JP3912666B2 - 光学的形状測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の形状と距離計測を行う光学的形状計測装置に関し、より具体的には、例えば、Ｗeb等の３Ｄコンテンツ作成や、工場のラインの異常検知，物体認識，３Ｄモデリングのためのデータ入力，ジェスチャ認識などに好適に用い得る光学的形状計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、物体の３次元の形状測定を行う形状測定装置としては、スリット状のレーザー光を測定対象物体に照射し、スリットの長手方向と垂直に走査しながら、スリット光の照射方向と異なる視野から観察することで生じる、測定対象物体形状に応じたスリット光の変形を、三角測量の原理を用いて形状として測定するものが知られている。
【０００３】
例えば、図２０に示すように、半導体レーザーユニット１０１と、ガルバノミラー１０２，シリンドリカルレンズ１０３からなる照射光学系と、結像レンズ１０７とＣＣＤ１０８からなる検知光学系からなる、光切断法を用いた形状測定装置が産業用によく用いられている。この装置では、半導体レーザーユニット１０１からビーム状に放射された光がガルバノミラー１０２で図中左右方向に走査され、シリンドリカルレンズ１０３で上下方向に拡大されて、縦に長いスリット光１０５となって測定対象物体（以下、測定物体という）１０４に照射される。
【０００４】
このとき、スリット光１０５が走査される方向、すなわち基線方向にずれた位置から、結像レンズ１０７を通して測定物体１０４から反射される反射光１０６を受光素子であるＣＣＤ１０８で観察すると、測定物体１０４の奥行き方向の凹凸に応じてＣＣＤ１０８上で直線状のスリット光１０５の変形と結像位置の移動が生じる。ＣＣＤ１０８で反射光１０６の像を観察することは、反射光１０６が結像レンズ１０７に入射する測定物体１０４の各点の位置を三角測量していることになり、スリット光１０５を照射する位置とＣＣＤ１０８の基線方向の位置の差(基線長)があらかじめ分かれば、この変形からスリット光１０５が照射されている部分の測定物体１０４の形状を測定することができる。ガルバノミラー１０２を振動させることで、スリット光１０５を測定物体１０４全体に走査しながら形状測定を繰り返せば、測定物体１０４全体の形状を得ることができる。
【０００５】
図２１を用いて三角測量の原理をさらに詳細に説明する（なお、これに関しては、例えば、吉澤徹著, "光三次元計測",pp.29-30, 新技術コミュニケーションズ, 1993年を参照）。スリット光源２０２（図２０のガルバノミラー１０２のビーム光の反射位置に相当する）と、受光器２０５（図２０のＣＣＤ１０８に相当する）が、基線長（Ｌ）２０１だけ離れているとする。スリット光源２０２から角度θで放射された光が２０３ａの位置にある測定物体２０３の表面で反射され、受光器２０５のある位置に角度φで入射し、結像するなら、式（１）の関係
Ｚa =（（tanθ * tanφ）／（tanθ + tanφ））L （１）
が成り立つ。
【０００６】
結像レンズ２１０と受光器２０５の距離（ｄ）２０９と、基線長から垂直方向への測定物体の距離（Ｚa ）２０４ａがあらかじめ分かっていると、入射角度φが求まる。もし、測定物体２０３が２０３ｂの位置にある場合に、受光器２０５での結像位置に対してｘ２１１だけずれて結像したとして、Ψ = arctan(x / d)の関係からΨがわかるので、式（２）の関係
Ｚb = （tanθ * tan(φ+Ψ)）／（tanθ + tan(φ+Ψ)）L （２）
からＺb ２０４ｂが求まる。
スリット光２０２を測定物体２０３全体を照射するように放射角度θを走査し、各θ毎に上記の手続きを繰り返せば、測定物体の各反射点と基線との距離Ｚ、すなわち形状が求められる。
【０００７】
スリット光を測定物体に順次走査する光切断法の欠点は、各スリット光を走査する光走査光学系が必要であり、通常、図２０のガルバノミラー１０２のような可動部品が用いられるため装置の振動に弱くなることと、角度θ毎に形状測定を繰り返す必要があるため、計測時間が長いことである。また、測定物体の表面の反射率に依存して受光器２０５で観測される光量に変動が生じ、受光器のどこに測定物体の像が結像しているかは、結像光量の最大値等から推定することが必要になることである。
【０００８】
スリット光を順次に走査する必要があるという、光切断法の欠点を改良した形状計測方法として、パターン投影法がある。これは、スリット光を走査する代わりに、スリット光の全体を面上に並べて、測定物体に１つのパターン光として一括して照射する方法である。ただし、そのままではパターン光のどの位置がどのスリット光に相当するか分からないため、あらかじめ何らかの方法でスリット光との対応、つまりどの照射角度で照射されたかを照射されたパターン光に情報を付加しておく。
【０００９】
パターン投影法の一種として、測定鵜物体に分光スペクトルパターンを一括して投影する方法（以下、レインボー法と称する）がある（例えば、特開昭６１−７５２１０号公報参照)。これについて、図２２に従って説明する。
光源３１２からスリット３１３を透過した光は、プリズム３１４で分光されて物体面３０５を覆うように、虹のような光パターンが照射される。プリズム３１４とスリット３１３の配置によって放射角度αに依存した色の分布が決まるので、物体３０５の表面で反射された光を、レンズ３０８で物体面を結像面３０９に結像させた像をカメラ３０７で観察された色から、入射光αが判断できる。光源３１２とカメラ３０７が距離Ｄだけ離れているので、放射角αが分かれば、その情報から三角測量法により物体面３０５の形状が求まる。色の同定はフィルタ３１５の透過波長を変えることで、物体面３０５の各点での反射光のうち、２種類の波長の比率を求めることで行う。
【００１０】
この方式では、光切断法のようにスリット光を順次走査する必要がなく、虹状の光を一括した形で測定物体に投影し、カラーカメラで一括して反射パターンを取り込めるため、スリット光の走査を行う機械的に脆弱な可動部がなく、形状測定時間を短くできる特徴がある。
その一方で、フィルタ３１５により２つの波長の反射光の比率をとることで照射光の放射方向αを決めるので、この精度が低いと形状データの奥行き方向の精度を下げることになる。反射光の測定精度を向上させるために、信号光である反射光量を雑音である背景光量に対してＳ／Ｎを十分高くすることが必要であることである。フィルタの透過波長幅を狭くすればそれは背景光の影響を除くことは可能であるが、同時に信号光も減少するので、Ｓ／Ｎの改善、すなわち分解能に限界が生じる。
【００１１】
また、別なパターン投影法として、強度比法(Intensity Ratio method)がある（例えば、B. Carrihill and R. Hummel, "Experiments with the Intensity Ratio Depth Sensor", Computer Vision, Graphics, and Image Processing, vol.
32, pp. 337-358, 1985年を参照)。
【００１２】
図２３に沿って強度比法の説明を行う。図２３の左右方向が基線方向であり、図２１と同様にパターン光源４０１（図２１のスリット光源２０２に相当）と受光器４０４（図２１の受光器２０５に相当）が基線方向４０６に対して異なる位置にある。パターン光源４０１からは基線方向４０６に対して光量分布を持つ測定面４０３全体を同時に照射する面状の光パターンを照射する。放射角θに対する２つの光パターンの強度分布をＧ１（θ）とＧ２（θ）とすると、各々の強度分布に対して測定面のある反射率σを持つ点で反射され、受光器４０４で受光された光量をＰ１，Ｐ２、パターン光源４０１の光量をＳとすると、式（３ａ），（３ｂ）の関係
Ｐ１＝Ｋ・σ・G1(θ)・S （３ａ）
Ｐ２＝Ｋ・σ・G2(θ)・S （３ｂ）
が成り立つ。ここで、Ｋはパターン光源４０１と受光器４０４，測定面４０３の位置関係から決まる係数である。
【００１３】
測定面４０３の反射率σは測定面の表面の特性に依存するため、あらかじめ決めることができないが、式（３ａ），（３ｂ）の比を取ると、式（４）の関係
Ｐ２／Ｐ１＝Ｇ２（θ）／Ｇ１（θ） （４）
となり、Ｐ２とＰ１の比は放射角度θだけに依存することがわかる。２つの強度分布光Ｇ１（θ）とＧ２（θ）を持つ光パターンで測定面を照射し、Ｐ２／Ｐ１を測定することで、放射角θに対して一意にθを求めることができるので、図２０のようにスリット光を基線方向に対して走査しながら順次ＣＣＤで光量を検知する必要がなく、２つのパターン光に対してＣＣＤの像を観測すればよいため、非常に計測時間が短縮される利点がある。ただし、Ｇ２（θ）／Ｇ１（θ）がθに対して一価関数であることが必要である。
【００１４】
例えば、Ｇ１（θ）がθに対して単調減少関数、Ｇ２（θ）がθに対して単調増加関数であれば、Ｇ２（θ）／Ｇ１（θ）はθに対して単調増加関数となり、Ｐ２／Ｐ１からθが一意に求まる。先のB. Carrihillの論文では、Ｇ１（θ）をθによらず一定な一様分布とし、Ｇ２（θ）を直線的に光量が増加する分布としているが、強度比法を用いる方法を開示している特開平１０−４８３３６号公報の記載等では、Ｇ１（θ）が直線的に減少する分布、Ｇ２（θ）が直線的に増加する分布を採用している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
このように強度比法は、光切断法と比較して、測定面の反射率に依存せず、２つのパターンを各々一括して照射して測定を行えるという利点を有するが、一方で欠点もある。強度比法の問題点は、２つの光パターンを受光素子で受光した光量の比率をとるときに、測定のＳ／Ｎを上げるために、信号光である反射光量を雑音である背景光量に対して十分高くすることが必要であることである。つまり、Ｇ１（θ）やＧ２（θ）の最小値が小さすぎるとＳ／Ｎが低下し、その影響が形状誤差となって現れることである。
【００１６】
すなわち、Ｐ２／Ｐ１のダイナミックレンジが大きくならない。一方、ＣＣＤの光量分解能には下限があるため、測定できる放射角θの分解能に下限が生じて、結局測定された形状の分解能が下がるという問題がある。
反射光の測定光量のＳ／Ｎに依存して形状の奥行き精度が決まるのは、先の例に示したレインボー法と同じである。
【００１７】
さらに別なパターン投影法として、位相シフト法がある。この方式は、測定物体に相互に位相を変えた複数の縞状の高度を持つ正弦波の光パターンを照射し、測定物体での反射光の強度情報を利用して、測定物体の凹凸による位相の変化を求める方式である。位相変化は奥行き情報を持っているため、位相情報から形状情報を求めることができる。例えば、吉澤徹著, "光三次元計測",pp.115-116, 新技術コミュニケーションズ, 1993年に従えば、位相変調された反射光Ｙは、背景光をａ、照射した正弦波パターンの振幅強度をｂ、観測される縞パターンの位相をω、あらかじめ与えることができる位相をωoとすると、
Ｙ（ωo）＝ａ＋ｂ*cos(ω＋ωo) （５）
となる。
【００１８】
ωoとして、０，π／２，πとした縞パターンを照射し、各々の測定物体で反射された反射光Ｙ（０），Ｙ（π／２），Ｙ（π）から、位相差ωが、
から求められる。位相ωが分かれば形状が求められる。位相シフト法の利点は、正弦波という形状が分かった縞パターンを投影するので、同じく照射された光パターンの強度分布から形を求めているにも係わらず、レインボー法や強度比法に比べて、高精度に形状を求められることである。また、強度比法と同じ振幅の光量変化が与えられたとすると、位相シフト法の方が短い周期の間で大きな光量の変化を与えることができるので、強度比法に比べて実質的にＳ／Ｎを改善できている。受光量Ｙの比を用いて位相、すなわち形状を求めているので測定物体の反射率に依存しないという点は、強度比法と同じである。
【００１９】
一方、位相から奥行き情報を求める場合に、位相情報が０から２πの間でしか求まらないため、本当の位相値との間に２πの整数倍の不定性が生じ、本質的に位相、すなわち奥行き情報の決定に曖昧さが伴う問題がある。通常は、位相値の連続性などを仮定して、測定された位相ωから真の位相を計算する（位相のアンラッピングと呼ばれる）を行う必要がある。
【００２０】
位相シフト法の位相不定性を改善した例として、位相シフト法と焦点法を併用した特開２０００−９４４４号公報に開示された技術がある。
焦点法は、物体の像のコントラストがカメラの焦点位置に測定物体がある場合に最大になることを利用した形状測定方法である。焦点法は位相シフト法のような形状の曖昧さがないが、形状の測定精度は位相シフト法に劣る。
図２４に従って説明する。測定物体５０７は撮像センサー５０８で焦点位置を変えながら形状測定される。一方、位相シフト法の照明系であるパターン投影機構５１７から縞パターンが照射され、撮像センサー５０８で位相情報を持った縞パターンの変形像が観測される。位相が異なる縞パターンは、光源５０１からコレクタレンズ５０２を通り、位相シフタ５０４で照射する縞パターンの位相を変えながら、投影レンズ５０５で物体５０７を照射される。
【００２１】
焦点法で形状の概形を求めた結果と、位相シフト法で求めた局所的には精密だが大域的には曖昧な形状を整合させれば、測定物体全体を高精度で計測することができる。
このように、焦点法と位相シフト法という２つの方式を組み合わせることで、両者の欠点を補える利点があるが、この場合、位相シフト法に組み合わせる方式としては、受光系である撮像センサーが焦点法を行えるように焦点機構を変えられるものであることが必要となるため、コスト高になる問題がある。
【００２２】
本発明の目的は、従来の技術における上述のような問題を解消し、従来の照射角度を照射されたパターン光の光量の情報から求める光学的形状測定方法において、光量のＳ／Ｎが劣化すると形状測定精度が劣化する問題を解決可能にした光学的形状測定装置を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明においては、下記のような構成を採用したことを特徴としている。以下、請求項に沿って発明の構成を説明する。
【００５３】
請求項１に係る光学的形状測定装置は、測定領域の概略形状を測定する概略形状測定手段と、第１の照明手段と第１の検知手段とを結ぶ視差方向に対して垂直に分割され、互いに重なりのない複数の部分測定領域に分割された測定領域内の各部分測定領域の各々に１種類以上の光パターンを照明する第１の照明手段と、前記各部分測定領域に照明された光パターンの反射光を検知する第１の検知手段と、この第１の検知手段で検知した反射光の光量と前記概略形状測定手段とから得られた形状データから、前記各部分測定領域のうちで前記反射光の光量データがどの部分測定領域に属するものかという曖昧さを除去し、曖昧さのない形状データを求める第１の形状推定手段とを有する形状測定手段とからなり、前記概略形状測定手段が、前記測定領域を２種類の光パターンで照射する第２の照明手段と、前記測定領域に照明された光パターンの反射光を検知する第２の検知手段と、この第２の検知手段で検知した２種類の反射光の光量の比から前記測定領域の形状データを決定する第２の形状推定手段からなる構成としている。
本請求項は、測定領域の全域を求める概略形状測定手段と各部分領域の形状測定の両方に対して、強度比法による測定手段を適用したものである。
本請求項は、あらかじめ概略測定手段で形状を求めておき、詳細形状は部分領域に光パターンを照射することで求め、後者の形状データの曖昧性は前者の形状データで除去するという、２種類の形状測定手段を相補的に組み合わせ、さらに測定領域の全域を求める概略形状測定手段と各部分領域の形状測定の両方に対して、強度比法による測定手段を適用する構成とした点が特徴である。
【００５４】
第１の照明手段で部分領域毎に光パターンを照射し、第１の検知手段で光量を得る部分に関しては、概略形状測定手段により、まず測定領域の全体の形状データを測定すると、測定領域の各測定点がどの部分領域に属しているか判断できる。この情報を用いれば、形状測定手段から得られた光量のデータの属する領域に関する曖昧性がなくなるため、第１の形状推定手段で両者の形状データに不整合がないように突き合わせることで、曖昧さがなく測定領域の全体の形状が求められる。この装置においては、概略形状測定手段と、部分領域に光パターンを投影し検知することで二重に形状を求めるので、一見無駄なようであるが、概略形状測定手段は検知された反射光量から部分領域の曖昧さを除くために、測定領域の各測定点がどの部分領域に属しているか判断できれば十分なので、形状計測精度は低くても構わない。
概略形状測定手段としては、概形が求まればどんな形状測定手段でもよいので、能動照明が不要な多眼のカメラから得られた２次元画像をステレオマッチングさせる方法等でもよい。
【００５６】
概略形状測定手段では、まず、２種類の光パターンを照射して光量を第２の検知手段で検知して、２つの光量の比から第２の形状推定手段により測定領域全体の形状データを求めることにより、測定領域の各測定点が属する部分領域を確定できる。第１の形状測定手段でも、同様に、部分領域毎に２種類の光パターンを照明して得られた反射光の光量の比を得るが、既に属する部分領域の曖昧さは形状データから知れているので、第１の形状推定手段では形状データと光量の比から、測定領域全体の形状データを得ることができる。
【００５７】
概略形状測定手段は形状測定手段より精度が低いが、領域の曖昧さを除去するには十分な精度を持つので、曖昧さなしに全体の形状を形状測定手段の精度で求めることができる。
ここで、第１の照明手段と第２の照明手段とは同じ照明手段であってもよいし、また、第１の検知手段と第２の検知手段とが同じ手段であってもよい。例えば、同じ手段で照射パターンを切り替えることで、概略形状測定手段と形状測定手段との視差を等しくできるので、第１の形状推定手段での処理を簡単化できるものである。
【００５８】
ここで、概略形状測定手段と形状測定手段が照射するパターンが、色１で測定領域全体に渡って視差方向に単調に光量が変化するパターン、色２で測定領域の全体にわたって均一な光量のパターン、色３で部分領域毎に視差方向に単調に光量が変化するパターンからなり、色２の光量が色１と色３の光量より常に小さく、色１が赤、色２が緑、色３が青、あるいは色１が青、色２が緑、色３が赤であり、検知手段がＲＧＢの波長分離を行うカラーＣＣＤセンサあるいはカラーＣＭＯＳセンサである構成としてもよい。
すなわち、ここでは、概略形状測定手段と形状測定手段の両方に強度比法を用いるものである。各々の手段で２種類の光量パターンが必要であるが、そのうちの１種類を共通化すること、３つのパターンを赤緑青に割り当て同時照射し、カラーセンサで一括検知することで、形状計測に必要なパターン照射回数を１回にしている。
【００５９】
概略形状測定手段に用いる照射パターンとしては、色１で照射される測定領域全体に渡って視差方向に単調に光量が変化するパターンと、色２で照射される測定領域の全体に渡って均一な光量のパターンを用い、この強度比から概形を求める。測定領域内でこの２つのパターンの照射角度に対する強度比は一意なので、従来の強度比法そのままである。
【００６０】
形状測定手段に用いる照射パターンとしては、色２で照射される測定領域の全体に渡って均一な光量のパターンと、色３で照射される部分領域毎に視差方向に単調に光量が変化するパターンとを用いる。この２つのパターンの強度比では、部分領域毎に同じ強度比が存在するので、あらかじめ概略形状測定手段で概略形状を求めておいて、その後に部分領域を特定し、部分領域毎の詳細形状を求める。このとき、色２で照射される測定領域の全体にわたって均一な光量のパターンが概略形状測定手段と形状測定手段で共通なパターンであるが、この色を緑に割り当てる。残りの２つのパターンは赤と青という色分離の良い色に割り当てる。これらの３色のパターンを同時に照射し、色フィルタつきのカラーセンサを用いて色分離することで、３つの光量情報を独立に検知する。
【００６１】
照射光源の色純度を高めることは、レーザや発光ダイオードを用いることで容易に行えるが、カラーセンサの緑のフィルタは透過波長範囲が広く、赤と青の色分離は難しいことが多い。つまり、カラーセンサで得られた緑の情報には赤と青の情報が混入しやすい。逆に光源の色純度を高めることで、緑の情報がセンサで得られた赤と青の情報に混入することは防げる。緑のパターンを均一強度として残りの２パターンに対して大きな光量を設定しておけば、緑に対する赤と青のデータの混入の影響を十分小さくできるので、その結果得られる形状の歪みも少なくなる。
【００６２】
またさらに、色２が白色であり、色２で検知された光量データを測定領域のテキスチャとして用いる構成としてもよい。
例えば、上述の色２の均一パターンとして緑ではなく白を選択し、強度には制限を設けないようにする。均一パターンを白色で照明するので、残りの２つのカラーパターンとは別に照明と撮影を行う必要がある。
白色の均一パターンを照射すれば、普通にカメラ撮影するときのように、測定領域のテキスチャ画像を撮影したのと同じ条件になる。形状測定を行う場合、テキスチャ画像を得られた形状データからなるポリゴンの上にマッピングする手法が一般的に行われているが、ここでは、形状測定とテキスチャ取り込みを同じパターンで行う。そのため見かけ上、形状計測の撮影が１回、テキスチャの撮影が１回の計２回でテキスチャつきの形状計測を行えることになり、取り込み回数が少なくなり、ユーザに負担がかからない。
【００６３】
最後に、請求項２に係る光学的形状測定装置では、請求項１に係る発明において、前記第１の照明手段が前記各部分測定領域を照明する光パターンは、前記各部分測定領域の視差方向に対して連続したあるいは不連続の色の並びである構成としている。
本請求項は、請求項１に係る発明の測定領域の全域を求める概略形状測定手段に強度比法による測定手段を、各部分領域の形状測定に対して、レインボー法による測定手段を適用したものである。
【００６４】
概略形状測定手段では、まず２種類の光パターンを照射して光量を第２の検知手段で検知して、２つの光量の比から第２の形状推定手段により測定領域全体の形状データを求めることにより、測定領域の各測定点が属する部分領域を確定できる。第１の形状測定手段では、部分領域毎に色が並んだ１種類の光パターンを照明して得られた反射光の光量から部分領域毎に色情報を得るが、既に属する部分領域の曖昧さは形状データから分かっているので、第１の形状推定手段では形状データと色情報から測定領域全体の形状データを得ることができる。
本構成によれば、形状測定手段にレインボー法を適用しているので、照射パターンが１種類で済むため、照明手段の構成を簡単化できるものである。
【００６５】
請求項１と同様に、概略形状測定手段は形状測定手段より精度が低いが、領域の曖昧さを除去するには十分な精度を持つので、曖昧さなしに全体の形状を形状測定手段の精度で求めることができる。
ここで、第１の照明手段と第２の照明手段とは同じ照明手段であってもよいし、また、第１の検知手段と第２の検知手段とが同じ手段であってもよい。例えば、同じ手段で照射パターンを切り替えることで、光学的形状測定手段と光学的形状測定手段の視差を等しくできるので、形状推定手段での処理が簡単化することができる。
【００６６】
また、請求項３に係る光学的形状測定装置では、請求項１に係る発明において、前記第１の照明手段が前記各部分測定領域を照明する光パターンの強度分布が、位相が異なる正弦波である構成としている。
本請求項は、請求項１の測定領域の全域を求める概略形状測定手段に強度比法による測定手段を、各部分領域の形状測定に対して位相シフト法による測定手段を適用したものである。
【００６７】
概略形状測定手段では、まず２種類の光パターンを照射して光量を第２の検知手段で検知して、２つの光量の比から第２の形状推定手段により測定領域全体の形状データを求めることにより、測定領域の各測定点が属する部分領域を確定できる。形状測定手段では部分領域と同じ周期を持つ正弦波の光パターンを投影する。例えば、光パターンの数を３、光パターン相互の位相差をπ／２，πとする。既に属する部分領域の曖昧さは形状データから分かっているので、第１の形状推定手段では形状データと位相シフト法の手続きにより求まる３つの光パターンの位相差情報から、位相差の曖昧性を除去しつつ、測定領域全体の形状データを得ることができる。
【００６８】
ここでは、形状測定手段に位相シフト法を適用しているので、強度比法やレインボー法より照射すべき光パターンの数が増えるが、測定精度は向上させることができる。なお、請求項１と同様に、概略形状測定手段は形状測定手段より精度が低いが、領域の曖昧さを除去するには十分な精度を持つので、曖昧さなしに全体の形状を形状測定手段の精度で求めることができる。
ここで、第１の照明手段と第２の照明手段とは同じ照明手段であってもよいし、また、第１の検知手段と第２の検知手段とが同じ手段であってもよい。例えば、同じ手段で照射パターンを切り替えることで、光学的形状測定手段と光学的形状測定手段の視差を等しくできるので、形状推定手段での処理が簡単化することができる。
【００６９】
〔参考例１〕
照明手段は照明装置４、検知手段はカメラ１０、測定領域は１５、測定領域の部分領域は１５−１，...５−６、光パターンはフィルタ２ａ，２ｂの透過率パターン、反射光量は光量データ１３、領域が曖昧な形状データは１６、形状推定手段は形状推定装置１１、形状データは形状データ１４、形状補正手段は形状補正装置１２に相当する。
本参考例の構成は、図１に示すように、照明装置４の照明光５を測定物体６に照射し、カメラ１０で反射光７の像を検知し、三角測量の原理で測定物体６の形状を計測するものである。ここでは、図面を分かりやすくするため、部分領域１５−４についてだけ反射光７を画いている。視差方向は、カメラ１０と照明装置４とを結ぶ方向であり、図面では左右方向である。
【００７０】
照明装置４の内部では、白色の光源１ａと光源１ｂで各々フィルタ２ａとフィルタ２ｂを照射し、２つのフィルタで強度変調した光をプリズム３で光軸を合わせて合成し、照射光５としている。照明装置４から照射された照明光５は、測定領域１５を６つの領域に分割した部分領域１５−１，…１５−６を、フィルタ２ａ，２ｂの透過率に応じて、２つの異なる光パターンで照明する。光パターンの切り替えは光源１ａ，１ｂの切り替えで行う。
カメラ１０は、測定物体６の像を検知するＣＣＤ９と、このＣＣＤ９に像を形成する結像レンズ８からなる。ＣＣＤ９で得られた光量データ１３は、形状推定装置１１で、領域の不定性をもった形状データ１６の推定を行い、形状補正装置１２で最終的に曖昧さがない形状データ１４を生成する。
【００７１】
フィルタ２ａ，２ｂの透過率分布の和を取ると、視差方向に対して透過率が一定の分布となるため、２つの光パターンで得られたテキスチャデータの和をとれば、測定領域全面を均一光で照射した場合のテキスチャデータとして利用することができる。
図２に示すように、フィルタ２ａ，２ｂは視差方向に対して、部分領域に対応させて透過率を変調しており、鋸歯状の透過率分布である。フィルタ２ａとフィルタ２ｂは、同じ６周期に分割されるが、視差方向に対して透過率の増減が異なる。そのため、光源１ａ，１ｂから放射された照明光５の放射角度は、フィルタ２ａ，２ｂの透過率の濃度と関係づけられていることになり、部分領域内に限定すると、通常の強度比と同じく、２つのフィルタで測定物体６に照射した光パターンの反射光の比を求めると、どの部分領域に属するかは曖昧だが、放射角度が求められる。
【００７２】
この処理を行うのは形状推定装置１１であり、結果として、領域の曖昧さがある形状データ１６が出力される。
図３の要部拡大斜視図に示すように、プリズム３の側面に配置されたフィルタ２ａ，２ｂは、光源１ａ，１ｂで照明されて、測定物体６を含む測定領域１５を照射する。測定領域１５は、フィルタ２ａ，２ｂの６つの分割に合わせて、視差方向に対して６つの部分領域１５−１，…１５−６に分割されて照明される。フィルタ２ａとフィルタ２ｂの照射パターンは、部分領域同志が一致するように位置合わせされている。
【００７３】
各部分領域に対して、フィルタ２ａとフィルタ２ｂの２つのパターンを、光源１ａ，１ｂを切り替えて２回照射し、カメラ１０で２回撮影する。各々の部分領域毎に、視差方向に対して光量が増加と減少する２つの光パターンの反射パターンが形成されるので、２つのパターンの光量比を取り、領域毎に強度比法を適用することで、部分領域毎の形状を求めることができる。この計算は、形状推定装置１１で行われる。
ただし、ＣＣＤ９では光量比は得られるが、６つの部分領域のどれに相当するかは不明であるので、例えば、部分領域の形状データ１６が相互に連続で滑らかに接続されるよう、形状補正装置１２で領域の曖昧さをなくす操作を行う。その結果が、形状データ１４として出力される。
【００７４】
本参考例においては、６つの部分領域毎に視差方向に増加あるいは減少する光パターンを照明しているので、フィルタ２ａ，２ｂの最大透過率と最小透過率が同じ場合、測定領域１５全体に対して増加あるいは減少する光パターンで照明する場合（図４）に比べて、視差方向に対して単位長さ当たりの光量変化が６倍となる。ＣＣＤ９には検知できる光量分解能に限界があるため、分解能の変化率が大きいことがすなわち光量分解能の向上につながる。結局、測定領域１５を部分領域１５−１，...１５−６に分割することで光量変化率を大きくできたので、形状の測定精度が向上する。形状測定には望ましくない背景光の影響があっても光量の検知ができるように、フィルタ２ａ，２ｂの最小透過率を下げたくない場合（図５）には、本実施例に示した、領域を分割して光量変化率を増加させる手法は特に有効である。
【００７５】
本参考例では領域の分割数を６としたが、必要精度に応じて分割数を変えてもよい。
また、図６に示すように、隣接する領域毎にフィルタの透過率の変化方向を変えてもよい。こうすることで、同じ光パターンであっても領域毎に増加方向が交互に変化するため、隣接する部分領域毎にどの領域に属するか判別するのが多少複雑になるが、図２の場合と異なり、隣接する部分領域で急激な光量変化を生じないマスクでも構わないため、フィルタ２ａ，２ｂの製造が容易になる。
【００７６】
〔参考例２〕
本参考例の構成は参考例1と同じであるが、フィルタ２ａ，２ｂを別の色フィルタとし、ＣＣＤ９をカラーＣＣＤとする構成もあり得る。例えば、フィルタ２ａを赤、フィルタ２ｂをシアン（赤の補色）を透過する色フィルタとすれば、光源１ａ，１ｂを同時に発光させても、カラーＣＣＤ９でフィルタ２ａとフィルタ２ｂのデータを赤とシアン（緑と青のデータの和）として検知できるので、カメラ１０の撮像回数が１回で済むため、カメラ１０の手ぶれによる撮像の劣化を生じることが少なくなる利点がある。
また、カラーＣＣＤでは、全ピクセルに対して赤：緑：青のピクセル数の比率が２：１：１の場合が多いので、赤とシアンの組み合わせで光パターンを照射すると、同じピクセル数で光量を検知できて、カラーＣＣＤ９で検知する際に、一方の光パターンだけが感度が減少する問題を回避できる。
【００７７】
〔参考例３〕
本参考例の構成は参考例１と同じであるが、フィルタ２ａ，２ｂの透過率の分布が異なっている。図７に、フィルタ２ａ，２ｂの透過率分布を示す。図２に比べて、測定領域１５の中央付近の領域幅が狭くなり、透過率変化が大きい。測定領域中央付近は、カメラ１０で観察する中心に相当し、通常は測定物体６が観察される可能性が一番高い位置であるから、分割領域の幅を狭くし、中央付近で形状の測定精度を上げている点が特徴である。
【００７８】
一方、分割する領域数が増えるほど、形状補正装置１２で補正する領域決定の曖昧さが増し、処理が複雑になり易いため、測定物体６が配置されることの少ない測定領域の周辺部(左右の端)でフィルタの領域分割の幅を増やし、中央に比べて若干精度を落としている。本参考例では、必要部分について重点的に精度を向上させることで、必要精度と領域決定の曖昧さを回復させる手間を最適化させることができる。
【００７９】
〔参考例４〕
本参考例の構成を図８に示す。参考例１と類似の構成であるが、照明装置４の構成が異なっている。照明装置４は、単一の光源１，フィルタ２からなり、フィルタ２は部分領域１５−１，...，１５−６毎に１０色の光パターンを照射する。図９に示すように、フィルタ２は６つに分割され、各領域が色の異なるバンドパスの色フィルタが並んでいる。図１０にように、６つの部分毎に可視波長を１０分割したバンドパス色フィルタを並べて、フィルタ２を構成する。
【００８０】
光源１から放射された白色光は、フィルタ２を透過後、照明光５として測定物体６を照射する。測定物体で反射された反射光７をカメラ１０のカラーＣＣＤ９で検知し、反射光７の色を判別すれば、カラーＣＣＤ９の各点に対して１０分割された照射角度を分離できるので、形状推定装置１１で、領域の曖昧性を持った形状データ１６が計算される。参考例１と同様に、形状補正装置１２により、領域決定の曖昧さをなくして、最終的な形状データ１４が得られる。
【００８１】
本参考例では、６つに分割された部分領域１５−１，...１５−６に対して、バンドパス色フィルタ１６−１−１，...１６−６−１０を並べることで、光源１からの照明光５の照射角度と色の関係を対応付けている。本方式の色分解能は、並べるフィルタの種類で決まるので、通常の色分解プリズムや回折格子を用いて連続的な色分布を生成する場合に比べて、色分解能（すなわち角度分解能であり、形状分解能でもある）が下がるが、フィルタの色の順番を自由にできること、液晶パネルと同様な半導体プロセスで薄いフィルタ材を集積化すればよいので、フィルタが薄くて簡単な構造になる利点がある。
【００８２】
ここでは、６つの部分領域に分割することで、バンドパス色フィルタの種類が１０種類だったとしても、さらに６倍分解能を上げられたのと同じなので、実質的に６×１０＝６０種類のバンドパス色フィルタでフィルタ２を構成したことになる。
本参考例においては、参考例１と異なり、プリズムが不要でフィルタ２も光源１も１つで済むため、構造が非常に簡略化できる。また、撮影回数も１回だけで済み、測定の手間が大幅に低減される。
【００８３】
〔実施例１〕
本実施例は、請求項１に基づいている。
請求項における第１の照明手段と第２の照明手段は照明装置４、第１の検知手段と第２の検知手段はカメラ１０、測定領域は１５、測定領域の部分領域は１５−１，…，１５−６、第２の照明手段に対応する光パターンはフィルタ２ａの透過率パターン、第１の照明手段に対応する光パターンはフィルタ２ｂ，２ｃの透過率パターン、第２の照明手段に対応する反射光量と第１の照明手段に対応する反射光量は光量データ１３、概略形状測定装置による形状データは概略形状データ１７、第２の形状推定手段は概略形状推定装置１８、第１の形状推定手段は形状推定装置１１、曖昧さのない形状データは形状データ１４に相当する。
【００８４】
本実施例の構成を、図１１に示す。参考例１の図１と類似の構成であり、照明装置４の照明光５を測定物体６に照射し、カメラ１０で反射光７の像を検知し、三角測量の原理で測定物体６の形状を計測するものである。図１と同様に、部分領域１５−４についてだけ反射光７を画いている。視差方向は、カメラ１０と照明装置４を結ぶ方向であり、図面では左右方向である。
【００８５】
照明装置４の内部では、３つの白色の光源１ａ，１ｂ，１ｃで３つのフィルタ２ａ，２ｂ，２ｃを照射し、３つのフィルタで強度変調した光を２つのプリズム３で光軸を合わせて合成し、照射光５としている。照明装置４から照射された照明光５は、測定領域１５を６つの領域に分割した部分領域１５−１，…，１５−６を、フィルタ２ａ，２ｂ，２ｃの透過率に応じて、３つの異なる光パターンで照明する。光パターンの切り替えは、光源１ａ，１ｂ，１ｃの切り替えで行う。カメラ１０は、測定物体６の像を検知するＣＣＤ９と、このＣＣＤ９に像を形成する結像レンズ８からなる。
ＣＣＤ９で得られたデータは、形状推定装置１１で形状の推定を行うが、実施例１と異なり、概略形状推定装置１８を付加することで、領域決定の曖昧さを本質的に除去する。
【００８６】
フィルタ２ａ，２ｂ，２ｃの透過率を、図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。図１２（ａ）に示すように、フィルタ２ａの透過率変化は、測定領域全域にわたって線形に単調増加するものであり、一方、図１２（ｂ），（ｃ）に示すように、フィルタ２ｂ，２ｃの変化は、各部分領域内で各々線形に単調増加と単調減少の分布を持っている。この３つのフィルタ２ａ，２ｂ，２ｃで照射したＣＣＤ９での受光データをＲa，Ｒb，Ｒcとすると、ＲbとＲcの和Ｒsは、測定領域全体を均一光で照射した場合の受光データになるので、テキスチャデータとして利用できると同時に、ＲaとＲsから、通常の強度比法を用いて全体の形状分布を得ることができる。つまり、Ｒa，Ｒb，Ｒcの光量データ１３は、まず、概略形状測定装置１８に入力され、概略形状データ１７として、形状推定装置１１に入力される。
【００８７】
ＲaとＲsから得られた概略形状データ１７は、ＲbとＲcから分割された領域毎に強度比法を適用して求めた場合の形状データに比べて精度が低いが、どの点がどの領域に属するかを決定するだけなら十分である。つまり、Ｒa，Ｒb，Ｒcを測定し、ＲaとＲsから測定物体６の形状を求めることで、ＣＣＤ９で得られた像の各点がどの部分領域に属するか決定して、部分領域に関する曖昧さをなくし、属する部分領域毎にＲb，Ｒcに対して強度比法を適用すれば、ＲaとＲsから求めた形状データより精度が高い形状データが得られる。つまり、概略形状測定装置１８から得られた概略形状データ１７でＲb，Ｒcの光量データがどの部分領域に属するか判断できるので、形状推定装置１１は光量データ１３であるＲc，Ｒbと概略形状データ１７から、精密な領域の曖昧さを除去した形状データ１４が得られる。
【００８８】
本実施例は、参考例１に比べてフィルタ数が多く、照明装置４の構成が複雑になっているが、参考例１の形状補正装置１２で行った形状データ１４の連続性や滑らかさを仮定せずに、部分領域への帰属の曖昧さを本質的になくすことができて、同時に形状の測定精度を向上させることができる効果が大きい。
本実施例では、３つのフィルタ２ａ，２ｂ，２ｃは色フィルタと組み合わせることも可能である。例えば、フィルタ２ａ，２ｂ，２ｃを、各々ＲＧＢの色フィルタと組み合わせれば、受光素子であるＣＣＤ９をカラーＣＣＤにすることで、ＲＧＢの３つの光パターンを同時に独立に検知することができるので、フィルタ毎に光源１ａ，１ｂ，１ｃを切り替える必要がなく、一括した形で３つの光パターンを照射できる。
【００８９】
〔実施例２〕
本実施例は、請求項１，２に基づいている。
本実施例の構成は、実施例１の図１１と同じ構成であるが、フィルタ２ａ，２ｂ，２ｃの透過率分布が異なっている。図１３（ａ），（ｂ），（ｃ）にフィルタ２ａ，２ｂ，２ｃの透過率を示す。フィルタ２ａは図１２（ａ）と同じで、視差方向に対して透過率が線形に増加する分布であり、逆に図１３（ｂ）のフィルタ２ｂの透過率分布は、視差方向に対して線形に減少する。ＣＣＤ９で受光したこの２者のフィルタで測定領域を照射したときの光量分布Ｒa，Ｒbに強度比法を適用すれば、測定領域１５全体の形状が求められる。フィルタ２ｃは実施例４の色フィルタと同じ構成であり、６つに分割された部分領域当たりに１０色のバンドパス色フィルタを並べたものである。フィルタ２ａ，２ｂの光量検知結果から部分領域を曖昧さなく決定できるので、フィルタ２ｃから得られた光量分布Ｒcの色を判断することで、各部分領域毎に照明光５の照射方向、すなわち物体形状を三角測量法から決定することができる。
【００９０】
本実施例でも、参考例２のように、フィルタ２ａを赤、フィルタ２ｂを赤の補色であるシアンを透過する色フィルタと組み合わせ、受光素子であるＣＣＤ９をカラーＣＣＤに置き換えれば、測定領域１５に対するフィルタ２ａ，２ｂの照射を１回で済ませることができ、２回目の照射をフィルタ２ｃで行うことで、全体として２回の照射と光量検知により形状を測定することができる。
【００９１】
〔実施例３〕
本実施例は、請求項１，３に基づいている。
請求項における第１の照明手段と第２の照明手段は照明装置４、第１の検知手段と第２の検知手段はカメラ１０、測定領域は１５、測定領域の部分領域は１５−１，…，１５−６、第１の照明手段に対応する光パターンと第２の照明手段に対応する光パターンはいずれも液晶パネル２の透過率パターン、第１の照明手段に対応する反射光量と第２の照明手段に対応する反射光量は光量データ１３、概略形状測定装置による形状データは概略形状データ１７、第２の形状推定手段は概略形状推定装置１８、第１の形状推定手段は形状推定装置１１、曖昧さのない形状データは形状データ１４に相当する。
【００９２】
本実施例の構成を、図１４に示す。照明装置４は、単一の光源１，透過型の液晶パネル２からなり、液晶パネル２は部分領域１５−１，…，１５−６毎に複数の光パターンを照射する。液晶パネルの透過率分布は、液晶パネルドライバ１９によって制御され、液晶パネルの透過率分布に従って、測定領域に対して所望の光量分布を照射する。光源１から液晶パネル２を通して照射される照射光５は、測定領域１５を照射し、そこに位置する測定物体６の表面で反射され、その反射光７は、カメラ１０の結像レンズ８でＣＣＤ９の上に結像される。像の検知結果はＣＣＤ９から光量データ１３として取出され、概略形状推定装置１８で領域の曖昧さを除去するための概略形状データ１７が計算され、形状推定装置１１で最終的に処理されて、精密な領域の曖昧さのない形状データ１４として取り出される。
【００９３】
液晶パネル２の透過率分布を、図１５に示す。まず、図１５（ａ），（ｂ）のように、視差方向に対して線形に増加、あるいは減少する透過率分布を生成し、各々の光透過率パターンに対して、光源１を発光させ、光量データＲa，Ｒbが得られる。Ｒa，Ｒbの比を用いれば、概略形状測定装置１８で通常の強度比法を適用することで、測定物体６の概略形状データ１７を求められるので、このデータを用いると、形状推定装置１１ではＣＣＤ９で得られた光量データ１３の各点がどの部分領域に属するか決定することができる。
【００９４】
次に、液晶パネル２の透過率分布を、図１５（ｃ），（ｄ），（ｅ）のように、位相がπ／２だけ異なる３つの正弦波として、各々の透過条件に応じて光量データＲc，Ｒd，Ｒeを求める。この３つのデータに対して、通常の位相シフト法を適用すれば、奥行き情報に相当する位相値が２πの整数倍の曖昧さを持って求まるが、この曖昧さは先に強度比法により、概略形状推定装置１８で概形形状データ１７として求まっているから、これに最もよく適合するように位相のずれを一意に決定できる。そのため、本実施例によれば、位相シフト法による精度の高さを十分に利用しながら、位相シフト法の位相不定性の問題を解決できる。
【００９５】
なお、参考例１，２，３、実施例１についても、本実施例のように液晶パネル２を用いて多少コストをかけることで、光源１とフィルタである液晶パネル２とを１つで済ませることができ、コンパクトな照射装置４を構成することができる。
【００９６】
以下に、本発明のさらに他の実施例を示す。
【００９７】
〔実施例４〕
本実施例の構成は、実施例１と同じであり、図１１のＣＣＤ９が１２０万画素、１２８０×９６０の画素数を持ち、ＣＣＤ９の光量データをデジタル化するＡＤ変換回路が１０ビットの場合である。１２８０の画素が並ぶ方向は、光源１ａと結像レンズ８を結ぶ視差方向（図中では、右上がりの方向）に沿っている。この方向の画素数Ｎ＝１２８０、領域数は６であり、Ｄ＝６、ｐ＝１０に相当している。ｐ＝８でも条件を満たすが、ｐ＝１０と余裕を持たせているのは、測定物体６の反射率がばらつきによる反射光量のダイナミックレンジの増加を４倍に見積もったためである。本実施例を用いることで、ＣＣＤのＡＤ変換のビット数の最低レベル（ｐ＝８）がわかるので、実仕様のＡＤ変換のビット数を容易に推定することができた。
【００９８】
〔実施例５〕
本実施例の構成は、実施例１と同じであり、図１１のフィルタ２ａ，２ｂ，２Ｃに、拡散反射を防止する無反射コートを施している。プリズム３で光源１ａ，１ｂ，１Ｃの光を重ねているので、光源１ｂ，１Ｃ、フィルタ２ｂ，２Ｃは、光学的には各々光源１ａ，フィルタ２ａの位置にあるのと等価なので、光源１ａとフィルタ２ａに限って説明を行う。
もし、無反射コートがなければ、フィルタからの拡散反射が測定物体６に重なって照射され、本来の光源１ａと異なるフィルタ２ａの位置に新たな擬似光源が置かれたことになる。その結果、視差方向が２つになるのに、ＣＣＤカメラ側ではこの２つの基線に依存したデータを分離できないため、三角測量の前提が崩れることで、誤った形状を再現することになる。
そこで、本実施例では、フィルタ２ａ，２ｂ，２ｃに無反射コートを施しているので、この擬似光源が存在せず、誤った形状とならない。
【００９９】
〔実施例６〕
本実施例の構成は、実施例１と同じであるが、６つの部分領域に分かれている部分を形状推定装置１１で部分領域ごとに求めるときに、部分領域の端（図１１の断面図では左右方向の、隣接する領域との境界近く）で７画素分のデータを棄却している。境界端から３画素程度で形状異常が得られることが多いので、余裕をもって端から７画素分を棄却した。強度比と照射角度の対応付けの、元データに異常がある場合が多い。領域境界では図１２（ｂ），（ｃ）のように急峻に光量分布が変わるため、照射系の光量変動や、フィルタ２ａ，２ｂ、２ｃの取り付け誤差、光源１ａ，１ｂ，１ｃの取り付け誤差などの影響で、必ずしもパターンの境界同士が厳密に重なるとは限らない。そのため、領域境界で誤った形状が得られてしまうが、本実施例のように、部分領域端での誤りやすいデータを棄却すすようにすれば、得られるデータ点数は若干減るが、誤りの少ない形状データが得られる。
【０１００】
〔実施例７〕
本実施例の構成は実施例を図１６に示す。実施例の基本構造は、実施例３と共通するが、照射部に市販の液晶プロジェクタのような結像レンズ２０を採用している点が異なる。結像系の焦点深度は約１００ｍｍである。測定領域の奥行き範囲をカメラ１０から４００〜６００ｍｍとすると、結像レンズ２０の焦点距離を、奥行き領域の中間位置であるカメラから５００ｍｍの位置に設定している。本実施例を用いることで、焦点深度を最大に生かした形状測定装置を構成できる。
【０１０１】
〔実施例８〕
本実施例の構成は、実施例１と同じである。概略形状推定装置１８と形状推定装置１１では、強度比をあらかじめ平滑化し線形補間を用いることで、強度比と照射角度の対応付けを行っている。
多項式でフィッティングすると、測定距離に対して９次の多項式で約０.４％、次数をあげても０.１％の相対精度誤差で飽和したが、強度比の平滑化と線形補間を用いることで0.06%の補間精度を得ることができた。
【０１０２】
〔実施例９〕
本実施例の構成は、実施例１と同じである。本実施例では、図１７に示すように、光源とカメラと測定点で張られた面の仰角xごとに、強度比と照射角度の対応付けの校正を行う。ここでいう強度比は、概略形状推定装置１８と形状推定装置１１で用いられる強度比と照射角度との対応関係の両方を含む。測定距離６００ｍｍ、基線長２００ｍｍ、３０万画素のＣＣＤカメラの条件で、仰角ごとに強度比と照射角度の対応関係を校正することで、カメラ側の歪曲収差を補正しなくても形状精度誤差を０.３％以下に改善できた。
【０１０３】
〔実施例１０〕
本実施例の構成は、実施例１と同じである。本実施例では、ＣＣＤ９から光量データを８回測定して平均を取っている。もし、検知光量にノイズが重なっていても、この平均化操作で緩和される。ＣＣＤ９からのデータは、３０フレーム/秒のビデオレートで入力されるので、8回の平均操作を行っても０.２６秒で画像データの読み込みは終了し、測定時間が長くかかることはない。
【０１０４】
〔実施例１１〕
本実施例の構成は、実施例１と同じである。本実施例では、パターン光を照射するフィルタ２ａ，２ｂ，......を図１８のように構成する。つまり、パターン照射のための透過率が変調されている部分をパターン照射領域２ａ−１，２ｂ−１，......に設け、一定の光量を照射する部分（光量モニタ領域）２ａ−２，２ｂ−２，......を新たに追加する。パターン照射領域２ａ−１，２ｂ−１，......を透過した光は測定領域を照射し、形状測定のためのパターン光を照射する。光量モニタ領域２ａ−２，２ｂ−２，......の光は、光量分布が無く一定強度の光量を照射するように、透過率を一定にしておく。フィルタの光量モニタ領域２ａ，２ｂ，......を透過して照射されたパターン光は、測定物体以外のところに照射され、必ずカメラ１０で検知できるようにしておく。カメラで撮像した像のうち、まず、光量モニタ領域の反射光量を積算する。フィルタ同士の光量モニタ領域の積算光量は、３つの光源１ａ，１ｂ，１ｃの光量が一定であれば変わらないはずである。この光量の増減をあらかじめ測定しておき、形状測定時に基準の積算光量と比較することで、光源の光量変動を読み取れる。この光量変動を用いれば、パターン照射領域で測定された光量の絶対値を補正できるので、パターン照射領域の反射光に相当する画素の値から、強度比法を用いて正しい形状を求められる。
【０１０５】
〔実施例１２〕
本実施例の構成は参考例２と同じであるが、フィルタ２ａが赤、フィルタ２ｂが青の色フィルタで構成されている。ＣＣＤ９はＲＧＢを検知可能な原色ＣＣＤセンサである。本実施例では、色分離が良い赤と青のパターンを同時照射していながら、2つのパターンを比較的低価格のＣＣＤでも分離して検知できる。
【０１０６】
〔実施例１３〕
本実施例の構成は，実施例１の図１１と同じであるが、フィルタ２ａ，２ｂ、２ｃの濃度分布が、図１９（ａ）〜（ｃ）のようになっており、２ａが赤（ａ）、２ｂが青（ｂ）、２ｃが緑（ｃ）の色フィルタで構成されている。ＣＣＤ９はＲＧＢを検知可能な原色ＣＣＤセンサである。（ａ）対（ｃ）パターンの反射光量の強度比を用い、従来の強度比法から概略形状推定装置１８で概略形状を推定し、（ｂ）と（ｃ）のパターンの反射光量の強度比を用い、形状指定装置１１で部分領域ごとの詳細形状を求める。
このとき、（ｃ）の緑パターンの光量が、（ａ）の赤，（ｂ）の青のパターンに対して常に大きいので、カラーカメラ１０で得られた（ａ），（ｂ）の光量分布が、（ｃ）で得られるはずの光量分布への混入が少なく、誤りの少ない光量分布を得られ、その結果誤りの少ない形状が再現される。
【０１０７】
〔実施例１４〕
本実施例の構成は、実施例１３と同じである。ただし、図１９の（ｃ）を白色光源１ｃとし、フィルタ２ｃは取り除いてある。光源１ａ，１ｂを点灯して形状計測のため、図１９（ａ），（ｂ）のパターンを照射し、カラーカメラ１０で反射光量を撮像する。次に、光源１ｃだけを点灯して、カラーカメラ１０で反射光量を検知する。（ａ），（ｂ），（ｃ）パターンの反射光量の比から形状を再現するのは実施例１７と同じだが、パターン（ｃ）の照射時に得られた光量分布には、フラッシュつきのカメラで撮影したような測定物体のテキスチャが得られている。このテキスチャを得られた形状データの上にマッピングすることで、測定物体の形状だけでなく本物らしいテキスチャつきの立体形状データが得られる。このときの撮影回数は、形状測定の1回と、テキスチャ取り込みの1回、計2回で済み、ユーザーへの負担が少ない。
【０１０８】
なお、上記各実施例はいずれも本発明の一例を示すものであり、本発明はこれらに限定されるべきものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲内で適宜の変更，改良を行ってもよいことはいうまでもないことである。
【０１０９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、下記のような効果を得られるものである。
【０１１３】
請求項１では、領域の不定性のない形状測定手段の測定結果から、領域の不定性のある高精度の形状測定手段の測定結果の領域不定性を除去しているので、測定領域全体として測定精度を保ちながら、本質的な曖昧さのない形状測定ができるようになる。また、領域の不定性のない形状測定手段と領域の不定性のある高精度の形状測定手段の測定手法に、各々２つの光パターンしか用いないので、簡便な照明手段で形状測定を行うことができる。
【０１１４】
請求項２では、領域の不定性のない形状測定手段に２つの光パターン、領域の不定性のある高精度の形状測定手段に１つの光パターンしか用いないので、簡便な照明手段で形状測定を行うことができる。
請求項３では、領域の不定性のない形状測定手段に２つの光パターン、領域の不定性のある高精度の形状測定手段にいわゆる位相シフト法を用いているので、位相シフト法の欠点である位相の不定性をなくしながら、位相シフト法の特徴である高い精度を利用して、高精度の形状測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一参考例に係る形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図２】 図１に示した参考例に係る形状測定装置に用いられるフィルタの透過率分布を示す図である。
【図３】図１に示した形状測定装置の要部拡大斜視図である。
【図４】図１に示した形状測定装置における作用を説明する図（その１）である。
【図５】図１に示した形状測定装置における作用を説明する図（その２）である。
【図６】図１に示した形状測定装置における作用を説明する図（その３）である。
【図７】 本発明の他の参考例に係る形状測定装置に用いられるフィルタの透過率分布を示す図である。
【図８】 本発明のさらに他の参考例に係る形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図９】図８に示した形状測定装置に用いられるフィルタの透過率分布を示す図（その１）である。
【図１０】図８に示した形状測定装置に用いられるフィルタの透過率分布を示す図（その２）である。
【図１１】 本発明の実施例に係る形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図１２】図１１に示した形状測定装置に用いられるフィルタの透過率分布を示す図（その１）である。
【図１３】図１１に示した形状測定装置に用いられるフィルタの透過率分布を示す図（その２）である。
【図１４】 本発明の他の実施例に係る形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図１５】図１４に示した形状測定装置に用いられるフィルタの透過率分布を示す図である。
【図１６】本発明のさらに他の実施例に係る形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図１７】本発明のさらに他の実施例に係る形状測定装置における、強度比と照射角度の対応付けの校正状況を示す図である。
【図１８】本発明のさらに他の実施例に係る形状測定装置における、フィルタの較正を示す図である。
【図１９】本発明のさらに他の実施例に係る実施例に係る形状測定装置に用いられるフィルタの透過率分布を示す図である。
【図２０】従来の光学的形状測定装置の概略構成を示す図（その１）である。
【図２１】三角測量の原理を説明する図である。
【図２２】従来の光学的形状測定装置の概略構成を示す図（その２）である。
【図２３】従来の光学的形状測定装置の概略構成を示す図（その３）である。
【図２４】従来の光学的形状測定装置の概略構成を示す図（その４）である。
【符号の説明】
１，１ａ，…… 光源
２，２ａ，…… フィルタ
２ａ−１，２ｂ−１，…… パターン照射領域
２ａ−２，２ｂ−２，…… 光量モニタ領域
３ プリズム
４ 照明装置
５ 照明光
６ 測定物体
７ 反射光
８，２０ 結像レンズ
９ ＣＣＤ
１０ カメラ
１１ 形状推定装置
１２ 形状補正装置
１３ 光量データ
１４ 形状データ
１５，１５−１，…… 測定領域
１６ 領域が不定な形状データ
１７ 概略形状データ
１８ 概略形状推定装置
１９ 液晶パネルドライバ
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の形状と距離計測を行う光学的形状計測装置に関し、より具体的には、例えば、Ｗeb等の３Ｄコンテンツ作成や、工場のラインの異常検知，物体認識，３Ｄモデリングのためのデータ入力，ジェスチャ認識などに好適に用い得る光学的形状計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、物体の３次元の形状測定を行う形状測定装置としては、スリット状のレーザー光を測定対象物体に照射し、スリットの長手方向と垂直に走査しながら、スリット光の照射方向と異なる視野から観察することで生じる、測定対象物体形状に応じたスリット光の変形を、三角測量の原理を用いて形状として測定するものが知られている。
【０００３】
例えば、図２０に示すように、半導体レーザーユニット１０１と、ガルバノミラー１０２，シリンドリカルレンズ１０３からなる照射光学系と、結像レンズ１０７とＣＣＤ１０８からなる検知光学系からなる、光切断法を用いた形状測定装置が産業用によく用いられている。この装置では、半導体レーザーユニット１０１からビーム状に放射された光がガルバノミラー１０２で図中左右方向に走査され、シリンドリカルレンズ１０３で上下方向に拡大されて、縦に長いスリット光１０５となって測定対象物体（以下、測定物体という）１０４に照射される。
【０００４】
このとき、スリット光１０５が走査される方向、すなわち基線方向にずれた位置から、結像レンズ１０７を通して測定物体１０４から反射される反射光１０６を受光素子であるＣＣＤ１０８で観察すると、測定物体１０４の奥行き方向の凹凸に応じてＣＣＤ１０８上で直線状のスリット光１０５の変形と結像位置の移動が生じる。ＣＣＤ１０８で反射光１０６の像を観察することは、反射光１０６が結像レンズ１０７に入射する測定物体１０４の各点の位置を三角測量していることになり、スリット光１０５を照射する位置とＣＣＤ１０８の基線方向の位置の差(基線長)があらかじめ分かれば、この変形からスリット光１０５が照射されている部分の測定物体１０４の形状を測定することができる。ガルバノミラー１０２を振動させることで、スリット光１０５を測定物体１０４全体に走査しながら形状測定を繰り返せば、測定物体１０４全体の形状を得ることができる。
【０００５】
図２１を用いて三角測量の原理をさらに詳細に説明する（なお、これに関しては、例えば、吉澤徹著, "光三次元計測",pp.29-30, 新技術コミュニケーションズ, 1993年を参照）。スリット光源２０２（図２０のガルバノミラー１０２のビーム光の反射位置に相当する）と、受光器２０５（図２０のＣＣＤ１０８に相当する）が、基線長（Ｌ）２０１だけ離れているとする。スリット光源２０２から角度θで放射された光が２０３ａの位置にある測定物体２０３の表面で反射され、受光器２０５のある位置に角度φで入射し、結像するなら、式（１）の関係
Ｚa =（（tanθ * tanφ）／（tanθ + tanφ））L （１）
が成り立つ。
【０００６】
結像レンズ２１０と受光器２０５の距離（ｄ）２０９と、基線長から垂直方向への測定物体の距離（Ｚa ）２０４ａがあらかじめ分かっていると、入射角度φが求まる。もし、測定物体２０３が２０３ｂの位置にある場合に、受光器２０５での結像位置に対してｘ２１１だけずれて結像したとして、Ψ = arctan(x / d)の関係からΨがわかるので、式（２）の関係
Ｚb = （tanθ * tan(φ+Ψ)）／（tanθ + tan(φ+Ψ)）L （２）
からＺb ２０４ｂが求まる。
スリット光２０２を測定物体２０３全体を照射するように放射角度θを走査し、各θ毎に上記の手続きを繰り返せば、測定物体の各反射点と基線との距離Ｚ、すなわち形状が求められる。
【０００７】
スリット光を測定物体に順次走査する光切断法の欠点は、各スリット光を走査する光走査光学系が必要であり、通常、図２０のガルバノミラー１０２のような可動部品が用いられるため装置の振動に弱くなることと、角度θ毎に形状測定を繰り返す必要があるため、計測時間が長いことである。また、測定物体の表面の反射率に依存して受光器２０５で観測される光量に変動が生じ、受光器のどこに測定物体の像が結像しているかは、結像光量の最大値等から推定することが必要になることである。
【０００８】
スリット光を順次に走査する必要があるという、光切断法の欠点を改良した形状計測方法として、パターン投影法がある。これは、スリット光を走査する代わりに、スリット光の全体を面上に並べて、測定物体に１つのパターン光として一括して照射する方法である。ただし、そのままではパターン光のどの位置がどのスリット光に相当するか分からないため、あらかじめ何らかの方法でスリット光との対応、つまりどの照射角度で照射されたかを照射されたパターン光に情報を付加しておく。
【０００９】
パターン投影法の一種として、測定鵜物体に分光スペクトルパターンを一括して投影する方法（以下、レインボー法と称する）がある（例えば、特開昭６１−７５２１０号公報参照)。これについて、図２２に従って説明する。
光源３１２からスリット３１３を透過した光は、プリズム３１４で分光されて物体面３０５を覆うように、虹のような光パターンが照射される。プリズム３１４とスリット３１３の配置によって放射角度αに依存した色の分布が決まるので、物体３０５の表面で反射された光を、レンズ３０８で物体面を結像面３０９に結像させた像をカメラ３０７で観察された色から、入射光αが判断できる。光源３１２とカメラ３０７が距離Ｄだけ離れているので、放射角αが分かれば、その情報から三角測量法により物体面３０５の形状が求まる。色の同定はフィルタ３１５の透過波長を変えることで、物体面３０５の各点での反射光のうち、２種類の波長の比率を求めることで行う。
【００１０】
この方式では、光切断法のようにスリット光を順次走査する必要がなく、虹状の光を一括した形で測定物体に投影し、カラーカメラで一括して反射パターンを取り込めるため、スリット光の走査を行う機械的に脆弱な可動部がなく、形状測定時間を短くできる特徴がある。
その一方で、フィルタ３１５により２つの波長の反射光の比率をとることで照射光の放射方向αを決めるので、この精度が低いと形状データの奥行き方向の精度を下げることになる。反射光の測定精度を向上させるために、信号光である反射光量を雑音である背景光量に対してＳ／Ｎを十分高くすることが必要であることである。フィルタの透過波長幅を狭くすればそれは背景光の影響を除くことは可能であるが、同時に信号光も減少するので、Ｓ／Ｎの改善、すなわち分解能に限界が生じる。
【００１１】
また、別なパターン投影法として、強度比法(Intensity Ratio method)がある（例えば、B. Carrihill and R. Hummel, "Experiments with the Intensity Ratio Depth Sensor", Computer Vision, Graphics, and Image Processing, vol.
32, pp. 337-358, 1985年を参照)。
【００１２】
図２３に沿って強度比法の説明を行う。図２３の左右方向が基線方向であり、図２１と同様にパターン光源４０１（図２１のスリット光源２０２に相当）と受光器４０４（図２１の受光器２０５に相当）が基線方向４０６に対して異なる位置にある。パターン光源４０１からは基線方向４０６に対して光量分布を持つ測定面４０３全体を同時に照射する面状の光パターンを照射する。放射角θに対する２つの光パターンの強度分布をＧ１（θ）とＧ２（θ）とすると、各々の強度分布に対して測定面のある反射率σを持つ点で反射され、受光器４０４で受光された光量をＰ１，Ｐ２、パターン光源４０１の光量をＳとすると、式（３ａ），（３ｂ）の関係
Ｐ１＝Ｋ・σ・G1(θ)・S （３ａ）
Ｐ２＝Ｋ・σ・G2(θ)・S （３ｂ）
が成り立つ。ここで、Ｋはパターン光源４０１と受光器４０４，測定面４０３の位置関係から決まる係数である。
【００１３】
測定面４０３の反射率σは測定面の表面の特性に依存するため、あらかじめ決めることができないが、式（３ａ），（３ｂ）の比を取ると、式（４）の関係
Ｐ２／Ｐ１＝Ｇ２（θ）／Ｇ１（θ） （４）
となり、Ｐ２とＰ１の比は放射角度θだけに依存することがわかる。２つの強度分布光Ｇ１（θ）とＧ２（θ）を持つ光パターンで測定面を照射し、Ｐ２／Ｐ１を測定することで、放射角θに対して一意にθを求めることができるので、図２０のようにスリット光を基線方向に対して走査しながら順次ＣＣＤで光量を検知する必要がなく、２つのパターン光に対してＣＣＤの像を観測すればよいため、非常に計測時間が短縮される利点がある。ただし、Ｇ２（θ）／Ｇ１（θ）がθに対して一価関数であることが必要である。
【００１４】
例えば、Ｇ１（θ）がθに対して単調減少関数、Ｇ２（θ）がθに対して単調増加関数であれば、Ｇ２（θ）／Ｇ１（θ）はθに対して単調増加関数となり、Ｐ２／Ｐ１からθが一意に求まる。先のB. Carrihillの論文では、Ｇ１（θ）をθによらず一定な一様分布とし、Ｇ２（θ）を直線的に光量が増加する分布としているが、強度比法を用いる方法を開示している特開平１０−４８３３６号公報の記載等では、Ｇ１（θ）が直線的に減少する分布、Ｇ２（θ）が直線的に増加する分布を採用している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
このように強度比法は、光切断法と比較して、測定面の反射率に依存せず、２つのパターンを各々一括して照射して測定を行えるという利点を有するが、一方で欠点もある。強度比法の問題点は、２つの光パターンを受光素子で受光した光量の比率をとるときに、測定のＳ／Ｎを上げるために、信号光である反射光量を雑音である背景光量に対して十分高くすることが必要であることである。つまり、Ｇ１（θ）やＧ２（θ）の最小値が小さすぎるとＳ／Ｎが低下し、その影響が形状誤差となって現れることである。
【００１６】
すなわち、Ｐ２／Ｐ１のダイナミックレンジが大きくならない。一方、ＣＣＤの光量分解能には下限があるため、測定できる放射角θの分解能に下限が生じて、結局測定された形状の分解能が下がるという問題がある。
反射光の測定光量のＳ／Ｎに依存して形状の奥行き精度が決まるのは、先の例に示したレインボー法と同じである。
【００１７】
さらに別なパターン投影法として、位相シフト法がある。この方式は、測定物体に相互に位相を変えた複数の縞状の高度を持つ正弦波の光パターンを照射し、測定物体での反射光の強度情報を利用して、測定物体の凹凸による位相の変化を求める方式である。位相変化は奥行き情報を持っているため、位相情報から形状情報を求めることができる。例えば、吉澤徹著, "光三次元計測",pp.115-116, 新技術コミュニケーションズ, 1993年に従えば、位相変調された反射光Ｙは、背景光をａ、照射した正弦波パターンの振幅強度をｂ、観測される縞パターンの位相をω、あらかじめ与えることができる位相をωoとすると、
Ｙ（ωo）＝ａ＋ｂ*cos(ω＋ωo) （５）
となる。
【００１８】
ωoとして、０，π／２，πとした縞パターンを照射し、各々の測定物体で反射された反射光Ｙ（０），Ｙ（π／２），Ｙ（π）から、位相差ωが、
【００１９】
一方、位相から奥行き情報を求める場合に、位相情報が０から２πの間でしか求まらないため、本当の位相値との間に２πの整数倍の不定性が生じ、本質的に位相、すなわち奥行き情報の決定に曖昧さが伴う問題がある。通常は、位相値の連続性などを仮定して、測定された位相ωから真の位相を計算する（位相のアンラッピングと呼ばれる）を行う必要がある。
【００２０】
位相シフト法の位相不定性を改善した例として、位相シフト法と焦点法を併用した特開２０００−９４４４号公報に開示された技術がある。
焦点法は、物体の像のコントラストがカメラの焦点位置に測定物体がある場合に最大になることを利用した形状測定方法である。焦点法は位相シフト法のような形状の曖昧さがないが、形状の測定精度は位相シフト法に劣る。
図２４に従って説明する。測定物体５０７は撮像センサー５０８で焦点位置を変えながら形状測定される。一方、位相シフト法の照明系であるパターン投影機構５１７から縞パターンが照射され、撮像センサー５０８で位相情報を持った縞パターンの変形像が観測される。位相が異なる縞パターンは、光源５０１からコレクタレンズ５０２を通り、位相シフタ５０４で照射する縞パターンの位相を変えながら、投影レンズ５０５で物体５０７を照射される。
【００２１】
焦点法で形状の概形を求めた結果と、位相シフト法で求めた局所的には精密だが大域的には曖昧な形状を整合させれば、測定物体全体を高精度で計測することができる。
このように、焦点法と位相シフト法という２つの方式を組み合わせることで、両者の欠点を補える利点があるが、この場合、位相シフト法に組み合わせる方式としては、受光系である撮像センサーが焦点法を行えるように焦点機構を変えられるものであることが必要となるため、コスト高になる問題がある。
【００２２】
本発明の目的は、従来の技術における上述のような問題を解消し、従来の照射角度を照射されたパターン光の光量の情報から求める光学的形状測定方法において、光量のＳ／Ｎが劣化すると形状測定精度が劣化する問題を解決可能にした光学的形状測定装置を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明においては、下記のような構成を採用したことを特徴としている。以下、請求項に沿って発明の構成を説明する。
【００５３】
請求項１に係る光学的形状測定装置は、測定領域の概略形状を測定する概略形状測定手段と、第１の照明手段と第１の検知手段とを結ぶ視差方向に対して垂直に分割され、互いに重なりのない複数の部分測定領域に分割された測定領域内の各部分測定領域の各々に１種類以上の光パターンを照明する第１の照明手段と、前記各部分測定領域に照明された光パターンの反射光を検知する第１の検知手段と、この第１の検知手段で検知した反射光の光量と前記概略形状測定手段とから得られた形状データから、前記各部分測定領域のうちで前記反射光の光量データがどの部分測定領域に属するものかという曖昧さを除去し、曖昧さのない形状データを求める第１の形状推定手段とを有する形状測定手段とからなり、前記概略形状測定手段が、前記測定領域を２種類の光パターンで照射する第２の照明手段と、前記測定領域に照明された光パターンの反射光を検知する第２の検知手段と、この第２の検知手段で検知した２種類の反射光の光量の比から前記測定領域の形状データを決定する第２の形状推定手段からなる構成としている。
本請求項は、測定領域の全域を求める概略形状測定手段と各部分領域の形状測定の両方に対して、強度比法による測定手段を適用したものである。
本請求項は、あらかじめ概略測定手段で形状を求めておき、詳細形状は部分領域に光パターンを照射することで求め、後者の形状データの曖昧性は前者の形状データで除去するという、２種類の形状測定手段を相補的に組み合わせ、さらに測定領域の全域を求める概略形状測定手段と各部分領域の形状測定の両方に対して、強度比法による測定手段を適用する構成とした点が特徴である。
【００５４】
第１の照明手段で部分領域毎に光パターンを照射し、第１の検知手段で光量を得る部分に関しては、概略形状測定手段により、まず測定領域の全体の形状データを測定すると、測定領域の各測定点がどの部分領域に属しているか判断できる。この情報を用いれば、形状測定手段から得られた光量のデータの属する領域に関する曖昧性がなくなるため、第１の形状推定手段で両者の形状データに不整合がないように突き合わせることで、曖昧さがなく測定領域の全体の形状が求められる。この装置においては、概略形状測定手段と、部分領域に光パターンを投影し検知することで二重に形状を求めるので、一見無駄なようであるが、概略形状測定手段は検知された反射光量から部分領域の曖昧さを除くために、測定領域の各測定点がどの部分領域に属しているか判断できれば十分なので、形状計測精度は低くても構わない。
概略形状測定手段としては、概形が求まればどんな形状測定手段でもよいので、能動照明が不要な多眼のカメラから得られた２次元画像をステレオマッチングさせる方法等でもよい。
【００５６】
概略形状測定手段では、まず、２種類の光パターンを照射して光量を第２の検知手段で検知して、２つの光量の比から第２の形状推定手段により測定領域全体の形状データを求めることにより、測定領域の各測定点が属する部分領域を確定できる。第１の形状測定手段でも、同様に、部分領域毎に２種類の光パターンを照明して得られた反射光の光量の比を得るが、既に属する部分領域の曖昧さは形状データから知れているので、第１の形状推定手段では形状データと光量の比から、測定領域全体の形状データを得ることができる。
【００５７】
概略形状測定手段は形状測定手段より精度が低いが、領域の曖昧さを除去するには十分な精度を持つので、曖昧さなしに全体の形状を形状測定手段の精度で求めることができる。
ここで、第１の照明手段と第２の照明手段とは同じ照明手段であってもよいし、また、第１の検知手段と第２の検知手段とが同じ手段であってもよい。例えば、同じ手段で照射パターンを切り替えることで、概略形状測定手段と形状測定手段との視差を等しくできるので、第１の形状推定手段での処理を簡単化できるものである。
【００５８】
ここで、概略形状測定手段と形状測定手段が照射するパターンが、色１で測定領域全体に渡って視差方向に単調に光量が変化するパターン、色２で測定領域の全体にわたって均一な光量のパターン、色３で部分領域毎に視差方向に単調に光量が変化するパターンからなり、色２の光量が色１と色３の光量より常に小さく、色１が赤、色２が緑、色３が青、あるいは色１が青、色２が緑、色３が赤であり、検知手段がＲＧＢの波長分離を行うカラーＣＣＤセンサあるいはカラーＣＭＯＳセンサである構成としてもよい。
すなわち、ここでは、概略形状測定手段と形状測定手段の両方に強度比法を用いるものである。各々の手段で２種類の光量パターンが必要であるが、そのうちの１種類を共通化すること、３つのパターンを赤緑青に割り当て同時照射し、カラーセンサで一括検知することで、形状計測に必要なパターン照射回数を１回にしている。
【００５９】
概略形状測定手段に用いる照射パターンとしては、色１で照射される測定領域全体に渡って視差方向に単調に光量が変化するパターンと、色２で照射される測定領域の全体に渡って均一な光量のパターンを用い、この強度比から概形を求める。測定領域内でこの２つのパターンの照射角度に対する強度比は一意なので、従来の強度比法そのままである。
【００６０】
形状測定手段に用いる照射パターンとしては、色２で照射される測定領域の全体に渡って均一な光量のパターンと、色３で照射される部分領域毎に視差方向に単調に光量が変化するパターンとを用いる。この２つのパターンの強度比では、部分領域毎に同じ強度比が存在するので、あらかじめ概略形状測定手段で概略形状を求めておいて、その後に部分領域を特定し、部分領域毎の詳細形状を求める。このとき、色２で照射される測定領域の全体にわたって均一な光量のパターンが概略形状測定手段と形状測定手段で共通なパターンであるが、この色を緑に割り当てる。残りの２つのパターンは赤と青という色分離の良い色に割り当てる。これらの３色のパターンを同時に照射し、色フィルタつきのカラーセンサを用いて色分離することで、３つの光量情報を独立に検知する。
【００６１】
照射光源の色純度を高めることは、レーザや発光ダイオードを用いることで容易に行えるが、カラーセンサの緑のフィルタは透過波長範囲が広く、赤と青の色分離は難しいことが多い。つまり、カラーセンサで得られた緑の情報には赤と青の情報が混入しやすい。逆に光源の色純度を高めることで、緑の情報がセンサで得られた赤と青の情報に混入することは防げる。緑のパターンを均一強度として残りの２パターンに対して大きな光量を設定しておけば、緑に対する赤と青のデータの混入の影響を十分小さくできるので、その結果得られる形状の歪みも少なくなる。
【００６２】
またさらに、色２が白色であり、色２で検知された光量データを測定領域のテキスチャとして用いる構成としてもよい。
例えば、上述の色２の均一パターンとして緑ではなく白を選択し、強度には制限を設けないようにする。均一パターンを白色で照明するので、残りの２つのカラーパターンとは別に照明と撮影を行う必要がある。
白色の均一パターンを照射すれば、普通にカメラ撮影するときのように、測定領域のテキスチャ画像を撮影したのと同じ条件になる。形状測定を行う場合、テキスチャ画像を得られた形状データからなるポリゴンの上にマッピングする手法が一般的に行われているが、ここでは、形状測定とテキスチャ取り込みを同じパターンで行う。そのため見かけ上、形状計測の撮影が１回、テキスチャの撮影が１回の計２回でテキスチャつきの形状計測を行えることになり、取り込み回数が少なくなり、ユーザに負担がかからない。
【００６３】
最後に、請求項２に係る光学的形状測定装置では、請求項１に係る発明において、前記第１の照明手段が前記各部分測定領域を照明する光パターンは、前記各部分測定領域の視差方向に対して連続したあるいは不連続の色の並びである構成としている。
本請求項は、請求項１に係る発明の測定領域の全域を求める概略形状測定手段に強度比法による測定手段を、各部分領域の形状測定に対して、レインボー法による測定手段を適用したものである。
【００６４】
概略形状測定手段では、まず２種類の光パターンを照射して光量を第２の検知手段で検知して、２つの光量の比から第２の形状推定手段により測定領域全体の形状データを求めることにより、測定領域の各測定点が属する部分領域を確定できる。第１の形状測定手段では、部分領域毎に色が並んだ１種類の光パターンを照明して得られた反射光の光量から部分領域毎に色情報を得るが、既に属する部分領域の曖昧さは形状データから分かっているので、第１の形状推定手段では形状データと色情報から測定領域全体の形状データを得ることができる。
本構成によれば、形状測定手段にレインボー法を適用しているので、照射パターンが１種類で済むため、照明手段の構成を簡単化できるものである。
【００６５】
請求項１と同様に、概略形状測定手段は形状測定手段より精度が低いが、領域の曖昧さを除去するには十分な精度を持つので、曖昧さなしに全体の形状を形状測定手段の精度で求めることができる。
ここで、第１の照明手段と第２の照明手段とは同じ照明手段であってもよいし、また、第１の検知手段と第２の検知手段とが同じ手段であってもよい。例えば、同じ手段で照射パターンを切り替えることで、光学的形状測定手段と光学的形状測定手段の視差を等しくできるので、形状推定手段での処理が簡単化することができる。
【００６６】
また、請求項３に係る光学的形状測定装置では、請求項１に係る発明において、前記第１の照明手段が前記各部分測定領域を照明する光パターンの強度分布が、位相が異なる正弦波である構成としている。
本請求項は、請求項１の測定領域の全域を求める概略形状測定手段に強度比法による測定手段を、各部分領域の形状測定に対して位相シフト法による測定手段を適用したものである。
【００６７】
概略形状測定手段では、まず２種類の光パターンを照射して光量を第２の検知手段で検知して、２つの光量の比から第２の形状推定手段により測定領域全体の形状データを求めることにより、測定領域の各測定点が属する部分領域を確定できる。形状測定手段では部分領域と同じ周期を持つ正弦波の光パターンを投影する。例えば、光パターンの数を３、光パターン相互の位相差をπ／２，πとする。既に属する部分領域の曖昧さは形状データから分かっているので、第１の形状推定手段では形状データと位相シフト法の手続きにより求まる３つの光パターンの位相差情報から、位相差の曖昧性を除去しつつ、測定領域全体の形状データを得ることができる。
【００６８】
ここでは、形状測定手段に位相シフト法を適用しているので、強度比法やレインボー法より照射すべき光パターンの数が増えるが、測定精度は向上させることができる。なお、請求項１と同様に、概略形状測定手段は形状測定手段より精度が低いが、領域の曖昧さを除去するには十分な精度を持つので、曖昧さなしに全体の形状を形状測定手段の精度で求めることができる。
ここで、第１の照明手段と第２の照明手段とは同じ照明手段であってもよいし、また、第１の検知手段と第２の検知手段とが同じ手段であってもよい。例えば、同じ手段で照射パターンを切り替えることで、光学的形状測定手段と光学的形状測定手段の視差を等しくできるので、形状推定手段での処理が簡単化することができる。
【００６９】
〔参考例１〕
照明手段は照明装置４、検知手段はカメラ１０、測定領域は１５、測定領域の部分領域は１５−１，...５−６、光パターンはフィルタ２ａ，２ｂの透過率パターン、反射光量は光量データ１３、領域が曖昧な形状データは１６、形状推定手段は形状推定装置１１、形状データは形状データ１４、形状補正手段は形状補正装置１２に相当する。
本参考例の構成は、図１に示すように、照明装置４の照明光５を測定物体６に照射し、カメラ１０で反射光７の像を検知し、三角測量の原理で測定物体６の形状を計測するものである。ここでは、図面を分かりやすくするため、部分領域１５−４についてだけ反射光７を画いている。視差方向は、カメラ１０と照明装置４とを結ぶ方向であり、図面では左右方向である。
【００７０】
照明装置４の内部では、白色の光源１ａと光源１ｂで各々フィルタ２ａとフィルタ２ｂを照射し、２つのフィルタで強度変調した光をプリズム３で光軸を合わせて合成し、照射光５としている。照明装置４から照射された照明光５は、測定領域１５を６つの領域に分割した部分領域１５−１，…１５−６を、フィルタ２ａ，２ｂの透過率に応じて、２つの異なる光パターンで照明する。光パターンの切り替えは光源１ａ，１ｂの切り替えで行う。
カメラ１０は、測定物体６の像を検知するＣＣＤ９と、このＣＣＤ９に像を形成する結像レンズ８からなる。ＣＣＤ９で得られた光量データ１３は、形状推定装置１１で、領域の不定性をもった形状データ１６の推定を行い、形状補正装置１２で最終的に曖昧さがない形状データ１４を生成する。
【００７１】
フィルタ２ａ，２ｂの透過率分布の和を取ると、視差方向に対して透過率が一定の分布となるため、２つの光パターンで得られたテキスチャデータの和をとれば、測定領域全面を均一光で照射した場合のテキスチャデータとして利用することができる。
図２に示すように、フィルタ２ａ，２ｂは視差方向に対して、部分領域に対応させて透過率を変調しており、鋸歯状の透過率分布である。フィルタ２ａとフィルタ２ｂは、同じ６周期に分割されるが、視差方向に対して透過率の増減が異なる。そのため、光源１ａ，１ｂから放射された照明光５の放射角度は、フィルタ２ａ，２ｂの透過率の濃度と関係づけられていることになり、部分領域内に限定すると、通常の強度比と同じく、２つのフィルタで測定物体６に照射した光パターンの反射光の比を求めると、どの部分領域に属するかは曖昧だが、放射角度が求められる。
【００７２】
この処理を行うのは形状推定装置１１であり、結果として、領域の曖昧さがある形状データ１６が出力される。
図３の要部拡大斜視図に示すように、プリズム３の側面に配置されたフィルタ２ａ，２ｂは、光源１ａ，１ｂで照明されて、測定物体６を含む測定領域１５を照射する。測定領域１５は、フィルタ２ａ，２ｂの６つの分割に合わせて、視差方向に対して６つの部分領域１５−１，…１５−６に分割されて照明される。フィルタ２ａとフィルタ２ｂの照射パターンは、部分領域同志が一致するように位置合わせされている。
【００７３】
各部分領域に対して、フィルタ２ａとフィルタ２ｂの２つのパターンを、光源１ａ，１ｂを切り替えて２回照射し、カメラ１０で２回撮影する。各々の部分領域毎に、視差方向に対して光量が増加と減少する２つの光パターンの反射パターンが形成されるので、２つのパターンの光量比を取り、領域毎に強度比法を適用することで、部分領域毎の形状を求めることができる。この計算は、形状推定装置１１で行われる。
ただし、ＣＣＤ９では光量比は得られるが、６つの部分領域のどれに相当するかは不明であるので、例えば、部分領域の形状データ１６が相互に連続で滑らかに接続されるよう、形状補正装置１２で領域の曖昧さをなくす操作を行う。その結果が、形状データ１４として出力される。
【００７４】
本参考例においては、６つの部分領域毎に視差方向に増加あるいは減少する光パターンを照明しているので、フィルタ２ａ，２ｂの最大透過率と最小透過率が同じ場合、測定領域１５全体に対して増加あるいは減少する光パターンで照明する場合（図４）に比べて、視差方向に対して単位長さ当たりの光量変化が６倍となる。ＣＣＤ９には検知できる光量分解能に限界があるため、分解能の変化率が大きいことがすなわち光量分解能の向上につながる。結局、測定領域１５を部分領域１５−１，...１５−６に分割することで光量変化率を大きくできたので、形状の測定精度が向上する。形状測定には望ましくない背景光の影響があっても光量の検知ができるように、フィルタ２ａ，２ｂの最小透過率を下げたくない場合（図５）には、本実施例に示した、領域を分割して光量変化率を増加させる手法は特に有効である。
【００７５】
本参考例では領域の分割数を６としたが、必要精度に応じて分割数を変えてもよい。
また、図６に示すように、隣接する領域毎にフィルタの透過率の変化方向を変えてもよい。こうすることで、同じ光パターンであっても領域毎に増加方向が交互に変化するため、隣接する部分領域毎にどの領域に属するか判別するのが多少複雑になるが、図２の場合と異なり、隣接する部分領域で急激な光量変化を生じないマスクでも構わないため、フィルタ２ａ，２ｂの製造が容易になる。
【００７６】
〔参考例２〕
本参考例の構成は参考例1と同じであるが、フィルタ２ａ，２ｂを別の色フィルタとし、ＣＣＤ９をカラーＣＣＤとする構成もあり得る。例えば、フィルタ２ａを赤、フィルタ２ｂをシアン（赤の補色）を透過する色フィルタとすれば、光源１ａ，１ｂを同時に発光させても、カラーＣＣＤ９でフィルタ２ａとフィルタ２ｂのデータを赤とシアン（緑と青のデータの和）として検知できるので、カメラ１０の撮像回数が１回で済むため、カメラ１０の手ぶれによる撮像の劣化を生じることが少なくなる利点がある。
また、カラーＣＣＤでは、全ピクセルに対して赤：緑：青のピクセル数の比率が２：１：１の場合が多いので、赤とシアンの組み合わせで光パターンを照射すると、同じピクセル数で光量を検知できて、カラーＣＣＤ９で検知する際に、一方の光パターンだけが感度が減少する問題を回避できる。
【００７７】
〔参考例３〕
本参考例の構成は参考例１と同じであるが、フィルタ２ａ，２ｂの透過率の分布が異なっている。図７に、フィルタ２ａ，２ｂの透過率分布を示す。図２に比べて、測定領域１５の中央付近の領域幅が狭くなり、透過率変化が大きい。測定領域中央付近は、カメラ１０で観察する中心に相当し、通常は測定物体６が観察される可能性が一番高い位置であるから、分割領域の幅を狭くし、中央付近で形状の測定精度を上げている点が特徴である。
【００７８】
一方、分割する領域数が増えるほど、形状補正装置１２で補正する領域決定の曖昧さが増し、処理が複雑になり易いため、測定物体６が配置されることの少ない測定領域の周辺部(左右の端)でフィルタの領域分割の幅を増やし、中央に比べて若干精度を落としている。本参考例では、必要部分について重点的に精度を向上させることで、必要精度と領域決定の曖昧さを回復させる手間を最適化させることができる。
【００７９】
〔参考例４〕
本参考例の構成を図８に示す。参考例１と類似の構成であるが、照明装置４の構成が異なっている。照明装置４は、単一の光源１，フィルタ２からなり、フィルタ２は部分領域１５−１，...，１５−６毎に１０色の光パターンを照射する。図９に示すように、フィルタ２は６つに分割され、各領域が色の異なるバンドパスの色フィルタが並んでいる。図１０にように、６つの部分毎に可視波長を１０分割したバンドパス色フィルタを並べて、フィルタ２を構成する。
【００８０】
光源１から放射された白色光は、フィルタ２を透過後、照明光５として測定物体６を照射する。測定物体で反射された反射光７をカメラ１０のカラーＣＣＤ９で検知し、反射光７の色を判別すれば、カラーＣＣＤ９の各点に対して１０分割された照射角度を分離できるので、形状推定装置１１で、領域の曖昧性を持った形状データ１６が計算される。参考例１と同様に、形状補正装置１２により、領域決定の曖昧さをなくして、最終的な形状データ１４が得られる。
【００８１】
本参考例では、６つに分割された部分領域１５−１，...１５−６に対して、バンドパス色フィルタ１６−１−１，...１６−６−１０を並べることで、光源１からの照明光５の照射角度と色の関係を対応付けている。本方式の色分解能は、並べるフィルタの種類で決まるので、通常の色分解プリズムや回折格子を用いて連続的な色分布を生成する場合に比べて、色分解能（すなわち角度分解能であり、形状分解能でもある）が下がるが、フィルタの色の順番を自由にできること、液晶パネルと同様な半導体プロセスで薄いフィルタ材を集積化すればよいので、フィルタが薄くて簡単な構造になる利点がある。
【００８２】
ここでは、６つの部分領域に分割することで、バンドパス色フィルタの種類が１０種類だったとしても、さらに６倍分解能を上げられたのと同じなので、実質的に６×１０＝６０種類のバンドパス色フィルタでフィルタ２を構成したことになる。
本参考例においては、参考例１と異なり、プリズムが不要でフィルタ２も光源１も１つで済むため、構造が非常に簡略化できる。また、撮影回数も１回だけで済み、測定の手間が大幅に低減される。
【００８３】
〔実施例１〕
本実施例は、請求項１に基づいている。
請求項における第１の照明手段と第２の照明手段は照明装置４、第１の検知手段と第２の検知手段はカメラ１０、測定領域は１５、測定領域の部分領域は１５−１，…，１５−６、第２の照明手段に対応する光パターンはフィルタ２ａの透過率パターン、第１の照明手段に対応する光パターンはフィルタ２ｂ，２ｃの透過率パターン、第２の照明手段に対応する反射光量と第１の照明手段に対応する反射光量は光量データ１３、概略形状測定装置による形状データは概略形状データ１７、第２の形状推定手段は概略形状推定装置１８、第１の形状推定手段は形状推定装置１１、曖昧さのない形状データは形状データ１４に相当する。
【００８４】
本実施例の構成を、図１１に示す。参考例１の図１と類似の構成であり、照明装置４の照明光５を測定物体６に照射し、カメラ１０で反射光７の像を検知し、三角測量の原理で測定物体６の形状を計測するものである。図１と同様に、部分領域１５−４についてだけ反射光７を画いている。視差方向は、カメラ１０と照明装置４を結ぶ方向であり、図面では左右方向である。
【００８５】
照明装置４の内部では、３つの白色の光源１ａ，１ｂ，１ｃで３つのフィルタ２ａ，２ｂ，２ｃを照射し、３つのフィルタで強度変調した光を２つのプリズム３で光軸を合わせて合成し、照射光５としている。照明装置４から照射された照明光５は、測定領域１５を６つの領域に分割した部分領域１５−１，…，１５−６を、フィルタ２ａ，２ｂ，２ｃの透過率に応じて、３つの異なる光パターンで照明する。光パターンの切り替えは、光源１ａ，１ｂ，１ｃの切り替えで行う。カメラ１０は、測定物体６の像を検知するＣＣＤ９と、このＣＣＤ９に像を形成する結像レンズ８からなる。
ＣＣＤ９で得られたデータは、形状推定装置１１で形状の推定を行うが、実施例１と異なり、概略形状推定装置１８を付加することで、領域決定の曖昧さを本質的に除去する。
【００８６】
フィルタ２ａ，２ｂ，２ｃの透過率を、図１２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。図１２（ａ）に示すように、フィルタ２ａの透過率変化は、測定領域全域にわたって線形に単調増加するものであり、一方、図１２（ｂ），（ｃ）に示すように、フィルタ２ｂ，２ｃの変化は、各部分領域内で各々線形に単調増加と単調減少の分布を持っている。この３つのフィルタ２ａ，２ｂ，２ｃで照射したＣＣＤ９での受光データをＲa，Ｒb，Ｒcとすると、ＲbとＲcの和Ｒsは、測定領域全体を均一光で照射した場合の受光データになるので、テキスチャデータとして利用できると同時に、ＲaとＲsから、通常の強度比法を用いて全体の形状分布を得ることができる。つまり、Ｒa，Ｒb，Ｒcの光量データ１３は、まず、概略形状測定装置１８に入力され、概略形状データ１７として、形状推定装置１１に入力される。
【００８７】
ＲaとＲsから得られた概略形状データ１７は、ＲbとＲcから分割された領域毎に強度比法を適用して求めた場合の形状データに比べて精度が低いが、どの点がどの領域に属するかを決定するだけなら十分である。つまり、Ｒa，Ｒb，Ｒcを測定し、ＲaとＲsから測定物体６の形状を求めることで、ＣＣＤ９で得られた像の各点がどの部分領域に属するか決定して、部分領域に関する曖昧さをなくし、属する部分領域毎にＲb，Ｒcに対して強度比法を適用すれば、ＲaとＲsから求めた形状データより精度が高い形状データが得られる。つまり、概略形状測定装置１８から得られた概略形状データ１７でＲb，Ｒcの光量データがどの部分領域に属するか判断できるので、形状推定装置１１は光量データ１３であるＲc，Ｒbと概略形状データ１７から、精密な領域の曖昧さを除去した形状データ１４が得られる。
【００８８】
本実施例は、参考例１に比べてフィルタ数が多く、照明装置４の構成が複雑になっているが、参考例１の形状補正装置１２で行った形状データ１４の連続性や滑らかさを仮定せずに、部分領域への帰属の曖昧さを本質的になくすことができて、同時に形状の測定精度を向上させることができる効果が大きい。
本実施例では、３つのフィルタ２ａ，２ｂ，２ｃは色フィルタと組み合わせることも可能である。例えば、フィルタ２ａ，２ｂ，２ｃを、各々ＲＧＢの色フィルタと組み合わせれば、受光素子であるＣＣＤ９をカラーＣＣＤにすることで、ＲＧＢの３つの光パターンを同時に独立に検知することができるので、フィルタ毎に光源１ａ，１ｂ，１ｃを切り替える必要がなく、一括した形で３つの光パターンを照射できる。
【００８９】
〔実施例２〕
本実施例は、請求項１，２に基づいている。
本実施例の構成は、実施例１の図１１と同じ構成であるが、フィルタ２ａ，２ｂ，２ｃの透過率分布が異なっている。図１３（ａ），（ｂ），（ｃ）にフィルタ２ａ，２ｂ，２ｃの透過率を示す。フィルタ２ａは図１２（ａ）と同じで、視差方向に対して透過率が線形に増加する分布であり、逆に図１３（ｂ）のフィルタ２ｂの透過率分布は、視差方向に対して線形に減少する。ＣＣＤ９で受光したこの２者のフィルタで測定領域を照射したときの光量分布Ｒa，Ｒbに強度比法を適用すれば、測定領域１５全体の形状が求められる。フィルタ２ｃは実施例４の色フィルタと同じ構成であり、６つに分割された部分領域当たりに１０色のバンドパス色フィルタを並べたものである。フィルタ２ａ，２ｂの光量検知結果から部分領域を曖昧さなく決定できるので、フィルタ２ｃから得られた光量分布Ｒcの色を判断することで、各部分領域毎に照明光５の照射方向、すなわち物体形状を三角測量法から決定することができる。
【００９０】
本実施例でも、参考例２のように、フィルタ２ａを赤、フィルタ２ｂを赤の補色であるシアンを透過する色フィルタと組み合わせ、受光素子であるＣＣＤ９をカラーＣＣＤに置き換えれば、測定領域１５に対するフィルタ２ａ，２ｂの照射を１回で済ませることができ、２回目の照射をフィルタ２ｃで行うことで、全体として２回の照射と光量検知により形状を測定することができる。
【００９１】
〔実施例３〕
本実施例は、請求項１，３に基づいている。
請求項における第１の照明手段と第２の照明手段は照明装置４、第１の検知手段と第２の検知手段はカメラ１０、測定領域は１５、測定領域の部分領域は１５−１，…，１５−６、第１の照明手段に対応する光パターンと第２の照明手段に対応する光パターンはいずれも液晶パネル２の透過率パターン、第１の照明手段に対応する反射光量と第２の照明手段に対応する反射光量は光量データ１３、概略形状測定装置による形状データは概略形状データ１７、第２の形状推定手段は概略形状推定装置１８、第１の形状推定手段は形状推定装置１１、曖昧さのない形状データは形状データ１４に相当する。
【００９２】
本実施例の構成を、図１４に示す。照明装置４は、単一の光源１，透過型の液晶パネル２からなり、液晶パネル２は部分領域１５−１，…，１５−６毎に複数の光パターンを照射する。液晶パネルの透過率分布は、液晶パネルドライバ１９によって制御され、液晶パネルの透過率分布に従って、測定領域に対して所望の光量分布を照射する。光源１から液晶パネル２を通して照射される照射光５は、測定領域１５を照射し、そこに位置する測定物体６の表面で反射され、その反射光７は、カメラ１０の結像レンズ８でＣＣＤ９の上に結像される。像の検知結果はＣＣＤ９から光量データ１３として取出され、概略形状推定装置１８で領域の曖昧さを除去するための概略形状データ１７が計算され、形状推定装置１１で最終的に処理されて、精密な領域の曖昧さのない形状データ１４として取り出される。
【００９３】
液晶パネル２の透過率分布を、図１５に示す。まず、図１５（ａ），（ｂ）のように、視差方向に対して線形に増加、あるいは減少する透過率分布を生成し、各々の光透過率パターンに対して、光源１を発光させ、光量データＲa，Ｒbが得られる。Ｒa，Ｒbの比を用いれば、概略形状測定装置１８で通常の強度比法を適用することで、測定物体６の概略形状データ１７を求められるので、このデータを用いると、形状推定装置１１ではＣＣＤ９で得られた光量データ１３の各点がどの部分領域に属するか決定することができる。
【００９４】
次に、液晶パネル２の透過率分布を、図１５（ｃ），（ｄ），（ｅ）のように、位相がπ／２だけ異なる３つの正弦波として、各々の透過条件に応じて光量データＲc，Ｒd，Ｒeを求める。この３つのデータに対して、通常の位相シフト法を適用すれば、奥行き情報に相当する位相値が２πの整数倍の曖昧さを持って求まるが、この曖昧さは先に強度比法により、概略形状推定装置１８で概形形状データ１７として求まっているから、これに最もよく適合するように位相のずれを一意に決定できる。そのため、本実施例によれば、位相シフト法による精度の高さを十分に利用しながら、位相シフト法の位相不定性の問題を解決できる。
【００９５】
なお、参考例１，２，３、実施例１についても、本実施例のように液晶パネル２を用いて多少コストをかけることで、光源１とフィルタである液晶パネル２とを１つで済ませることができ、コンパクトな照射装置４を構成することができる。
【００９６】
以下に、本発明のさらに他の実施例を示す。
【００９７】
〔実施例４〕
本実施例の構成は、実施例１と同じであり、図１１のＣＣＤ９が１２０万画素、１２８０×９６０の画素数を持ち、ＣＣＤ９の光量データをデジタル化するＡＤ変換回路が１０ビットの場合である。１２８０の画素が並ぶ方向は、光源１ａと結像レンズ８を結ぶ視差方向（図中では、右上がりの方向）に沿っている。この方向の画素数Ｎ＝１２８０、領域数は６であり、Ｄ＝６、ｐ＝１０に相当している。ｐ＝８でも条件を満たすが、ｐ＝１０と余裕を持たせているのは、測定物体６の反射率がばらつきによる反射光量のダイナミックレンジの増加を４倍に見積もったためである。本実施例を用いることで、ＣＣＤのＡＤ変換のビット数の最低レベル（ｐ＝８）がわかるので、実仕様のＡＤ変換のビット数を容易に推定することができた。
【００９８】
〔実施例５〕
本実施例の構成は、実施例１と同じであり、図１１のフィルタ２ａ，２ｂ，２Ｃに、拡散反射を防止する無反射コートを施している。プリズム３で光源１ａ，１ｂ，１Ｃの光を重ねているので、光源１ｂ，１Ｃ、フィルタ２ｂ，２Ｃは、光学的には各々光源１ａ，フィルタ２ａの位置にあるのと等価なので、光源１ａとフィルタ２ａに限って説明を行う。
もし、無反射コートがなければ、フィルタからの拡散反射が測定物体６に重なって照射され、本来の光源１ａと異なるフィルタ２ａの位置に新たな擬似光源が置かれたことになる。その結果、視差方向が２つになるのに、ＣＣＤカメラ側ではこの２つの基線に依存したデータを分離できないため、三角測量の前提が崩れることで、誤った形状を再現することになる。
そこで、本実施例では、フィルタ２ａ，２ｂ，２ｃに無反射コートを施しているので、この擬似光源が存在せず、誤った形状とならない。
【００９９】
〔実施例６〕
本実施例の構成は、実施例１と同じであるが、６つの部分領域に分かれている部分を形状推定装置１１で部分領域ごとに求めるときに、部分領域の端（図１１の断面図では左右方向の、隣接する領域との境界近く）で７画素分のデータを棄却している。境界端から３画素程度で形状異常が得られることが多いので、余裕をもって端から７画素分を棄却した。強度比と照射角度の対応付けの、元データに異常がある場合が多い。領域境界では図１２（ｂ），（ｃ）のように急峻に光量分布が変わるため、照射系の光量変動や、フィルタ２ａ，２ｂ、２ｃの取り付け誤差、光源１ａ，１ｂ，１ｃの取り付け誤差などの影響で、必ずしもパターンの境界同士が厳密に重なるとは限らない。そのため、領域境界で誤った形状が得られてしまうが、本実施例のように、部分領域端での誤りやすいデータを棄却すすようにすれば、得られるデータ点数は若干減るが、誤りの少ない形状データが得られる。
【０１００】
〔実施例７〕
本実施例の構成は実施例を図１６に示す。実施例の基本構造は、実施例３と共通するが、照射部に市販の液晶プロジェクタのような結像レンズ２０を採用している点が異なる。結像系の焦点深度は約１００ｍｍである。測定領域の奥行き範囲をカメラ１０から４００〜６００ｍｍとすると、結像レンズ２０の焦点距離を、奥行き領域の中間位置であるカメラから５００ｍｍの位置に設定している。本実施例を用いることで、焦点深度を最大に生かした形状測定装置を構成できる。
【０１０１】
〔実施例８〕
本実施例の構成は、実施例１と同じである。概略形状推定装置１８と形状推定装置１１では、強度比をあらかじめ平滑化し線形補間を用いることで、強度比と照射角度の対応付けを行っている。
多項式でフィッティングすると、測定距離に対して９次の多項式で約０.４％、次数をあげても０.１％の相対精度誤差で飽和したが、強度比の平滑化と線形補間を用いることで0.06%の補間精度を得ることができた。
【０１０２】
〔実施例９〕
本実施例の構成は、実施例１と同じである。本実施例では、図１７に示すように、光源とカメラと測定点で張られた面の仰角xごとに、強度比と照射角度の対応付けの校正を行う。ここでいう強度比は、概略形状推定装置１８と形状推定装置１１で用いられる強度比と照射角度との対応関係の両方を含む。測定距離６００ｍｍ、基線長２００ｍｍ、３０万画素のＣＣＤカメラの条件で、仰角ごとに強度比と照射角度の対応関係を校正することで、カメラ側の歪曲収差を補正しなくても形状精度誤差を０.３％以下に改善できた。
【０１０３】
〔実施例１０〕
本実施例の構成は、実施例１と同じである。本実施例では、ＣＣＤ９から光量データを８回測定して平均を取っている。もし、検知光量にノイズが重なっていても、この平均化操作で緩和される。ＣＣＤ９からのデータは、３０フレーム/秒のビデオレートで入力されるので、8回の平均操作を行っても０.２６秒で画像データの読み込みは終了し、測定時間が長くかかることはない。
【０１０４】
〔実施例１１〕
本実施例の構成は、実施例１と同じである。本実施例では、パターン光を照射するフィルタ２ａ，２ｂ，......を図１８のように構成する。つまり、パターン照射のための透過率が変調されている部分をパターン照射領域２ａ−１，２ｂ−１，......に設け、一定の光量を照射する部分（光量モニタ領域）２ａ−２，２ｂ−２，......を新たに追加する。パターン照射領域２ａ−１，２ｂ−１，......を透過した光は測定領域を照射し、形状測定のためのパターン光を照射する。光量モニタ領域２ａ−２，２ｂ−２，......の光は、光量分布が無く一定強度の光量を照射するように、透過率を一定にしておく。フィルタの光量モニタ領域２ａ，２ｂ，......を透過して照射されたパターン光は、測定物体以外のところに照射され、必ずカメラ１０で検知できるようにしておく。カメラで撮像した像のうち、まず、光量モニタ領域の反射光量を積算する。フィルタ同士の光量モニタ領域の積算光量は、３つの光源１ａ，１ｂ，１ｃの光量が一定であれば変わらないはずである。この光量の増減をあらかじめ測定しておき、形状測定時に基準の積算光量と比較することで、光源の光量変動を読み取れる。この光量変動を用いれば、パターン照射領域で測定された光量の絶対値を補正できるので、パターン照射領域の反射光に相当する画素の値から、強度比法を用いて正しい形状を求められる。
【０１０５】
〔実施例１２〕
本実施例の構成は参考例２と同じであるが、フィルタ２ａが赤、フィルタ２ｂが青の色フィルタで構成されている。ＣＣＤ９はＲＧＢを検知可能な原色ＣＣＤセンサである。本実施例では、色分離が良い赤と青のパターンを同時照射していながら、2つのパターンを比較的低価格のＣＣＤでも分離して検知できる。
【０１０６】
〔実施例１３〕
本実施例の構成は，実施例１の図１１と同じであるが、フィルタ２ａ，２ｂ、２ｃの濃度分布が、図１９（ａ）〜（ｃ）のようになっており、２ａが赤（ａ）、２ｂが青（ｂ）、２ｃが緑（ｃ）の色フィルタで構成されている。ＣＣＤ９はＲＧＢを検知可能な原色ＣＣＤセンサである。（ａ）対（ｃ）パターンの反射光量の強度比を用い、従来の強度比法から概略形状推定装置１８で概略形状を推定し、（ｂ）と（ｃ）のパターンの反射光量の強度比を用い、形状指定装置１１で部分領域ごとの詳細形状を求める。
このとき、（ｃ）の緑パターンの光量が、（ａ）の赤，（ｂ）の青のパターンに対して常に大きいので、カラーカメラ１０で得られた（ａ），（ｂ）の光量分布が、（ｃ）で得られるはずの光量分布への混入が少なく、誤りの少ない光量分布を得られ、その結果誤りの少ない形状が再現される。
【０１０７】
〔実施例１４〕
本実施例の構成は、実施例１３と同じである。ただし、図１９の（ｃ）を白色光源１ｃとし、フィルタ２ｃは取り除いてある。光源１ａ，１ｂを点灯して形状計測のため、図１９（ａ），（ｂ）のパターンを照射し、カラーカメラ１０で反射光量を撮像する。次に、光源１ｃだけを点灯して、カラーカメラ１０で反射光量を検知する。（ａ），（ｂ），（ｃ）パターンの反射光量の比から形状を再現するのは実施例１７と同じだが、パターン（ｃ）の照射時に得られた光量分布には、フラッシュつきのカメラで撮影したような測定物体のテキスチャが得られている。このテキスチャを得られた形状データの上にマッピングすることで、測定物体の形状だけでなく本物らしいテキスチャつきの立体形状データが得られる。このときの撮影回数は、形状測定の1回と、テキスチャ取り込みの1回、計2回で済み、ユーザーへの負担が少ない。
【０１０８】
なお、上記各実施例はいずれも本発明の一例を示すものであり、本発明はこれらに限定されるべきものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲内で適宜の変更，改良を行ってもよいことはいうまでもないことである。
【０１０９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、下記のような効果を得られるものである。
【０１１３】
請求項１では、領域の不定性のない形状測定手段の測定結果から、領域の不定性のある高精度の形状測定手段の測定結果の領域不定性を除去しているので、測定領域全体として測定精度を保ちながら、本質的な曖昧さのない形状測定ができるようになる。また、領域の不定性のない形状測定手段と領域の不定性のある高精度の形状測定手段の測定手法に、各々２つの光パターンしか用いないので、簡便な照明手段で形状測定を行うことができる。
【０１１４】
請求項２では、領域の不定性のない形状測定手段に２つの光パターン、領域の不定性のある高精度の形状測定手段に１つの光パターンしか用いないので、簡便な照明手段で形状測定を行うことができる。
請求項３では、領域の不定性のない形状測定手段に２つの光パターン、領域の不定性のある高精度の形状測定手段にいわゆる位相シフト法を用いているので、位相シフト法の欠点である位相の不定性をなくしながら、位相シフト法の特徴である高い精度を利用して、高精度の形状測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一参考例に係る形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図２】 図１に示した参考例に係る形状測定装置に用いられるフィルタの透過率分布を示す図である。
【図３】図１に示した形状測定装置の要部拡大斜視図である。
【図４】図１に示した形状測定装置における作用を説明する図（その１）である。
【図５】図１に示した形状測定装置における作用を説明する図（その２）である。
【図６】図１に示した形状測定装置における作用を説明する図（その３）である。
【図７】 本発明の他の参考例に係る形状測定装置に用いられるフィルタの透過率分布を示す図である。
【図８】 本発明のさらに他の参考例に係る形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図９】図８に示した形状測定装置に用いられるフィルタの透過率分布を示す図（その１）である。
【図１０】図８に示した形状測定装置に用いられるフィルタの透過率分布を示す図（その２）である。
【図１１】 本発明の実施例に係る形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図１２】図１１に示した形状測定装置に用いられるフィルタの透過率分布を示す図（その１）である。
【図１３】図１１に示した形状測定装置に用いられるフィルタの透過率分布を示す図（その２）である。
【図１４】 本発明の他の実施例に係る形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図１５】図１４に示した形状測定装置に用いられるフィルタの透過率分布を示す図である。
【図１６】本発明のさらに他の実施例に係る形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図１７】本発明のさらに他の実施例に係る形状測定装置における、強度比と照射角度の対応付けの校正状況を示す図である。
【図１８】本発明のさらに他の実施例に係る形状測定装置における、フィルタの較正を示す図である。
【図１９】本発明のさらに他の実施例に係る実施例に係る形状測定装置に用いられるフィルタの透過率分布を示す図である。
【図２０】従来の光学的形状測定装置の概略構成を示す図（その１）である。
【図２１】三角測量の原理を説明する図である。
【図２２】従来の光学的形状測定装置の概略構成を示す図（その２）である。
【図２３】従来の光学的形状測定装置の概略構成を示す図（その３）である。
【図２４】従来の光学的形状測定装置の概略構成を示す図（その４）である。
【符号の説明】
１，１ａ，…… 光源
２，２ａ，…… フィルタ
２ａ−１，２ｂ−１，…… パターン照射領域
２ａ−２，２ｂ−２，…… 光量モニタ領域
３ プリズム
４ 照明装置
５ 照明光
６ 測定物体
７ 反射光
８，２０ 結像レンズ
９ ＣＣＤ
１０ カメラ
１１ 形状推定装置
１２ 形状補正装置
１３ 光量データ
１４ 形状データ
１５，１５−１，…… 測定領域
１６ 領域が不定な形状データ
１７ 概略形状データ
１８ 概略形状推定装置
１９ 液晶パネルドライバ
Claims (3)
- 測定領域の概略形状を測定する概略形状測定手段と、第１の照明手段と第１の検知手段とを結ぶ視差方向に対して垂直に分割され、互いに重なりのない複数の部分測定領域に分割された測定領域内の各部分測定領域の各々に１種類以上の光パターンを照明する第１の照明手段と、前記各部分測定領域に照明された光パターンの反射光を検知する第１の検知手段と、この第１の検知手段で検知した反射光の光量と前記概略形状測定手段とから得られた形状データから、前記各部分測定領域のうちで前記反射光の光量データがどの部分測定領域に属するものかという曖昧さを除去し、曖昧さのない形状データを求める第１の形状推定手段とを有する形状測定手段とからなり、
前記概略形状測定手段が、前記測定領域を２種類の光パターンで照射する第２の照明手段と、前記測定領域に照明された光パターンの反射光を検知する第２の検知手段と、この第２の検知手段で検知した２種類の反射光の光量の比から前記測定領域の形状データを決定する第２の形状推定手段からなることを特徴とする光学的形状測定装置。 - 前記第１の照明手段が前記各部分測定領域を照明する光パターンは、前記各部分測定領域の視差方向に対して連続したあるいは不連続の色の並びであることを特徴とする請求項１に記載の光学的形状測定装置。
- 前記第１の照明手段が前記各部分測定領域を照明する光パターンの強度分布は、位相が異なる正弦波であることを特徴とする請求項１に記載の光学的形状測定装置。
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