変化とは異なる極端な変化を検出したとき、異常と判断しそれを検知することができる。時間は、例えば１分おき、５分おき、１０分おきのような間隔を、目的に応じて設定すればよい。
【００８１】
また、光源の使用波長を可視光以外の波長としてもよい。このように構成すると、測定対象物が人であるときなどに、対象となる人物に気づかれずに撮像することができる。光源としてはパルス光源を使用してもよい。パルスとすれば、光源に使用するエネルギーを削減できる。
【００８２】
なお撮像素子の例としては、ＣＣＤの他にＣＭＯＳ構造の素子を使用してもよい。特にこれらの中には、素子自体にフレーム間差算や二値化の機能を備えたものがあり、これらの素子の使用は好適である。
【００８３】
【実施例】
図１９を参照して、本発明の実施例を説明する。この実施例は図３の斜視図及び図４の模式図に示す装置を用いた場合である。図３に示す装置を部屋の天井に、投影光学系１１３の出射側即ちＦＧ素子１１４側及びＣＣＤカメラ１１１、１１２の対物レンズ側が部屋の床を向くように配置する。
【００８４】
図７に示すような寸法関係で前記装置は配置されている。ＣＣＤカメラ１１１、１１２の結像面１１５、１１６上での輝点の移動量δｙ１、δｙ２は、式２に示したように表せる。
【００８５】
図１９（ａ）に本実施例１で得られたデータを示す。本実施例では、一般的な部屋及び撮像範囲を想定して、ｈ＝２０００ｍｍ、ｌ（エル）＝４ｍｍ、ｄ１＝３０ｍｍ、ｄ２＝１００ｍｍに設定した。図の表に示すように、Ｚの値によってδｙ１、δｙ２は、変化する。現在一般的なＣＣＤ素子の画素ピッチは１０μｍ前後なので、これを考慮すると、ＣＣＤ素子１１５だけでは、Ｚが２９０ｍｍ以上の物体でないと測定できないが、ＣＣＤ素子１１６があるので、Ｚが１００ｍｍ以上の物体まで測定できることになる。また、ＣＣＤ素子のｘ軸方向サイズを７ｍｍとして、床に何もないときｘ軸方向に輝点が約２０個があると仮定すると、この方向の輝点間隔は３５０μｍ程度である。これを考慮すると、ＣＣＤ素子１１６だけでは高さＺが１２７０ｍｍ以下の物体でないと測定できない。しかしながら、ＣＣＤ素子１１５があるので、高さＺが１７００ｍｍ以下の物体まで測定できる。なお、これらの演算はコンピュータのソフトウェアや電子回路で構成された演算装置で計算される。
【００８６】
また、本実施例では投光器１１３、ＣＣＤカメラ１１１、１１２が直線状に並んでいたが、例えば設置スペースの問題などで、図８に示すように、直線状に並んでいないような配置にしてもよい。この場合も第１の実施例で説明したのと同様に、高さの低い物体から高い物体まで測定することが可能になる。但し、ＣＣＤ素子のｘ軸、ｙ軸の配置方向によっては、素子１１５、１１６で輝点の移動方向が一致しない場合もある。しかしながら、それぞれの素子の結果を計算する演算装置の演算アルゴリズムを方向に合うように少し変更するだけで、素子１１５、１１６が直線に並んで配置されている場合と同様に計算できる。
【００８７】
本実施例では、ＣＣＤカメラを用いたが撮像管やＣＭＯＳカメラなどの他の撮像デバイスを用いたカメラでもよい。また、本実施例ではカメラを２台用いたが、次に説明する実施例２のように、数を増やしてｄ１より短い基線長やｄ２より長い基線長を構成すると、更に測定可能な高さの範囲が拡がって好適である。
【００８８】
図１７で説明したように、投影光学系または撮像光学系を複数、特に３以上備える装置の実施例を以下説明する。
【００８９】
本実施例では、複数の演算手段からの物体の高さ情報を統合して最終的な三次元情報を出力する統合演算装置を用いている。実施例１と同様にして、ｈ＝２０００ｍｍ、ｌ（エル）＝４ｍｍとし、ｄ１＝３０ｍｍ、ｄ２＝１００ｍｍ、ｄ３＝３００ｍｍとした。
【００９０】
図１９（ｂ）の表に、本実施例で得られたデータ、即ち、物体の高さＺによるδｙ１、δｙ２、δｙ３の値を示す。
【００９１】
ここで、実施例１と同様にＣＣＤ素子の画素ピッチを１０μｍ、隣の輝点同士の間隔はＣＣＤ素子上で３５０μｍとする。
【００９２】
図１９（ｂ）の表において、まず始めに最も基線長の短い組合わせの画像からの高さ演算結果を考える。ここでは、基線長ｄ１の組の輝点移動量δｙ１がそれにあたる。このとき、一定値以下の輝点移動の部分の測定は、次に基線長の短い（現在の基線長より次に長い基線長）組合わせの画像からの高さ演算を考えるので、その一定値をδｙ1＝１０μｍのときの高さＺ＝２９０ｍｍとすると、その値以下の高さの測定は、次に基線長の短い基線長ｄ２の組合わせの演算結果から採用される。高さが高い方はδｙ1が隣の輝点との距離以下であればよいので、δｙ１が３４０μｍ（＜３５０μｍ）である、Ｚ＝１７００ｍｍまで測定可能である。
【００９３】
基線長ｄ２の場合も同様にしてδｙ２＝１０μｍのときの高さＺ＝１００ｍｍまで測定できる。それ以下の高さは、同様にして基線長ｄ３の組合わせの演算結果からδｙ３＝１０μｍ以上、即ちδｙ３が１２．２μｍである、Ｚ＝４０ｍｍ以上の高さのデータが採用される。
【００９４】
このように処理をすれば、複数の高さ測定の結果を統合して、詳細な測定結果を得ることができ、本実施例ではＺ＝４０〜１７００ｍｍの高さの物体を測定できる。このような演算は、コンピュータや電子回路で実現できる。演算装置は、演算毎に分けてもよいし、１台の演算装置内部で計算のための式を次々に変更して計算するような方式にしてもよい。
【００９５】
【発明の効果】
パターン投影光学系と撮像光学系との少なくとも一方が、複数備えられているので、基線長の異なる複数の測定系を構成することができ、複数の異なる画像パターンを得ることができる。また基準パターン画像保存ファイルに保存された基準パターンを呼び出して、取得された複数のパターン画像と比較することができる。また統合演算手段を備えるので、複数の演算結果を統合することができる。このようにして、最小分解能が高く且つ測定可能な最大値が大きい三次元形状測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である三次元形状測定装置の概念的斜視図である。
【図２】第１の実施の形態で用いるＦＧ素子を説明する概念的斜視図である。
【図３】ＦＧ素子と２個のカメラを有する三次元形状測定装置の斜視図である。
【図４】第１の実施の形態である三次元形状測定装置で用いる２個の撮像光学系の結像面を概念的に示す平面図である。
【図５】測定領域に物体が無い場合の輝点パターンの撮像画像を示す平面図である。
【図６】測定領域に物体が有る場合の輝点パターンの撮像画像を示す平面図である。
【図７】測定対象物の高さと結像面上の輝点の移動との関係を線図で示す側面図である。
【図８】第２の実施の形態である三次元形状測定装置で用いる２個の撮像光学系の結像面を概念的に示す平面図である。
【図９】第３の実施の形態である三次元形状測定装置の構成を示す模式的線図である。
【図１０】第４の実施の形態である三次元形状測定装置の構成を示す模式的線図である。
【図１１】第４の実施の形態で用いるカラーＣＣＤカメラの構成例を示す模式的断面図である。
【図１２】第５の実施の形態で使用するカメラと２個の輝点投光器を含んで構成される三次元形状測定装置の斜視図である。
【図１３】第５の実施の形態で用いるカメラの構成例を示す模式的断面図である。
【図１４】第５の実施の形態で用いるカメラの別の構成例を示す模式的断面図である。
【図１５】本発明の第６の実施の形態である三次元形状測定装置の概念的斜視図である。
【図１６】第６の実施の形態のパターン画像の説明をする線図である。
【図１７】撮像光学系またはパターン投影光学系を３以上備える場合を線図で示す側面図である。
【図１８】画像処理装置としてのコンピュータの構成例を示すブロック図である。
【図１９】２つの実施例のデータの表を示す図である。
【符号の説明】
１ 測定対象物
２ 測定領域
１０ 三次元形状測定装置
１１１、１１２ 撮像光学系
１１１ａ、１１２ａ 撮像レンズ
１１３ 投影光学系
１１４ ＦＧ素子
１１５、１１６ 結像面
１１７ 画像処理装置
１１８ 輝点投光器
１１９ タイミング発生装置
１２０、１２４ 演算装置
２０１ 結像レンズ
２０２ ビームスプリッタ
２０３、２０５ フィルタ
２０４、２０６ ＣＣＤ素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元形状測定装置に関し、特に対象領域内の物体や人物の高さや姿勢の変化を監視するための三次元形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
病院の病室内あるいはトイレ内の患者のプライバシーを損なわずに、異常を知るための監視装置として、従来から、監視対象領域に輝点を投影してその画像を撮影し、撮影された画像中の輝点の基準位置からの位置変化によって対象領域の高さ変化を検出し、対象領域内の物体や人物の有無や高さ変化、姿勢変化を監視する装置が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような装置を例えばトイレなどに実際に取付ける場合、高さの高い監視対象物の測定を可能にすると、低い監視対象物を監視するときの分解能が悪くなってしまう。逆に低い監視対象物に対する分解能を良くすると、高い対象物の測定ができなくなってしまう。測定すべき高さのダイナミックレンジ（高さ方向の測定範囲）があまり大きくない場合は問題にならないが、トイレなどでの人物の状況把握等の場合は、人が起立した状態から床に転倒している状態までの広い範囲の高さ測定を行う要求があったが、従来の装置では、広い範囲の高さをカバーして測定することはできなかった。
【０００４】
そこで本発明は、最小分解能が高く且つ測定可能な最大値が大きい三次元形状測定装置を提供することを目的とする。
【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、請求項１に係る発明による三次元形状測定装置は、例えば図１に示すように、測定対象物１を置く測定対象領域２に照明パターン１１４ａを投影するパターン投影光学系１１３と；測定対象物１の置かれた測定対象領域２に投影された照明パターン１１４ａを撮像する撮像光学系１１１と；撮像光学系１１１で撮像された照明パターン１１４ａの画像と比較すべき基準パターン画像を保存する基準パターン画像保存ファイル１１７ｂ（図１８）と；撮像された照明パターン画像から抽出された測定点１ａ’と、前記基準パターン画像の測定点１ａ’に対応する基準点２ａ’の座標とを比較して、測定対象物１の３次元形状を演算する形状演算手段１１７ａ（図１８）とを備え；複数の照明パターン画像を取得するために、前記パターン投影光学系と前記撮像光学系との少なくとも一方が、複数１１１、１１２備えられ；前記基準パターン画像は、前記複数のパターン投影光学系または撮像光学系１１１、１１２毎に、基準パターン画像保存ファイル１１７ｂに保存され；前記取得された複数の照明パターン画像と該照明パターン画像に対応する基準パターン画像とに基づいて形状演算手段１１７ａで演算される複数の演算結果を統合する統合演算手段１１７ｃ（図１８）とを備える。
【０００６】
ここで、照明パターンは典型的には複数の輝点で構成される輝点パターン、またはラインで構成される縞模様の輝線パターンである。複数のパターン投影光学系と１つの撮像光学系との間隔は互いに異なる。または複数の撮像光学系と１つのパターン投影光学系との間隔は互いに異なる。パターン画像保存ファイルはイメージ画像に限らず、パターンが輝点パターンの場合は、輝点の位置を特定する座標によるものであってもよく、輝線パターンの場合は、ラインの位置を特定する座標によるものであってもよい。
【０００７】
このように構成すると、パターン投影光学系と前記撮像光学系との少なくとも一方が、複数備えられているので、基線長（パターン投影光学系と撮像光学系との距離）の異なる複数の測定系を構成することができ、複数の異なる画像パターンを得ることができる。また基準パターン画像保存ファイルに保存された基準パターンを呼び出して、これと取得された複数のパターン画像とを比較することができる。また統合演算手段を備えるので、複数の演算結果を統合することができる。
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項２に係る発明による三次元形状測定装置は、例えば図１に示すように、測定対象物１を置く測定対象領域２に照明パターン１１４ａを投影するパターン投影光学系１１３と；測定対象物１の置かれた測定対象領域２に投影された照明パターン１１４ａを撮像する第１の撮像光学系１１１と；測定対象物１の置かれた測定対象領域２に投影された照明パターン１１４ａを撮像する、第１の撮像光学系１１１とはパターン投影光学系１１３からの距離が異なる位置に設置された第２の撮像光学系１１２と；第１の撮像光学系１１１で撮像された照明パターン１１４ａの画像と比較すべき第１の基準パターン画像と、第２の撮像光学系１１２で撮像された照明パターン１１４ａの画像と比較すべき第２の基準パターン画像とを保存する基準パターン画像保存ファイル１１７ｂ（図１８）と；第１または第２の撮像光学系１１１、１１２で撮像された照明パターン画像から抽出された測定点１ａ’と、前記第１または第２の基準パターン画像の測定点１ａ’に対応する基準点２ａ’の座標とを比較して、測定対象物１の３次元形状を演算する形状演算手段１１７ａ（図１８）とを備え；第１と第２の撮像光学系１１１、１１２で取得された２つの照明パターン画像と前記２つの基準パターン画像とに基づいて形状演算手段１１７ａで演算される２つの演算結果を統合する統合演算手段１１７ｃ（図１８）とを備える。
【０００９】
ここで典型的には、パターン投影光学系と第１と第２の撮像光学系は測定対象領域に平行な面内に配置され、その面内でのパターン投影光学系からの距離が異なる。このときパターン投影光学系と第１と第２の撮像光学系は、ほぼ直線に沿って配置するのが好ましい。また第３以上の撮像光学系を備えてもよい。
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項３に係る発明による三次元形状測定装置は、例えば図９に示すように、測定対象物１を置く測定対象領域２に照明パターンを投影する第１のパターン投影光学系１１３と；測定対象物１の置かれた測定対象領域に投影された照明パターンを撮像する撮像光学系１１１と；前記測定対象領域に照明パターンを投影する、第１のパターン投影光学系１１３とは撮像光学系１１１からの距離が異なる位置に設置された第２のパターン投影光学系１１８と；第１のパターン投影光学系１１３で投影された照明パターンの画像と比較すべき第１の基準パターン画像と、第２のパターン投影光学系１１８で投影された照明パターンの画像と比較すべき第２の基準パターン画像とを保存する基準パターン画像保存ファイル１１７ｂ（図１８）と；第１または第２のパターン投影光学系１１３、１１８で測定対象物１の置かれた測定対象領域２が照明され、撮像光学系１１１で撮像された照明パターン画像から抽出された測定点と、それぞれ前記第１または第２の基準パターン画像の前記測定点に対応する基準点の座標とを比較して、測定対象物１の３次元形状を演算する形状演算手段１１７ａ（図１８）と；第１または第２のパターン投影光学系１１３、１１８で測定対象物１の置かれた測定対象領域２が照明されて、取得された２つの照明パターン画像と前記２つの基準パターン画像とに基づいて形状演算手段１１７ａで演算される複数の演算結果を統合する統合演算手段１１７ｃ（図１８）とを備え；撮像光学系１１１は、第１と第２のパターン投影光学系１１３、１１８で投影された照明パターンを区別して撮像可能に構成される。
【００１１】
ここで、第１、第２のパターン投影光学系に加えて、第３以上のパターン投影光学系を備えてもよい。
【００１２】
また請求項４に記載のように、請求項３に記載の三次元形状測定装置では、第１と第２のパターン投影光学系は、それぞれ投影を所定のタイミングをもって時分割で行わせるように構成してもよい。第１と第２のパターン投影光学系に、それぞれ投影を所定のタイミングをもって時分割で行わせるようにするには、典型的には例えば図９に示すようにタイミング発生手段１１９を備えるようにする。タイミング発生手段１１９は、該タイミングに合わせて撮像光学系１１１に撮像を行わせ、撮像された画像が第１と第２のパターン投影光学系１１３、１１８のうちどちらで照明されて得られた画像かを区別させる。
【００１３】
さらに請求項５に記載のように、また例えば図１０に示すように、請求項３に記載の三次元形状測定装置では、第１と第２のパターン投影光学系１２１、１２２は、互いに光学的性質の異なる光を投影するように構成してもよい。
【００１４】
光学的性質は、典型的には波長であり、このときは、三次元形状測定装置は波長毎に別々に受光する受光素子を有する１以上の撮像素子を含んで構成される。また光学的性質は、偏光方位であってもよく、このときは、三次元形状測定装置は偏光方位毎の光を分割する偏光フィルタと、分割された偏光毎に、別々に受光する受光素子を有する１または複数の撮像素子を含んで構成するとよい。
【００１５】
さらに請求項６に記載のように、また例えば図２に示すように、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置では、パターン投影光学系が、コヒーレント光Ｌ１を発生する光源１１３ａと；光源１１３ａで発生されたコヒーレント光Ｌ１を通過させる回折格子１１４とを備えるようにしてもよい。
【００１６】
回折格子１１４を通過したコヒーレント光は干渉によりパターンを生成する。回折格子１１４は、例えば複数のスリットを平行に切ったスリット板、光ファイバを平面に密着して並べたファイバーグレーティング、シリンドリカルレンズアレイであってもよい。このように構成すると、複数のラインパターンを投影できる。また、図２に示すように、これらを重ねて方向を交差させて配列したものであってもよい。このときは、複数の輝点パターンを投影できる。
【００１７】
また請求項７に記載のように、また例えば図７に示すように、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置では、統合演算手段１１７ｃ（図１８）は、先ず前記パターン投影光学系と撮像光学系との距離が短い方（１１１ａ−１１４）の照明パターン画像に基づく演算結果を採用し、該演算結果に基づき、測定対象領域２からの高さが所定の値よりも低い高さＺ１’を有する測定対象物１の地点を抽出し、その地点についてはパターン投影光学系と撮像光学系との距離が長い方（１１２ａ−１１４）の照明パターン画像に基づく演算結果を採用するように構成するとよい。図７には、前記所定の値よりも高い高さとしてＺ１を示してある．
【００１８】
撮像光学系またはパターン投影光学系は、例えば図１７に示すように、３以上備えてもよく、そのときは先ず前記パターン投影光学系と撮像光学系との距離がｎ番目に短い照明パターン画像に基づく演算結果を採用し、該演算結果に基づき、前記測定対象領域からの高さが所定の値よりも低い測定対象物の地点を抽出し、その地点についてはパターン投影光学系と撮像光学系との距離がｎ＋１番目に短い照明パターン画像に基づく演算結果を採用し、この手順をｎ＝１から最大距離の組み合わせまで繰り返し演算するように構成されていてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２０】
図１は、本発明による第１の実施の形態である三次元形状測定装置１０を示す概念的斜視図である。図中測定対象物としての直方体形状をした物体１が、測定対象領域としての平面２上に載置されている。ＸＹ軸を平面２内に置くように、直交座標系ＸＹＺがとられており、物体１はＸＹ座標系の第１象限に置かれている。物体の代わりに人物を測定対象物としてもよい。
【００２１】
一方、図中Ｚ軸上で平面２の上方には撮像光学系１１１が配置されている。ここでは便宜上撮像光学系は撮像レンズとしての１つの凸レンズ１１１ａで構成されているものとして図示してある。撮像光学系１１１の撮像レンズ１１１ａは、その光軸がＺ軸に一致するように配置されている。撮像レンズ１１１ａが、平面２あるいは物体１の像を結像する結像面（イメージプレーン）１１５は、Ｚ軸に直交する面である。結像面１１５内にｘｙ直交座標系をとり、Ｚ軸が、ｘｙ座標系の原点を通るようにする。
【００２２】
平面２から撮像レンズ１１１ａと等距離で、撮像レンズ１１１ａからＹ軸の負の方向に距離ｄ１だけ離れたところに、ファイバーグレーティング（ＦＧ）素子１１４が配置されている。図２を参照して後で説明するように、ＦＧ素子１１４にはレーザー光Ｌ１がＺ軸方向に入射して、正方格子状に点が配列されたパターンが平面２に照射される。即ち、物体１と平面２は、パターン状照明光で照明される。撮像光学系１１１には、画像処理手段としてのコンピュータ１１７が電気的に接続されている。
【００２３】
さらにＦＧ素子１１４から撮像光学系１１１の方向に距離ｄ２だけ離れたところに、撮像光学系１１２が配置されている。撮像光学系１１１、１１２は並列に、また投影光学系１１３と共に直線上に配置されている。またここでは距離ｄ１＜距離ｄ２である。
【００２４】
図２を参照して、ＦＧ素子１１４を説明する。ＦＧ素子１１４は、直径が数十ミクロン、長さ１０ｍｍ程度の光ファイバを１００本程度シート状に並べて、それを２枚ファイバーが直交するように重ね合わせたものである。ＦＧ素子は、シートが平面２に平行に（Ｚ軸に直角に）配置される。このＦＧ素子１１４に、レーザー光Ｌ１を、Ｚ軸方向に入射させる。するとレーザー光Ｌ１は、個々の光ファイバーの焦点で集光したのち、球面波となって広がって行き、干渉して、測定領域としての投影面である平面２に、正方格子状に輝点マトリクスである輝点パターン１１４ａが投影される。言いかえれば、平面２またはその上の物体１は、輝点パターン１１４ａが投影されることによって、いわば輝点パターン状照明光で照明される。
【００２５】
このようなＦＧ素子１１４によれば、光の回折効果により、グレーティングからの距離に依らずに点状光（輝点）や後で説明するライン光のコントラストの良いシャープな照明パターンを得ることができ、パターンの撮像に好適である。またこのようなＦＧ素子を用いるときは、輝点の移動量を測定して演算するだけで三次元形状が測定できるので、三次元形状の測定が比較的簡単な演算手段で実現できる。また、光量を集中できるので周囲が明るい状態でも照明パターン（ここでは輝点）の撮像が簡単にでき好適である。
【００２６】
図３に、トイレの天井に配置された、ＦＧ素子１１４を用いた投影光学系１１３、撮像光学系１１１、１１２の斜視図を示す。これら素子、光学系は、画像処理装置１１７を収納した収納パネル上に直線状に配置されている。
【００２７】
図４に、撮像光学系１１１、１１２の結像面１１５、１１６をＺ軸方向に見た平面図を示す。図示のように、結像面１１５、１１６は、ＦＧ素子１１４からｙ軸方向に直線上に、それぞれ距離ｄ１、ｄ２をもって並列配置されている。
【００２８】
図１に戻って、第１の実施の形態の作用を説明する。ここでは、撮像光学系１１１と測定対象物体１との関係を示している。撮像光学系１１２については距離ｄ２が距離ｄ１より大きい点を除けば同様である。ＦＧ素子１１４により平面２に投影された輝点パターン１１４ａは、物体１が存在する部分は、物体１に遮られ平面２には到達しない。ここで物体１が存在しなければ、平面２上の点２ａ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に投射されるべき輝点は、物体１上の点１ａ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）に投射される。輝点が点２ａから点１ａに移動したことにより、また撮像レンズ１１１ａとＦＧ素子１１４とが距離ｄ１だけ離れているところから、結像面１１５上では、点２ａ’（ｘ，ｙ）に結像すべきところが点１ａ’（ｘ，ｙ＋δｙ）に結像する。即ち、ｙ軸方向に距離δｙだけ移動する。なお、撮像レンズ１１１ａとＦＧ素子１１４とは、ｙ軸方向には離れているが、ｘ軸方向には離れていないので、点１ａ’のｘ軸方向の移動量をδｘとすると、δｘ＝０である。すなわちｘ軸方向の移動は考える必要がない。
【００２９】
このδｙを計測することにより、物体１上の点１ａの位置が三次元的に特定できる。このように、ある輝点が、物体１が存在しなければ、結像面１１５上に結像すべき点と、結像面１１５上の実際の結像位置との差を測定することにより、物体１の三次元形状が計測できる。あるいは物体１の三次元座標が計測できるといってもよい。輝点の対応関係が不明にならない程度に、パターン１１４ａのピッチ、即ち輝点のピッチを細かくすれば、物体１の三次元形状はそれだけ詳細に計測できることになる。
【００３０】
なお、パターン投影光学系及び複数の撮像光学系が、対象領域に略平行な面内で直線に配置されているときは、物体の存在による照明パターンの移動方向を同一方向にできるので、複数の演算装置での演算アルゴリズムをほとんど同じ構成にすることができる。したがって、装置の構成が単純になる。また、装置内のデバイスの配置も単純になり構成が簡単になる。
【００３１】
図５、図６の平面図、及び図７の側面図を参照して、以上の測定原理を説明する。図５は、測定対象物が無い場合の測定対象領域に投影された輝点パターンの、結像面１１５または結像面１１６上への撮像画像を示す。正方格子状に輝点マトリクスであるパターン１１４ａの画像が形成されている。
【００３２】
図６は、測定対象物が置かれた場合の測定対象領域及び測定対象物に投影された輝点パターンの、結像面１１５または結像面１１６上への撮像画像を示す。正方格子状の輝点マトリクスのうち、測定対象物に投影された部分がδｙ（結像面１１５上または結像面１１６上）だけ移動したパターンの画像が形成されている。
【００３３】
図７は、撮像光学系１１１、ＦＧ素子１１４、測定対象物１、平面２との関係をＸ軸方向に見た側面図である。（ａ）は、測定対象物１の高さが比較的高いＺ１である場合、（ｂ）は、測定対象物の高さがＺ１より低いＺ１’である場合を示している。（ａ）の場合、ＦＧ素子１１４の中心と撮像レンズ１１１ａの中心とは、平面２に平行に距離ｄ１だけ離して配置されており、撮像レンズ１１１ａから結像面１１５までの距離はｌ（エル）（撮像レンズ１１１ａの焦点とほぼ等しい）、撮像レンズ１１１ａから平面２までの距離はｈ、測定対象物１の点１ａの平面２からの高さはＺ１である。測定対象物１が平面２上に置かれた結果、結像面１１５上の点２ａ’はδｙ１だけ離れた点１ａ’に移動した。
【００３４】
図中撮像レンズ１１１ａの中心と点１ａとを結ぶ線が平面２と交差する点を２ａ”とすれば、点２ａと点２ａ”との距離Ｄは、三角形１ａ’−２ａ’−１１１ａと三角形２ａ”−２ａ−１１１ａとに注目すれば、Ｄ＝δｙ１・ｈ／ｌであり、三角形１１１ａ−１１４−１ａと三角形２ａ”−２ａ−１ａに注目すれば、Ｄ＝（ｄ１・Ｚ１）／（ｈ−Ｚ１）である。この両式からＺ１及びδｙ１を求めると次式のようになる。
Ｚ１＝（ｈ２・δｙ１）／（ｄ１・ｌ＋ｈ・δｙ１） …式１
δｙ１＝（ｄ１・ｌ・Ｚ１）／ｈ・（ｈ−Ｚ１） …式２
【００３５】
式１と式２を使って、このような装置を例えばトイレなどに実際に取付ける場合の測定可能なＺ１の最小値及び最大値を検討する。式１中のｈに付いては、装置は人の邪魔にならないように天井に取付ける場合がほとんどであるので、式１、式２中のｈの値は自ずと決る。また、ｌ（エル）の値もトイレ内全体を撮影できるような値に自ずと決る。
【００３６】
ここで残りの変数のδｙ１とｄ１について考える。高さＺ１が小さい物の場合、δｙ１はイメージプレーンの例えば画素の大きさで定まる最小分解能以上である必要があり、もし最小分解能に満たない場合はｄ１を大きくすることにより測定可能にすることができる。しかしながら、逆に高さＺ１が大きい物の場合、δ１の最大値がイメージプレーン１１５上のｙ方向の隣の輝点までの距離以下になるようにｄ１を小さく調整しなければならなくなる。この場合、輝点間隔を広くすれば測定可能な高さの最大値を大きくできるが、その場合は高さの測定点が疎になってしまう。このように、複数の輝点を用いた高さ測定のダイナミックレンジは、イメージプレーンの最小分解能とＦＧ素子１１４とレンズ１１１ａ間の距離ｄ１（基線長と呼ぶ）で制約を受ける。即ち、分解能を高く（識別可能な大きさの最小値を小さく）すると大きな高さの測定ができなくなり、大きな高さの測定に対応しようとすると分解能が低く（識別可能な大きさの最小値が大きく）なってしまう。この問題に対応するために、輝点間隔を大きくする方法があるが、そうすると測定点間隔が空いてしまい詳細な三次元形状が測定できなくなってしまうという問題が生じる。
【００３７】
そこで、測定対象物１の高さがＺ１’と低い場合は、（ｂ）に示すように、撮像光学系１１２による画像を利用する。撮像光学系１１２の撮像レンズ１１２ａは、ＦＧ素子１１４から距離ｄ２だけ離して配置されている。ここではｄ１＜ｄ２である。その他の寸法関係は、撮像光学系１１１と同様である。式１、式２も、Ｚ１をＺ１’と、ｄ１をｄ２と、δｙ１をδｙ２と置きかえればそのまま使える。
【００３８】
（ｂ）には、低い測定対象物を撮像光学系１１１で画像形成した場合を破線で示してある。その場合は、結像面上の輝点の移動量はδｙ１であり、Ｚ１’が小さく、またｄ１も小さいので、式２から分かるように、δｙ１は小さい値となり、画素サイズから定まる分解能を下回ってしまう。そこで撮像光学系１１２で形成された画像を用いる。この場合はｄ２がｄ１より大きいので、式２（変数の置き換えをして、δｙ２＝（ｄ２・ｌ・Ｚ１’）／ｈ・（ｈ−Ｚ１’） ）から分かるように、Ｚ１’が小さい分をｄ２が相殺することになり、十分に大きいδｙ２が得られる。
【００３９】
このように本実施の形態によれば、測定すべき高さのダイナミックレンジが大きい場合でも、即ちトイレなどで、人が起立した状態から床に転倒している状態までの広い範囲の高さ測定を行う要求がある場合でも、対処することができる。ここでは撮像光学系を２個用いる場合で説明したが、さらに距離ｄ２より大きい距離ｄ３の位置に第３の撮像光学系を配置することにより、さらに広い範囲の高さをカバーすることができる。もちろん同様に、段階的に距離を大きくした第４以上の撮像光学系を配置してもよい。この場合、距離の短い撮像光学系から順番に測定対象物の高さを測定し、結像面の分解能限界に到る手前の高さ閾値を下回る高さ地点を抽出し、その地点については、次に距離の短い位置の撮像光学系を用いるようにすればよい。
【００４０】
図８の結像面の平面図を参照して第２の実施の形態を説明する。第１の実施の形態では、投影光学系であるＦＧ素子１１４と撮像光学系１１１、１１２を１つの直線上に配置する場合で説明したが、第２の実施の形態では、撮像光学系１１２（結像面１１６）をＦＧ素子１１４から見て撮像光学系１１１（結像面１１５）の配置方向に直角な方向に配置してある。但し、ＦＧ素子１１４から２つの撮像光学系までの距離ｄ１、ｄ２が異なる点は第１の実施の形態と同様である。距離ｄ１、ｄ２が異なるので、第１の実施の形態で説明したのと同様な作用効果が得られる。
【００４１】
図９の模式図を参照して、第３の実施の形態を説明する。この実施の形態では、測定対象物１の鉛直方向上方に、撮像光学系としての１個のＣＣＤカメラ１１１、これと一直線上に距離ｄ１をもってパターン投影光学系としての輝点投光器１１３、距離ｄ２をもって同じく輝点投光器１１８が配置されている。
【００４２】
輝点投光器１１３と輝点投光器１１８には、タイミング発生装置１１９が接続されている。タイミング発生装置１１９には、ＣＣＤカメラ１１１と画像処理装置としての演算装置１２０が接続されている。タイミング発生装置１１９はタイミング信号を発生し、輝点投光器１１３と１１８を交互に発光させる。またタイミング信号は、カメラ１１１と演算装置１２０にも送信され、輝点投光器１１３が発光しているときの画像と輝点投光器１１８が発光しているときの画像とを区別して、演算装置１２０が取り込むことができるように構成されている。
【００４３】
この実施の形態では、撮像光学系は１つであるが、複数のパターン投影光学系から時分割でパターン投影を行い、それらのパターン投影光学系の投影タイミングと同期を取って区別して撮像・演算することにより、どのパターン投影光学系から出射した照明パターンかを区別することができるので、実質的に基線長ｄの長さの違う複数の測定系を構成することができる。
【００４４】
さらに説明すれば、例えばタイミング発生装置１１９から投光器１１３を発光させる信号が送られる。それと同時にＣＣＤカメラ１１１のシャッターを開放する信号をＣＣＤカメラ１１１に送って画像を撮影する。この画像は、演算装置１２０に送られて輝点の移動量により物体の高さが計算されるが、このときタイミング発生装置１１９からどちらの投光器が光ったという情報が送られるので、演算装置１２０では、例えば投光器１１３が光ったときはその基線長ｄ１で高さの計算を行うことが出来る。投光器１１８の場合も投光器１１３が発光していないときに同様の処理を行う。
【００４５】
このようにすれば、実施の形態１で述べたような計算で、高さの低い物体から高い物体までの三次元形状計測ができる。ここで、輝点発光器１１３、１１８としては、先に説明したようなファイバの方向が直交するように２枚重ねたクロス型のファイバーグレーティングや、小さなレンズが縦横に並んだマイクロレンズアレイなどを用いることができる。また投光器は２台に限らず、３台以上にしてｄ１より短い基線長やｄ２より長い基線長を構成すると更に測定可能な高さの範囲が拡がって好適である。
【００４６】
このようにすると、投影光学系と撮像光学系との距離が異なる２つの画像が得られるので、第１の実施の形態の場合と同様に、測定対象物の高さに応じて、それぞれの画像の輝点移動距離δｙ１とδｙ２は、共に結像面内に収まり且つ結像面の分解能以上の値にすることができる。
【００４７】
図１０の模式図を参照して第４の実施の形態を説明する。この図では、測定対象物は図示を省略してある。この実施の形態は、撮像光学系は１つであるが、光学的性質別に照明パターンを撮像することにより、どのパターン投影光学系から出射した照明パターンかを区別することができるので、実質的に基線長ｄの長さの違う複数の測定系を構成することができるものである。
【００４８】
図中、光学的性質の異なる光を投影する手段としての、Ｒ光（レッド例えば波長６３０ｎｍの単色光）を投影する輝点投光器１２１、Ｂ光（ブルー例えば波長４７０ｎｍの単色光）を投影する輝点投光器１２２が、カラーＣＣＤカメラ１２３と一直線上に配置されている。カメラ１２３と投光器１２１、１２２の距離は、それぞれｄ１、ｄ２である。カラーＣＣＤカメラ１２３には、カメラ１２３からの信号を取り込んで、Ｒ、Ｇ、Ｂを区別して処理する演算装置１２４が接続されている。
【００４９】
単色光源としては、レーザや、通常の白色光源例えばハロゲンランプにフィルタを適用して単色化したもの、波長によっては鋭い輝線スペクトルを有するナトリウムランプなどを用いることができる。
【００５０】
この実施の形態では、輝点投光器１２１、１２２は、継続的に点灯していてよい。この両投光器で投影されたパターンは、カラーＣＣＤカメラ１２３で撮像され、Ｒ光で形成された画像とＢ光で形成された画像とが、カラーＣＣＤカメラ１２３のＲ光とＢ光を担当するＣＣＤ素子に受光されて、レッド画像、ブルー画像として、２つの異なる画像として区別されて演算装置１２４に出力される。投光器はＲ光とＢ光の組み合わせに限らず、Ｇ光とＲ光またはＢ光とを組み合わせて用いてもよい。
【００５１】
演算装置１２４では色毎に基線長が分かっているので、第１の実施の形態と同様にして物体の三次元形状が測定される。カラーカメラ１２３には、色毎に受光するＣＣＤ素子を用意し、別々のＣＣＤ素子で色毎の画像を撮像する３板式と1枚のＣＣＤ素子上に配した波長フィルタを用いて色毎の画像を撮像する１板式があるが、そのどちらを利用してもよい。
【００５２】
本実施の形態では、比較的簡単に入手できる一般的なカラーＣＣＤカメラを使用するものとして説明したが、測定に好適な波長の光を使用できるようにするために、各種フィルタやビームスプリッタを用いて、２つの投光器のそれぞれの波長の輝点のみを撮影するカメラを特別に製作してもよい。例えば、７８０ｎｍと８４０ｎｍの近赤外線光で照明する場合、図１１に示すようなカメラを用いて２つの波長によるパターン画像を区別して撮像することができる。７８０ｎｍや８４０ｎｍの波長の光源には、市販の半導体レーザを利用できる。図１１中のビームスプリッタや波長フィルタは、一般に市販されているものを用いることができる。
【００５３】
図１１を参照して、第４の実施の形態で使用するカラーＣＣＤカメラの構成例を説明する。カラーＣＣＤカメラ１２３は、撮像レンズ２０１とそれによって測定対象物１の画像を形成するＣＣＤ素子２０４を備え、撮像レンズ２０１とＣＣＤ素子２０４との間にはビームスプリッタ２０２及び波長フィルタであるＲ（レッド）光フィルタ２０３がこの順番で配置されている。またビームスプリッタ２０２の反射方向には別の波長フィルタであるＢ（ブルー）光フィルタ２０５、ＣＣＤ素子２０６がこの順番に配置されている。
【００５４】
このような構成のカラーＣＣＤカメラ１２３では、Ｒ光で投影されたパターンは、ビームスプリッタ２０２を透過した光をＲ光フィルタ２０３を通すことによってＣＣＤ素子２０４に結像し、Ｂ光で投影されたパターンは、ビームスプリッタ２０２で反射された光をＢ光フィルタ２０５を通すことによってＣＣＤ素子２０６に結像する。ＣＣＤ素子２０４、２０６からの画像信号は、図１０で説明したように、それぞれ演算装置１２４に送られて処理される。
【００５５】
なお図１１のカメラでは、ビームスプリッタをもう一つ追加して、３つの像を形成するように構成してもよい。例えばビームスプリッタ２０２とＲ光フィルタ２０３との間に不図示のビームスプリッタを挿入し、その反射方向にＧ光フィルタとＣＣＤ素子をこの順番に配置する。輝点投光器としては、Ｒ光投光器、Ｂ光投光器の他に、カメラからの距離をそれぞれの投光器からの距離と異なる距離にＧ（グリーン）光投光器を配置する。以上のように構成すると、３つのＣＣＤ素子にそれぞれＲ、Ｇ、Ｂ光による画像が形成される。
【００５６】
図１２の斜視図を参照して、第５の実施の形態で使用される投影光学系と撮像光学系の例を説明する。この装置は例えば不図示のトイレの天井に取り付けられる、画像処理装置１３４を収納する直方体のパネルの表面に、撮像光学系としてのＣＣＤカメラ１３３、このカメラから距離ｄ１位置に投影光学系としての輝点投光器１３１、距離ｄ２の位置に同じく輝点投光器１３２が、不図示のトイレの床に平行な直線状に配置されている。輝点投光器１３１、１３２は、それぞれ図２を参照して説明したようなＦＧ素子を備えている。
【００５７】
また輝点投光器１３１は、図中前記直線（基線）に平行な方向の偏光を透過させる偏光板１３１ａを、輝点投光器１３２は、前記直線に直角な方向の偏光を透過させる偏光板１３２ａを、それぞれのＦＧ素子の前または後に備えている。但し、偏光板の配置される位置は、前記に限らず、測定対象物（不図示）１と、光源との間であればどこでもよいし、偏光板１３１ａ、１３２ａの偏光方向は、互いに直交する方向であれば、前記方向に限定されるものではない。このように偏光板１３１ａ、１３２ａは異なる偏光方向を有するので、輝点投光器１３１、１３２は、互いに光学的性質の異なる光を投影する投影光学系の一例である。
【００５８】
図１３を参照して、図１２の装置で使用されるＣＣＤカメラの構成例を説明する。ＣＣＤカメラ１３３は、撮像レンズ２１１とそれによって測定対象物１の画像を形成するＣＣＤ素子２１４を備え、撮像レンズ２１１とＣＣＤ素子２１４との間には偏光ビームスプリッタ２１２が配置されている。偏光ビームスプリッタ２１２は、図中紙面に平行な偏光方向の光を透過し、紙面に垂直な偏光方向の光を反射する。光の反射方向には、ＣＣＤ素子２１６が配置されている。この例では、偏光ビームスプリッタを用いるので、部品点数を削減できる。
【００５９】
このような構成のＣＣＤカメラ１３３では、輝点投光器１３１（図１２）で投影されたパターンは偏光ビームスプリッタ２１２を透過するので、これをＣＣＤ素子２１４に結像し、輝点投光器１３２（図１２）で投影されたパターンは偏光ビームスプリッタ２１２で反射されるので、この光をＣＣＤ素子２１６に結像する。ＣＣＤ素子２１４、２１６からの画像信号は、図１０で説明したのと同様に、それぞれ演算装置に送られて処理される。
【００６０】
図１４を参照して、図１３で説明したＣＣＤカメラの構成の変形例を説明する。ＣＣＤカメラ１３３ａは、撮像レンズ２２１とそれによって測定対象物１の画像を形成するＣＣＤ素子２２４を備え、撮像レンズ２２１とＣＣＤ素子２２４との間にはビームスプリッタ２２２が配置されている。ビームスプリッタ２２２は、偏光ビームスプリッタ２１２と異なり、全ての光を半分ずつ透過しまた反射する。ビームスプリッタ２２２とＣＣＤ素子２２４との間には、図中紙面に平行な偏光方向の光を透過する偏光フィルタ２２３が挿入配置されている。またビームスプリッタ２２２の反射方向にはＣＣＤ素子２２６が配置されており、ビームスプリッタ２２２とＣＣＤ素子２２６との間には、図中紙面に垂直な偏光方向の光を透過する偏光フィルタ２２５が挿入配置されている。
【００６１】
このような構成のＣＣＤカメラ１３３ａの作用効果は、図１３を参照して説明したＣＣＤカメラ１３３と同様であるので重複した説明は省略する。
【００６２】
なおこの場合も図１１で説明したのと同様に、ビームスプリッタと偏光板をもう一つずつ追加して、３つの像を形成するように構成してもよい。偏光方向毎に、３つのＣＣＤ素子にそれぞれ異なった画像が形成される。このときは偏光方向は９０度ではなく、３つの偏光方向を互いに６０度ずらすのがよい。
【００６３】
図１５の概念的斜視図を参照して、本発明による第６の実施の形態である三次元形状測定装置１４０を説明する。この実施の形態では、第１の実施の形態と異なり、輝点パターンではなく輝線パターンを投影する。輝線は基線に直交する線により構成されている。その他は第１の実施の形態と同様である。測定対象物としての直方体形状をした物体１の平面２への置き方、直交座標系ＸＹＺのとり方、撮像光学系１１１の撮像レンズ１１１ａの配置、結像面（イメージプレーン）１１５の配置も図１の場合と同様である。但し輝線の移動は輝線に交差する方向であるｙ軸方向だけ考えればよい。
【００６４】
平面２から撮像レンズ１１１ａと等距離で、撮像レンズ１１１ａからＹ軸の負の方向に距離ｄ１だけ離れたところに、ファイバーグレーティング（ＦＧ）素子１４１が配置されている。ＦＧ素子１４１にはレーザー光Ｌ１がＺ軸方向に入射されるが、図２の場合と違って、正方格子状ではなく平行で等間隔に配列された直線状のパターンが平面２に投影される。即ち、物体１と平面２は、直線パターン状照明光で照明される。撮像光学系１１１には、画像処理手段が電気的に接続されている。
【００６５】
さらにＦＧ素子１４１から撮像光学系１１１の方向に距離ｄ２だけ離れたところに、不図示の撮像光学系１１２が配置されている。撮像光学系１１１、１１２は並列に、また輝線投光器１４１と共に、平面２に平行な直線上に配置されている。また距離ｄ１＜距離ｄ２である。
【００６６】
このような輝線パターンを投影する発光器は、図２の場合と同様な光ファイバを並べたシートを、図２に示すＦＧ素子と違って１枚だけ平面２に平行に（Ｚ軸に直角に）配置したものである。このＦＧ素子１４１に、レーザー光Ｌ１を、Ｚ軸方向に入射させると、レーザー光Ｌ１は個々の光ファイバーの焦点で線状に集光したのち、円筒面波となって広がって行く。そして互いに干渉して、測定領域としての投影面である平面２に、平行で等間隔な輝線パターン１４１ａとして投影される。
【００６７】
図１６の、結像面に形成された輝線パターン（縞模様）画像を参照して、第６の実施の形態の作用を説明する。輝線であるので、一方向に連続したパターンである点を除けば、第１の実施の形態で説明したのと同様な作用を有する。即ち、図示のように、高さのある測定対象物体１により、輝線パターン画像は、δだけｙ軸方向に移動する。この場合にも輝点の場合と同様に式１、式２が適用できる。カメラ１１２に形成される画像においても、同様である。第１の実施の形態のδｙをこのδに置き換えて、ｙ軸方向の分析を採用すればよいので以下重複する説明を省略する。
【００６８】
輝線パターン例えばスリット光を使用した場合は、輝点を使用した場合とは違い、スリット光上の任意の地点でスリット光の移動距離を測定できるので、輝点を投影する場合に比べてｙ方向の分解能を向上することができるという利点がある。特にスリット線に直交する方向に流れるベルトコンベアなどに乗せられた物体の三次元形状測定には好適である．
【００６９】
このような輝線パターン（縞模様パターンといってもよい）を投影するものとしては、回折格子や先に説明したファイバを横に密着して並べて回折格子と同じ効果を持たせたファイバーグレーティング（ＦＧ素子）の他、シリンドリカルレンズアレイ、また単純に、複数のスリットが平行に明けられたスリット板を用いてスリット状の光束を照射する方法などが挙げられる。
【００７０】
図１７の側面図を参照して、撮像光学系またはパターン投影光学系を３以上備える場合を説明する。本図は、撮像レンズ１１１ａ、複数（３個図示）の投影光学系１１４（ｎ）、１１４（ｎ＋１）、１１４（ｎ＋２）、高さＺ１、Ｚ２、Ｚ３を有する測定対象物１、平面２との関係をＸ軸方向に見た側面図である。ここで３個の投影光学系については、撮像レンズ１１１ａからの距離は、投影光学系１１４（ｎ）が一番近く、投影光学系１１４（ｎ＋２）が最も遠いものとする。また高さ間には、Ｚ１＞Ｚ２＞Ｚ３の関係があるものとする。
【００７１】
この例では、先ず高さＺ１の地点については投影光学系１１４（ｎ）によるパターン画像に基づく演算結果を採用し、また該演算結果に基づき、前記測定対象領域からの高さが所定の値よりも低い測定対象物の地点を抽出し、その地点の高さＺ２については投影光学系（ｎ＋１）によるパターン画像に基づく演算結果を採用し、高さＺ３の地点については投影光学系（ｎ＋２）によるパターン画像に基づく演算結果を採用するというようにする。投影光学系が４以上の場合は、以上の操作を繰り返す。
【００７２】
このようにすると、簡単なアルゴリズムで複数の基線長の違う測定の結果を統合することができ、高さの高い部分から低い部分までデータを得ることができる。
【００７３】
ここで所定の値とは、それを越えて低くなると結像面上の点の移動量δがＣＣＤカメラの画素サイズから定まる分解能を下回ってしまう値と、それより高いところで次の投影光学系に切りかえると移動量δがＣＣＤカメラの結像面を外れてしまうか、または隣り合う輝点同士の間隔を越えてしまうような値との間の値に定めればよい。
【００７４】
図１８を参照して、本発明の画像処理手段であるコンピュータの構成例を説明する。コンピュータ１１７は、形状演算部１１７ａ、基準パターン画像保存ファイル１１７ｂ、統合演算部１１７ｃを備えている。基準パターン画像保存ファイル１１７ｂには、平面２（図１）に物体１が置かれていないときの輝点パターンの画像が保存される。これが基準パターン画像となる。
【００７５】
基準パターン画像を取り込むには、先ず、平面２に何も置かない状態で、例えば図３に示す装置を用いて、輝点投光器１１３で輝点パターンを平面に投影する。次にＣＣＤカメラ１１１で平面２上のパターンを撮像する。撮像されたパターンを、形状演算部で二値化や重心検出などの画像処理手法により輝点の重心の座標を基準座標データに変換する。この基準座標データを、ＣＣＤカメラ１１１用の基準パターン画像として基準パターン画像保存ファイル１１７ｂに保存する。同様にして、ＣＣＤカメラ１１２を用いて取得した基準座標データを、ＣＣＤカメラ１１２用の基準パターン画像として基準パターン画像保存ファイル１１７ｂに保存する。即ちこの例では、画像保存ファイル１１７ｂには、画像は座標データで保存されるので、イメージデータで保存する場合と比較して、データ量を少なくでき保存領域を効率的に使用できる。もちろんイメージデータで保存してもよい。
【００７６】
次に、物体１が平面に置かれた状態で、輝点投光器１１３により輝点パターンを平面２（及び物体１）に投影し、ＣＣＤカメラ１１１で平面２（及び物体１）上のパターンを撮像する。撮像されたパターンを、形状演算部１１７ａで基準パターを取得したのと同じ画像処理手法により輝点の重心の座標を座標データに変換する。この座標データを、ファイル１１７ｂから呼び出された基準座標データと比較して、δｙ１を求め、式１によりＺ１を算出する。算出したＺ１を輝点の座標と対応させることにより、物体１の三次元形状を特定することができる。
【００７７】
同様にして、ＣＣＤカメラ１１２を用いて、物体１の低い地点の高さＺ２を求める。ＣＣＤカメラ１１２よりも距離の遠い第３のカメラが備えられているときは、これを用いてさらに低い地点の高さを求めることができる。
【００７８】
このようにして求められた、物体１の各部の高さ情報を、統合演算部１１７ｃに送り、これらを統合して高い地点から低い地点までをカバーする、物体１の形状を測定する。
【００７９】
基準パターン画像保存ファイル１１７ｂに平面２の輝点パターンをイメージで保存しているときは、物体１が置かれたときの画像もイメージで取り込み、イメージ画像同士の比較で移動距離δｙを計算する。図３では、演算装置１１７は、２つのカメラに１つ備えられるものとして示したが、ＣＣＤカメラ１１１用の演算装置、ＣＣＤカメラ１１２用の演算装置を別々に備え、両演算装置の演算結果を統合する第３の演算装置というように独立した構成としてもよい。
【００８０】
図９には、本発明の実施の形態をトイレに応用した場合を図示してあるが、老人介護施設などに用いれば、トイレで何か異常が生じたような場合に、プライバシーを損なうことなく、その異常を検知することができる。特に時間による変化を測定すれば、本来の変化とは異なる極端な変化を検出したとき、異常と判断しそれを検知することができる。時間は、例えば１分おき、５分おき、１０分おきのような間隔を、目的に応じて設定すればよい。
【００８１】
また、光源の使用波長を可視光以外の波長としてもよい。このように構成すると、測定対象物が人であるときなどに、対象となる人物に気づかれずに撮像することができる。光源としてはパルス光源を使用してもよい。パルスとすれば、光源に使用するエネルギーを削減できる。
【００８２】
なお撮像素子の例としては、ＣＣＤの他にＣＭＯＳ構造の素子を使用してもよい。特にこれらの中には、素子自体にフレーム間差算や二値化の機能を備えたものがあり、これらの素子の使用は好適である。
【００８３】
【実施例】
図１９を参照して、本発明の実施例を説明する。この実施例は図３の斜視図及び図４の模式図に示す装置を用いた場合である。図３に示す装置を部屋の天井に、投影光学系１１３の出射側即ちＦＧ素子１１４側及びＣＣＤカメラ１１１、１１２の対物レンズ側が部屋の床を向くように配置する。
【００８４】
図７に示すような寸法関係で前記装置は配置されている。ＣＣＤカメラ１１１、１１２の結像面１１５、１１６上での輝点の移動量δｙ１、δｙ２は、式２に示したように表せる。
【００８５】
図１９（ａ）に本実施例１で得られたデータを示す。本実施例では、一般的な部屋及び撮像範囲を想定して、ｈ＝２０００ｍｍ、ｌ（エル）＝４ｍｍ、ｄ１＝３０ｍｍ、ｄ２＝１００ｍｍに設定した。図の表に示すように、Ｚの値によってδｙ１、δｙ２は、変化する。現在一般的なＣＣＤ素子の画素ピッチは１０μｍ前後なので、これを考慮すると、ＣＣＤ素子１１５だけでは、Ｚが２９０ｍｍ以上の物体でないと測定できないが、ＣＣＤ素子１１６があるので、Ｚが１００ｍｍ以上の物体まで測定できることになる。また、ＣＣＤ素子のｘ軸方向サイズを７ｍｍとして、床に何もないときｘ軸方向に輝点が約２０個があると仮定すると、この方向の輝点間隔は３５０μｍ程度である。これを考慮すると、ＣＣＤ素子１１６だけでは高さＺが１２７０ｍｍ以下の物体でないと測定できない。しかしながら、ＣＣＤ素子１１５があるので、高さＺが１７００ｍｍ以下の物体まで測定できる。なお、これらの演算はコンピュータのソフトウェアや電子回路で構成された演算装置で計算される。
【００８６】
また、本実施例では投光器１１３、ＣＣＤカメラ１１１、１１２が直線状に並んでいたが、例えば設置スペースの問題などで、図８に示すように、直線状に並んでいないような配置にしてもよい。この場合も第１の実施例で説明したのと同様に、高さの低い物体から高い物体まで測定することが可能になる。但し、ＣＣＤ素子のｘ軸、ｙ軸の配置方向によっては、素子１１５、１１６で輝点の移動方向が一致しない場合もある。しかしながら、それぞれの素子の結果を計算する演算装置の演算アルゴリズムを方向に合うように少し変更するだけで、素子１１５、１１６が直線に並んで配置されている場合と同様に計算できる。
【００８７】
本実施例では、ＣＣＤカメラを用いたが撮像管やＣＭＯＳカメラなどの他の撮像デバイスを用いたカメラでもよい。また、本実施例ではカメラを２台用いたが、次に説明する実施例２のように、数を増やしてｄ１より短い基線長やｄ２より長い基線長を構成すると、更に測定可能な高さの範囲が拡がって好適である。
【００８８】
図１７で説明したように、投影光学系または撮像光学系を複数、特に３以上備える装置の実施例を以下説明する。
【００８９】
本実施例では、複数の演算手段からの物体の高さ情報を統合して最終的な三次元情報を出力する統合演算装置を用いている。実施例１と同様にして、ｈ＝２０００ｍｍ、ｌ（エル）＝４ｍｍとし、ｄ１＝３０ｍｍ、ｄ２＝１００ｍｍ、ｄ３＝３００ｍｍとした。
【００９０】
図１９（ｂ）の表に、本実施例で得られたデータ、即ち、物体の高さＺによるδｙ１、δｙ２、δｙ３の値を示す。
【００９１】
ここで、実施例１と同様にＣＣＤ素子の画素ピッチを１０μｍ、隣の輝点同士の間隔はＣＣＤ素子上で３５０μｍとする。
【００９２】
図１９（ｂ）の表において、まず始めに最も基線長の短い組合わせの画像からの高さ演算結果を考える。ここでは、基線長ｄ１の組の輝点移動量δｙ１がそれにあたる。このとき、一定値以下の輝点移動の部分の測定は、次に基線長の短い（現在の基線長より次に長い基線長）組合わせの画像からの高さ演算を考えるので、その一定値をδｙ1＝１０μｍのときの高さＺ＝２９０ｍｍとすると、その値以下の高さの測定は、次に基線長の短い基線長ｄ２の組合わせの演算結果から採用される。高さが高い方はδｙ1が隣の輝点との距離以下であればよいので、δｙ１が３４０μｍ（＜３５０μｍ）である、Ｚ＝１７００ｍｍまで測定可能である。
【００９３】
基線長ｄ２の場合も同様にしてδｙ２＝１０μｍのときの高さＺ＝１００ｍｍまで測定できる。それ以下の高さは、同様にして基線長ｄ３の組合わせの演算結果からδｙ３＝１０μｍ以上、即ちδｙ３が１２．２μｍである、Ｚ＝４０ｍｍ以上の高さのデータが採用される。
【００９４】
このように処理をすれば、複数の高さ測定の結果を統合して、詳細な測定結果を得ることができ、本実施例ではＺ＝４０〜１７００ｍｍの高さの物体を測定できる。このような演算は、コンピュータや電子回路で実現できる。演算装置は、演算毎に分けてもよいし、１台の演算装置内部で計算のための式を次々に変更して計算するような方式にしてもよい。
【００９５】
【発明の効果】
パターン投影光学系と撮像光学系との少なくとも一方が、複数備えられているので、基線長の異なる複数の測定系を構成することができ、複数の異なる画像パターンを得ることができる。また基準パターン画像保存ファイルに保存された基準パターンを呼び出して、取得された複数のパターン画像と比較することができる。また統合演算手段を備えるので、複数の演算結果を統合することができる。このようにして、最小分解能が高く且つ測定可能な最大値が大きい三次元形状測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である三次元形状測定装置の概念的斜視図である。
【図２】第１の実施の形態で用いるＦＧ素子を説明する概念的斜視図である。
【図３】ＦＧ素子と２個のカメラを有する三次元形状測定装置の斜視図である。
【図４】第１の実施の形態である三次元形状測定装置で用いる２個の撮像光学系の結像面を概念的に示す平面図である。
【図５】測定領域に物体が無い場合の輝点パターンの撮像画像を示す平面図である。
【図６】測定領域に物体が有る場合の輝点パターンの撮像画像を示す平面図である。
【図７】測定対象物の高さと結像面上の輝点の移動との関係を線図で示す側面図である。
【図８】第２の実施の形態である三次元形状測定装置で用いる２個の撮像光学系の結像面を概念的に示す平面図である。
【図９】第３の実施の形態である三次元形状測定装置の構成を示す模式的線図である。
【図１０】第４の実施の形態である三次元形状測定装置の構成を示す模式的線図である。
【図１１】第４の実施の形態で用いるカラーＣＣＤカメラの構成例を示す模式的断面図である。
【図１２】第５の実施の形態で使用するカメラと２個の輝点投光器を含んで構成される三次元形状測定装置の斜視図である。
【図１３】第５の実施の形態で用いるカメラの構成例を示す模式的断面図である。
【図１４】第５の実施の形態で用いるカメラの別の構成例を示す模式的断面図である。
【図１５】本発明の第６の実施の形態である三次元形状測定装置の概念的斜視図である。
【図１６】第６の実施の形態のパターン画像の説明をする線図である。
【図１７】撮像光学系またはパターン投影光学系を３以上備える場合を線図で示す側面図である。
【図１８】画像処理装置としてのコンピュータの構成例を示すブロック図である。
【図１９】２つの実施例のデータの表を示す図である。
【符号の説明】
１ 測定対象物
２ 測定領域
１０ 三次元形状測定装置
１１１、１１２ 撮像光学系
１１１ａ、１１２ａ 撮像レンズ
１１３ 投影光学系
１１４ ＦＧ素子
１１５、１１６ 結像面
１１７ 画像処理装置
１１８ 輝点投光器
１１９ タイミング発生装置
１２０、１２４ 演算装置
２０１ 結像レンズ
２０２ ビームスプリッタ
２０３、２０５ フィルタ
２０４、２０６ ＣＣＤ素子
Claims (7)
- 測定対象物を置く測定対象領域に照明パターンを投影するパターン投影光学系と；
前記測定対象物の置かれた測定対象領域に投影された照明パターンを撮像する撮像光学系と；
前記撮像光学系で撮像された照明パターンの画像と比較すべき基準パターン画像を保存する基準パターン画像保存ファイルと；
前記撮像された照明パターン画像から抽出された測定点と、前記基準パターン画像の前記測定点に対応する基準点の座標とを比較して、前記測定対象物の３次元形状を演算する形状演算手段とを備え；
複数の照明パターン画像を取得するために、前記パターン投影光学系と前記撮像光学系との少なくとも一方が、複数備えられ；
前記基準パターン画像は、前記複数のパターン投影光学系または撮像光学系毎に、前記基準パターン画像保存ファイルに保存され；
前記取得された複数の照明パターン画像と該照明パターン画像に対応する基準パターン画像とに基づいて前記形状演算手段で演算される複数の演算結果を統合する統合演算手段とを備える；
三次元形状測定装置。 - 測定対象物を置く測定対象領域に照明パターンを投影するパターン投影光学系と；
前記測定対象物の置かれた測定対象領域に投影された照明パターンを撮像する第１の撮像光学系と；
前記測定対象物の置かれた測定対象領域に投影された照明パターンを撮像する、前記第１の撮像光学系とは前記パターン投影光学系からの距離が異なる位置に設置された第２の撮像光学系と；
前記第１の撮像光学系で撮像された照明パターンの画像と比較すべき第１の基準パターン画像と、前記第２の撮像光学系で撮像された照明パターンの画像と比較すべき第２の基準パターン画像とを保存する基準パターン画像保存ファイルと；
前記第１または第２の撮像光学系で撮像された照明パターン画像から抽出された測定点と、前記第１または第２の基準パターン画像の前記測定点に対応する基準点の座標とを比較して、前記測定対象物の３次元形状を演算する形状演算手段とを備え；
前記第１と第２の撮像光学系で取得された２つの照明パターン画像と前記２つの基準パターン画像とに基づいて前記形状演算手段で演算される２つの演算結果を統合する統合演算手段とを備える；
三次元形状測定装置。 - 測定対象物を置く測定対象領域に照明パターンを投影する第１のパターン投影光学系と；
前記測定対象物の置かれた測定対象領域に投影された照明パターンを撮像する撮像光学系と；
前記測定対象領域に照明パターンを投影する、前記第１のパターン投影光学系とは前記撮像光学系からの距離が異なる位置に設置された第２のパターン投影光学系と；
前記第１のパターン投影光学系で投影された照明パターンの画像と比較すべき第１の基準パターン画像と、前記第２のパターン投影光学系で投影された照明パターンの画像と比較すべき第２の基準パターン画像とを保存する基準パターン画像保存ファイルと；
前記第１または第２のパターン投影光学系で前記測定対象物の置かれた測定対象領域が照明され、前記撮像光学系で撮像された照明パターン画像から抽出された測定点と、それぞれ前記第１または第２の基準パターン画像の前記測定点に対応する基準点の座標とを比較して、前記測定対象物の３次元形状を演算する形状演算手段と；
前記第１または第２のパターン投影光学系で前記測定対象物の置かれた測定対象領域が照明されて、取得された２つの照明パターン画像と前記２つの基準パターン画像とに基づいて前記形状演算手段で演算される複数の演算結果を統合する統合演算手段とを備え；
前記撮像光学系は、前記第１と第２のパターン投影光学系で投影された照明パターンを区別して撮像可能に構成された；
三次元形状測定装置。 - 前記第１と第２のパターン投影光学系は、それぞれ投影を所定のタイミングをもって時分割で行わせるように構成された、請求項３に記載の三次元形状測定装置。
- 前記第１と第２のパターン投影光学系は、互いに光学的性質の異なる光を投影するように構成された、請求項３に記載の三次元形状測定装置。
- 前記パターン投影光学系が、コヒーレント光を発生する光源と；
前記光源で発生されたコヒーレント光を通過させる回折格子とを備える；
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置。 - 前記統合演算手段は、先ず前記パターン投影光学系と撮像光学系との距離が短い方の照明パターン画像に基づく演算結果を採用し、該演算結果に基づき、前記測定対象領域からの高さが所定の値よりも低い測定対象物の地点を抽出し、その地点についてはパターン投影光学系と撮像光学系との距離が長い方の照明パターン画像に基づく演算結果を採用するように構成された、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置。
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