JP3840813B2 - 三次元形状計測法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は三次元形状計測法および装置に係り、特に計測の高速化及び高分解能化に好適な三次元形状計測法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触で測定対象物の三次元情報を得る方法は、受動的方法と能動的方法に大別できる。受動的方法には、ステレオ画像を用いた両眼視法やＳｈａｐｅ ｆｒｏｍ Ｘと総称される単眼視法がある。ステレオ画像法とは、視点を変えた左右２枚の対象物画像を取り込み、両画像の対応点を抽出することにより視差を算出し、三角測量の原理により対象物までの距離を求める方式である。この方式は、左右２枚の画像に特徴的な画像情報がない場合、対応点の決定にあいまいさが残り計測精度が低くなる。また、Ｓｈａｐｅ ｆｒｏｍ Ｘは一つの画像から三次元情報を得ることができるものである。Ｓｈａｐｅ ｆｒｏｍ Ｘの中の一つであるＳｈａｐｅ ｆｒｏｍ Ｓｈａｄｉｎｇは、物体の反射光の傾きからその物体の面の傾きを求め、得られた複数の面を繋ぎあわせて三次元形状を再構成する方式である。この方式は、対象物の反射率が一様でないと計測精度が低くなる。このようなことから、この種の受動的方法は実用的なレベルに至ってない。
【０００３】
一方、能動的方法は、何らかのエネルギーを対象物に照射し、その反射エネルギーを検出して距離を求めるものである。この方法では、測定精度の点で光を用いた方式が主流であり、受動的方法に比べて測定精度が高いが、受動的方法のようにシーン全体の距離画像を一括に取り込むことはできない。そのため光線等を対象物全体に照射して走査しなければならず、計測時間が長くかかるといった問題がある。
【０００４】
計測時間の短縮を目的として工夫された方式として、空間コード化法がある。これは光切断法の改良である。光切断法においても、光源をスポット光からスリット光にすることにより照射領域を点から線に変更し、計測時間の短縮を計っている。測定原理は、いずれも光源と撮像面を幾何学的に既知の配置にしておき、射出部と撮像面からなる線（基線）に対する光源から射出された光の角度と撮像面上の反射像と対象物上の像を結ぶ線と基線がなす角度から、三角測量の原理に基づいて対象物までの距離を求めるものである。
【０００５】
光切断法をさらに改良したのが空間コード化法である。光切断法のスリット光がちょうど空間を１進数でコード化しているのに対し、空間コード化法は、２進数のようなコードで符号化することにより、少ない撮像回数で距離画像を得ようとするものである。この方式では、グレーコードパターンと呼ばれる２進符号で明暗をつけられた光パターンが順番に投影される。ｎビットの２進数で符号化された光パターンを用いれば、測定空間は２ⁿ−１本のスリット光を投影しているのと等価になる。例えば４ビットのグレーコードでは、４回の投影で１５本のスリット光を投影したのと等価になる。
【０００６】
これらの方式とは発想を異にしたものが、米国特許第４１９９２５３号明細書に提案されている。この方式は、先に示した方式の照射光であるスポット光あるいはスリット光が形成する光線あるいは光の面が距離方向に対して平行であるのに対し、距離方向に垂直な面を持つ平面光を複数形成し、それらの平面光をコード化し順番に測定対象に照射するものである。この方式は、いわば距離方向における空間コード化法と言える。測定対象までの距離は、平面光の射出から反射像を取り込むまでの時間と光速とで求まる。コード化しているため、撮像回数を少なくすることができる。同じような方式として、「フェムト秒パルス光による形状計測」、計測・制御・システム工学部会シンポジウム、３次元形状計測の最新動向、１７頁−２８頁、１９９７には、一つのパルス光の先頭から末尾にかけて、色が時間とともに連続的に変化する光パルス（チャープした光パルス）を照射し、反射光をあるタイミングで高速光シャッタを用いて切り出し、一括で三次元形状を計測するものが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上述の距離方向における空間コード化法では、測定対象がない領域においても撮像を何回も繰り返すことになり無駄が多い。距離方向の分解能を高分解能化する場合において、この撮像の無駄は顕著となり、計測の高速化ばかりか光源および撮像系制御装置の低コスト化にも弊害となる。これは、光源から測定対象までの空間において何も存在しない領域があることに他ならないが、一般のシーンではこのような環境は数多く存在し、この方式を採用する限り、この意味の無い撮像は解消されない。またチャープした光パルスを用いる方式でも、測定対象が無い領域における無駄な撮像はなくならず、また分解能が一定なため、高分解能を希望する領域とそうでない領域との選択ができないという問題もある。
【０００８】
従って本発明の目的は、高速かつ高分解能の計測を可能とする三次元形状計測法および装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、測定対象に光が射出されてから反射像が取り込まれるまでの時間を用いて距離を計測する三次元形状計測法において、光の射出時刻と取り込み時刻の時間間隔を変えて距離を計測することによって、達成される。例えば、光の射出時刻と取り込み時刻の時間間隔は、測定対象の存在する領域において短くされる。また、測定者の希望する領域において、この時間間隔は長く又は短くされる。ここで、測定対象に射出される光は、平面光あるいは略平面光を用いる。平面光とは、波面が伝搬方向に垂直な平面である光をいう。
【００１０】
本発明に係る三次元形状計測装置は、測定対象に光を射出する光射出装置と、測定対象の反射像を取り込む撮像装置とを備え、光射出装置による光の射出から撮像装置による反射像の取り込みまでの時間を用いて測定対象までの距離を計測するものであって、光射出装置の光の射出時刻と撮像装置の反射像の取り込み時刻の時間間隔を可変する手段を有する。ここで、光射出装置は平面光又は略平面光を出射するよう構成される。また、撮像装置はアイ・シー・シー・ディー（ＩＣＣＤ）を用いて構成される。ＩＣＣＤは、イメージインテンシファイア（Ｉｍａｇｅ ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ）と電荷結合素子（ＣＣＤ）を組み合わせたものである。この撮像装置はまた、光シャッタとして使用される光学素子と画像をストアする感光性フィルムとの組み合せで構成することもできる。この光学素子としては、例えばカーセルあるいはポッケルスセルが用いられる。
【００１１】
このように構成することにより、高速かつ高分解能で計測可能な三次元形状計測法および装置を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る三次元形状計測法の一実施例を示す図である。本実施例は、図のように、光射出装置１から射出されたパルス状で垂直な面状の光（平面光）２を測定対象３に向かって進行させ、その反射像を高速撮像装置４にて撮像するものである。測定対象３上で形成される複数の像は、１つの像内では光射出装置１からいずれも等距離であり、あたかも等高線を示すようなイメージが得られる。光射出装置１から測定対象３上の夫々の等高線イメージまでの距離は、平面光の射出時刻と撮像を行う時刻から光の到達時間を計測することにより求める。
【００１３】
光射出装置１は、半導体レーザ５、エクスパンダー６、およびコリメータ７を備える。平面光２はコリメータ７により形成する以外に、測定精度は低下するが点光源や面発光光源からの光をそのまま略平面光として用いても良い。
【００１４】
撮像系には、高速な撮像が可能な高速撮像装置４を用意する。例えば、イメージインテンシファイア（Ｉｍａｇｅ ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ）と電荷結合素子（ＣＣＤ）を組み合わせたアイ・シー・シー・ディー（ＩＣＣＤ）は、ｎｓｅｃオーダーの高速なシャッター動作を可能としており、この高速撮像装置４として適用できる。また、カーセル（Ｋｅｒｒ ｃｅｌｌ）やポッケルスセル（Ｐｏｃｋｅｌｓ ｃｅｌｌ）等の光学素子を光シャッターとして使うこともできる。これらは動作周波数が１ＧＨｚ以上であり、ｐｓｅｃオーダーの像の取り込みが可能となり、さらなる高分解能化を達成できる。これら光学素子と高感度な感光性フィルムを組み合わせれば、反射像を時系列的に記憶できる。
【００１５】
光射出装置１の間近に測定対象３があるとは限らないので、最初から撮像するタイミング（距離方向の分解能に相当）を細かくすると大変無駄の多い撮像を繰り返すことになる。そこで本発明では、段階的に分解能を上げていく方式を採用する。まず、最初のステップとして大まかな間隔で撮像を行い、これを一つのサイクルとして、そのサイクルで測定対象３がある領域（反射像が得られる領域）における撮像タイミングの情報を受け、その領域のみに限定して、撮像タイミングを次第に細かくしていく。これにより、撮像対象領域のみに限定した高分解能な距離画像を得ることが可能となる。また測定者が希望する領域を限定して、高分解能化することも可能である。この場合も同様に、大まかな撮像サイクル時に得られた希望する測定対象領域の撮像タイミングの情報を受け、その領域に限定して高分解能化していく。
【００１６】
本実施例では、平面光２の進行方向における幅は狭い方が望ましいので、光源には５０ｐｓｅｃ以下の超短パルスの射出が可能な半導体レーザ５を用いた。パルス幅が５０ｐｓｅｃ以下の半導体レーザ５を用いれば、１５ｍｍ以下の狭い幅の平面光２を形成することができる。また、図示していないが、カーセルやポッケルスセルのような光学素子と光源を組み合わせ、光学素子を光シャッタとして用いれば、動作周波数が１ＧＨｚ以上であるため、光源が連続射出であっても短パルスの光源と同様な平面光を形成することができる。
【００１７】
半導体レーザ５により射出された光は、エクスパンダー６およびコリメーター７により一旦拡大され平面光に形成される。厳密に言うとエクスパンダー６からコリメーター７までの光路長が中心と端で異なるため完全な平面光ではないが、この光路差を距離方向の分解能に対して十分小さく取っておけば平面光として扱うことができる。また、より厳密な測定をする場合は、あとで光路差分を補正する。これにより図示のような平面光２を形成することができる。この平面光２を測定対象３に向けて進行させ、測定対象３上に像（等高線イメージ）を形成させる。その反射像を高速撮像装置４で取り込む。
【００１８】
高速撮像装置４には、高速な撮像を可能にするＩＣＣＤカメラを用いた。ＩＣＣＤは、前述のとおり、イメージインテンシファイアとＣＣＤを組み合わせたものである。高速な撮像を行おうとすると、必然的に入射光量が減少するため高感度の撮像デバイスが必要となるが、このイメージインテンシファイアに組み込まれているマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）は、高感度を保有しており、高速な撮像が可能となる。本実施例では、ｎｓｅｃオーダーのシャッタ速度を持つＩＣＣＤを用いた。これにより反射像を撮像する。平面光および撮像面上の反射像は距離方向に幅を持つので、その反射像のエッジ、中心地、あるいはピーク値を検出して、反射像の測定対象３上での位置を確定する。
【００１９】
図２は、本発明に係る三次元形状計測装置の一実施例を示す図である。また、図３は本実施例におけるタイミングチャートを示す図である。図２において、半導体レーザ５およびＩＣＣＤ４０の動作は高精度パルスジェネレータ８により制御される。パルスジェネレータ８は、時間分解能が５ｐｓｅｃ、レンジが０〜１０００ｓｅｃ、周期（Ｔｃｙｃｌｅ）が１ＭＨｚのものを用いた。スタートトリガ信号（Ｓｔａｒｔ Ｔｒｉｇｇｅｒ Ｓｉｇｎａｌ）２０が入力されると、パルスジェネレータ８から、ある遅延時間を持って二つのパルス信号２１、２２が出力される。パルス信号２１は半導体レーザ５に入力され、パルス信号２２はＩＣＣＤ４０に入力される。
【００２０】
図３に示すように、二つのパルス間のタイミング（ｔ２ｎｔ１１）が、ある時間間隔ΔＴ〜ｎΔＴとなるように、コンピュータ１０によりパルスジェネレータ８を予め設定しておく。この時間分解能ΔＴにより距離分解能ΔＲが決まる（ΔＲ＝ΔＴ×Ｃ）。測定対象３までの距離Ｄは、Ｄ＝ｎΔＴ／２×Ｃにより求められる。ここでＣは光速３×１０⁸ｍ／ｓｅｃである。時間分解能ΔＴに従ってダイナミックレンジの範囲内で撮像を繰り返し、得られたイメージを画像メモリ１１に順番にストアする。これらのイメージは後で順番が分かるように番地をつけておく。これにより測定対象３上の等高線イメージとその距離との対応付けが可能となる。
【００２１】
ダイナミックレンジ分の撮像が終了した後、ストアされた画像メモリ１１内のデータの内、画像情報が得られた番地を抽出し、その前後の番地に相当する時間ａΔＴ〜ｂΔＴ（ａ、ｂは１〜ｎの間の整数）において、さらに時間分解能を上げ、撮像を繰り返す。本実施例では、以下のように時間分解能ΔＴを段階的に設定した。
（１）第一ステップ 低分解能 ΔＴ＝Ｔｍａｘ／１０
（２）第二ステップ 中分解能 ΔＴ＝Ｔｍａｘ／１００
（３）第三ステップ 高分解能 ΔＴ＝Ｔｍａｘ／１０００
（Ｔｍａｘ＝ダイナミックレンジ／Ｃ）
ダイナミックレンジが３０ｍの場合は、時間分解能ΔＴを低分解能から順番にそれぞれ１０ｎｓｅｃ、１ｎｓｅｃ、０．１ｎｓｅｃに設定する。これによりダイナミックレンジ３０ｍにおいて最小分解能３ｃｍの距離画像が得られる。測定者が希望する測定領域に限定して分解能を上げたい場合には、予め低分解能の撮像で得られた時間情報を基に、希望する測定領域に対応した時刻から希望の時間分解能により測定を行う。
【００２２】
このように１回のレーザパルスの発光につき、１回の撮像を繰り返す方法に対して、タイミングチャートの図には示していないが、１回のレーザパルスの発光に対してＩＣＣＤ４０による撮像を繰り返し行ってもよい。撮像間隔は上記と同様に、所望の時間分解能により決定する。
【００２３】
図４は、本発明で用いる高速撮像装置の他の構成例を示す図である。本例では、カーセルやポッケルスセルのような光学素子を光シャッタ１２として用い、像をストアする媒体として感光性フィルム１３を用いて高速撮像装置４を構成している。感光性フィルム１３のようなアナログフィルムであると、撮像した反射像のアドレッシングができないため、本例は、予め形状が予測される測定対象３の精密な形状計測に適している。光シャッタ１２の動作は、図２に示した高精度パルスジェネレータ８により制御される。本例では、３つの光シャッタを配置しているため、３種類の距離分解能で形状を計測することができる。
【００２４】
図５は、本発明で用いる高精度パルスジェネレータの機能をマルチプレクサにより一部ＩＣ化した場合の構成例である。マルチプレクサ（ＭＵＸ）５１〜５４は、それぞれコントローラ５５により制御される。ＭＵＸ５１はＩＣＣＤ４０に接続され、ＭＵＸ５２〜５４には遅延素子であるデイレイライン５６〜５８がそれぞれ所望の時間遅延分接続されている。本例では、マルチプレクサ５２に１０ｎｓｅｃきざみのデイレイライン５６が、マルチプレクサ５３には１ｎｓｅｃきざみのデイレイライン５７が、マルチプレクサ５４には０．１ｎｓｅｃきざみのデイレイライン５８がそれぞれ接続されている。本例では、レーザ光源の発光タイミングからトリガー信号（Ｔｒｉｇｇｅｒ Ｓｉｇｎａｌ）５９を受け、コントローラ５５にて先の実施例のアルゴリズムと同様にして、測定対象３の存在する領域あるいは測定者が希望する領域に基づいてマルチプレクサ５１〜５４を適宜選択して、撮像のタイミングを制御する。
【００２５】
このように本発明では、平面光の射出時刻から像を取り込む時刻までの時間設定を可変とすることにより、距離方向の分解能を任意に設定でき、測定対象が存在する領域あるいは測定者が希望する領域に限定して高分解能化していくので、計測の高速化と高分解能化を両立させ、さらに無駄な撮像を無くすことにより制御システムのコストアップを防ぐことができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、高速かつ高分解能の計測を可能とする三次元形状計測法および装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る三次元形状計測法の一実施例を示す図である。
【図２】本発明に係る三次元形状計測装置の一実施例を示す図である。
【図３】本実施例におけるタイミングチャートを示す図である。
【図４】本発明で用いる高速撮像装置の構成例を示す図である。
【図５】本発明で用いるパルスジェネレータの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１ 光射出装置
２ 平面光
３ 測定対象
４ 高速撮像装置
５ 半導体レーザ
６ エクスパンダー
７ コリメーター
８ 高精度パルスジェネレータ
１０ コンピュータ
１１ 画像メモリ
４０ ＩＣＣＤ

Claims (7)

1. 測定対象に光が射出されてから反射像が取り込まれるまでの時間を用いて測定対象までの距離を計測する三次元形状計測法であって、前記光の射出時刻と前記反射像の取り込み時刻との間の時間間隔を変えて距離を計測するものであり、第一ステップとして第１の時間分解能（ΔＴ）で前記測定対象の撮像を行い、その後のステップで前記測定対象の領域を限定し第１の時間分解能に対して時間分解能を上げて撮像を行うようにしたことを特徴とする三次元形状計測法。
2. 前記測定対象に射出される光が平面光又は略平面光であることを特徴とする請求項１記載の三次元形状計測法。
3. 測定対象に光を射出する光射出装置と、前記測定対象の反射像を取り込む撮像装置とを備え、前記光射出装置による光の射出から前記撮像装置による反射像の取り込みまでの時間を用いて測定対象までの距離を計測する三次元形状計測装置であって、前記光射出装置の光の射出時刻と前記撮像装置の反射像の取り込み時刻との間の時間間隔を可変するものであり、第一ステップとして第１の時間分解能（ΔＴ）で前記測定対象の撮像を行い、その後のステップで前記測定対象の領域を限定し第１の時間分解能に対して時間分解能を上げて撮像を行う手段を有することを特徴とする三次元形状計測装置。
4. 前記光射出装置が平面光又は略平面光を出射するよう構成されたことを特徴とする請求項３記載の三次元形状計測装置。
5. 前記撮像装置がアイ・シー・シー・ディーを用いて構成されたことを特徴とする請求項３又は４記載の三次元形状計測装置。
6. 前記撮像装置が光シャッタとして使用される光学素子と画像をストアする感光性フィルムとの組み合せで構成されたことを特徴とする請求項３又は４記載の三次元形状計測装置。
7. 前記光学素子がカーセル又はポッケルスセルであることを特徴とする請求項６記載の三次元形状計測装置。

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