JP4323779B2 - 3D shape measuring method and 3D shape measuring apparatus - Google Patents

3D shape measuring method and 3D shape measuring apparatus Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被計測物体の３次元形状または３次元形状と色を計測する３次元形状計測方法および３次元形状計測装置に係わり、特に、計測産業、通信産業、映像産業などの分野において使用される３次元形状計測方法および３次元形状計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カメラを用いて被計測物体の３次元形状を取得する様々な計測装置が提案されている。これらの方法は、ステレオ法に代表される被計測物体に特別な照明を照射しないパッシブ型計測装置、被計測物体に特別な照明を照射するアクティブ型計測装置に分類できる。
パッシブ型計測装置は、特に、ステレオ法はカメラ２台でできるため非常に低コストで汎用性もあり、昔から精力的に研究されてきたが、未だに計測の信頼性が低く汎用的に使える装置としては実用段階に至っていない。
一方、アクティブ型計測装置は計測精度、分解能、計測信頼性も実用水準に到達しており、近年では動画像計測も可能となった。
しかしながら、一般に装置が大型かつ高価であり携帯化できるサイズヘの小型化は不可能であった。
また、アプリケーションによっては、計測精度や分解能が低くて構わない場合も多いが、従来のアクティブ型計測装置ではこれらのスペックを下げても装置の低価格化や小型化を効率よくはかることができない。
【０００３】
これに対し、異なる距離の光源から拡散光を被計測物体に照射し、各々の輝度値の比を取ることによって距離を求める装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
前述の特許文献１に開示されている装置の構成を図１４に示す。
図１４において、１３は被計測物体、１１は遠方の光源、１２は遠方の光源１１より距離ｘ０だけ被計測物体１３に近い光源、１４は撮影カメラ、１５は画像データの記録メモリ、１６は画像データの演算器、１７は全体の制御装置である。
図１４に示す装置は、計測精度分解能はあまり高くないものの、基本的には２つの光源とカメラを用意するだけで装置を構成することができるので、極めて低価格に作ることが可能であり、その他の方式と比較すれば比較的小型の装置にすることも可能である。
【０００４】
図１４に示す装置の動作と計測原理を説明する。
初めに、制御装置１７は、光源１１を点灯して拡散光を被計測物体１３に照射し、撮影カメラ１４で被計測物体１３を撮影し、この画像データを記録メモリ１５に記録した後、光源１１を消灯する。
光源１１と被計測物体１３間の距離をｘ、光源１１の光量をＬ１、光源１２の光量をＬ２とすると、光源１１で照明された被計測物体１３上のある地点の輝度Ｖ１は、光源１１から来る光を撮影カメラ１４の方向に反射する反射率をｋとすると、下記（１）式で与えられる。
【数１】
Ｖ１＝ｋＬ１／４πｘ２ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （１）
次に、制御装置１７は、光源１２を点灯して拡散光を被計測物体１３に照射し、撮影カメラ１４で被計測物体１３を撮影し、この画像データを画像メモリ１５に記録した後、光源１２を消灯する。
この時、光源１２で照明された該地点の輝度Ｖ２は、下記（２）式で与えられる。
【数２】
Ｖ２＝ｋＬ２／４π（ｘ−ｘ０）２ ・・・・・・・・・・・・ （２）
【０００５】
次に、制御装置１７は、演算器１６を用いて、（１）式と（２）式の比をとることによって該地点の距離ｘを求め、全画素について、この演算を施すことによって被計測物体１３の３次元形状データを求めて、記録メモリ１５に書き込む。
この時の演算式は、（１）式および（２）式より、下記（３）式で与えられる。
【数３】
ｘ＝ｘ０／｛１−√（Ｖ１Ｌ２／Ｖ２Ｌ１）｝・・・・・・・・・・・・ （３）
前述の特許文献１では、１点の距離計測なのか、３次元形状全体の計測なのか明示されていないが、動作原理は同じで３次元形状計測を明示的に示した請求項が特許文献２に記載されている。また、特許文献２と全く同じ内容の特許が数式の表現を代えて、特許文献３の請求項１および請求項２、特許文献４の請求項１、特許文献５の請求項１、および、特許文献６の請求項１に記載されている。
【０００６】
なお、本願発明に関連する先行技術文献情報としては以下のものがある。
【特許文献１】
特開昭６１−１５５９０９号公報
【特許文献２】
特開昭６３−２３３３１２号公報
【特許文献３】
特開２００２−７７９４４号公報
【特許文献４】
特開２００２−６５５８１号公報
【特許文献５】
特開２００２−９５６２５号公報
【特許文献６】
特開２００２−６５５８５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の図１４に示す装置は、以下に掲げる問題点がある。
（１）装置を薄型化できない。
装置の奥行き長は、図１４の二つの光源間の距離ｘ０で決まるが、ｘ０を小さくすると距離計測の分解能が悪くなるため、実用に供するためにｘ０は大きくする必要がある。
しかし、ｘ０が大きいと、装置の奥行き長が長くなる他、手前の光源１２が遠方の光源１１の影とならないように横方向にずらす距離ｙも大きくなってしまい、装置が大型化する問題が起こる。また、距離ｙを大きくすると、後で述べる課題２にかかげた問題がより深刻化する。
光学的に充分な距離ｘ０を有しながら実際の装置の奥行き長が短くてすむ小型装置を提供することが本発明の課題１である。
【０００８】
（２）光沢のある物体が計測できない。
前述の（１）式と、（２）式とは、どちらも同じ反射率ｋを用いている。これは照明の入射角に依存せず同一方向（撮影カメラ方向）への反射率は同じであることを前提としている。
しかしながら、一般に物体の反射率ｋは、照明の入射角や照明の波長に依存して変化し一定ではない。図１４に示す装置では、光源の波長（色）が同じであること前提としているので後者の問題はないが、距離ｙが大きくなると、光源１１と光源１２の入射角の差も大きくなるので、反射率ｋの変化が無視できなり正確な計測ができなくなる。
特に、光沢のある物体に代表される鏡面反射特性の強い物体に照明を当てるとハイライトを生じるが、ハイライト近辺領域は照明の入射角のわずかな違いで反射率ｋが大きく変わるため計測不能となってしまう。
従って、従来の技術では石膏など光沢のない拡散反射特性の強い物体の計測に限られていた。ちなみに、前述の特許文献２では、実験に石膏像を使用している。
被計測物体が光沢のある物体でも計測可能な装置を提供することが本発明の課題２である。
【０００９】
（３）性能を落とさず物体の色と形状を同時に取得できない。
従来の技術では、被計測物体の色は計測しない、もしくはカラーカメラを用いて形状計測と色計測を兼用する公知の方法によっている。
ところが、カラーカメラのＳＮ比は、モノクロカメラより悪いためわずかな輝度差から距離情報を算出する本計測法においては不都合である。
別々の専用カメラを用いて形状計測と色計測を同時に行うことによってこの問題を解決しながら、両カメラの撮影の光軸を一つとしてオクルージョン（色計測カメラまたは形状計測カメラには写りながら形状計測カメラまたは色計測カメラからは影となって見えない領域）のない色と３次元形状の同時計測可能装置を提供することが、本発明の課題３である。
【００１０】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、３次元形状計測方法および３次元形状計測装置において、光学的に十分な距離ｘ０を有しながら実際の装置の奥行き長を短くして、小型化を図ることが可能となる技術を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、３次元形状計測方法および３次元形状計測装置において、被計測物体が光沢のある物体でも計測することが可能となる技術を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、３次元形状計測方法および３次元形状計測装置において、色計測カメラと形状計測カメラとして、それぞれ別々の専用カメラを用いて形状計測と色計測を同時に行うとともに、両カメラの撮影の光軸を一つとしてオクルージョンのない色と３次元形状とを同時に計測することが可能となる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述の課題１を解決するため、本発明（請求項６に記載された発明）では、被計測物体から同一距離に配置されるとともに、それぞれ拡散角の異なる拡散光を照射する複数の照明手段と、前記各照明手段で照射された前記被計測物体を撮影する第１の撮影手段と、前記第１の撮影手段で撮影された画像データを記録する記録手段と、前記記録手段に記録された画像データを用いて、３次元形状を演算する演算手段とを備え、前記照明手段は、それぞれ、照射する拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体までの距離と前記複数の照明手段のうち基準となる照明手段が照射する拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体までの距離との差が所定の距離差となるように、前記拡散角が設定されている。
本発明の３次元形状計測装置の動作、測定原理や動作は前述した従来の３次元形状計測装置と同じであり、照明手段の構成が異なる。これを図１を用いて説明する。
図１（ａ）は、従来の装置の照明手段を示す図であり、距離の異なる光源２１と光源２２からなり、各々の光源（２１，２２）から順次拡散光を被計測物体２３に照射して撮影する。
この図１（ａ）から分かるように、装置の奥行き長２４は少なくともｘ０以上が必要となる。また、手前の光源２１が、奥の光源２２の影とならないよう横または縦方向に距離２５だけずらして配置しなければならない。
【００１２】
これに対して、図１（ｂ）に示す本発明の３次元形状計測装置は、被計測物体２３から同一距離にある二つの光源（２６，２７）から拡散角の異なる拡散光を照射する。
光の広がり方は、光源２６は位置２１５に仮想的な点光源を置いた場合と等価であり、光源２７は位置２１６に仮想的な点光源を置いた場合と等価であるので、位置２１５と位置２１６の距離差で与えられる光学的な距離差ｘ０は従来の３次元形状計測装置と同じである。
よって、同じ光学的な距離差ｘ０を有しながら、実際の奥行き長は、図１（ｂ）に示す２８の長さに短縮できる。
図１（ｃ）に示す本発明の３次元形状計測装置は、光源２１１に負の拡散角を与えている。光源２１１から照射された光は一旦収束した後で拡散光となる。
光の広がり方は、光源２１１は位置２１７に仮想的な点光源を置いた場合と等価であり、光源２１０は位置２１８に仮想的な点光源を置いた場合と等価であるので、位置２１７と位置２１８の距離差で与えられる光学的な距離差ｘ０は従来の３次元形状計測装置と同じである。
光学的な焦点は、光源２１１の前方に位置する。よって、同じ光学的な距離差ｘ０を有しながら、実際の奥行き長は、図１（ｃ）に示す２１３の長さに短縮できる。
また、光源の照射面積も、図１（ｂ）より小さいので、より小型の光源で済み、位置２１２に光源２１０をよせることによって、縦方向にずらす距離も、図１（ｂ）に示す２９よりも、図１（ｃ）に示す２１４の距離に短縮できる。
【００１３】
なお、前述の（１）式、（２）式で用いる光源の光量は、図１４に示すように全方向に照射する点光源の光量を想定しているので、図１で用いるような特定の範囲に照射する光源の光量を予め補正する必要がある。
これは、光源２６、光源２１１の光源の光量をＬ１’、照射範囲の立体角をω１、光源２７、光源２１０の光源の光量をＬ２’、照射範囲の立体角をω２とすると、下記（４）式、（５）式にように変換することにより、全方向に照射する点光源の等価光量に変換される。
【数４】
Ｌ１＝４πＬ１’／ω１ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （４）
Ｌ２＝４πＬ２’／ω２ ・・・・・・・・・・・・・・・・・ （５）
以上説明したように、本発明の３次元形状計測装置は、光学的には十分な距離ｘ０を有しながら、実際の３次元形状計測装置の奥行き長は短くてすみ３次元形状計測装置の小型化がはかれるので課題１が解決される。また、横または縦にずらす距離も小さくできるので、被計測物体への照射角度の差も小さくでき課題２の解決にも有効である。
【００１４】
課題２を解決するため、本発明（請求項８に記載の発明）では、ハーフミラーを有し、複数の照明手段から照射されるそれぞれの拡散光をハーフミラーで合成して一つの光軸上で照射することを特徴とする。
図２に、本発明の３次元形状計測装置の照明手段の構成図を示す。
図２において、３１と３２は異なる距離にある光源、３３はハーフミラー、３４は被計測物体、３５は撮影手段である。
図２に示す３次元形状計測装置では、光源３１と光源３２からの照射光は、どちらもハーフミラー３３で、同じ光軸３６に沿って進む光となり、被計測物体３４に照射されるので、２つの光源を切り替えて照射しても、被計測物体３４への照射角度の差をほとんど生じない。
その結果、被計測物体３４が、鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも照明の切り替えによる反射率の変化を無視できる程小さくできるので計測可能となり、課題２が解決される。
【００１５】
課題２を解決するため、本発明（請求項９に記載の発明）では、被計測物体から一定距離に配置されるとともに、拡散角を時分割で変化させた拡散光を照射する単一の照明手段と、前記照明手段で照射された前記被計測物体を撮影する第１の撮影手段と、前記第１の撮影手段で撮影された画像データを記録する記録手段と、前記記録手段に記録された画像データを用いて、３次元形状を演算する演算手段とを備え、前記照明手段は、一つの光源と、前記一つの光源から照射される光の光学経路として、時分割で複数の異なる光学経路を生成する光学系と、前記光学系で生成される光学経路毎に、前記一つの光源から照射される光を拡散角がそれぞれ異なる拡散光に変換する複数の光学手段とを有し、前記光学手段は、それぞれ、変換した拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体までの距離と前記複数の光学手段のうち基準となる光学手段が変換した拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体までの距離との差が所定の距離差となるように、前記拡散角が設定されており、前記演算手段は、前記画像データの各画素の輝度が、当該画像データの撮影時に照射された拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体上の当該画素に対応する点までの距離の二乗に反比例することに基づいて、前記被計測物体の３次元形状を演算する。
本発明の３次元形状計測装置の動作、測定原理は、従来の３次元形状計測装置と同じであり照明手段の構成が異なる。この照明手段を図３を用いて説明する。
図３において、４８は被計測物体、４１は平行ビームを照射する光源、４２と４３は回転ミラー、４４と４５はミラー、４６と４７は曲率の異なる凹レンズであり、平行ビーム光を拡散角の異なる拡散光に変換する。
図３（ａ）は、回転ミラー４２が光路からはずれた状態、回転ミラー４３が光路に４５度の角度で入り込んでいる状態を示す。
この状態では、光源４１からの照射光は、光軸４９に沿って通過し、凹レンズ４６で拡散光に変換されて、被計測物体４８に照射される。
【００１６】
図３（ｂ）は、回転ミラー４２が光路に４５度の角度に入り込んでいる状態、回転ミラー４３が光路からはずれた状態を示す。
この状態では、光源４１からの照射光は、光軸４１０に沿って通過し、凹レンズ４７で、図３（ａ）とは異なる拡散角の拡散光に変換されて、被計測物体４８に照射される。
つまり、時分割で、図３（ａ）の状態と、図３（ｂ）の状態とを切り替えて照射することによって、どちらの拡散光も同じ光軸に沿って、被計測物体４８に照射されるので照射角度の差をほとんど生じない。
その結果、被計測物体４８が鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも照明の切り替えによる反射率の変化を無視できる程小さくできるので計測可能となり、課題２が解決される。
【００１７】
課題２を解決するため、本発明（請求項１０に記載の発明）では、 被計測物体から一定距離に配置されるとともに、拡散角を時分割で変化させた拡散光を照射する単一の照明手段と、前記照明手段で照射された前記被計測物体を撮影する第１の撮影手段と、前記第１の撮影手段で撮影された画像データを記録する記録手段と、前記記録手段に記録された画像データを用いて、３次元形状を演算する演算手段とを備え、前記照明手段は、一つの光源と、前記一つの光源から照射される光を、時分割で拡散角がそれぞれ異なる拡散光に変換する光学手段とを有し、前記光学手段は、時分割で照射するそれぞれの拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体までの距離と時分割で照射する拡散光のうち基準となる拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体までの距離との差がそれぞれ所定の距離差となるように、前記拡散角を時分割で変化させ、前記演算手段は、前記画像データの各画素の輝度が、当該画像データの撮影時に照射された拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体上の当該画素に対応する点までの距離の二乗に反比例することに基づいて、前記被計測物体の３次元形状を演算する。
図４（ａ）に、本発明の３次元形状計測装置の照明手段の構成図を示す。
同図において、５１は光源、５２はズームレンズや可変焦点レンズに代表される拡散角を任意に制御できる光学系、５３は被計測物体である。
光学系５２のズーム比を変えることによって、拡散角度の異なる拡散光５４と５５を照射する。どちらの照射光も同じ光軸上で被計測物体５３に照射されるので、被計測物体５３への照射角度の差はほとんどない。
その結果、被計測物体５３が、鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも照明の切り替えによる反射率の変化を無視できる程小さくできるので計測可能となり、課題２が解決される。
また、請求項８と請求項１０を組み合わせた３次元形状計測装置の照明手段を、図４（ｂ）と、図４（ｃ）に示す。
被計測物体の大きさや３次元形状計測装置からの距離によって最適な拡散角が異なるが、図４（ｂ）と、図４（ｃ）に示すように拡散角を任意に制御する手段を用いることによって、拡散光（５６、５７）の拡散角を任意に制御でき、被計測物体の大きさや３次元形状計測装置からの距離に幅広く対応することができる。
【００１８】
課題２を解決するため、本発明（請求項１１に記載の発明）では、偏光を照射する光源、若しくは、偏光を分離する光学手段のいずれかを照明手段内に有し、撮影手段の前に前記偏光と偏光の向きが直交する偏光を分離する光学手段を有し、偏光した拡散光を照射して該偏光の偏光の向きと直交する偏光のみを撮影することを特徴とする。
請求項１１と請求項６に基づく３次元形状計測装置の照明手段と撮影手段の構成図を図５に示す。
図５において、６１と６２は異なる拡散角の拡散光を照射する手段、６３は特定の向きの偏光を分離する手段、６４は光沢のある被計測物体、６５は、手段６３とは偏光の向きが直交する偏光を分離する手段、６６は撮影手段である。
従来の装置で照射すると画像６７が撮影されるが、被計測物体６４は光沢のある被計測物体なので、ハイライト領域６８が発生してしまう。
【００１９】
この現象と引き起こされる問題点を図６（ａ）を用いて説明する。図６（ａ）は、ある面に角度θで入射した光を同じ角度θに反射する反射率を図示している。
光沢のある物体の場合、垂直に入射した光を垂直方向に返す角度では鏡面反射によって著しく強い反射率７１を示す。この領域がハイライト領域６８に相当する。
本発明の３次元形状計測装置の計測原理においては、被計測物体表面の反射率ｋが照明を変えても変わらないことを前提としているが、異なる位置の光源をずらして配置している場合、照射角にわずかな違いδθが発生する。
光沢のない物体や、光沢のある物体においても、ハイライト領域から大幅にずれた角度（例えば、図中のθ１）であるなら、θ１と、θ１からδθ異なる入射光に対する反射率の差δｋ１は無視できるほど小さいが、ハイライト近傍領域の角度θ２である場合には、反射率の差δｋ２は無視できない程大きくなり計測不能となる。
【００２０】
一方、本発明では偏光が照射される。仮に、この偏光をＰ偏光とする。
図６（ｂ）は、ある面に角度θで入射したＰ偏光を同じ角度θに反射する光をＰ偏光と、Ｐ偏光と偏光の向きが直交するＳ偏光にわけて反射率を図示している。
これを見るとわかるようにハイライトの急激な反射率の増大分はほとんどＰ偏光で占められる。
本発明の３次元形状計測装置では、照明光と偏光の向きが直交する偏光のみを分離して撮影するので、図６（ｃ）に示すＳ偏光のみが撮影される。よって、ハイライトの消失した画像６９が撮影される。
ハイライトが消失しθに関わらずδｋは常に無視できるほど小さくなるので、被計測物体６４が、光沢のある物体でも計測が可能となり課題２を解決できる。
また、ハイライトは著しく高輝度なので撮影可能なダイナミックレンジを越える問題（白トビまたはオーバーフロー）を生じやすいが、本発明はこの問題も軽減する効果がある。
【００２１】
課題３を解決するため、本発明（請求項１２に記載の発明）は、照明手段が赤外光を照射する手段であり、撮影する手段の前に赤外光と可視光を分離する手段と可視光の撮影手段とを有し、赤外光と可視光の撮影を一つの光軸上で行うことを特徴とする。
請求項６と請求項１２を組み合わせた３次元形状計測装置の構成とその動作を図７を用いて説明する。
図７において、８１と８２は赤外の異なる拡散光を照射する照射手段、８３は被計測物体、８４は赤外光は透過し可視光を反射するコールドミラー、８５は赤外光を撮影する撮影手段、８６は可視光を撮影する撮影手段である。
照射手段８１または照射手段８２から順次照射された異なる拡散角の赤外拡散光は被計測物体８３に照射される。
被計測物体８３からの反射光は、コールドミラー８４を通過して撮影手段８５にて撮影される。形状計測は、撮影手段８５で撮影した画像を用いて行う。
【００２２】
一方、被計測物体８３から出る可視光は、コールドミラー８４にて反射され、撮影手段８６で撮影される。これによって、色画像は撮影手段８６で計測されることになる。
なお、コールドミラー８４から反射した画像は左右が反転しているので、後述の実施の形態のようにミラーでもう一回反転させるか、撮影手段８６に左右反転機能を持つＴＶカメラを用いる。
本発明の３次元形状計測装置によって、形状計測カメラも色計測カメラも一つの光軸８７から撮影することになるので、色計測カメラには写りながら形状計測カメラには影となって写らない領域、若しくはこれと反対の領域などのオクルージョンを発生しないで色と形状の同時計測可能な３次元形状計測装置を実現することができ課題３を解決できる。
また、形状計測に専用の赤外モノクロカメラを使用できるので高ＳＮ比で形状計測が可能な他、色画像取得のためのライティングを計測光に影響されることなく独立に設定できる利便性も提供できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［実施の形態１］
図８は、本発明の実施の形態１の３次元形状計測装置の概略構成を示す図であり、この図８は、本願の請求項６に記載の３次元形状計測装置の実施の形態である。
図８において、９１と９２は拡散光を照射するライト、９３は曲率の小さなレンズ、９４は曲率の大きなレンズであり、ライト（９１、９２）、レンズ９３、およびレンズ９４で、請求項６に記載の被計測物体９５から同一距離にあり異なる拡散光を照射する複数の照明手段を構成する。
９５は被計測物体、９６は撮影カメラ、９７は画像データを記録する記録メモリ、９８は画像データの演算器、９９は全体を制御する制御装置である。
なお、記録メモリ９７、演算器９８、および制御装置９９は、画像入カポートを備えたコンピュータで構成し、演算器９８と制御装置９９は同じＣＰＵに兼用させても良いし、記録メモリ９７は、メモリの他、ハードディスクや光ディスクで代用しても良い。また、図中、細い矢印は制御の流れ、太い矢印はデータの流れを表す。
【００２４】
本実施の形態の３次元形状計測装置の動作を説明する。
制御装置９９は、ライト９１を発光させて、撮影カメラ９６で被計測物体９５の撮影を行い、記録メモリ９７に画像データを記録した後で、ライト９１を消灯する。この時、ライト９１から発せられた拡散光は、レンズ９３にて拡散角を調整された上で被計測物体９５に照射される。
次に、制御装置９９は、ライト９２を発光させて、撮影カメラ９６で被計測物体９５の撮影を行い、記録メモリ９７に画像データを記録した後で、ライト９２を消灯する。この時、ライト９２から出た拡散光は、レンズ９４にて負の拡散角を有する収束光に変換され、レンズ９４の先で一旦収束した後で拡散光になり、被計測物体９５に照射される。
制御装置９９は、記録メモリ９７に記録された２枚の画像データから、演算器９８を用いて、前記の（３）式の演算を行うことによって、３次元形状データを算出し記録メモリ９７に記録する。
なお、本実施の形態では、レンズ９３とレンズ９４とを用いたが、これは曲面ミラー、フレネルレンズ、ホログラフィカルレンズなどを用いても良い。
本実施の形態によれば、性能を落とさずに奥行き長の短い小型の３次元形状計測装置を実現することが可能となる。特に、一方だけを負の拡散角を有する拡散光（収束光）とすることによって、照明手段を著しく小型化することができる。
【００２５】
［実施の形態２］
図９は、本発明の実施の形態２の３次元形状計測装置の概略構成を示す図であり、この図９は、本願の請求項７に記載の３次元形状計測装置の実施の形態である。
図９において、１０１と１０２は拡散光を照射するライト、１０３は曲率の大きなレンズ、１０４は曲率の小さなレンズ、１０５はハーフミラー、１０６は被計測物体、１０７は撮影カメラ、１０８は画像データを記録する記録メモリ、１０９は画像データの演算器、１０１０は全体を制御する制御装置である。
なお、記録メモリ１０８、演算器１０９、および制御装置１０１０は、画像入カポートを備えたコンピュータで構成し、演算器１０９と制御装置１０１０は同じＣＰＵに兼用させても良いし、記録メモリ１０８はメモリの他、ハードディスクや光ディスクで代用しても良い。また、図中、細い矢印は制御の流れ、太い矢印はデータの流れを表す。
【００２６】
本実施の形態の３次元形状計測装置の動作を説明する。
制御装置１０１０は、ライト１０１を発光させて、撮影カメラ１０７で被計測物体１０６の撮影を行い、記録メモリ１０８に画像データを記録した後で、ライト１０１を消灯する。この時、ライト１０１から発せられた拡散光は、レンズ１０３にて負の拡散角を有する収束光に変換され、ハーフミラー１０５にて光量の半分が反射した先で、一旦収束した後で、拡散光になり被計測物体１０６に照射される。
次に、制御装置１０１０は、ライト１０２を発光させて、撮影カメラ１０７で被計測物体１０６の撮影を行い、記録メモリ１０８に画像データを記録した後でライト１０２を消灯する。この時、ライト１０２から発せられた拡散光は、レンズ１０４にて拡散角を調整され、ハーフミラー１０５にて光量の半分が透過して被計測物体１０６に照射される。
制御装置１０１０は、記録メモリ１０８に記録された２枚の画像データから演算器１０９を用いて、前述の（３）式の演算を行うことによって、３次元形状データを算出し記録メモリ１０８に記録する。
なお、本実施の形態では、レンズ１０３とレンズ１０４とを用いたが、これは曲面ミラー、フレネルレンズ、ホログラフィカルレンズなどを用いても良い。
本実施の形態によれば、照明手段（１０１，１０２）は同じ光軸上で拡散光を照射することが可能となる。この結果、照射角度の差がほとんど生じないので、被計測物体が鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも計測が可能となる。
【００２７】
［実施の形態３］
図１０は、本発明の実施の形態３の３次元形状計測装置の概略構成を示す図であり、この図１０は、本願の請求項９に記載の３次元形状計測装置の実施の形態である。
図１０において、１１１は平行ビームを照射するレーザ発振器、１１２は円盤の半分が反射ミラーコーティングされ残り半分が透明な円盤、１１３は円盤１１２を回転させるモータ、１１４と１１５は曲率の異なるレンズ、１１６と１１７はミラー、１１８は被計測物体、１１９は撮影カメラ、１１１０は画像データを記録する記録メモリ、１１１１は画像データの演算器、１１１２は全体を制御する制御装置である。
なお、記録メモリ１１１０、演算器１１１１、および制御装置１１１２は画像入カポートを備えたコンピュータで構成し、演算器１１１１と制御装置１１１２は同じＣＰＵに兼用させても良いし、記録メモリ１１１０はメモリの他、ハードディスクや光ディスクで代用しても良い。また、図中、細い矢印は制御の流れ、太い矢印はデータの流れを表す。
【００２８】
本実施の形態の３次元形状計測装置の動作を説明する。
制御装置１１１２は、モータ１１３に円盤１１２を回転させるように命令する。
図１０（ａ）に示すように、円盤１１２の透明領域が上部に位置する状態で、制御装置１１１２はレーザ発振器１１１を発光させる。なお、この状態の検知は、モータ１１３にロータリエンコーダ等を装備させても、モータ１１３にサーボモータを使っても、あるいは円盤１１２に非接触の透過光スイッチをつけて検知しても良い。
レーザ発振器１１１から照射された光は、円盤１１２の透明領域を通過しミラー１１６にて反射した後、レンズ１１４で所定の拡散角を有する拡散光に変換され再び円盤１１２の下部に入射する。円盤１１２の下部は、ミラー領域なので全光量が反射して被計測物体１１８を照射する。
制御装置１１１２は、撮影カメラ１１９を用いて被計測物体１１８の画像を撮影し、画像データを記録メモリ１１１０に記録した後で、レーザ発振器１１１を消灯する。
【００２９】
次に、図１０（ｂ）に示すように、円盤１１２のミラー領域が上部に位置する状態で、制御装置１１１２はレーザ発振器１１１を発光させる。
レーザ発振器１１１から照射された光は、円盤１１２で反射し、ミラー１１７で再度反射した後、レンズ１１５によって、図１０（ａ）のときとは異なる拡散角の拡散光に変換されて、円盤１１２の下部に入射する。円盤１１２の下部は、透明領域なので全光量が通過して被計測物体１１８を照射する。
制御装置１１１２は、撮影カメラ１１９を用いて被計測物体１１８の画像を撮影し画像データを記録メモリ１１１０に記録した後でレーザ発振器１１１を消灯する。
制御装置１１１２は、記録メモリ１１１０に記録された２枚の画像データから演算器１１１１を用いて、前述の（３）式３演算を行うことによって、３次元形状データを算出し記録メモリ１１１０に記録する。
本実施の形態の３次元形状計測装置の作用は、前述の実施の形態２の３次元形状計測装置と同じであるが、発光した光量全てを被計測物体１１８に照射できる点、および、光源が一つなので確実かつ正確に同強度の拡散光を照射できる点で優れている。
【００３０】
また、円盤１１２のミラー化する領域は、例えば、９０度毎に透明領域とミラー領域が繰り返されるパターンでも良く、図１０に示したパターンに限定されるものではない。
また、本実施の形態では、時分割で複数の光学経路を内部に作り出す方法として、回転するミラーと透明の複合光学系を用いたが、例えば、図３に示した機械的に動くミラー、液晶または音響光学素子など屈折率を制御できる素子を用いても実現可能である。時分割で複数の異なる光学経路を照明手段内部に作る光学系であるならば、本実施の形態の手段に限定するものではない。
本実施の形態によれば、照明手段が同じ光軸上で拡散光を照射することが可能となる。この結果、照射角度の差がほとんど生じないので、被計測物体が鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも計測が可能となる。
更に、前述の実施の形態２の３次元形状計測装置と比べて、照明光量の利用効率が２倍高く、かつ、光源が一つなので確実かつ正確に同強度の拡散光を照射できる利点を有する。
【００３１】
［実施の形態４］
図１１は、本発明の実施の形態４の３次元形状計測装置の概略構成を示す図であり、この図１１は、本願の請求項１０に記載の３次元形状計測装置の実施の形態である。
図１１において、１２１は拡散光を照射するライト、１２２は２周波液晶を用いた可変焦点レンズ、１２３は可変焦点レンズ１２２を駆動するためのアンプ、１２４は被計測物体、１２５は撮影カメラ、１２６は画像データを記録する記録メモリ、１２７は画像データの演算器、１２８は全体を制御する制御装置である。
なお、記録メモリ１２６、演算器１２７、および制御装置１２８は画像入カポートを備えたコンピュータで構成し、演算器１２７と制御装置１２８は同じＣＰＵに兼用させても良いし、記録メモリ１２６はメモリの他、ハードディスクや光ディスクで代用しても良い。また、図中、細い矢印は制御の流れ、太い矢印はデータの流れを表す。
【００３２】
本実施の形態の３次元形状計測装置の動作を説明する。
制御装置１２８は、アンプ１２３を用いて可変焦点レンズ１２２を所定の屈折率（第１の屈折率）に調整する。
次に、制御装置１２８は、ライト１２１を発光させて、撮影カメラ１２５で被計測物体１２４の撮影を行い、記録メモリ１２６に画像データを記録した後でライト１２１を消灯する。この時、ライト１２１から発せられた拡散光は、可変焦点レンズ１２２にて所定の拡散角（第１の拡散角）を有する拡散光に変換された後で被計測物体１２４に照射される。
次に、制御装置１２８は、アンプ１２３を用いて可変焦点レンズ１２２を、第１の屈折率とは異なる屈折率に調整する。
それから、制御装置１２８は、ライト１２１を発光させて撮影カメラ１２５で被計測物体１２４の撮影を行い、記録メモリ１２６に画像データを記録した後でライト１２１を消灯する。この時、ライト１２１から発せられた拡散光は、可変焦点レンズ１２２にて、第１の拡散角とは異なる拡散角を有する拡散光に変換された後で被計測物体１２４に照射される。
制御装置１２８は、記録メモリ１２６に記録された２枚の画像データから演算器１２７を用いて、前述の（３）式の演算を行うことによって、３次元形状データを算出し記録メモリ１２６に記録する。
【００３３】
なお、本実施の形態では、拡散角を任意に制御できる手段に２周波液晶を用いた可変焦点レンズを用いたが、ズームレンズやバリフォーカルレンズを用いて拡散角を任意に制御できる手段を構成しても良い。
本実施の形態によれば、照明手段が同じ光軸上で拡散光を照射することが可能となる。この結果、照射角度の差がほとんど生じないので、被計測物体が鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも計測が可能となる。
更に、前述の実施の形態２の３次元形状計測装置と比べて、照明光量の利用効率が２倍高く、光源が一つなので確実かつ正確に同強度の拡散光を照射できる利点を有する。
また、図４（ｂ）と図４（ｃ）に示すように、本実施の形態の３次元形状計測装置は、被計測物体の大きさや計測３次元形状計測装置からの距離に幅広く対応できる効果も有する。
【００３４】
［実施の形態５］
図１２は、本発明の実施の形態５の３次元形状計測装置の概略構成を示す図であり、この図１２は、本願の請求項１１に記載の３次元形状計測装置の実施の形態である。
図１２において、１３１と１３２は偏光する拡散光を照射するレーザダイオードであり、偏光の向きは同じに揃えている。
１３３は曲率の小さなレンズ、１３４は曲率の大きなレンズ、１３５は被計測物体、１３６は、レーザダイオード１３１や、レーザダイオード１３２とは偏光の向きが直交する光のみを分離する偏光フィルタ、１３７は撮影カメラ、１３８は画像データを記録する記録メモリ、１３９は画像データの演算器、１３１０は全体を制御する制御装置である。
なお、記録メモリ１３８、演算器１３９、および制御装置１３１０は画像入カポートを備えたコンピュータで構成し、演算器１３９と制御装置１３１０は同じＣＰＵに兼用させても良いし、記録メモリ１３８はメモリの他、ハードディスクや光ディスクで代用しても良い。また、図中、細い矢印は制御の流れ、太い矢印はデータの流れを表す。
【００３５】
本実施の形態の３次元形状計測装置の動作を説明する。
制御装置１３１０は、レーザダイオード１３１を発光させて、撮影カメラ１３７で被計測物体１３５の撮影を行い、記録メモリ１３８に画像データを記録した後でレーザダイオード１３１を消灯する。この時、レーザダイオード１３１から発せられた偏光の拡散光は、レンズ１３３にて拡散角を調整された上で被計測物体１３５に照射される。
被計測物体１３５からの反射光は、偏光の向きが、レーザダイオード１３１の偏光の向きと直交する光のみが偏光フィルタ１３６を透過して撮影カメラ１３７に届く。
次に、制御装置１３１０は、レーザダイオード１３２を発光させて、撮影カメラ１３７で被計測物体１３５の撮影を行い、記録メモリ１３８に画像データを記録した後でレーザダイオード１３２を消灯する。
この時、レーザダイオード１３２から出た偏光の拡散光は、レンズ１３４にて負の拡散角を有する収束光に変換され、レンズ１３４の先で一旦収束した後で拡散光になり被計測物体１３５に照射される。被計測物体１３５からの反射光は、偏光の向きが、レーザダイオード１３１の偏光の向きと直交する光のみが偏光フィルタ１３６を透過して撮影カメラ１３７に届く。
【００３６】
制御装置１３１０は、記録メモリ１３８に記録された２枚の画像データから演算器１３９を用いて、前述の（３）式の演算を行うことによって、３次元形状データを算出し記録メモリ１３８に記録する。
なお、本実施の形態では、光源として、レーザダイオード１３１とレーザダイオード１３２を用いたが、一般の光源に偏光フィルタを組み合わせて光源を構成しても良い。また、偏光フィルタの代わりに偏光プリズムを用いて構成しても良い。
本実施の形態によれば、被計測物体１３５に生じるハイライトだけを消失して計測が可能となるため、被計測物体１３５が鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも計測が可能となる。
更に、ハイライトによって起こされる撮影可能なダイナミックレンジを越える問題（白トビまたはオーバーフロー）を軽減する効果も有する。
【００３７】
［実施の形態６］
図１３は、本発明の実施の形態６の３次元形状計測装置の概略構成を示す図であり、この図１３は、本願の請求項１２に記載の３次元形状計測装置の実施の形態である。
図１３において、１４１と１４２は赤外光の拡散光を照射するライト、１４３は曲率の大きなレンズ、１４４は曲率の小さなレンズ、１４５はハーフミラー、１４６は被計測物体、１４７は赤外光のみを透過するコールドミラー、１４８はミラー、１４９は赤外光の撮影カメラ、１４１０はカラーカメラ、１４１１は画像データを記録する記録メモリ、１４１２は画像データの演算器、１４１３は全体を制御する制御装置である。
なお、記録メモリ１４１１、演算器１４１２、および制御装置１４１３は画像入カポートを備えたコンピュータで構成し、演算器１４１２と制御装置１４１３は同じＣＰＵに兼用させても良いし、記録メモリ１４１１はメモリの他、ハードディスクや光ディスクで代用しても良い。また、図中、細い矢印は制御の流れ、太い矢印はデータの流れを表す。
【００３８】
本実施の形態の３次元形状計測装置の動作を説明する。
制御装置１４１３は、ライト１４１を発光させて、撮影カメラ１４９で被計測物体１４６の赤外撮影を行い、記録メモリ１４１１に画像データを記録した後で、ライト１４１を消灯する。この時、ライト１４１から発せられた赤外拡散光は、レンズ１４３にて負の拡散角を有する収束光に変換され、ハーフミラー１４５にて光量の半分が反射した先で一旦収束した後で拡散光になり、被計測物体１４６に照射される。
次に、制御装置１４１３は、ライト１４２を発光させて撮影カメラ１４９で被計測物体１４６の撮影を行い、記録メモリ１４１１に画像データを記録した後でライト１４２を消灯する。この時、ライト１４２から発せられた赤外拡散光は、レンズ１４４にて拡散角を調整され、ハーフミラー１４５にて光量の半分が透過して被計測物体１４６に照射される。
制御装置１４１３は、記録メモリ１４１１に記録された２枚の画像データから演算器１４１２を用いて、前述の（３）式の演算を行うことによって、３次元形状データを算出し記録メモリ１４１１に記録する。
【００３９】
次に、制御装置１４１３は、カラーカメラ１４１０を用いて被計測物体１４６の色を撮影し、色情報データとして記録メモリ１４１１に記録する。
この時、環境光が被計測物体１４６に反射してできる色情報を含む可視光は、コールドミラー１４７にて反射し、ミラー１４８にて再度反射してカラーカメラ１４１０で撮影される。なお、ミラー１４８で再度反射させるのは、コールドミラー１４７から反射した画像は左右が反転するため、もう一度反射する必要があるからである。カラーカメラ１４１０に左右逆転機能を有するカラーカメラを用いるのであれば、ミラー１４８は省略できる。
本実施の形態によれば、形状計測カメラも色計測カメラも同じ光軸から撮影するので、色計測力メラには写りながら形状計測カメラには影となって写らない領域、若しくはこれと反対の領域などのオクルージョンを発生させることなく色と形状の同時計測が可能となる。
また、形状計測に専用のモノクロカメラを使用できるので、高ＳＮ比で形状計測が可能な他、色画像取得のためのライティングを計測光に影響されることなく独立に設定できる効果も有する。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
（１）本発明によれば、性能を落とさずに奥行き長の短い小型の３次元形状計測装置を実現することが可能となる。
特に、一方だけを負の拡散角を有する拡散光（収束光）とすることによって、照明手段を著しく小型化することができる。
（２）本発明によれば、照明手段が同じ光軸上で拡散光を照射することが可能となる。この結果、照射角度の差がほとんど生じないので、被計測物体が鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも計測が可能となる。
（３）本発明によれば、照明光量の利用効率を向上させ、さらに、確実かつ正確に同強度の拡散光を照射することが可能となる。
（４）本発明によれば、被計測物体の大きさや３次元形状計測装置からの距離に幅広く対応することが可能となる。
【００４１】
（５）本発明によれば、被計測物体に生じるハイライトだけを消失して計測が可能となるため、被計測物体が鏡面反射特性の強い光沢のある物体でも計測が可能となる。
更に、ハイライトによって起こされる撮影可能なダイナミックレンジを越える問題（白トビまたはオーバーフロー）を軽減することも可能となる。
（６）本発明によれば、形状計測カメラも色計測カメラも同じ光軸から撮影するので、色計測力メラには写りながら形状計測カメラには影となって写らない領域若しくはこれと反対の領域などのオクルージョンを発生しないで色と形状の同時計測が可能となる。
また、形状計測に専用のモノクロカメラを使用できるので、高ＳＮ比で形状計測が可能な他、色画像取得のためのライティングを計測光に影響されることなく独立に設定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の３次元形状計測装置の照明手段の構成を示す図である。
【図２】本発明の３次元形状計測装置の照明手段の構成を示す図である。
【図３】本発明の３次元形状計測装置の照明手段の構成を示す図である。
【図４】本発明の３次元形状計測装置の照明手段の構成を示す図である。
【図５】本発明の３次元形状計測装置の照明手段と撮影手段の構成を示す図である。
【図６】本発明の３次元形状計測装置の作用を説明するための、被計測物体の反射率を照明光と同じ向きの偏光、および照明光と直交する向きの偏光に分けて示したグラフである。
【図７】本発明の３次元形状計測装置の照明手段と撮影手段の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１の３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２の３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態３の３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態４の３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態５の３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態６の３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。
【図１４】従来の３次元形状計測装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１１，１２，２１，２２，２６，２７，３１，３２，４１，５１，２１１，２１０…光源、１３，２３，３４，４８，５３，６４，８３，９５，１０６，１１８，１２４，１３５，１４６…被計測物体、１４，９６，１０７，１１９，１２５，１３７…撮影カメラ、１５，９７，１０８，１２６，１３８，１１１０，１４１１…記録メモリ、１６，９８，１０９，１２７，１３９，１１１１，１４１２…演算器、１７，９９，１２８，１０１０，１１１２，１３１０，１４１３…制御装置、３３，１０５，１４５…ハーフミラー、３５…撮影手段、３６，４９，８７，４１０…光軸、４２，４３…回転ミラー、４４，４５，１１６，１１７，１４８…ミラー、４６，４７，９３，９４，１０３，１０４，１１４，１１５，１３３，１３４，１４３，１４４…レンズ、５２…拡散角を任意に制御できる光学系、５４，５５，５６，５７…拡散光、６１，６２…拡散光を照射する手段、６３，６５…特定の向きの偏光を分離する手段、６６…撮影手段、６７，６９…画像、６８…ハイライト領域、８１，８２…赤外の異なる拡散光を照射する手段、
８４，１４７…コールドミラー、８５…赤外光を撮影する撮影手段、８６…可視光を撮影する撮影手段、９１，９２，１０１，１０２，１２１…ライト、
１１１…レーザ発振器、１１２…円盤、１１３…モータ、１２２…可変焦点レンズ、１２３…アンプ、１３１，１３２…レーザダイオード、１３６…偏光フィルタ、１４１，１４２…赤外光の拡散光を照射するライト、１４９…赤外光の撮影カメラ、１４１０…カラーカメラ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional shape measurement method and a three-dimensional shape measurement apparatus for measuring a three-dimensional shape or a three-dimensional shape and color of an object to be measured, and is used particularly in the fields of measurement industry, communication industry, video industry, and the like. The present invention relates to a three-dimensional shape measuring method and a three-dimensional shape measuring apparatus.
[0002]
[Prior art]
Various measurement apparatuses that acquire a three-dimensional shape of an object to be measured using a camera have been proposed. These methods can be classified into a passive measurement apparatus that does not irradiate special illumination to the object to be measured typified by a stereo method, and an active measurement apparatus that irradiates special illumination to the object to be measured.
In particular, the passive measurement device is very low cost and versatile because the stereo method can be performed with two cameras, and has been studied energetically for a long time. Has not yet reached the practical stage.
On the other hand, the active measurement device has reached the practical level of measurement accuracy, resolution, and measurement reliability, and in recent years, moving image measurement has become possible.
However, since the apparatus is generally large and expensive, it has been impossible to reduce the size to a size that can be portable.
Further, depending on the application, the measurement accuracy and resolution may be low in many cases, but the conventional active measurement device cannot efficiently reduce the cost and size of the device even if these specifications are lowered.
[0003]
On the other hand, an apparatus is disclosed in which a distance is obtained by irradiating an object to be measured with a diffused light from a light source having a different distance and taking a ratio of each luminance value (see, for example, Patent Document 1).
FIG. 14 shows the configuration of the device disclosed in Patent Document 1 described above.
In FIG. 14, 13 is an object to be measured, 11 is a distant light source, 12 is a light source closer to the object to be measured 13 by a distance x0 than the distant light source 11, 14 is a photographing camera, 15 is an image data recording memory, and 16 is an image. A data calculator 17 is an overall control device.
Although the apparatus shown in FIG. 14 has a measurement accuracy resolution that is not so high, it is basically possible to construct the apparatus only by preparing two light sources and a camera, so that it can be made at an extremely low price. Compared to other methods, it is possible to make the device relatively small.
[0004]
The operation and measurement principle of the apparatus shown in FIG. 14 will be described.
First, the control device 17 turns on the light source 11 to irradiate the object to be measured 13 with diffused light, images the object to be measured 13 with the photographing camera 14, records this image data in the recording memory 15, and then the light source. 11 is turned off.
When the distance between the light source 11 and the measured object 13 is x, the light quantity of the light source 11 is L1, and the light quantity of the light source 12 is L2, the luminance V1 at a certain point on the measured object 13 illuminated by the light source 11 is If the reflectance for reflecting the light coming from the camera 14 in the direction of the photographing camera 14 is k, it is given by the following equation (1).
[Expression 1]
V1 = kL1 / 4πx2    .... (1)
Next, the control device 17 turns on the light source 12 to irradiate the object to be measured 13 with the diffused light, images the object to be measured 13 with the photographing camera 14, records this image data in the image memory 15, 12 is turned off.
At this time, the brightness V2 of the spot illuminated by the light source 12 is given by the following equation (2).
[Expression 2]
V2 = kL2 / 4π (x−x0)2    (2)
[0005]
Next, the control device 17 uses the computing unit 16 to obtain the distance x of the point by taking the ratio of the formulas (1) and (2), and performs the computation on all pixels to be measured. The three-dimensional shape data of the object 13 is obtained and written into the recording memory 15.
The arithmetic expression at this time is given by the following expression (3) from the expressions (1) and (2).
[Equation 3]
x = x0 / {1-√ (V1L2 / V2L1)} (3)
In the above-mentioned patent document 1, it is not specified whether the measurement is a single point distance measurement or the measurement of the entire three-dimensional shape, but the claim of the patent document 2 explicitly shows the three-dimensional shape measurement with the same operation principle. It is described in. In addition, patents having exactly the same contents as Patent Document 2 are replaced with expressions of mathematical expressions, and claims 1 and 2 of Patent Document 3, Claim 1 of Patent Document 4, Claim 1 of Patent Document 5, and Patents It is described in claim 1 of Document 6.
[0006]
The prior art document information related to the present invention includes the following.
[Patent Document 1]
JP 61-155909 A
[Patent Document 2]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-23312
[Patent Document 3]
JP 2002-77944 A
[Patent Document 4]
JP 2002-65581 A
[Patent Document 5]
JP 2002-95625 A
[Patent Document 6]
JP 2002-65585 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the apparatus shown in FIG. 14 has the following problems.
(1) The apparatus cannot be thinned.
The depth length of the apparatus is determined by the distance x0 between the two light sources in FIG. 14. However, if x0 is reduced, the resolution of distance measurement deteriorates, so x0 needs to be increased for practical use.
However, when x0 is large, the depth length of the apparatus becomes long, and the distance y that the light source 12 in the front side is shifted in the lateral direction so as not to be a shadow of the distant light source 11 becomes large. Occur. Further, when the distance y is increased, the problem related to the problem 2 described later becomes more serious.
It is a first object of the present invention to provide a small-sized device that has an optically sufficient distance x0 and requires a short depth length of an actual device.
[0008]
(2) A glossy object cannot be measured.
Both the above-mentioned formula (1) and formula (2) use the same reflectance k. This presupposes that the reflectance in the same direction (the direction of the photographing camera) is the same regardless of the incident angle of illumination.
However, the reflectance k of an object generally varies depending on the incident angle of illumination and the wavelength of illumination and is not constant. In the apparatus shown in FIG. 14, since the wavelength (color) of the light source is assumed to be the same, the latter problem does not occur. However, as the distance y increases, the difference in incident angle between the light source 11 and the light source 12 also increases. The change in the reflectance k cannot be ignored and accurate measurement cannot be performed.
In particular, highlights are generated when an object with strong specular reflection characteristics, such as a glossy object, is illuminated. However, in the vicinity of the highlight, measurement cannot be performed because the reflectance k changes greatly due to a slight difference in the incident angle of illumination. End up.
Therefore, the conventional technique is limited to the measurement of an object having a strong luster diffuse reflection characteristic such as plaster. Incidentally, in the above-mentioned Patent Document 2, a gypsum image is used for the experiment.
It is a problem 2 of the present invention to provide an apparatus capable of measuring even a glossy object.
[0009]
(3) The color and shape of the object cannot be acquired at the same time without degrading performance.
In the prior art, the color of the object to be measured is not measured, or a known method is used that combines shape measurement and color measurement using a color camera.
However, since the S / N ratio of a color camera is worse than that of a monochrome camera, it is inconvenient in this measurement method that calculates distance information from a slight luminance difference.
While solving this problem by simultaneously performing shape measurement and color measurement using separate dedicated cameras, occlusion with a single optical axis for shooting by both cameras (shape measurement while reflected in color measurement camera or shape measurement camera) It is an object 3 of the present invention to provide an apparatus capable of simultaneously measuring a color and a three-dimensional shape without an area that cannot be seen as a shadow from a camera or a color measurement camera.
[0010]
The present invention has been made to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an optically sufficient distance x0 in the three-dimensional shape measuring method and the three-dimensional shape measuring apparatus. However, it is an object of the present invention to provide a technique capable of reducing the depth of an actual device and reducing the size.
Another object of the present invention is to provide a technique capable of measuring even a glossy object as a measurement object in a three-dimensional shape measurement method and a three-dimensional shape measurement apparatus.
Another object of the present invention is to simultaneously perform shape measurement and color measurement using separate dedicated cameras as the color measurement camera and the shape measurement camera in the three-dimensional shape measurement method and the three-dimensional shape measurement apparatus, It is an object of the present invention to provide a technique capable of simultaneously measuring an unoccluded color and a three-dimensional shape with a single optical axis taken by both cameras.
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above-described problem 1, in the present invention (the invention described in claim 6), the light is disposed at the same distance from the object to be measured and irradiates diffused light having different diffusion angles.A plurality of illumination means, and the illumination means irradiated with each of the illumination meansShoot the object to be measuredFirst shootingMeans,Photographed by the first photographing meansimage dataRecordRecording means;Recorded in the recording meansimage data3D shape is calculated usingWith computing meansThe illuminating means includes a distance from a position of a virtual point light source of the diffused light to be irradiated to the object to be measured and a virtual of the diffused light emitted by the reference illuminating means among the plurality of illuminating means. The diffusion angle is set so that the difference between the position of the point light source and the distance from the object to be measured is a predetermined distance difference.
  The operation, measurement principle, and operation of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention are the same as those of the conventional three-dimensional shape measuring apparatus described above, and the configuration of the illumination means is different. This will be described with reference to FIG.
  FIG. 1A is a diagram showing illumination means of a conventional apparatus, which is composed of a light source 21 and a light source 22 having different distances, and diffusing light is sequentially irradiated from the respective light sources (21, 22) onto the object 23 to be measured. To shoot.
  As can be seen from FIG. 1A, the depth length 24 of the apparatus needs to be at least x0. Further, the light source 21 on the near side must be shifted by a distance 25 in the horizontal or vertical direction so as not to be a shadow of the light source 22 in the back.
[0012]
On the other hand, the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention shown in FIG. 1B irradiates diffused light having different diffusion angles from two light sources (26, 27) at the same distance from the measured object 23.
Since the light source 26 is equivalent to the case where a virtual point light source is placed at the position 215 and the light source 27 is equivalent to the case where a virtual point light source is placed at the position 216, the position 215 The optical distance difference x0 given by the distance difference of the position 216 is the same as that of the conventional three-dimensional shape measuring apparatus.
Therefore, the actual depth length can be shortened to 28 shown in FIG. 1B while having the same optical distance difference x0.
The three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention shown in FIG. 1C gives a negative diffusion angle to the light source 211. The light emitted from the light source 211 once becomes a diffused light after converging.
Since the light source 211 is equivalent to the case where a virtual point light source is placed at the position 217 and the light source 210 is equivalent to the case where a virtual point light source is placed at the position 218, The optical distance difference x0 given by the distance difference of the position 218 is the same as that of the conventional three-dimensional shape measuring apparatus.
The optical focal point is located in front of the light source 211. Therefore, the actual depth length can be reduced to the length 213 shown in FIG. 1C while having the same optical distance difference x0.
Further, since the irradiation area of the light source is smaller than that in FIG. 1B, a smaller light source can be used, and by moving the light source 210 to the position 212, the distance shifted in the vertical direction is also from 29 shown in FIG. 1B. Also, the distance can be shortened to 214 shown in FIG.
[0013]
Note that the light amount of the light source used in the above-described equations (1) and (2) is assumed to be the light amount of the point light source that irradiates in all directions as shown in FIG. It is necessary to correct in advance the light amount of the light source that irradiates the range.
If the light source 26 and the light source 211 have a light amount L1 ′, the solid angle of the irradiation range ω1, the light amount of the light source 27 and the light source 210 of the light source L2 ′, and the solid angle of the irradiation range ω2, the following (4 ) And (5) are converted into the equivalent light quantity of a point light source that irradiates in all directions.
[Expression 4]
L1 = 4πL1 ′ / ω1 (4)
L2 = 4πL2 ′ / ω2 (5)
As described above, the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention has an optically sufficient distance x0, but the actual three-dimensional shape measuring apparatus has a short depth length and is small in size. Therefore, Problem 1 is solved. In addition, since the distance to be shifted horizontally or vertically can be reduced, the difference in the irradiation angle to the object to be measured can be reduced, which is effective in solving the problem 2.
[0014]
  In order to solve the problem 2, the present invention (claims)8In the invention described in (1), it has a half mirror and is irradiated from a plurality of illumination means.eachThe diffused light is synthesized by a half mirror and irradiated on one optical axis.
  In FIG. 2, the block diagram of the illumination means of the three-dimensional shape measuring apparatus of this invention is shown.
  In FIG. 2, 31 and 32 are light sources at different distances, 33 is a half mirror, 34 is an object to be measured, and 35 is a photographing means.
  In the three-dimensional shape measuring apparatus shown in FIG. 2, both the light emitted from the light source 31 and the light source 32 become light traveling along the same optical axis 36 by the half mirror 33 and irradiate the measurement object 34. Even if the two light sources are switched and irradiated, the difference in the irradiation angle to the measurement object 34 hardly occurs.
  As a result, even if the object to be measured 34 is a glossy object having a strong specular reflection characteristic, the change in reflectance due to switching of illumination can be made so small that it can be ignored, so that the problem 2 is solved.
[0015]
  In order to solve the problem 2, the present invention (the invention according to claim 9)A single illuminating means that irradiates diffused light that is arranged at a certain distance from the measured object and whose diffusion angle is changed in a time-division manner, and a first that images the measured object irradiated by the illuminating means The illumination unit includes: an imaging unit; a recording unit that records image data captured by the first imaging unit; and an arithmetic unit that calculates a three-dimensional shape using the image data recorded in the recording unit. MeansOne light source,AboveAs an optical path of light emitted from one light source, an optical system that generates a plurality of different optical paths in a time division manner;AboveFor each optical path generated by the optical system,The light emitted from the one light sourceDifferent diffusion anglesExpansionA plurality of optical means for converting to diffuse light;And each of the optical means includes a distance from a virtual point light source position of the converted diffused light to the object to be measured and a diffused light converted by the reference optical means among the plurality of optical means. The diffusion angle is set so that the difference between the position of the virtual point light source and the distance to the object to be measured is a predetermined distance difference, and the calculation means is configured to obtain the luminance of each pixel of the image data. Is based on being inversely proportional to the square of the distance from the position of the virtual point light source of the diffused light irradiated at the time of capturing the image data to the point corresponding to the pixel on the object to be measured. The three-dimensional shape of the object is calculated.
  The operation and measurement principle of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention are the same as those of the conventional three-dimensional shape measuring apparatus, and the configuration of the illumination means is different. This illumination means will be described with reference to FIG.
  In FIG. 3, 48 is an object to be measured, 41 is a light source that irradiates a parallel beam, 42 and 43 are rotating mirrors, 44 and 45 are mirrors, 46 and 47 are concave lenses having different curvatures, Convert to different diffuse light.
  FIG. 3A shows a state in which the rotating mirror 42 is deviated from the optical path, and a state in which the rotating mirror 43 enters the optical path at an angle of 45 degrees.
  In this state, the irradiation light from the light source 41 passes along the optical axis 49, is converted into diffused light by the concave lens 46, and is irradiated to the measurement object 48.
[0016]
FIG. 3B shows a state in which the rotating mirror 42 enters an angle of 45 degrees in the optical path, and a state in which the rotating mirror 43 deviates from the optical path.
In this state, the irradiation light from the light source 41 passes along the optical axis 410, is converted into diffused light having a diffusion angle different from that in FIG. 3A by the concave lens 47, and is irradiated to the measured object 48. The
That is, by irradiating the state of FIG. 3A and the state of FIG. 3B in a time-sharing manner, both diffused light is irradiated to the measured object 48 along the same optical axis. Therefore, there is almost no difference in irradiation angle.
As a result, even if the object to be measured 48 is a glossy object having a strong specular reflection characteristic, the change in reflectance due to switching of illumination can be made so small that it can be ignored, so that the problem 2 can be solved.
[0017]
  In order to solve the problem 2, the present invention (the invention according to claim 10)A single illuminating means that irradiates diffused light that is arranged at a certain distance from the measured object and whose diffusion angle is changed in a time-division manner, and a first that images the measured object irradiated by the illuminating means The illumination unit includes: an imaging unit; a recording unit that records image data captured by the first imaging unit; and an arithmetic unit that calculates a three-dimensional shape using the image data recorded in the recording unit. The means includes one light source and light emitted from the one light source in a time-sharing manner.Different diffusion anglesExpansionConvert to diffuseOpticsmeansThe optical means includes a distance from a virtual point light source position of each diffused light irradiated in time division to the measured object and diffused light serving as a reference among the diffused light irradiated in time division The diffusion angle is changed in a time-sharing manner so that the difference from the position of the virtual point light source to the object to be measured is a predetermined distance difference, and the calculation means Based on the fact that the luminance of the pixel is inversely proportional to the square of the distance from the position of the virtual point light source of the diffused light irradiated at the time of capturing the image data to the point corresponding to the pixel on the measured object, A three-dimensional shape of the object to be measured is calculated.
  FIG. 4A shows a configuration diagram of illumination means of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention.
  In the figure, 51 is a light source, 52 is an optical system that can arbitrarily control a diffusion angle represented by a zoom lens and a variable focus lens, and 53 is an object to be measured.
  By changing the zoom ratio of the optical system 52, the diffused lights 54 and 55 having different diffusion angles are irradiated. Since both irradiation lights are irradiated to the measurement object 53 on the same optical axis, there is almost no difference in the irradiation angle to the measurement object 53.
  As a result, even if the object 53 to be measured is a glossy object with strong specular reflection characteristics, the change in reflectance due to switching of illumination can be made small enough to be ignored, so that measurement 2 can be achieved.
  Moreover, the illumination means of the three-dimensional shape measuring apparatus which combined Claim 8 and Claim 10 is shown in FIG.4 (b) and FIG.4 (c).
  Although the optimum diffusion angle differs depending on the size of the object to be measured and the distance from the three-dimensional shape measuring apparatus, means for arbitrarily controlling the diffusion angle as shown in FIGS. 4B and 4C is used. Thus, the diffusion angle of the diffused light (56, 57) can be arbitrarily controlled, and can correspond widely to the size of the object to be measured and the distance from the three-dimensional shape measuring apparatus.
[0018]
In order to solve the problem 2, in the present invention (the invention described in claim 11), either the light source for irradiating the polarized light or the optical means for separating the polarized light is provided in the illuminating means, and before the photographing means. It has an optical means for separating the polarized light whose polarization direction is orthogonal, and irradiates with polarized diffused light to photograph only the polarized light orthogonal to the polarization direction of the polarized light.
FIG. 5 shows a configuration diagram of the illuminating means and the photographing means of the three-dimensional shape measuring apparatus according to claims 11 and 6.
In FIG. 5, 61 and 62 are means for irradiating diffused light having different diffusion angles, 63 is a means for separating polarized light in a specific direction, 64 is a glossy object to be measured, and 65 is a direction of polarized light with the means 63. Means for separating polarized light orthogonal to each other, and 66 is a photographing means.
An image 67 is photographed when irradiated by a conventional apparatus, but since the measured object 64 is a glossy measured object, a highlight area 68 is generated.
[0019]
This phenomenon and the problems caused will be described with reference to FIG. FIG. 6A illustrates the reflectance at which light incident on a certain surface at an angle θ is reflected at the same angle θ.
In the case of a glossy object, an extremely strong reflectivity 71 is exhibited due to specular reflection at an angle at which vertically incident light is returned in the vertical direction. This area corresponds to the highlight area 68.
In the measurement principle of the three-dimensional shape measurement apparatus of the present invention, it is premised that the reflectance k of the surface of the object to be measured does not change even if the illumination is changed. A slight difference δθ occurs in the irradiation angle.
Even in a non-glossy object or a glossy object, if the angle is significantly deviated from the highlight region (for example, θ1 in the figure), the difference in reflectance δk1 with respect to incident light different from θ1 by θ1 from θ1 is Although it is so small that it can be ignored, the reflectance difference δk2 becomes so large that it cannot be ignored when the angle θ2 is in the vicinity of the highlight, making measurement impossible.
[0020]
On the other hand, polarized light is irradiated in the present invention. Suppose that this polarized light is P-polarized light.
FIG. 6B illustrates the reflectance by dividing P-polarized light incident on a certain surface at an angle θ into P-polarized light that is reflected at the same angle θ, and S-polarized light in which the directions of the P-polarized light and the polarized light are orthogonal to each other. Yes.
As can be seen from this, the sudden increase in the reflectance of the highlight is mostly occupied by P-polarized light.
In the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention, only the polarized light whose polarization direction is orthogonal to the illumination light is photographed separately, so only the S-polarized light shown in FIG. 6C is photographed. Therefore, the image 69 in which the highlight disappears is taken.
Since the highlight disappears and δk is always small enough to be ignored regardless of θ, the object to be measured 64 can be measured even with a glossy object, and the problem 2 can be solved.
In addition, since the highlight is extremely high in brightness, a problem (white highlight or overflow) exceeding the dynamic range that can be photographed is likely to occur. However, the present invention has an effect of reducing this problem.
[0021]
In order to solve the problem 3, the present invention (the invention according to claim 12) is a means for the illumination means to irradiate infrared light, and means for separating infrared light and visible light before the means for photographing. And a visible light photographing means, and photographing infrared light and visible light on one optical axis.
The configuration and operation of a three-dimensional shape measuring apparatus combining claim 6 and claim 12 will be described with reference to FIG.
In FIG. 7, reference numerals 81 and 82 denote irradiation means for irradiating diffused light having different infrared rays, 83 denotes an object to be measured, 84 denotes a cold mirror that transmits infrared light and reflects visible light, and 85 takes infrared light. An imaging unit 86 is an imaging unit that captures visible light.
Infrared diffused light with different diffusion angles sequentially irradiated from the irradiation unit 81 or the irradiation unit 82 is irradiated to the measurement object 83.
The reflected light from the measurement object 83 passes through the cold mirror 84 and is photographed by the photographing means 85. The shape measurement is performed using an image photographed by the photographing means 85.
[0022]
On the other hand, the visible light emitted from the measured object 83 is reflected by the cold mirror 84 and photographed by the photographing means 86. As a result, the color image is measured by the photographing means 86.
Since the image reflected from the cold mirror 84 is reversed left and right, it is reversed once again by a mirror as in the embodiments described later, or a TV camera having a left-right reversal function is used for the photographing means 86.
Since the shape measuring camera and the color measuring camera are photographed from one optical axis 87 by the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention, an area that is reflected in the color measuring camera but not shadowed in the shape measuring camera. Alternatively, it is possible to realize a three-dimensional shape measuring apparatus capable of simultaneously measuring the color and shape without generating occlusions such as the opposite region.
In addition, since a dedicated infrared monochrome camera can be used for shape measurement, shape measurement can be performed with a high signal-to-noise ratio and the convenience of being able to independently set lighting for color image acquisition without being affected by measurement light it can.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.
[Embodiment 1]
FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 8 is an embodiment of the three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 6 of the present application. .
In FIG. 8, 91 and 92 are lights for irradiating diffused light, 93 is a lens having a small curvature, 94 is a lens having a large curvature, and the light (91, 92), the lens 93, and the lens 94, A plurality of illumination means for irradiating different diffused light at the same distance from the object to be measured 95 described above is configured.
Reference numeral 95 is an object to be measured, 96 is a photographing camera, 97 is a recording memory for recording image data, 98 is a calculator for image data, and 99 is a control device for controlling the whole.
The recording memory 97, the computing unit 98, and the control device 99 are configured by a computer having an image input port, and the computing unit 98 and the control device 99 may be shared by the same CPU. In addition to memory, a hard disk or optical disk may be substituted. In the figure, thin arrows indicate the flow of control, and thick arrows indicate the flow of data.
[0024]
The operation of the three-dimensional shape measuring apparatus according to this embodiment will be described.
The control device 99 causes the light 91 to emit light, shoots the measured object 95 with the photographic camera 96, records the image data in the recording memory 97, and then turns off the light 91. At this time, the diffused light emitted from the light 91 is irradiated to the measured object 95 after the diffusion angle is adjusted by the lens 93.
Next, the control device 99 causes the light 92 to emit light, shoots the measured object 95 with the photographing camera 96, records the image data in the recording memory 97, and then turns off the light 92. At this time, the diffused light emitted from the light 92 is converted into convergent light having a negative diffusion angle by the lens 94, and once converged at the tip of the lens 94, becomes diffused light and is irradiated to the measurement object 95. The
The control device 99 calculates the three-dimensional shape data from the two pieces of image data recorded in the recording memory 97 by using the calculator 98 and calculates the three-dimensional shape data in the recording memory 97. Record.
In the present embodiment, the lens 93 and the lens 94 are used. However, a curved mirror, a Fresnel lens, a holographic lens, or the like may be used.
According to the present embodiment, it is possible to realize a small three-dimensional shape measuring apparatus having a short depth length without degrading performance. In particular, the illumination means can be significantly reduced in size by using only one of the diffused light (converged light) having a negative diffusion angle.
[0025]
[Embodiment 2]
FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 9 is an embodiment of the three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 7 of the present application. .
In FIG. 9, 101 and 102 are lights for irradiating diffused light, 103 is a lens with a large curvature, 104 is a lens with a small curvature, 105 is a half mirror, 106 is an object to be measured, 107 is an object to be measured, 107 is a photographing camera, and 108 is image data. A recording memory for recording, an arithmetic unit 109 for image data, and a control device 1010 for controlling the whole.
The recording memory 108, the arithmetic unit 109, and the control device 1010 are configured by a computer having an image input port, and the arithmetic unit 109 and the control device 1010 may be shared by the same CPU. In addition, a hard disk or an optical disk may be substituted. In the figure, thin arrows indicate the flow of control, and thick arrows indicate the flow of data.
[0026]
The operation of the three-dimensional shape measuring apparatus according to this embodiment will be described.
The control device 1010 causes the light 101 to emit light, shoots the measured object 106 with the photographing camera 107, records image data in the recording memory 108, and then turns off the light 101. At this time, the diffused light emitted from the light 101 is converted into convergent light having a negative diffusion angle by the lens 103, and once diffused after being half-reflected by the half mirror 105. It becomes light and irradiates the measured object 106.
Next, the control device 1010 causes the light 102 to emit light, shoots the measured object 106 with the photographing camera 107, records the image data in the recording memory 108, and turns off the light 102. At this time, the diffusion angle of the diffused light emitted from the light 102 is adjusted by the lens 104, and half of the amount of light is transmitted by the half mirror 105 and is irradiated to the measurement object 106.
The control device 1010 calculates the three-dimensional shape data by performing the calculation of the above-described equation (3) from the two pieces of image data recorded in the recording memory 108 using the calculator 109 and records the data in the recording memory 108. To do.
In this embodiment, the lens 103 and the lens 104 are used. However, a curved mirror, a Fresnel lens, a holographic lens, or the like may be used.
According to this embodiment, the illumination means (101, 102) can irradiate diffused light on the same optical axis. As a result, there is almost no difference in the irradiation angle, so that the object to be measured can be measured even with a glossy object having a strong specular reflection characteristic.
[0027]
[Embodiment 3]
FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 10 is an embodiment of the three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 9 of the present application. .
In FIG. 10, 111 is a laser oscillator that irradiates a parallel beam, 112 is a disk in which half of the disk is coated with a reflection mirror and the other half is transparent, 113 is a motor that rotates the disk 112, 114 and 115 are lenses having different curvatures, 116 117 is a mirror, 118 is an object to be measured, 119 is a photographing camera, 1110 is a recording memory for recording image data, 1111 is a calculator for image data, and 1112 is a control device for controlling the whole.
Note that the recording memory 1110, the calculator 1111 and the control device 1112 are configured by a computer having an image input port, and the calculator 1111 and the control device 1112 may be shared by the same CPU. In addition, a hard disk or an optical disk may be substituted. In the figure, thin arrows indicate the flow of control, and thick arrows indicate the flow of data.
[0028]
The operation of the three-dimensional shape measuring apparatus according to this embodiment will be described.
The control device 1112 instructs the motor 113 to rotate the disk 112.
As shown in FIG. 10A, the control device 1112 causes the laser oscillator 111 to emit light with the transparent region of the disk 112 positioned at the top. The detection of this state may be detected by providing the motor 113 with a rotary encoder or the like, using a servo motor for the motor 113, or attaching a non-contact transmitted light switch to the disk 112.
The light emitted from the laser oscillator 111 passes through the transparent region of the disk 112 and is reflected by the mirror 116, converted into diffused light having a predetermined diffusion angle by the lens 114, and enters the lower part of the disk 112 again. Since the lower part of the disk 112 is a mirror region, the total amount of light is reflected and irradiates the object 118 to be measured.
The control device 1112 takes an image of the measurement object 118 using the photographing camera 119, records the image data in the recording memory 1110, and then turns off the laser oscillator 111.
[0029]
Next, as shown in FIG. 10B, the control device 1112 causes the laser oscillator 111 to emit light in a state where the mirror region of the disk 112 is located at the top.
The light emitted from the laser oscillator 111 is reflected by the disk 112, reflected again by the mirror 117, and then converted by the lens 115 into diffused light having a diffusion angle different from that shown in FIG. Incident on the lower part of. Since the lower part of the disk 112 is a transparent region, the entire light quantity passes and irradiates the measurement object 118.
The control device 1112 takes an image of the measurement object 118 using the photographing camera 119, records the image data in the recording memory 1110, and then turns off the laser oscillator 111.
The control device 1112 calculates the three-dimensional shape data from the two pieces of image data recorded in the recording memory 1110 using the calculator 1111 to calculate the three-dimensional shape data and records it in the recording memory 1110. To do.
The operation of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present embodiment is the same as that of the above-described three-dimensional shape measuring apparatus according to the second embodiment. Since it is one, it is excellent in that it can irradiate diffused light of the same intensity reliably and accurately.
[0030]
Further, the area of the disk 112 to be mirrored may be, for example, a pattern in which a transparent area and a mirror area are repeated every 90 degrees, and is not limited to the pattern shown in FIG.
In this embodiment, a rotating mirror and a transparent composite optical system are used as a method for creating a plurality of optical paths in a time division manner. For example, a mechanically movable mirror or liquid crystal shown in FIG. Alternatively, an element such as an acousto-optic element that can control the refractive index can be used. The present invention is not limited to the means of this embodiment as long as it is an optical system that creates a plurality of different optical paths in the illumination means by time division.
According to the present embodiment, the illumination unit can irradiate diffused light on the same optical axis. As a result, there is almost no difference in the irradiation angle, so that the object to be measured can be measured even with a glossy object having a strong specular reflection characteristic.
Furthermore, compared with the three-dimensional shape measuring apparatus of the second embodiment described above, there is an advantage that the use efficiency of the illumination light amount is twice as high and the diffused light having the same intensity can be irradiated reliably and accurately because there is one light source. .
[0031]
[Embodiment 4]
FIG. 11 is a diagram showing a schematic configuration of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 11 is an embodiment of the three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 10 of the present application. .
In FIG. 11, 121 is a light for irradiating diffused light, 122 is a variable focus lens using a two-frequency liquid crystal, 123 is an amplifier for driving the variable focus lens 122, 124 is an object to be measured, 125 is a photographing camera, 126 Is a recording memory for recording image data, 127 is an arithmetic unit for image data, and 128 is a control device for controlling the whole.
The recording memory 126, the arithmetic unit 127, and the control device 128 are configured by a computer having an image input port. The arithmetic unit 127 and the control device 128 may be shared by the same CPU. In addition, a hard disk or an optical disk may be substituted. In the figure, thin arrows indicate the flow of control, and thick arrows indicate the flow of data.
[0032]
The operation of the three-dimensional shape measuring apparatus according to this embodiment will be described.
The controller 128 uses the amplifier 123 to adjust the variable focus lens 122 to a predetermined refractive index (first refractive index).
Next, the control device 128 causes the light 121 to emit light, shoots the measured object 124 with the photographing camera 125, records the image data in the recording memory 126, and turns off the light 121. At this time, the diffused light emitted from the light 121 is irradiated to the measured object 124 after being converted into diffused light having a predetermined diffusion angle (first diffusion angle) by the variable focus lens 122.
Next, the controller 128 uses the amplifier 123 to adjust the variable focus lens 122 to a refractive index different from the first refractive index.
Then, the control device 128 causes the light 121 to emit light, shoots the measured object 124 with the photographing camera 125, records the image data in the recording memory 126, and turns off the light 121. At this time, the diffused light emitted from the light 121 is irradiated to the measured object 124 after being converted into diffused light having a diffusion angle different from the first diffusion angle by the variable focus lens 122.
The control device 128 calculates the three-dimensional shape data by using the calculator 127 from the two pieces of image data recorded in the recording memory 126 to record the three-dimensional shape data in the recording memory 126. To do.
[0033]
In this embodiment, a variable focus lens using a two-frequency liquid crystal is used as a means for arbitrarily controlling the diffusion angle. However, a means for arbitrarily controlling the diffusion angle using a zoom lens or a varifocal lens is configured. You may do it.
According to the present embodiment, the illumination unit can irradiate diffused light on the same optical axis. As a result, there is almost no difference in the irradiation angle, so that the object to be measured can be measured even with a glossy object having a strong specular reflection characteristic.
Furthermore, compared to the above-described three-dimensional shape measuring apparatus of the second embodiment, there is an advantage that the use efficiency of the illumination light quantity is twice as high and the diffused light having the same intensity can be irradiated reliably and accurately because there is one light source.
Further, as shown in FIGS. 4B and 4C, the three-dimensional shape measuring apparatus of the present embodiment has an effect that can widely correspond to the size of the measured object and the distance from the measuring three-dimensional shape measuring apparatus. Also have.
[0034]
[Embodiment 5]
FIG. 12 is a diagram showing a schematic configuration of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the fifth embodiment of the present invention, and FIG. 12 is an embodiment of the three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 11 of the present application. .
In FIG. 12, reference numerals 131 and 132 denote laser diodes that irradiate polarized diffused light, and the polarization directions are the same.
133 is a lens with a small curvature, 134 is a lens with a large curvature, 135 is an object to be measured, 136 is a polarization filter that separates only the laser diode 131 and the light whose polarization direction is orthogonal to the laser diode 132, and 137 is a photograph A camera, a recording memory 138 for recording image data, a calculator 139 for image data, and a control device 1310 for controlling the whole.
Note that the recording memory 138, the arithmetic unit 139, and the control device 1310 are configured by a computer having an image input port, and the arithmetic unit 139 and the control device 1310 may be shared by the same CPU. In addition, a hard disk or an optical disk may be substituted. In the figure, thin arrows indicate the flow of control, and thick arrows indicate the flow of data.
[0035]
The operation of the three-dimensional shape measuring apparatus according to this embodiment will be described.
The control device 1310 causes the laser diode 131 to emit light, shoots the measured object 135 with the shooting camera 137, records image data in the recording memory 138, and then turns off the laser diode 131. At this time, the polarized diffused light emitted from the laser diode 131 is irradiated to the measured object 135 after the diffusion angle is adjusted by the lens 133.
In the reflected light from the object 135 to be measured, only the light whose polarization direction is orthogonal to the polarization direction of the laser diode 131 passes through the polarization filter 136 and reaches the photographing camera 137.
Next, the control device 1310 causes the laser diode 132 to emit light, shoots the measured object 135 with the shooting camera 137, records the image data in the recording memory 138, and then turns off the laser diode 132.
At this time, the polarized diffused light emitted from the laser diode 132 is converted into a convergent light having a negative diffusion angle by the lens 134, and once converged at the tip of the lens 134, becomes a diffused light and becomes a measurement object 135. Irradiated. In the reflected light from the object 135 to be measured, only the light whose polarization direction is orthogonal to the polarization direction of the laser diode 131 passes through the polarization filter 136 and reaches the photographing camera 137.
[0036]
The control device 1310 calculates the three-dimensional shape data from the two pieces of image data recorded in the recording memory 138 using the calculator 139 to calculate the three-dimensional shape data and records it in the recording memory 138. To do.
In this embodiment, the laser diode 131 and the laser diode 132 are used as the light source. However, a light source may be configured by combining a general light source with a polarizing filter. Further, a polarizing prism may be used instead of the polarizing filter.
According to the present embodiment, it is possible to perform measurement by erasing only the highlight generated in the measured object 135, and therefore it is possible to perform measurement even when the measured object 135 is a glossy object having a strong specular reflection characteristic.
Furthermore, it has the effect of reducing the problem (white stripes or overflow) that exceeds the dynamic range that can be taken by the highlight.
[0037]
[Embodiment 6]
FIG. 13 is a diagram showing a schematic configuration of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the sixth embodiment of the present invention, and FIG. 13 is an embodiment of the three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 12 of the present application. .
In FIG. 13, 141 and 142 are lights for irradiating diffused light of infrared light, 143 is a lens having a large curvature, 144 is a lens having a small curvature, 145 is a half mirror, 146 is an object to be measured, and 147 is only infrared light. , 148 is an infrared camera, 1410 is a color camera, 1411 is a recording memory for recording image data, 1412 is a calculator for image data, and 1413 is a control device for controlling the whole. It is.
Note that the recording memory 1411, the computing unit 1412, and the control device 1413 are configured by a computer having an image input port, and the computing unit 1412 and the control device 1413 may be shared by the same CPU. The recording memory 1411 is a memory device. In addition, a hard disk or an optical disk may be substituted. In the figure, thin arrows indicate the flow of control, and thick arrows indicate the flow of data.
[0038]
The operation of the three-dimensional shape measuring apparatus according to this embodiment will be described.
The control device 1413 emits the light 141, performs infrared imaging of the measured object 146 with the imaging camera 149, records image data in the recording memory 1411, and then turns off the light 141. At this time, the infrared diffused light emitted from the light 141 is converted into convergent light having a negative diffusion angle by the lens 143 and diffused after once converging at the point where half the amount of light is reflected by the half mirror 145. It becomes light and irradiates the measurement object 146.
Next, the control device 1413 causes the light 142 to emit light, shoots the measured object 146 with the photographing camera 149, records the image data in the recording memory 1411, and turns off the light 142. At this time, the diffusion angle of the infrared diffused light emitted from the light 142 is adjusted by the lens 144, and half of the amount of light is transmitted by the half mirror 145 to be irradiated to the measurement object 146.
The control device 1413 calculates the three-dimensional shape data from the two pieces of image data recorded in the recording memory 1411 using the calculator 1412 to calculate the three-dimensional shape data and records it in the recording memory 1411. To do.
[0039]
  Next, the control device 1413 captures the color of the measurement object 146 using the color camera 1410 and records the color information data in the recording memory 1411.
  At this time, visible light including color information formed by reflecting ambient light to the measurement object 146 is reflected by the cold mirror 147, reflected again by the mirror 148, and photographed by the color camera 1410. The reason why the light is reflected again by the mirror 148 is that the image reflected from the cold mirror 147 is reversed left and right, and needs to be reflected again. If a color camera having a left-right reversing function is used for the color camera 1410, the mirror 148 can be omitted.
  According to the present embodiment, since the shape measuring camera and the color measuring camera are photographed from the same optical axis, the area that is reflected in the color measuring power mela but is not reflected in the shape measuring camera, or the opposite. Occlusion such as area occursWithout lettingSimultaneous measurement of color and shape is possible.
  In addition, since a dedicated monochrome camera can be used for shape measurement, shape measurement can be performed with a high S / N ratio, and lighting for obtaining a color image can be independently set without being affected by measurement light.
  Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the above-described embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Of course.
[0040]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
(1) According to the present invention, it is possible to realize a small three-dimensional shape measuring apparatus having a short depth length without degrading performance.
In particular, the illumination means can be significantly reduced in size by using only one of the diffused light (converged light) having a negative diffusion angle.
(2) According to the present invention, the illumination means can irradiate diffused light on the same optical axis. As a result, there is almost no difference in the irradiation angle, so that the object to be measured can be measured even with a glossy object having a strong specular reflection characteristic.
(3) According to the present invention, it is possible to improve the utilization efficiency of the amount of illumination light, and to irradiate diffused light having the same intensity reliably and accurately.
(4) According to the present invention, it is possible to deal widely with the size of the object to be measured and the distance from the three-dimensional shape measuring apparatus.
[0041]
(5) According to the present invention, it is possible to perform measurement by erasing only the highlight generated in the object to be measured. Therefore, even if the object to be measured is a glossy object having a strong specular reflection characteristic, the measurement can be performed.
Furthermore, it is possible to reduce the problem (white stripes or overflow) that exceeds the dynamic range that can be taken by the highlight.
(6) According to the present invention, both the shape measurement camera and the color measurement camera are photographed from the same optical axis, so the area that is reflected in the color measurement force mela but is not reflected in the shape measurement camera or the opposite. Simultaneous measurement of color and shape is possible without generating occlusions such as areas.
In addition, since a dedicated monochrome camera can be used for shape measurement, shape measurement can be performed with a high S / N ratio, and lighting for obtaining a color image can be set independently without being affected by measurement light. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of illumination means of a three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of illumination means of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of illumination means of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of illumination means of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of illumination means and photographing means of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the reflectance of an object to be measured divided into polarized light in the same direction as illumination light and polarized light in a direction orthogonal to illumination light for explaining the operation of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention. It is.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of illumination means and photographing means of the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a three-dimensional shape measurement apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of a three-dimensional shape measuring apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a schematic configuration of a three-dimensional shape measurement apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a schematic configuration of a three-dimensional shape measurement apparatus according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing a schematic configuration of a three-dimensional shape measurement apparatus according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional three-dimensional shape measuring apparatus.
[Explanation of symbols]
11, 12, 21, 22, 26, 27, 31, 32, 41, 51, 211, 210... Light source, 13, 23, 34, 48, 53, 64, 83, 95, 106, 118, 124, 135, 146 ... object to be measured, 14, 96, 107, 119, 125, 137 ... photographing camera, 15, 97, 108, 126, 138, 1110, 1411 ... recording memory, 16, 98, 109, 127, 139, 1111 1412: arithmetic unit, 17, 99, 128, 1010, 1112, 1310, 1413 ... control device, 33, 105, 145 ... half mirror, 35 ... photographing means, 36, 49, 87, 410 ... optical axis, 42, 43 ... Rotating mirror, 44, 45, 116, 117, 148 ... Mirror, 46, 47, 93, 94, 103, 104, 114, 115, 133, 134, 1 3, 144 ... lens, 52 ... optical system capable of arbitrarily controlling the diffusion angle, 54, 55, 56, 57 ... diffused light, 61, 62 ... means for irradiating diffused light, 63, 65 ... polarized light in a specific direction Means for separating, 66 ... photographing means, 67, 69 ... image, 68 ... highlight region, 81, 82 ... means for irradiating diffused light of different infrared,
84, 147 ... cold mirror, 85 ... photographing means for photographing infrared light, 86 ... photographing means for photographing visible light, 91, 92, 101, 102, 121 ... light,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 111 ... Laser oscillator, 112 ... Disk, 113 ... Motor, 122 ... Variable focus lens, 123 ... Amplifier, 131, 132 ... Laser diode, 136 ... Polarizing filter, 141, 142 ... Light which irradiates the diffused light of infrared light, 149: Infrared light camera, 1410: Color camera.

Claims (12)

照明手段から被計測物体に対して拡散光を照射する第１のステップと、
前記第１のステップで照射された前記被計測物体を撮影する第２のステップと、
前記第２のステップで撮影された画像データを記録する第３のステップと、
前記第１ないし第３のステップを、前記被計測物体から同一距離に配置されるとともに、それぞれ拡散角の異なる拡散光を照射する複数の照明手段を用い、各照明手段毎に実行する第４のステップと、
前記第３のステップで記録された各照射手段毎の画像データを用いて、３次元形状を演算する第５のステップとを有し、
前記照明手段は、それぞれ、照射する拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体までの距離と前記複数の照明手段のうち基準となる照明手段が照射する拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体までの距離との差が所定の距離差となるように、前記拡散角が設定されていることを特徴とする３次元形状計測方法。A first step of irradiating diffused light to or illumination means we object to be measured,
A second step of photographing the object to be measured irradiated in the first step;
A third step of recording the image data photographed in the second step;
The first to third steps are performed for each illumination unit using a plurality of illumination units that are arranged at the same distance from the object to be measured and irradiate diffused light having different diffusion angles. Steps,
A fifth step of calculating a three-dimensional shape using the image data for each irradiation means recorded in the third step ,
Each of the illumination means includes a distance from a position of a virtual point light source of the diffused light to be irradiated to the object to be measured and a virtual point of the diffused light emitted by a reference illumination means among the plurality of illumination means. as the difference between the distance from the position of the light source to the measurement subject becomes a predetermined distance difference, three-dimensional shape measuring method, wherein Rukoto the diffusion angle is set. 前記第１のステップにおいて、前記各照明手段から照射される拡散角がそれぞれ異なる拡散光を同一の光軸上に合成して、前記各照明手段から前記被計測物体に対して拡散光を照射することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状計測方法。  In the first step, the diffused light beams with different diffusion angles irradiated from the illumination units are combined on the same optical axis, and the diffused light is irradiated from the illumination units to the object to be measured. The three-dimensional shape measuring method according to claim 1. 照明手段から被計測物体に対して拡散光を照射する第１のステップと、
前記第１のステップで照射された前記被計測物体を撮影する第２のステップと、
前記第２のステップで撮影された画像データを記録する第３のステップと、
前記第１ないし第３のステップを、前記被計測物体から一定距離に配置された単一の照明手段を用い、前記照明手段から照射される拡散光の拡散角を時分割で変化させて複数回実行する第４のステップと、
前記第３のステップで記録された複数回の画像データを用いて、３次元形状を演算する第５のステップとを有し、
前記第４のステップでは、前記照明手段が、時分割で照射するそれぞれの拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体までの距離と時分割で照射する拡散光のうち基準となる拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体までの距離との差がそれぞれ所定の距離差となるように、前記拡散角を時分割で変化させ、
前記第５のステップでは、前記画像データの各画素の輝度が、当該画像データの撮影時に照射された拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体上の当該画素に対応する点までの距離の二乗に反比例することに基づいて、前記被計測物体の３次元形状を演算することを特徴とする３次元形状計測方法。A first step of irradiating diffused light to or illumination means we object to be measured,
A second step of photographing the object to be measured irradiated in the first step;
A third step of recording the image data photographed in the second step;
The first to third step, using a single illumination unit that is disposed on a predetermined distance from the measurement subject, multiple varied by time division spread angle of the diffused light emitted from said illuminating means A fourth step of executing times,
Using the image data of a plurality of times recorded in the third step, it has a a fifth step of calculating a three-dimensional shape,
In the fourth step, the illuminating unit serves as a reference among the distance from the position of the virtual point light source of each diffused light irradiated in time division to the measured object and the diffused light irradiated in time division. The diffusion angle is changed in a time-sharing manner so that the difference between the position of the virtual point light source of the diffused light and the distance from the measured object is a predetermined distance difference, respectively.
In the fifth step, the luminance of each pixel of the image data is changed from the position of a virtual point light source of diffused light irradiated at the time of photographing the image data to a point corresponding to the pixel on the object to be measured. A three-dimensional shape measuring method , comprising: calculating a three-dimensional shape of the object to be measured based on being inversely proportional to the square of the distance of the distance . 前記第１のステップは、偏光の向きが第１の方向の拡散光を照射するステップであり、
前記第２のステップは、偏光の向きが前記第１の方向と直交する第２の方向の光のみを撮影するステップであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の３次元形状計測方法。The first step is a step of irradiating diffused light whose polarization direction is the first direction;
4. The three-dimensional shape according to claim 2, wherein the second step is a step of photographing only light in a second direction whose polarization direction is orthogonal to the first direction. 5. Measurement method. 前記第１のステップは、赤外光を照射するステップであり、
前記被計測物体から反射される可視光を撮影するステップを有し、
前記赤外光と可視光の撮影を同一の光軸上で行うことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の３次元形状計測方法。The first step is a step of irradiating infrared light;
Photographing visible light reflected from the object to be measured;
5. The three-dimensional shape measurement method according to claim 1, wherein the infrared light and the visible light are photographed on the same optical axis. 被計測物体から同一距離に配置されるとともに、それぞれ拡散角の異なる拡散光を照射する複数の照明手段と、
前記各照明手段で照射された前記被計測物体を撮影する第１の撮影手段と、
前記第１の撮影手段で撮影された画像データを記録する記録手段と、
前記記録手段に記録された画像データを用いて、３次元形状を演算する演算手段とを備え、
前記照明手段は、それぞれ、照射する拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体までの距離と前記複数の照明手段のうち基準となる照明手段が照射する拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体までの距離との差が所定の距離差となるように、前記拡散角が設定されていることを特徴とする３次元形状計測装置。Together are arranged at the same distance from the measurement subject, a plurality of illuminating means for illuminating the different diffused light of each diffusion angle,
First imaging means for imaging the measurement object irradiated by each of the illumination means;
Recording means for recording image data photographed by the first photographing means;
Using the image data recorded in the recording means, e Bei and calculating means for calculating a three-dimensional shape,
Each of the illumination means includes a distance from a position of a virtual point light source of the diffused light to be irradiated to the object to be measured and a virtual point of the diffused light emitted by a reference illumination means among the plurality of illumination means. wherein the position of the light source so that the difference between the distance to the measurement subject becomes a predetermined distance difference, a three-dimensional shape measuring apparatus according to claim Rukoto the diffusion angle is set. 前記各照明手段は、一つの光源と、
前記一つの光源から照射される光を拡散光に変換する光学手段とを有することを特徴とする請求項６に記載の３次元形状計測装置。Each illumination means includes one light source,
The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 6, further comprising an optical unit that converts light emitted from the one light source into diffused light. ハーフミラーを有し、
前記ハーフミラーにより、前記各照明手段から照射されるそれぞれの拡散光を一つの光軸上に合成して、前記被計測物体を照射することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の３次元形状計測装置。Have a half mirror,
8. The object to be measured is irradiated with the diffused light irradiated from each of the illuminating means on one optical axis by the half mirror, and the object to be measured is irradiated. 3D shape measuring device. 被計測物体から一定距離に配置されるとともに、拡散角を時分割で変化させた拡散光を照射する単一の照明手段と、
前記照明手段で照射された前記被計測物体を撮影する第１の撮影手段と、
前記第１の撮影手段で撮影された画像データを記録する記録手段と、
前記記録手段に記録された画像データを用いて、３次元形状を演算する演算手段とを備え、
前記照明手段は、一つの光源と、
前記一つの光源から照射される光の光学経路として、時分割で複数の異なる光学経路を生成する光学系と、
前記光学系で生成される光学経路毎に、前記一つの光源から照射される光を拡散角がそれぞれ異なる拡散光に変換する複数の光学手段とを有し、
前記光学手段は、それぞれ、変換した拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体までの距離と前記複数の光学手段のうち基準となる光学手段が変換した拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体までの距離との差が所定の距離差となるように、前記拡散角が設定されており、
前記演算手段は、前記画像データの各画素の輝度が、当該画像データの撮影時に照射された拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体上の当該画素に対応する点までの距離の二乗に反比例することに基づいて、前記被計測物体の３次元形状を演算することを特徴とする３次元形状計測装置。 A single illuminating means for irradiating diffused light that is arranged at a certain distance from the object to be measured and whose diffusion angle is changed in a time-sharing manner;
First imaging means for imaging the measurement object irradiated by the illumination means;
Recording means for recording image data photographed by the first photographing means;
Using image data recorded in the recording means, and calculating means for calculating a three-dimensional shape,
The illumination means includes one light source,
As an optical path of light emitted from the one light source, an optical system that generates a plurality of different optical paths in a time division manner;
Wherein each optical path generated by the optical system, the diffusion angle of light emitted from the one light source have a plurality of optical means for converting the expanding diffuser that different respectively,
Each of the optical means includes a distance from the position of a virtual point light source of the converted diffused light to the object to be measured and a virtual point of the diffused light converted by a reference optical means among the plurality of optical means. The diffusion angle is set so that the difference between the distance from the position of the light source to the measured object is a predetermined distance difference,
The calculation means is such that the brightness of each pixel of the image data is a distance from the position of a virtual point light source of diffused light irradiated at the time of capturing the image data to a point corresponding to the pixel on the object to be measured. A three-dimensional shape measuring apparatus that calculates a three-dimensional shape of the object to be measured based on being inversely proportional to the square of . 被計測物体から一定距離に配置されるとともに、拡散角を時分割で変化させた拡散光を照射する単一の照明手段と、
前記照明手段で照射された前記被計測物体を撮影する第１の撮影手段と、
前記第１の撮影手段で撮影された画像データを記録する記録手段と、
前記記録手段に記録された画像データを用いて、３次元形状を演算する演算手段とを備え、
前記照明手段は、一つの光源と、
前記一つの光源から照射される光を、時分割で拡散角がそれぞれ異なる拡散光に変換する光学手段とを有し、
前記光学手段は、時分割で照射するそれぞれの拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体までの距離と時分割で照射する拡散光のうち基準となる拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体までの距離との差がそれぞれ所定の距離差となるように、前記拡散角を時分割で変化させ、
前記演算手段は、前記画像データの各画素の輝度が、当該画像データの撮影時に照射された拡散光の仮想的な点光源の位置から前記被計測物体上の当該画素に対応する点までの距離の二乗に反比例することに基づいて、前記被計測物体の３次元形状を演算することを特徴とする３次元形状計測装置。 A single illuminating means for irradiating diffused light that is arranged at a certain distance from the object to be measured and whose diffusion angle is changed in a time-sharing manner;
First imaging means for imaging the measurement object irradiated by the illumination means;
Recording means for recording image data photographed by the first photographing means;
Using image data recorded in the recording means, and calculating means for calculating a three-dimensional shape,
The illumination means includes one light source,
The light emitted from the one light source, the diffusion angle in a time-division possess an optical means for converting the expanding diffuser that different respectively,
The optical means includes a distance from a virtual point light source position of each diffused light irradiated in time division to the measured object and a virtual point of diffused light serving as a reference among the diffused light irradiated in time division The diffusion angle is changed in a time-sharing manner so that the difference between the distance from the light source position to the object to be measured is a predetermined distance difference, respectively.
The calculation means is such that the brightness of each pixel of the image data is a distance from the position of a virtual point light source of diffused light irradiated at the time of capturing the image data to a point corresponding to the pixel on the object to be measured. A three-dimensional shape measuring apparatus that calculates a three-dimensional shape of the object to be measured based on being inversely proportional to the square of . 前記照明手段は、偏光の向きが第１の方向の拡散光を照射し、
前記第１の撮影手段の前に、前記偏光の向きが前記第１の方向と直交する第２の方向の光を分離する偏光分離手段を有し、
前記第１の撮影手段は、前記偏光分離手段で分離された、偏光の向きが前記第２の方向の光のみを撮影することを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれか１項に記載の３次元形状計測装置。The illumination means irradiates diffused light whose polarization direction is the first direction;
Before the first photographing means, there is a polarization separation means for separating light in a second direction in which the direction of the polarization is orthogonal to the first direction,
The said 1st imaging | photography means image | photographs only the light of which the direction of polarization | polarized-light separated by the said polarization | polarized-light separation means is a said 2nd direction, It is any one of Claim 8 thru | or 10 characterized by the above-mentioned. The three-dimensional shape measuring apparatus described. 前記照明手段は、赤外光を照射し、
前記第１の撮影手段の前に、赤外光と可視光を分離する分離手段と、
前記分離手段で分離された可視光を撮影する第２の撮影手段とを有し、
前記第１の撮影手段は、前記分離手段で分離された赤外光のみを撮影するとともに、前記赤外光と可視光の撮影を同一の光軸上で行うことを特徴とする請求項６ないし請求項１１のいずれか１項に記載の３次元形状計測装置。The illumination means irradiates infrared light,
Separating means for separating infrared light and visible light before the first imaging means;
Second imaging means for imaging visible light separated by the separation means,
The first imaging unit captures only the infrared light separated by the separating unit, and performs imaging of the infrared light and visible light on the same optical axis. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 11.
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