JP3733625B2 - ３次元計測のための撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体にスリット光を照射して物体形状を非接触で計測する３次元計測のための撮像装置に関する。
【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。
【０００４】
図１５はスリット光投影法の概要を示す図、図１６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を照射し、その反射光を例えば２次元イメージセンサの撮像面Ｓ２に入射させる〔図１５（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１５（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１５（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１５（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１６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Ｓ２から離れた受光軸上の点である。像距離ｂは、受光系の焦点距離ｆとピント調整のためのレンズ繰出し量との和である。
【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）とのなす角度である。
【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１６（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】
図１６（ｃ）のように受光系にズームレンズ群を設けた場合には、主点Ｏは後側主点Ｈ’となる。後側主点Ｈ’と前側主点Ｈとの距離をＭとすると、点Ｐの座標Ｚは（１Ｂ）式で表される。
【００１１】
Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＝Ｚｔａｎθａ＋（Ｚ−Ｍ）ｔａｎθｐ
∴ Ｚ＝（Ｌ＋Ｍｔａｎθｐ）／（ｔａｎθａ＋ｔａｎθｐ） …（１Ｂ）
以上の原理のスリット光投影法による計測において、例えばＣＣＤセンサのように撮像面Ｓ２が有限個の画素からなる撮像手段を用いる場合には、計測の分解能が撮像手段の画素ピッチに依存する。ただし、撮像面Ｓ２上でのスリット光ＵのＹ方向（走査方向）の幅が複数画素分となるようにスリット光Ｕを設定することにより、分解能を高めることができる。
【００１２】
図１７は分解能を高める方法の一例を説明するための図である。
物体上の照射部分の反射率が均一であるものと仮定すると、受光強度はＹ方向に拡がる正規分布となる。この正規分布の有効強度範囲が複数画素分であれば、各画素ｇの受光量に対する補間演算を行うことにより、最大強度位置（重心と呼ぶ）を画素ピッチ以下の単位で測定できることになる。補間演算は、各画素の受光量に正規分布をフィットさせるものである。演算で求めた重心に基づいて座標Ｚ，Ｘ，Ｙを求める。この手法によれば、実際の分解能は１／８〜１／１０画素程度になる。
【００１３】
撮像面Ｓ２上でのスリット光Ｕの幅を複数画素分とするには、投光の段階でスリット光Ｕの幅（走査方向の長さ）を拡げておけばよい。ただし、そうすると、物体Ｑ上でもスリット光ＵのＹ方向の幅が拡がるので、照射部分（点Ｐ）が例えば物体色の境目である場合に、受光強度の分布が正規分布でなくなり、測定誤差が大きくなる。この問題を解決する手法としては、物体Ｑ上でのスリット幅ができるだけ細くなるように投光条件を設定し、受光系においてフィルタなどによりスリット光Ｕの幅を拡げて撮像面Ｓ２に入射させる手法がある（特開平７−１７４５３６号）。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
レンジファインダにズーミング機能を設けることにより、物体Ｑの走査範囲を決めるフレーミングの自由度が高まる。受光側でズーミングを行うと、撮像の画角が変わる。したがって、最適幅のスリット光Ｕを撮像面Ｓ２に入射させるために、受光側でのズーミング状態に応じて、投光側でスリット光Ｕの幅を調整する必要がある。
【００１５】
本発明は、スリット幅の調整が可能であり、歪みの少ないスリット光を射出することができ、しかも小型である投光装置を実現することを目的としている。他の目的はズーミング機能を有し且つ小型の３次元計測用の撮像装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の撮像装置は、レーザビームを射出する光源と、前記レーザビームのビーム径を調整するためのバリエータ光学系と、前記バリエータ光学系から射出したレーザビームを一方向に拡げてスリット光を生成するエキスパンダ光学系と、前記スリット光を偏向する光学走査手段と、を有する投光装置と、撮像面に入射した光の光量に応じた信号を出力する光電変換手段と、ズーミング機構を有し、被写体の光学像を前記撮像面に結像するように構成された受光光学系と、前記撮像面上での前記スリット光の幅を制御するスリット幅制御手段と、を備え、前記スリット幅制御手段は、前記ズーミング機構によって設定される画角に応じて、前記バリエータ光学系の光軸方向の移動制御を行うことにより前記スリット光の幅を制御するように構成されてなる。
【００１８】
請求項２の発明の撮像装置においては、前記撮像面がマトリクス配置された受光画素からなり、前記スリット幅制御手段は、前記撮像面上での前記スリット光の幅が前記受光画素の３個分以上となるように、前記バリエータ光学系の移動制御を行う。
【００１９】
【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。
【００２０】
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。
【００２１】
ホスト３は、ＣＰＵ３ａ、ディスプレイ３ｂ、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。
【００２２】
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２０ｂが設けられている。投光窓２０ａは受光窓２０ｂに対して上側に位置する。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２０ａ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。
【００２３】
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２６ａ，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２１、カーソルボタン２２、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。
【００２４】
液晶ディスプレイ２１（ＬＣＤ）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。
【００２５】
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６７０ｎｍ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４１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。
【００２６】
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、計測用のセンサ５３に入射する。可視帯域の光は、モニタ用のカラーセンサ５４に入射する。センサ５３及びカラーセンサ５４は、どちらもＣＣＤエリアセンサである。ズームユニット５１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。
【００２７】
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６３，６４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、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６１は、キャラクタジェネレータ７１に対して、ＬＣＤ２１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。
【００２８】
図４は投光レンズ系４２の構成を示す模式図である。図４（ａ）は正面図であり、図４（ｂ）は側面図である。
投光レンズ系４２は、コリメータレンズ４２１、バリエータレンズ４２２、及びエキスパンダレンズ４２３の３つのレンズから構成されている。半導体レーザ４１が射出したレーザビームに対して、次の順序で適切なスリット光Ｕを得るための光学的処理が行われる。まず、コリメータレンズ４２１によってビームが平行化される。次にバリエータレンズ４２２によってレーザビームのビーム径が調整される。最後にエキスパンダレンズ４２３によってビームがスリット長さ方向Ｍ１に拡げられる。
【００２９】
バリエータレンズ４２２は、撮影距離及び撮影の画角に係わらず、センサ５３に３以上の複数画素分の幅のスリット光Ｕを入射させるために設けられている。駆動系４５は、システムコントローラ６１の指示に従って、センサ５３上でのスリット光Ｕの幅ｗを一定に保つようにバリエータレンズ４２２を移動させる。バリエータレンズ４２２と受光側のズームユニット５１とは連動する。
【００３０】
ガルバノミラー４３による偏向の以前にスリット長を拡げることにより、偏向の後で行う場合に比べてスリット光Ｕの歪みを低減することができる。エキスパンダレンズ４２３を投光レンズ系４２の最終段に配置することにより、すなわちガルバノミラー４３に近づけることにより、ガルバノミラー４３を小型化することができる。
【００３１】
図５は受光のためのズームユニット５１の模式図である。
ズームユニット５１は、前側結像部５１５、バリエータ部５１４、コンペンセータ部５１３、フォーカシング部５１２、後側結像部５１１、及び入射光の一部をＡＦセンサ５７に導くビームスプリッタ５１６から構成されている。前側結像部５１５及び後側結像部５１１は、光軸に対して固定である。
【００３２】
フォーカシング部５１２の移動はフォーカシング駆動系５９が担い、バリエータ部５１４の移動はズーミング駆動系６０が担う。フォーカシング駆動系５９は、フォーカシング部５１２の移動距離（繰り出し量）を指し示すフォーカシングエンコーダ５９Ａを備えている。ズーミング駆動系６０は、バリエータ部５１４の移動距離（ズーム刻み値）を指し示すズーミングエンコーダ６０Ａを備えている。
【００３３】
図６はビームスプリッタ５２の模式図、図７は計測用のセンサ５３の受光波長を示すグラフ、図８はモニタ用のカラーセンサ５４の受光波長を示すグラフである。
【００３４】
ビームスプリッタ５２は、色分解膜（ダイクロックミラー）５２１、色分解膜５２１を挟む２つのプリズム５２２，５２３、プリズム５２２の射出面５２２ｂに設けられた赤外線カットフィルタ５２４、センサ５３の前面側に設けられた可視カットフィルタ５２５、プリズム５２３の射出面５２３ｂに設けられた赤外線カットフィルタ５２６、及びローパスフィルタ５２７，５２８から構成されている。
【００３５】
ズームユニット５１から入射した光ＵＣは、ローパスフィルタ５２７、プリズム５２２を通って色分解膜５２１に入射する。半導体レーザ４１の発振帯域の光Ｕ０は色分解膜５２１で反射し、プリズム５２２の入射面５２２ａで反射した後、射出面５２２ｂからセンサ５３に向かって射出する。プリズム５２２から射出した光Ｕ０の内、赤外線カットフィルタ５２４及び可視カットフィルタ５２５を透過した光がセンサ５３によって受光される。一方、色分解膜５２１を透過した光Ｃ０は、プリズム５２３を通って射出面５２３ｂからカラーセンサ５４に向かって射出する。プリズム５２３から射出した光Ｃ０の内、赤外線カットフィルタ５２６及びローパスフィルタ５２８を透過した光がカラーセンサ５４によって受光される。
【００３６】
図７において、破線で示されるように色分解膜５２１は、スリット光の波長（λ：６７０ｎｍ）を含む比較的に広範囲の波長帯域の光を反射する。つまり、色分解膜５２１の波長選択性は、スリット光のみを選択的にセンサ５３に入射させる上で不十分である。しかし、ビームスプリッタ５２では、鎖線で示される特性の赤外線カットフィルタ５２４と、実線で示される特性の可視カットフィルタ５２５とが設けられているので、最終的にセンサ５３に入射する光は、図７において斜線で示される狭い範囲の波長の光である。これにより、環境光の影響の小さい、すなわち光学的ＳＮ比が大きい計測を実現することができる。
【００３７】
一方、カラーセンサ５４には、図８に実線で示される特性の赤外線カットフィルタ５２８によって、破線で示される特性の色分解膜５２１を透過した赤外帯域の光が遮断されるので、可視光のみが入射する。これにより、モニタ画像の色再現性が高まる。
【００３８】
なお、赤外線カットフィルタ５２４及び可視カットフィルタ５２５の２個のフィルタを用いる代わりに、赤外線及び可視光を遮断する特性をもつ１個のフィルタを用いてもよい。赤外線カットフィルタ５２４及び可視カットフィルタ５２５の両方をプリズム５２２の側に設けてもよいし、逆に両方のフィルタをセンサ５３の側に設けてもよい。図６の例とは逆に、可視カットフィルタ５２５をプリズム５２２の側に設け、赤外線カットフィルタ５２４をセンサ５３の側に設けてもよい。
【００３９】
図９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１５及び図１６と対応する要素には同一の符号を付してある。
【００４０】
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、図９の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。
【００４１】
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内の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９（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照射方向と、注目画素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。
【００４２】
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。
【００４３】
本実施形態の計測システム１では、３次元カメラ２がセンサ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の出力処理回路６２（図３参照）は、各画素ｇに対応した計測データの生成を担う。
【００４４】
図１０は出力処理回路６２のブロック図、図１１はセンサ５３の読出し範囲を示す図である。
出力処理回路６２は、センサ５３の出力する各画素ｇの光電変換信号を８ビットの受光データに変換するＡＤ変換部６２０、直列接続された４つのフレームディレイメモリ６２１〜６２４、有効な５回分の受光データを記憶するための５つのメモリバンク６２５Ａ〜Ｅ、受光データが最大となるフレーム番号（サンプリング番号）ＦＮを記憶するためのメモリバンク６２５Ｆ、コンパレータ６２６、フレーム番号ＦＮを指し示すジェネレータ６２７、及びメモリバンク６２５Ａ〜Ｆのアドレス指定などを行う図示しないメモリ制御手段から構成されている。各メモリバンク６２５Ａ〜Ｅは、計測のサンプリング点数（つまり、センサ５３の有効画素数）と同数の受光データを記憶可能な容量をもつ。
【００４５】
４つのフレームディレイメモリ６２１〜６２４でデータ遅延を行うことにより、個々の画素ｇについて５フレーム分の受光データを同時にメモリバンク６２５Ａ〜Ｅに格納することが可能になっている。なお、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１１のように撮像面Ｓ２の一部の有効受光領域（帯状画像）Ａｅのみを対象に行われる。有効受光領域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、有効受光領域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。
【００４６】
ＡＤ変換部６２０は、１フレーム毎に３２ライン分の受光データＤ６２０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６２１〜６２４は、３１（＝３２−１）ライン分の容量をもつＦＩＦＯである。
【００４７】
ＡＤ変換部６２０から出力された注目画素ｇの受光データＤ６２０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６２５Ｃが記憶する注目画素ｇについての過去の受光データＤ６２０の最大値と比較される。遅延された受光データＤ６２０（フレームディレイメモリ６２２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６２０の出力及び各フレームディレイメモリ６２１〜６２４の出力が、メモリバンク６２５Ａ〜Ｅにそれぞれ格納され、メモリバンク６２５Ａ〜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６２５Ｆには、メモリバンク６２５Ｃに格納する受光データＤ６２０に対応したフレーム番号ＦＮが格納される。
【００４８】
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６２５Ａ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６２５Ｂ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６２５Ｃにｎ番目のフレームのデータが格納され、メモリバンク６２５Ｄ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６２５Ｅ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６２５Ｆにｎが格納される。
【００４９】
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２００×２３１とする。すなわち、撮像面Ｓ２におけるスリット長さ方向の画素数は２３１であり、実質的なフレーム数Ｎも２００である。
【００５０】
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センサ５３の入射光量をできるだけ多くするためである。
【００５１】
図１２は３次元カメラ２におけるデータの流れを示す図、図１３はホスト３におけるデータの流れを示す図、図１４は光学系の各点と物体Ｑとの関係を示す図である。
【００５２】
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５１４の移動が行われる。また、フォーカシング部５１２の移動による手動又は自動の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。
【００５３】
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４２２の移動量が図示しない演算回路によって算出され、算出結果に基づいてバリエータレンズ４２２の移動制御が行われる。
【００５４】
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、フォーカシングエンコーダ５９Ａの出力（繰り出し量Ｅｄ）及びズーミングエンコーダ６０Ａの出力（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ＦＨ、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。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。
【００５５】
システムコントローラ６１は、半導体レーザ４１の出力（レーザ強度）及びスリット光Ｕの偏向条件（走査開始角、走査終了角、偏向角速度）を算定する。
この算定方法を詳しく説明する。まず、おおよその対物間距離ｄ₀ に平面物体が存在するものとして、センサ５３の中央で反射光を受光するように投射角設定を行う。以下で説明するレーザ強度の算定のためのパルス点灯は、この設定された投射角で行う。
【００５６】
次にレーザ強度を算定する。レーザ強度の算定に際しては、人体を計測する場合があるので、安全性に対する配慮が不可欠である。まず、最小強度ＬＤｍｉｎでパルス点灯し、センサ５３の出力を取り込む。取り込んだ信号〔Ｓｏｎ（ＬＤｍｉｎ）〕と適正レベルＳｔｙｐとの比を算出し、仮のレーザ強度ＬＤ１を設定する。
【００５７】
ＬＤ１＝ＬＤｍｉｎ×Ｓｔｙｐ／ＭＡＸ〔Ｓｏｎ（ＬＤｍｉｎ）〕
続いてレーザ強度ＬＤ１で再びパルス点灯し、センサ５３の出力を取り込む。取り込んだ信号〔Ｓｏｎ（ＬＤ１）〕が適正レベルＳｔｙｐ又はそれに近い値であれば、ＬＤ１をレーザ強度ＬＤｓと決める。他の場合には、レーザ強度ＬＤ１とＭＡＸ〔Ｓｏｎ（ＬＤ１）〕とを用いて仮のレーザ強度ＬＤ１を設定し、センサ５３の出力と適正レベルＳｔｙｐとを比較する。センサ５３の出力が許容範囲内の値となるまで、レーザ強度の仮設定と適否の確認とを繰り返す。なお、センサ５３の出力の取り込みは、撮像面Ｓ２の全面を対象に行う。これは、ＡＦによる受動的な距離算出では、スリット光Ｕの受光位置を高精度に推定することが難しいためである。センサ５３におけるＣＣＤの積分時間は１フィールド時間（例えば１／６０秒）であり、実際の計測時における積分時間より長い。このため、パルス点灯を行うことにより、計測時と等価なセンサ出力を得る。
【００５８】
次に、投射角と、レーザ強度が決定したときのスリット光Ｕの受光位置から、三角測量により対物間距離ｄを決定する。
最後に、決定された対物間距離ｄに基づいて、偏向条件を算出する。偏向条件の算定に際しては、対物間距離ｄの測距基準点である受光系の後側主点Ｈ’と投光の起点ＡとのＺ方向（図１６参照）のオフセットｄｏｆｆを考慮する。また、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。走査開始角ｔｈ１、走査終了角ｔｈ２、偏向角速度ωは、次式で表される。
【００５９】

このようにして算出された条件で次に本発光に移り、物体Ｑの走査（スリット投影）が行われ、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）Ｄ６２がホスト２へ送られる。同時に、偏向条件（偏向制御データ）及びセンサ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。
【００６０】
【表１】

【００６１】
図１３のように、ホスト３においては、スリット重心演算＃３１、歪曲収差の補正演算＃３２、カメラ視線方程式の演算＃３３、スリット面方程式の演算＃３４、及び３次元位置演算＃３５が実行され、それによって２００×２３１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（サンプリング点と後側主点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。
【００６２】
スリット光Ｕの時間重心Ｎｐｅａｋ（図９参照）は、各サンプリング時の受光データＤ（ｉ）を用いて（３）式で与えられる。

５つの受光データの内の最小のデータｍｉｎＤ（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。
【００６３】
カメラ視線方程式は（４）式及び（５）式である。
（ｕ−ｕ０）＝（ｘｐ）＝（ｂ／ｐｕ）×〔Ｘ／（Ｚ−ＦＨ）〕 …（４）
（ｖ−ｖ０）＝（ｙｐ）＝（ｂ／ｐｖ）×〔Ｙ／（Ｚ−ＦＨ）〕 …（５）
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（６）式である。
【００６４】
【数１】

【００６５】
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（７）式及び（８）式で与えられる。
【００６６】

上述の（４）式及び（５）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。
【００６７】
上述の実施形態は、計測データＤ６２に基づいて３次元位置を算出する演算をホスト３が担うものであるが、３次元カメラ２に３次元位置を算出する演算機能を設けてもよい。３次元位置をルックアップテーブル方式で算定することも可能である。受光側の光学系５０において、ズームユニット５１に代えて交換レンズによって撮像倍率を変更してもよい。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、ズーミング機能を有した３次元計測用の撮像装置の小型化を図ることができる。
請求項２の発明によれば、３次元計測の分解能を光電変換手段の画素ピッチで定まる値以上とすることができる。
【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】投光レンズ系の構成を示す模式図である。
【図５】受光のためのズームユニットの模式図である。
【図６】ビームスプリッタの模式図である。
【図７】計測用のセンサの受光波長を示すグラフである。
【図８】モニタ用のカラーセンサの受光波長を示すグラフである。
【図９】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１０】出力処理回路のブロック図である。
【図１１】センサの読出し範囲を示す図である。
【図１２】３次元カメラにおけるデータの流れを示す図である。
【図１３】ホストにおけるデータの流れを示す図である。
【図１４】光学系の各点と物体との関係を示す図である。
【図１５】スリット光投影法の概要を示す図である。
【図１６】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。
【図１７】分解能を高める方法の一例を説明するための図である。
【符号の説明】
２ ３次元カメラ（撮像装置）
４０ 投光側の光学系（投光装置）
４１ 半導体レーザ（光源）
４３ ガルバノミラー（光学走査手段）
５１ ズーミングユニット（ズーミング機構）
５３ 計測用のセンサ（光電変換手段）
６１ システムコントローラ（スリット幅制御手段）
４２２ バリエータレンズ（バリエータ光学系）
４２３ エキスパンダレンズ（エキスパンダ光学系）
Ｕ スリット光
ｇ 画素（受光画素）
Ｓ２ 撮像面

Claims (2)

1. レーザビームを射出する光源と、前記レーザビームのビーム径を調整するためのバリエータ光学系と、前記バリエータ光学系から射出したレーザビームを一方向に拡げてスリット光を生成するエキスパンダ光学系と、前記スリット光を偏向する光学走査手段と、を有する投光装置と、
   撮像面に入射した光の光量に応じた信号を出力する光電変換手段と、
   ズーミング機構を有し、被写体の光学像を前記撮像面に結像するように構成された受光光学系と、
   前記撮像面上での前記スリット光の幅を制御するスリット幅制御手段と、を備え、
   前記スリット幅制御手段は、前記ズーミング機構によって設定される画角に応じて、前記バリエータ光学系の光軸方向の移動制御を行うことにより前記スリット光の幅を制御するように構成されてなる、
   ことを特徴とする３次元計測のための撮像装置。
2. 前記撮像面がマトリクス配置された受光画素からなり、
   前記スリット幅制御手段は、前記撮像面上での前記スリット光の幅が前記受光画素の３個分以上となるように、前記バリエータ光学系の移動制御を行う
   請求項１記載の３次元計測のための撮像装置。

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