JP4380663B2 - 三次元形状測定方法、装置、及びフォーカス調整方法 - Google Patents

三次元形状測定方法、装置、及びフォーカス調整方法 Download PDF

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Description

本発明は、所定の測定光を測定対象物に対して投光し、その反射光を受光して測定対象物の三次元形状の測定を行う非接触型の三次元形状測定方法、装置、及びこれらに好適に適用することができるフォーカス調整方法に関する。
測定対象物の三次元データは、例えば光切断法とも呼ばれる光投影法が採用された、非接触型の三次元デジタイザにより求めることができる。これは、測定対象物にスリット状のパターン光を投光し、その反射光を受光して得られた撮像データに基づいて、その測定対象物の三次元データを取得するものである（例えば特許文献１参照）。
このような三次元デジタイザには、受光光学系の測定対象物に対するオートフォーカス（ＡＦ）機能が備えられている。このＡＦ機能としては、測定対象物を撮像した二次元画像の像面コントラストから合焦位置を求めるパッシブＡＦと、測定対象物にレーザ光を投受光して三角測量の原理で測距して合焦位置を求めるアクティブＡＦとが汎用されている。一般に三次元デジタイザは、測定範囲として合焦位置の前後に所定の測定奥行をもつが、この測定奥行の測定対象物に対する位置調整は、上記のようなＡＦ機能による合焦動作に依存するものとなっている。
また、測定対象物に対する距離情報を取得する方法として、特許文献２〜４に開示されている方法が知られている。これらは、いずれもパターン光を測定対象物に投光して距離測定を行うものであって、パターンが異なる複数の画像を用いて、距離情報を求めるものである。このようなパターン光投光距離測定法を用いて、前記測定奥行の測定対象物に対する位置調整を行うことも可能ではある。
特開２００５−３２１２７８号公報 特開平５−１０７４６３号公報 特公平８−１６６０８号公報 特開２０００−２８７７３９号公報
しかし、上記パッシブＡＦでは、測定対象物の周囲環境光が暗い場合や、測定対象物が自動車のアウターボディのように平坦な部材である場合にはコントラストが出にくく、これらの場合には合焦位置の誤差が大きくなるという不都合がある。一方、アクティブＡＦでは合焦位置を正確に求めることができるが、三次元形状を有する測定対象物のどのポイントが測距点に選ばれるにより、上記測定奥行が適正に位置調整されないことがある。すなわち、測定対象物が比較的大きな凸面及び凹面を有するとき、これら凸面及び凹面の双方が前記測定奥行に含まれるよう位置調整されることが望ましいが、例えば測距点が凸面に選ばれた場合、凹面が測定奥行から外れ、当該凹面について測定が行えなくなる。このため、凹面が測定奥行に含まれるように位置調整を行って再度測定する必要が生じ、測定回数が増えることとなる。
上記パターン光投光距離測定法では、距離情報を求めるためにパターンが異なる複数の画像を用いることから、パターンを変えて複数回の撮影動作を行う必要があり、また画像処理に時間を要するという不都合がある。従って、測定対象物に対する距離情報が求められるとしても、測定奥行の位置調整に時間を要するという問題がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、測定奥行の位置調整を迅速且つ的確に行うことができる三次元形状測定方法、装置、及びフォーカス調整方法を提供することを目的とする。
本発明の請求項１に係る三次元形状測定方法は、測定範囲として合焦位置の前後に所定の測定奥行をもつ非接触型の三次元形状測定装置を用い、測定対象物に対するフォーカス調整を行った後、三次元形状の測定動作を行う三次元形状測定方法において、前記フォーカス調整として、所定のパターン光を測定対象物に投光すると共にその反射光を受光して前記測定対象物についての二次元画像を取得する動作と、取得された二次元画像について複数の領域で像面コントラストを算出する動作とを、フォーカス距離を変えて所定回数繰り返すステップと、前記像面コントラストが所定の閾値を超過する高コントラスト領域を、各フォーカス距離で取得された二次元画像毎に抽出するステップと、前記高コントラスト領域に対応する前記測定対象物上の位置と、前記投光及び受光の位置とに基づいて、三角測量により距離情報を取得するステップと、前記距離情報に基づき当該測定対象物についての前記測定範囲の合わせ込み調整を行うステップとを含むことを特徴とする。
この方法によれば、測定対象物から取得された二次元画像について像面コントラストにより高コントラスト領域が特定される。そして、その高コントラスト領域に対応する測定対象物上の位置について、三角測量により距離情報が取得される。つまり、像面コントラスト法により特定された領域のみを測距領域として三角測量が実行される。従って、効率良く三角測量処理を実行し、正確な距離情報を取得することができる。かかる動作を、フォーカス距離を変えて所定回数繰り返すことで、測定対象物が凸面及び凹面を有していても、各領域について正確な距離情報を取得できる。このようにして得られた測定対象物についての距離情報に基づき所定の測定奥行を有する測定範囲の合わせ込みを行うことで、測定対象物の形状に応じた測定範囲の調整が迅速且つ的確に行えるようになる。
本発明の請求項２に係る三次元形状測定装置は、測定範囲として合焦位置の前後に所定の測定奥行をもつ非接触型の三次元形状測定装置であって、所定の測定光を測定対象物に投光する投光手段と、前記測定光の前記測定対象物からの反射光をフォーカス距離調整が可能な光学系を介して受光することで、前記測定対象物についての二次元画像を取得する撮像手段と、前記二次元画像の複数の領域で像面コントラストを算出する第１の距離導出手段と、前記二次元画像の複数の領域で三角測量を行うことで、前記領域毎の距離情報を求めることが可能な第２の距離導出手段と、前記第１の距離導出手段の算出結果から、前記像面コントラストが所定の閾値を超過する高コントラスト領域を特定する処理を、前記撮像手段のフォーカス距離を変えて所定回数実行させると共に、該高コントラスト領域について前記第２の距離導出手段に三角測量を実行させる処理を行わせる制御演算手段と、前記三角測量により得られた距離情報に基づき当該測定対象物についての前記測定範囲の合わせ込み調整を行う測定範囲調整手段とを具備することを特徴とする。
この構成によれば、撮像手段により測定対象物から取得された二次元画像について第１の距離導出手段により高コントラスト領域が特定される。かかる特定処理が、フォーカス距離を変えて所定回数繰り返される。そして、その高コントラスト領域に対応する測定対象物上の位置について、第２の距離導出手段により三角測量によって距離情報が取得される。つまり、各フォーカス距離において、第１の距離導出手段により特定された領域のみを測距領域として第２の距離導出手段により三角測量が実行される。従って、効率良く三角測量処理を実行し、各領域について正確な距離情報を取得することができる。かかる距離情報に基づいて、測定範囲調整手段により所定の測定奥行を有する測定範囲の合わせ込みが行われる。これにより、測定対象物の形状に応じた測定範囲の調整が迅速且つ的確に行えるようになる。
上記構成において、前記投光手段は、所定のパターン光を投光するものであり、前記第２の距離導出手段は、前記パターン光の投光及び受光の角度と、投光位置と受光位置との距離とから三角測量を行うものであることが望ましい（請求項３）。この構成によれば、パターン光を投光するだけで、像面コントラストの算出及び三角測量の双方が行えるようになる。
この場合、前記投光手段が、スリット光を強度変調して発生する光源と、前記スリット光を前記測定対象物に走査投影する回転ミラーとを含む構成とすることができる（請求項４）。この構成によれば、いわゆる光切断法において用いられる投光手段をそのまま利用して、フォーカス調整（測定範囲の合わせ込み調整）を行うことができる。
かかる投光手段を用いる場合において、前記撮像手段は、スリット光の走査投影角に応じた受光エリアを有するエリアセンサを備え、前記第１の距離導出手段は、前記スリット光にて一投影エリアの走査が行われた結果、前記エリアセンサから出力される前記一投影エリアの輝度和分布に相当する出力値を取得し、前記輝度和分布の立ち上がり度合いに基づいて、像面コントラストの評価を行うことが望ましい（請求項５）。回転ミラーを用いた間欠投光を行う場合、エリアセンサ受光面における一投影エリアのヒストグラムは、合焦位置からの離間度合いによって異なるものの、エリアセンサが実際に検出する輝度の積分値には差異が生じない場合がある。しかし、ヒストグラムが異なることから、輝度信号和の分布の立ち上がり度合いには差異が表出する。従って、この立ち上がり度合いに注目することで、コントラストの評価を的確に行えるようになる。
また、上記構成において、第１の距離導出手段は、前記コントラスト算出結果から前記領域毎の概略距離情報を求めるものであり、前記第２の距離導出手段は、前記概略距離情報からスリット光の投光角を推定して三角測量を行うことが望ましい（請求項６）。この構成によれば、三角測量を行う際に必須となるスリット光の投光角が、第１の距離導出手段により求められる概略距離情報に基づき簡易に求めることが可能となる。
さらに、上記構成において、前記制御演算手段は、前記撮像手段のフォーカス距離を第１の距離として前記スリット光を前記測定対象物に走査投影させ、前記第１の距離導出手段により算出されるコントラストに基づいて測定対象物の存在領域を判定し、フォーカス距離が前記第１の距離とは異なる第２の距離として次回のスリット光の走査投影を行わせるに際し、前記測定対象物の存在領域に応じて走査投影角を設定することが望ましい（請求項７）。この構成によれば、例えば次回のスリット光の走査投影を、前回の走査投影で判明した測定対象物の存在領域に限定することが可能となる。従って、測定時間並びに演算時間を一層短縮させることができる。
上記構成において、前記測定範囲調整手段は、前記測定範囲中の合焦位置を、前記距離情報から推定される測定対象物の形状に応じて設定することで、測定範囲を調整することが望ましい（請求項８）。或いは、前記測定範囲調整手段は、前記距離情報のうち最も近い点と遠い点とが前記測定奥行に含まれるように、測定範囲を調整することが望ましい（請求項９）。これらの構成によれば、測定対象物の形状に応じた測定範囲の調整を簡単且つ的確に行えるようになる。
本発明の請求項１０に係るフォーカス調整方法は、撮像範囲として合焦位置の前後に所定の撮像奥行をもつ撮像装置における、撮像対象物に対するフォーカス調整方法であって、所定のパターン光を測定対象物に投光すると共にその反射光を受光して前記測定対象物についての二次元画像を取得する動作と、取得された二次元画像について複数の領域で像面コントラストを算出する動作とを、フォーカス距離を変えて所定回数繰り返すステップと、前記像面コントラストが所定の閾値を超過する高コントラスト領域を、各フォーカス距離で取得された二次元画像毎に抽出するステップと、前記高コントラスト領域に対応する前記撮像対象物上の位置と、前記投光及び受光の位置とに基づいて、三角測量により距離情報を取得するステップと、前記距離情報に基づき当該撮像対象物についての前記撮像範囲の合わせ込み調整を行うステップとを含むことを特徴とする。
本発明によれば、像面コントラストによる面的な距離測定と、三角測量によるポイント的な距離測定を組み合わせることで、測定対象物の多点について正確な距離情報を効率良く取得することができる。従って、測定奥行の位置調整を迅速且つ的確に行うことができる。すなわち、測定対象物について測定範囲の設定が不適切であると、測定範囲をシフトさせた複数回の測定が必要となるが、本発明によればそのような不具合は低減され、測定時間の短縮化を図ることができる。
以下、図面に基づいて本発明の実施形態につき詳細に説明する。
［装置構成の概略説明］
図１は、測定対象物１０の三次元形状を測定するための、本発明に係る三次元形状測定装置２０の外観構成を示す斜視図である。この三次元形状測定装置２０は、光切断法と呼ばれる方式を用いて測定対象物１０の三次元データを求める、いわゆる三次元デジタイザである。測定対象物１０は、ここでは円柱体を例示しているが、実際にはプレス品、プラスチック成型品、金型などが測定対象とされる。
三次元形状測定装置２０は、所定の発光手段と受光手段とを含む光学ユニットが内蔵された略直方体形状のハウジングに、投光窓を備えた投光部２１（投光手段）と、受光窓を備えた受光部２２（撮像手段）とが設けられてなる。投光部２１と受光部２２とは、基線長に応じた所定距離だけ離れた位置に設けられている。
図示するように、投光部２１からは、水平方向に拡がるレーザビームであるスリット光Ｓが射出される。このスリット光Ｓは、水平方向に放射角度αで拡がり（扇型）、垂直方向に幅Ｗを有する平面状の光である。スリット光Ｓは、測定対象物１０に向けて照射される。スリット光Ｓは測定対象物１０の表面で反射され、その反射光Ｒの一部が受光部２２に入射されるようになっている。
図２は、三次元形状測定装置２０の基本的な内部構成を示す模式図、図３は、三次元形状測定装置２０による三次元計測方法の原理を示す説明図である。図２に示すように、投光部２１は、光源となるレーザ光を発生するレーザ光源２１１と、前記レーザ光を投光窓に導く投光光学系２１２と、面回転するガルバノミラー２１３とを含んでいる。また受光部２２は、反射光Ｒが入射される受光光学系２２１と、該受光光学系２２１の光路上に配置されるＣＣＤ（Charge Coupled Device）等からなる撮像素子２２２とを含んでいる。この受光部２２は、測定範囲として合焦位置の前後に所定の測定奥行を持っている。
投光部２１からは、測定対象物１０に向けて所定のガルバノ回転角でガルバノミラー２１３を回転させつつ、順次スリット光Ｓ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）が投光される。かかる投光は、測定対象物１０の全域を走査するように行われる。このときの反射光は、受光光学系２２１を介して撮像素子２２２で受光される。撮像素子２２２で受光される画像２２２Ｄは、測定対象物１０の立体形状に応じたスリット像１０Ｓ１、１０Ｓ２、１０Ｓ３を含むものとなる。そして、スリット光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の投光角と、撮像素子２２２の受光エリアにおけるスリット像１０Ｓ１、１０Ｓ２、１０Ｓ３の位置とから、三次元形状測定装置２０に内蔵されているデータ処理手段により、三次元形状測定装置２０から測定対象物１０までの距離が三角測量の原理で算出される。
図３に基づき測定原理を説明する。先ず、投光点からのレーザ光ＳＬの投光角θは、ガルバノミラー２１３のガルバノ回転角から求められる。レーザ光ＳＬがある測定面１０Ａ上の点Ｐ１で反射され、その反射光Ｒ１が受光部２２に入射したとすると、撮像素子２２２の受光面で検出される反射光Ｒ１の像位置ｙｉから、反射光Ｒ１の受光角φが算出される。そして、投光点と受光点との間の基線長Ｌと投光角θ、受光角φより、測定物面上の点Ｐ１までの距離Ｚ１が求められる。これは、別の測定面１０Ｂ上の点Ｐ２で反射された反射光Ｒ２でも同様であり、この場合は、距離Ｚ２が求められる。
［フォーカス調整の概略説明］
図４は、受光部２２の測定範囲２０Ｅを説明するための模式図である。図示するように、測定範囲２０Ｅは、受光部２２が備える受光光学系２２１の合焦位置ｆ０を基準として、光軸方向に延びる所定長さの前方領域ａ１と後方領域ａ２とを加算した長さの測定奥行ａを備えている。なお、測定範囲２０Ｅは、光軸と直交する方向に、画角（焦点距離）に応じた測定幅も有している。合焦位置ｆ０が最もコントラスト比が高いポイントであるが、前方領域ａ１及び後方領域ａ２は、受光光学系２２１のいわゆる被写界深度の範囲であり、測定を可能にするコントラスト比を得ることができる領域である。
この測定範囲２０Ｅ（測定奥行ａ）は、受光光学系２２１の焦点距離やレンズＦ値等によって定まる固定的なものである。三次元形状の測定を実際に行う場合は、可及的に測定面１０Ａの奥行き及び幅が測定範囲２０Ｅに収まるようにセッティングされることが、測定回数を減らし測定時間を短縮するという観点からは望ましい。一般に、測定対象物が測定範囲２０Ｅの測定奥行ａよりも大きい凹凸を持っていたり、大きい幅を持っていたりする場合、複数回の撮像（三次元形状の測定）を行って取得された画像をつなぎ合わせる作業が行われる。
このような複数回の撮像、画像のつなぎ合わせには時間を要することから、可及的に回数を減らしたいという要望がある。さらに、派生的な要望として、測定対象物の光軸方向の凹凸が測定奥行ａになんとか収まる程度のものである場合には、２回に分けて当該測定対象物の撮像を行うのではなく、測定範囲２０Ｅをうまく合わせ込んで１回の撮像で済ませたいという要望もある。本発明は、かかる要望を満たすものである。この点を、図５〜図９に基づいて説明する。
図５及び図６は、平板部材１０１上に柱状突起１０２を有する測定対象物１００Ａについて三次元形状の測定を行う場合における、測定範囲２０Ｅの位置設定（フォーカス距離設定）状況を説明するための模式図である。図５（ａ）、（ｂ）は、測定対象物１００Ａにスリット光Ｓが照射され、柱状突起１０２の頂面がＡＦ測距点ｅ１として選ばれ、測定範囲２０Ｅの位置設定が行われた状態を示している。図５（ｂ）に示すように、かかる位置設定では、平板部材１０１が測定範囲２０Ｅの領域外に位置している。この場合、当該測定対象物１００Ａ全体の三次元形状を測定するためには、図５の状態で測定を行った後、平板部材１０１を含むように測定範囲２０Ｅをシフトさせて位置設定し再度の測定を行う必要がある。
また、図６（ａ）、（ｂ）は、平板部材１０１の表面がＡＦ測距点ｅ２として選ばれ、測定範囲２０Ｅの位置設定が行われた状態を示している。図６（ｂ）に示すように、かかる位置設定では、柱状突起１０２の先端部分が測定範囲２０Ｅの領域外に位置している。この場合、当該測定対象物１００Ａ全体の三次元形状を測定するためには、図６の状態で測定を行った後、柱状突起１０２の先端部分を含むように測定範囲２０Ｅをシフトさせて位置設定し再度の測定を行う必要がある。
さらに、図７（ａ）、（ｂ）は、平板部材１０３の上に４つの斜面部１０４及び頂面部１０５を備える角錐状部材を有する測定対象物１００Ｂについて三次元形状の測定を行う場合における、測定範囲２０Ｅの位置設定状況を説明するための模式図である。ここでは、測定対象物１００Ｂにスリット光Ｓが照射され、頂面部１０５がＡＦ測距点ｅ３として選ばれ、測定範囲２０Ｅの位置設定が行われた状態を示している。図７（ｂ）に示すように、かかる位置設定では、斜面部１０４の裾野部分が測定範囲２０Ｅの領域外に位置している。この場合、当該測定対象物１００Ｂ全体の三次元形状を測定するためには、図７の状態で測定を行った後、斜面部１０４の裾野部分を含むように測定範囲２０Ｅをシフトさせて位置設定し再度の測定を行う必要がある。
図８及び図９は、本発明に係る測定範囲２０Ｅの合わせ込み調整方法（フォーカス調整方法）の概略を説明するための模式図である。図８（ａ）、（ｂ）は、図５及び図６と同様な測定対象物１００Ａについて三次元形状の測定を行う場合における、測定範囲２０Ｅの位置設定状況を示す図である。本発明に係る調整方法では、測定対象物１００Ａに照射される複数のスリット光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３から、図中の矢印で示す複数の点がＡＦ測距点として選ばれ、測定対象物１００Ａに対する距離情報が多点的に取得される。
このような距離情報に基づき、測定範囲２０Ｅ（測定奥行ａ）を最適化する合わせ込み調整が行われる。すなわち、図８（ｂ）に示すように、測定範囲２０Ｅの領域内に平板部材１０１の表面及び柱状突起１０２の頂面が収まるように、つまり距離情報から推定される測定対象物１００Ａの形状に応じて、換言すると距離情報のうち最も近い点と遠い点とが測定奥行内に含まれるように、フォーカス距離（合焦位置）の調整がなされる。これにより、一回の測定動作で、測定対象物１００Ａについての三次元形状測定を完了させることが可能となる。
また、図９（ａ）、（ｂ）は、図７と同様な測定対象物１００Ｂについて三次元形状の測定を行う場合における、測定範囲２０Ｅの位置設定状況を示す図である。同様に、測定対象物１００Ｂに照射される複数のスリット光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３から、図中の矢印で示す複数の点がＡＦ測距点として選ばれ、測定対象物１００Ｂに対する距離情報が多点的に取得される。このような距離情報に基づき、測定範囲２０Ｅ（測定奥行ａ）を最適化する合わせ込み調整が行われる。すなわち、図９（ｂ）に示すように、測定範囲２０Ｅの領域内に斜面部１０４及び頂面部１０５の全てが収まるようにフォーカス距離の調整がなされる。これにより、一回の測定動作で、測定対象物１００Ｂについての三次元形状測定を完了させることができる。
［電気的構成の説明］
次に、図８及び図９に示したような測定範囲２０Ｅの合わせ込み調整方法を実現するための具体的構成について説明する。図１０は、三次元形状測定装置２０の電気的構成を示すブロック図である。この三次元形状測定装置２０は、上述の投光部２１に付属するＬＤドライバ２１４及び投光駆動部２１５、上述の受光部２２に付属するＡＦ駆動部２２３及びタイミングジェネレータ（ＴＧ）２２４、出力処理回路２３、データメモリ２４、測定範囲記憶部２５、ＡＦ（オートフォーカス）制御部２６、全体制御部２７及びＩ／Ｆ２８を含んで構成されている。
投光部２１は、上述の通りレーザ光源２１１、投光光学系２１２及びガルバノミラー２１３を含んで構成され、水平方向に拡がるレーザビームであるスリット光を射出する。このスリット光は、水平方向に所定の放射角度で拡がり（扇形）、垂直方向に幅を有する平面状の光である。ＬＤドライバ２１４は、スリットレーザ光を発生するレーザダイオード等からなるレーザ光源２１１を、全体制御部２７から与えられる駆動制御信号に基づいて、ＯＮ−ＯＦＦ制御若しくは明暗制御等の強度変調を行って駆動させる。投光駆動部２１５は、全体制御部２７から与えられる制御信号に基づいて、投光光学系２１２を構成するレンズをフォーカス／ズーム駆動すると共に、ガルバノミラー２１３を回転駆動させる。これにより、投光部２１は、全体制御部２７の制御下において前記スリット光を、測定対象物１０に対して走査投影することが可能とされている。
図１２は、投光部２１によるスリット光の測定面１０Ａへの走査投影状況を説明するための模式図である。図１２（ａ）に示すように、投光駆動部２１５により回転駆動されつつあるガルバノミラー２１３を介して、レーザ光源２１１からスリット光Ｓが測定対象物１０に対して照射される。ここで、レーザ光源２１１は所定の周期でＯＮ−ＯＦＦが繰り返される。図中の符号ｂ１、ｂ２、ｂ３の部分が、レーザ光源２１１がＯＮとされている期間であり、各々スリット光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３による投影エリアに対応する。一方、図中の符号ｃ０、ｃ１、ｃ２、ｃ３の部分が、レーザ光源２１１がＯＦＦとされている期間である。すなわち、図中矢印Ｂで示す方向に、順次スリット光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が測定対象物１０に対して照射される。なお、レーザ光源２１１から発せられるスリットレーザ光自体は、撮像素子２２２の画素換算で５画素程度の狭幅の光であるが、ガルバノミラー２１３の回転により符号ｂ１、ｂ２、ｂ３の時間だけ走査されることで、スリット光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は所定の幅を持つようになる。
図１２（ｂ）は、スリット光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を照射したときに撮像素子２２２により検出される画像２２２Ｄを示している。撮像素子２２２は、ガルバノミラー２１３の回転期間中（０．１秒〜数秒程度）、露光状態とされる。その結果、スリット光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３による各々の投影エリアに対応するスリット像１０Ｓ１、１０Ｓ２、１０Ｓ３が検出されるようになる。
以上のような走査投影によるパターン光投影に代えて、パターンマスクを用いることにより、測定面１０Ａへパターン光を投影するようにしても良い。図１３は、パターンマスク２０２が採用された三次元形状測定装置２０によるパターン光投影状況を示す模式図である。この場合、ハロゲンランプのような光源が用いられ、スリット形状が備えられたパターンマスク２０２を介して投光を行うことで、スリット光Ｓ’の測定面１０Ａへの照射が行われる。パターンマスク２０２としては、メカ格子マスクや投光パターンが形成可能な液晶パネル等を用いることができる。かかる方法によっても、図１２の場合と同様なパターン光の投影を行うことができる。なお、この場合、撮像素子２２２は、図１２に示した走査投影の場合のようにスリット光Ｓが測定面１０Ａを走査している間、露光されているのではなく、投光パターンが投影された測定面１０Ａによって同時に露光されることになる。
図１０に戻って、受光部２２は、上述の通り受光光学系２２１及び撮像素子２２２を含んで構成され、前記スリット光が測定対象物１０の表面で反射された反射光の一部が入射される。受光光学系２２１は、複数枚の撮影レンズ、絞り、フォーカスシングやズーミングのためのレンズ移動機構等を含んで構成されている。ＡＦ駆動部２２３は、ステッピングモータ等からなり、全体制御部２７及びＡＦ制御部２６の制御下において受光光学系２２１の撮影レンズをフォーカスシングやズーミングのために駆動する。上記で説明した測定範囲２０Ｅの調整は、このＡＦ駆動部２２３による受光光学系２２１の駆動により実現される。或いは、撮像素子２２２を撮影光軸方向に移動させることによっても、実現することが可能である。
撮像素子２２２は、受光光学系２２１により結像される測定対象物１０の光像を光電変換することで、測定対象物１０についての二次元画像データを生成する。この撮像素子２２２としては、例えばフォトダイオード等で構成される複数の光電変換素子がマトリックス状に２次元配列され、各光電変換素子の受光面に、それぞれ分光特性の異なる例えばＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）のカラーフィルタが１：２：１の比率で配設されてなるベイヤー配列のＣＣＤカラーエリアセンサやＣ−ＭＯＳカラーエリアセンサを用いることができる。
タイミングジェネレータ２２４は、撮像素子２２２による撮影動作（露光に基づく電荷蓄積や蓄積電荷の読出し等）を制御するタイミングパルスを発生するものである。例えばタイミングジェネレータ２２４は、全体制御部２７から与えられる撮影制御信号に基づいて垂直転送パルス、水平転送パルス、電荷掃き出しパルス等を生成して撮像素子２２２を駆動させる。
出力処理回路２３は、撮像素子２２２から出力される画像信号（ＣＣＤエリアセンサの各画素で受光されたアナログ信号群）に所定の信号処理を施した後、デジタル信号に変換して出力する。この出力処理回路２３には、アナログ画像信号に含まれるリセット雑音を低減するＣＤＳ回路（相関二重サンプリング回路）、アナログ画像信号のレベルを補正するＡＧＣ回路、アナログ画像信号を例えば１４ビットのデジタル画像信号（画像データ）に変換するＡ／Ｄ変換回路等が備えられている。
データメモリ２４は、ＲＡＭ（Random Access Memory）等からなり、各種のデータを一時的に格納する。例えばデータメモリ２４には、出力処理回路２３から出力される測定対象物１０についての取得されたＡＦ用の二次元画像データ、本測定用の二次元画像データ等が一時的に格納される。
測定範囲記憶部２５は、受光部２２の受光光学系２２１がもつ測定範囲の情報を記憶する。すなわち測定範囲記憶部２５は、図４に示したような測定範囲２０Ｅについてのｘｙｚ軸方向の座標情報（測定奥行ａはｚ軸方向）を記憶する。この座標情報は、ＡＦ制御部２６により測定範囲２０Ｅの合わせ込み調整が行われる際の基礎情報として利用される。
ＡＦ制御部２６は、本測定用の撮像に先立ち、測定対象物１０の形状に応じて受光光学系２１のオートフォーカス処理を行い、測定範囲２０Ｅの合わせ込み調整を行う。このＡＦ制御部２６の機能については、図１１に基づき後記で詳述する。
全体制御部２７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等からなり、三次元形状測定装置２０の各部の動作を制御する。具体的には全体制御部２７は、投光部２１によるスリット光の投光動作、ＡＦ駆動部２２３による受光光学系２２１の駆動動作、タイミングジェネレータ２２４によるタイミングパルスの発生動作、出力処理回路２３による信号処理動作、及びデータメモリ２４に対するデータ記録動作などを制御する。
Ｉ／Ｆ２８は、パーソナルコンピュータのような外部機器とのデータ通信を可能とするためのインターフェイスである。データメモリ２４に一時的に格納された測定対象物１０についての二次元画像データ等は、このＩ／Ｆ２８を介してパーソナルコンピュータへ送信される。
上記投光部２１と受光部２２とは、メカニカルな保持具２０１により強固に固定されており、両者間の位置ズレが生じない構造とされている。これは、投光部２１と受光部２２との間の距離が、三角測量を行う際の基線長となるからである。
［ＡＦ制御部の詳細説明］
図１１は、ＡＦ制御部２６（制御演算手段）の機能構成を示す機能ブロック図である。このＡＦ制御部２６には、フォーカスシフト部２６１、コントラスト算出部２６２（第１の距離算出手段）、領域特定部２６３、距離算出部２６４（第２の距離算出手段）、データバッファ２６５、フォーカス距離設定部２６６（測定範囲調整手段）及び投影角調整部２６７が備えられている。
フォーカスシフト部２６１は、ＡＦを行うに当たり、投光部２１からスリット光を測定対象物１０に投光して測定対象物１０についての二次元画像（測距データ）を取得する動作を、フォーカス距離を変えて所定回数繰り返して行わせるために、所定のシーケンスに従いフォーカス距離をシフトさせる制御信号を生成する。かかる制御信号は、ＡＦ駆動信号として、全体制御部２７を介してＡＦ駆動部２２３に与えられる。
コントラスト算出部２６２は、撮像素子２２２により取得された二次元画像の複数の領域別（例えば撮像素子の受光面を等区分した領域別）に、例えば最高輝度Ｌｍａｘ及び最高輝度Ｌｍｉｎを導出し、次式にてコントラスト比（像面コントラスト）を算出する。
コントラスト比＝（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）／（Ｌｍａｘ＋Ｌｍｉｎ）
これにより、前記領域毎の概略距離が求められる。このコントラスト比は、フォーカス距離を変えて取得された二次元画像毎に求められる。
本実施形態では、投光部２１においてガルバノミラー２１３を用いた走査投影によるパターン光投影を行っている。ここで、レーザ光源２１１のスリットレーザ光のＯＮ−ＯＦＦタイミングを極めて短時間で行うようにすれば、上記のように最高輝度Ｌｍａｘ及び最高輝度Ｌｍｉｎから導出されるコントラスト比にて各領域の像面コントラストを評価することができる。しかし、スリットレーザ光のＯＮ−ＯＦＦタイミングがある程度長くなると、スリットレーザ光が画素上を通過する態様で露光されることから、上記の方法では評価できない場合が生ずる。
図１４は、レーザ光源２１１から発せられるスリットレーザ光Ｓ０の合焦状態と、該スリットレーザ光Ｓ０のヒストグラムとの関係を模式的に示す図である。図１４（ａ）に示すように、合焦位置から測定面１０Ａが遠い場合、ボケた状態でスリットレーザ光Ｓ０が受光されるため、そのヒストグラムｄ１はブロードなものとなる。つまり、スリットレーザ光Ｓ０の一単位で露光される画素幅ｂ１１は比較的広くなる。一方、図１４（ｂ）に示すように、測定面１０Ａが合焦位置に近い場合、ピントが合った状態でスリットレーザ光Ｓ０が受光されるため、そのヒストグラムｄ２は鋭利なものとなる。つまり、スリットレーザ光Ｓ０の一単位で露光される画素幅ｂ１２は比較的狭くなる。
図１５は、図１４に示したようなスリットレーザ光Ｓ０の走査により形成されるスリット光Ｓの一投影エリア（図１２（ａ）に示したスリット光Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３のいずれか一つ）の輝度和分布を示すグラフである。図１４（ａ）に示したようなブロードな単位スリットレーザ光Ｓ０にて一投影エリアの走査が行われた場合、その輝度和分布ｄ１１は図１５（ａ）に示すようになる。すなわち、ブロードな単位スリットレーザ光Ｓ０の照射による単位ヒストグラムΔｄ１１が、走査に応じて横軸（画素配列方向）に連続的に積算されてゆく結果、輝度和分布ｄ１１は立ち上がりが緩やかな曲線を描くこととなる。
これに対し、図１４（ｂ）に示したような鋭利な単位スリットレーザ光Ｓ０にて一投影エリアの走査が行われた場合、その輝度和分布ｄ１２は図１５（ｂ）に示すようになる。すなわち、鋭利な単位スリットレーザ光Ｓ０の照射による単位ヒストグラムΔｄ１２が、走査に応じて横軸に連続的に積算されてゆく結果、輝度和分布ｄ１２は立ち上がりが急峻な曲線を描くようになる。
輝度和分布ｄ１１と輝度和分布ｄ１２とを比較すると、単位ヒストグラムΔｄ１１、Δｄ１２の積分値は同等であることから、両者の最高値は略一致する。従って、輝度和の最高値や積分値では、コントラストを評価することが困難である。しかし、図１５（ａ）、（ｂ）から明らかな通り、輝度和分布の立ち上がり度合いにおいて、両者には顕著な相違が表出している。この点に着目し、例えば輝度和分布ｄ１１、ｄ１２を微分処理し、輝度和分布の立ち上がり度合いを算出することでコントラストを評価することが可能となる。
図１１に戻って、領域特定部２６３は、コントラスト算出部２６２による像面コントラスト算出（第１の距離導出）の結果に基づいて、像面コントラストが所定の閾値を超える高コントラスト領域を特定する。コントラスト算出部２６２による像面コントラストの算出は、フォーカス距離を変えて複数回行われるが（但し、測定対象物が平坦な物品である場合は、１回で終える場合がある）、領域特定部２６３は各々で取得された二次元画像について高コントラスト領域を特定する。
距離算出部２６４は、領域特定部２６３により特定された高コントラスト領域について、三角測量により正確な距離情報を算出（第２の距離導出）する。その原理は、先に図３に基づいて説明した通りである。距離算出部２６４による距離算出は、一つのフォーカス距離で取得された二次元画像について高コントラスト領域が特定される毎に行っても良いし、フォーカス距離を変えて取得された二次元画像の全てについて先ず高コントラスト領域を特定した後、まとめて行うようにしても良い。
データバッファ２６５には、コントラスト算出部２６２による像面コントラスト算出結果、距離算出部２６４による距離算出結果等が一時的に格納される。
フォーカス距離設定部２６６は、距離算出部２６４による距離算出結果に基づいて、測定対象物に対する測定範囲２０Ｅの合わせ込み調整を行う。すなわち、測定対象物について三角測量により得られた多点的な距離情報に基づいて推定される測定対象物の形状に応じて測定範囲２０Ｅが最適化されるよう、例えば測定範囲に最も近い点と遠い点とが測定奥行に含まれるように受光光学系２２１のフォーカス距離を設定する。
投影角調整部２６７は、投光部２１によるスリット光の測定対象物に対する走査投影角を調整する。具体的には、投光駆動部２１５に、ガルバノミラー２１３の回転角を制御する投光駆動信号を与える。この投影角調整部２６７の動作については、図２３に基づいて後述する。以下、第１の距離導出、第２の距離導出及び測定範囲２０Ｅの合わせ込み調整について、具体例を挙げて説明する。
図１６は、像面コントラスト算出及び高コントラスト領域特定の具体例を示す模式図である。ここでは前提条件として、測定対象物１０Ｃの特定のエリアＡ、Ｂ、Ｃが、三次元形状測定装置２０の受光部２２からそれぞれ５９０ｍｍ、６２０ｍｍ、６１０ｍｍ離間した位置に存在しているものとする。また、フォーカス距離をステップｔ＝１〜３の三段階に変化させるものとし、イニシャル（ｔ＝１）を５７０ｍｍ、１回のフォーカス移動距離を３０ｍｍとする。
コントラスト値の評価は、次の通りとする。合焦位置のコントラスト値を１．００とし、合焦位置から１０ｍｍズレる毎に、相対的に１０％ずつ低下するスケールを採用し、高コントラスト領域と判定する閾値を０．９０とする。このコントラスト値は、例えば上述した最高輝度Ｌｍａｘ及び最高輝度Ｌｍｉｎから求められるコントラスト比、或いは図１５で説明した輝度和分布の微分値の比等に基づき、コントラスト算出部２６２により求められる。そして、ステップｔ＝１〜３で、各エリアＡ、Ｂ、Ｃにおいてコントラスト値が０．９０を超えた場合に、三角測量により詳細距離を求めるものとする。さらに、ステップｔ＝１〜３で得られる画像において、コントラストの平均値をそれぞれ求めるものとし、その平均値が０．９０を超えるフォーカス移動距離が存在した場合は当該フォーカス距離を概略合焦位置と扱い、平均値が０．９０を超えるフォーカス移動距離が存在しない場合はピーク値を有するフォーカス距離を概略合焦位置と扱うものとする。
図１６（ａ）は、フォーカス距離（合焦位置）が５７０ｍｍ（ｔ＝１）に設定された状態における像面コントラストの算出結果を示している。コントラスト値は、エリアＡ、Ｂ、Ｃでそれぞれ、０．８１、０．５９、０．６６であり、その平均値は０．６９となる。このｔ＝１では、エリアＡ、Ｂ、Ｃのいずれにおいても高コントラストの閾値０．９０を超えていない。この場合、領域特定部２６３により、いずれのエリアも三角測量の対象とされないとの判定が下される。また、平均値についても閾値０．９０を超過していないので、この時点では概略合焦位置とは判定されない。
図１６（ｂ）は、フォーカス距離が６００ｍｍ（ｔ＝２）に設定された状態における像面コントラストの算出結果を示している。コントラスト値は、エリアＡ、Ｂ、Ｃでそれぞれ、０．９０、０．８１、０．９０であり、その平均値は０．８７となる。このｔ＝２では、エリアＡ、Ｃが閾値０．９０の条件を満たしているので、これらのエリアは当該ｔ＝２で得られた二次元画像に基づく三角測量の対象とされる。一方、平均値については閾値０．９０を超過していないので、この時点では概略合焦位置とは判定されない。
図１６（ｃ）は、フォーカス距離が６３０ｍｍ（ｔ＝３）に設定された状態における像面コントラストの算出結果を示している。コントラスト値は、エリアＡ、Ｂ、Ｃでそれぞれ、０．６６、０．９０、０．８１であり、その平均値は０．７９となる。このｔ＝３では、エリアＢが閾値０．９０の条件を満たしているので、このエリアＢは当該ｔ＝３で得られた二次元画像に基づく三角測量の対象とされる。一方、平均値については閾値０．９０を超過していないので、概略合焦位置とは判定されない。ここで、ステップｔ＝１〜３のいずれも平均値が閾値０．９０を超過しないことが判明したので、平均値のピーク値に基づき概略合焦位置が求められる。この場合、ｔ＝２のフォーカス距離（６００ｍｍ）が概略合焦位置と扱われる。
表１に、ｔ＝１〜３におけるエリアＡ、Ｂ、Ｃのコントラスト値、平均値の算出結果を示す。図１７は、これらの結果をグラフにしたものである。
Figure 0004380663
次に、図１８は、ｔ＝１〜３で求められた像面コントラストの算出結果に基づく、三角測量の実行状況を示す模式図である。図１８（ａ）は、ｔ＝１の場合であるが、上述のようにこのフォーカス距離ではエリアＡ、Ｂ、Ｃのいずれも高コントラストの閾値０．９０を満足しないので、ここでは三角測量が行われない。
図１８（ｂ）は、ｔ＝２の場合を示す。このフォーカス距離では、エリアＡ、Ｃが閾値０．９０の条件を満たしているので、距離算出部２６４により、エリアＡ、Ｃの三次元形状測定装置２０に対する距離ｇ１、ｇ２が三角測量にて求められる。また、図１８（ｃ）は、ｔ＝３の場合を示す。このフォーカス距離では、エリアＢが閾値０．９０の条件を満たしているので、このエリアＢの三次元形状測定装置２０に対する距離ｇ３が三角測量にて求められる。これにより、測定対象物１０ＣのエリアＡ、Ｂ、Ｃの全てにつき、正確な距離情報が求められる。
距離算出部２６４は、この三角測量を行うに際し、像面コントラストの算出により求められた概略合焦位置を参照して、どの角度のスリット光が測量対象とされるエリアに投影されているかの推定を行う。上述の例では、概略合焦位置＝６００ｍｍと判定されているので、この概略合焦位置に最も近いガルバノ回転角で投影されたスリット光が選択される。
この点を図１９に基づき説明する。図１９は、スリット位置の推定手法を説明するための模式図である。いま、撮像素子２２２の受光面から受光光学系２２１を介して直進する１つの視線Ｖを考える。図１９（ａ）に示すように、この視線Ｖの方向には、投光角が異なる複数のスリット光Ｓ１〜Ｓ５が投影されている可能性がある。三角測量を行うにはスリット光の投光角の特定が必須となるので、スリット光Ｓ１〜Ｓ５のいずれが測量対象エリアに投影にされているのかを特定（推定）する必要がある。このスリット光の推定処理を、前記概略合焦位置を利用して行う。
すなわち、概略合焦位置＝６００ｍｍと、視線Ｖ方向の受光角φ（これは直角とすれば良い）と、既知の基線長Ｌとから、概略投光角θ’を算出する。この概略投光角θ’と、スリット光Ｓ１〜Ｓ５の投光角とを各々対比し、最も概略投光角θ’に近い投光角を持つスリット光を選択する。例えば、スリット光Ｓ３の投光角が最も近いものであるならば、当該測量対象エリアにはスリット光Ｓ３が投影されているものと推定する。そして、図１９（ｂ）に示すように、このスリット光Ｓ３の投光角θと、前記受光角φ及び基線長Ｌとから、距離Ｚが算出されるものである。
続いて、測定範囲２０Ｅの合わせ込み調整について説明する。図２０は、像面コントラスト算出及び高コントラスト領域特定の他の具体例を示す模式図である。ここでは前提条件として、測定対象物１０Ｄの特定のエリアＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇが、三次元形状測定装置２０の受光部２２からそれぞれ５９０ｍｍ、６００ｍｍ、６３０ｍｍ、６２０ｍｍ、６３０ｍｍ、６００ｍｍ、５９０ｍｍ離間した位置に存在しているものとする。そして、測定範囲２０Ｅは、合焦位置を中心として前方領域ａ１に２０ｍｍ、後方領域ａ２に２０ｍｍ、合計４０ｍｍの測定奥行ａを持っているものとする。他の前提条件は、先に図１６に示す例の説明の際に用いたものと同様とする。
図２０（ａ）〜（ｃ）は、フォーカス距離を５７０ｍｍから３０ｍｍ間隔でステップｔ＝１〜３の三段階に変化させたときの、像面コントラストの算出結果をそれぞれ示している。表２に、ｔ＝１〜３におけるエリアＡ〜Ｇのコントラスト値、平均値の算出結果を示す。図２１は、これらの結果をグラフにしたものである。
Figure 0004380663
図２０（ａ）に示すｔ＝１の状態では、エリアＡ〜Ｇのコントラスト値のいずれもが閾値０．９０を超えないので、このｔ＝１では三角測量を行うべきエリアは特定されない。これに対し、図２０（ｂ）に示すｔ＝２の状態では、エリアＡ、Ｂ、Ｆ、Ｇが閾値０．９０を満足するので、これらのエリアが三角測量の対象とされ、詳細な距離が求められる。また、図２０（ｃ）に示すｔ＝３の状態では、エリアＣ、Ｄ、Ｅが閾値０．９０を満足するので、これらのエリアが三角測量の対象とされ、詳細な距離が求められる。さらに、ｔ＝１〜３のコントラスト平均値は、それぞれ０．６８、０．８７、０．８１であるので、閾値０．９０を満足するものがないことから、ピーク値であるｔ＝２のフォーカス距離（６００ｍｍ）が概略合焦位置と判定される。
図１９で説明したように、この概略合焦位置を参照して、スリット光の推定が行われると共に、三角測量によりエリアＡ〜Ｇの距離情報が算出される。この場合、エリアＡ＝５９０ｍｍ、Ｂ＝６００ｍｍ、Ｃ＝６３０ｍｍ、Ｄ＝６２０ｍｍ、Ｅ＝６３０ｍｍ、Ｆ＝６００ｍｍ、Ｇ＝５９０ｍｍの距離情報が求められることとなる。フォーカス距離設定部２６６は、このようなエリアＡ〜Ｇの距離情報に基づいて測定対象物１０Ｄの形状を推定し、測定範囲２０Ｅの合わせ込み調整を行う。
この測定範囲２０Ｅの合わせ込み調整は、可及的に１回の測定で測定対象物１０Ｄの全領域がカバーできるようにすることを主眼とする。つまり、測定対象物１０ＤのエリアＡ〜Ｇの全てが、測定奥行ａ内に含まれるように位置合わせを行う。
図２２は、測定範囲２０Ｅを測定対象物１０Ｄに対して合わせ込んだ状態を模式的に示す図である。ここでは測定奥行ａが４０ｍｍであるが、エリアＡ〜Ｇの距離情報のうち、最も近いエリア（Ａ，Ｇ＝５９０ｍｍ）と、最も遠いエリア（Ｃ，Ｅ＝６３０ｍｍ）が当該測定奥行ａ内に包含されるようにフォーカス距離が設定される。この場合、６１０ｍｍにフォーカス距離を合わせれば全てのエリアＡ〜Ｇが測定奥行ａ内に収まるので、フォーカス距離＝６１０ｍｍと設定される。この距離が、ＡＦで導出されるフォーカス距離となり、かかるフォーカス距離にて本測定のための撮像が行われる。
ところで、投光部２１によるスリット光の走査投影範囲（スリットレーザ光のスキャン範囲）は、測定対象物の形状に応じて最小限に止めることが、測定時間並びに演算時間を短縮化する観点からは望ましい。投影角調整部２６７は、この観点からスリット光の走査投影角を最適化する調整を行うもので、ＡＦの際、フォーカス距離を第１の距離としてスリット光を測定対象物に走査投影した結果に基づき測定対象物の存在領域を判定し、前記第１の距離とは異なる第２の距離として次回のスリット光の走査投影を行わせるに際し、その存在領域に応じて走査投影角を設定する。
図２３は、投影角調整部２６７の動作を説明するための模式図である。一回目のフォーカス距離（例えば５７０ｍｍ）における走査投影において、走査投影範囲が三次元形状測定装置２０の撮像視野範囲ＦＯＶと同じ（走査投影角＝ｊ１）に設定しておく。そして、測定対象物１０Ｅに走査投影を行う。この走査投影により得られた画像に基づき、コントラスト算出部２６２により複数領域のコントラストが求められるので、その結果から測定対象物１０Ｅの存在領域を概ね把握することができる。
図２３に示す例では、測定対象物１０Ｅは、撮像視野範囲ＦＯＶに比べてかなり小さいので、画像の周辺領域に対する投光は不要である。この場合、投影角調整部２６７は、測定対象物１０Ｅを必要最小限カバーできる範囲ＦＯＶ’に走査投影範囲を限定し（走査投影角＝ｊ２，ｊ１＞ｊ２）、二回目のフォーカス距離（例えば６００ｍｍ）における走査投影を行わせる。これにより無用な投光、演算処理を省くことができるようになる。
［動作フローの説明］
以上の通り構成された三次元形状測定装置２０の動作について説明する。図２４は、三次元形状測定装置２０による三次元形状測定フローを示すフローチャートである。図略の操作部から三次元形状測定装置２０に操作信号が与えられ、測定モードが設定されると（ステップＳ１）、測定対象物に対してＡＦ制御部２６（図１０参照）によりオートフォーカス（ＡＦ）処理が行われる（ステップＳ２）。このオートフォーカス処理のフローについては、図２５に基づき後述する。
そして、ＡＦ処理により求められたフォーカス距離にて、測定対象物につき本測定用の撮像が行われる（ステップＳ３）。この本測定用の撮像は、上記で説明したＡＦの際に行われるスリット光の走査投影と同様である。かかる撮像で得られた二次元画像データは、データメモリ２４に格納される。
しかる後、二次元画像データがＩ／Ｆ２８を介して図略のパーソナルコンピュータ等に転送され、該二次元画像データに基づいて、三角測量により測定対象物の三次元データが算出される（ステップＳ４）。この三次元データは、座標値（ｘ，ｙ，ｚ）データとして所定のメモリ部に格納される（ステップＳ５）。そして、測定を継続するか否かが確認され（ステップＳ６）、継続する場合（ステップＳ６でＹＥＳ）はステップＳ２に戻り、終了する場合（ステップＳ６でＮＯ）は処理を完了する。
図２５は、ＡＦ制御部２６によるオートフォーカス処理のフローを示すフローチャートである。ＡＦ処理が開始されると、フォーカスシフト部２６１（図１１参照）により、受光部２２の受光光学系２２１のフォーカス距離が所定の第１の距離に設定される（ステップＳ１１）。図１６や図２０で説明した事例では、イニシャルフォーカス距離＝５７０ｍｍとされる例を示した。
かかるフォーカス距離で、投光部２１によりパターン光が測定対象物に対して投光される（ステップＳ１２）。具体的には、レーザ光源２１１を所定のタイミングでＯＮ−ＯＦＦさせつつ、ガルバノミラー２１３が回転されることで、スリットレーザ光が測定対象物に走査投影される。その反射光の一部が受光部２２の受光光学系２２１を介して撮像素子２２２で受光され、測定対象物の二次元画像（これはスリット画像となる）データが取得される（ステップＳ１３）。この二次元画像データは、出力処理回路２３でデジタル化された後、データメモリ２４へ一時的に格納される。
上記二次元画像データは、ＡＦ制御部２６のコントラスト算出部２６２により読み出され、複数の領域毎（例えば図１６に示したエリアＡ、Ｂ、Ｃ毎）に像面コントラストが算出される（ステップＳ１４）。そして、領域特定部２６３により、所定の閾値を超える高コントラスト領域が当該二次元画像に存在しているか否かが判定される（ステップＳ１５）。
高コントラスト領域が存在している場合（ステップＳ１５でＹＥＳ）、領域特定部２６３はその高コントラスト領域の位置情報がデータバッファ２６５に書き込まれる（ステップＳ１６）。さらに、領域特定部２６３によりコントラストの平均値が算出され、該平均値もデータバッファ２６５に書き込まれる（ステップＳ１７）。
続いて、フォーカス距離をシフトするか否かが判定される（ステップＳ１８）。フォーカスシフト部２６１に予め設定されているシフトシーケンスが完了していない場合（ステップＳ１８でＹＥＳ）、次に投影角調整部２６７により測定対象物の形状に応じた投影角の調整が必要であるか否かが判定される（ステップＳ１９）。投影角調整が必要である場合（ステップＳ１９でＹＥＳ）、投影角調整部２６７によりスリットレーザ光のスキャン範囲が測定対象物の形状に応じて調整された後に（ステップＳ２０）、投影角調整が不要である場合（ステップＳ１９でＮＯ）はそのまま、ステップＳ１１に戻って処理が繰り返される。このとき、ステップＳ１１では、フォーカス距離のシフトシーケンスに従って、所定距離だけフォーカス距離が変更（例えば５７０ｍｍから６００ｍｍへ変更）される。
フォーカス距離のシフトシーケンスが完了した場合（ステップＳ１８でＮＯ）、距離算出部２６４によりステップＳ１７で求められたフォーカス距離毎のコントラスト平均値に基づいて、概略合焦距離が導出される（ステップＳ２１）。この概略合焦距離は、上述した通り、例えばコントラスト平均値が所定の閾値を超えているフォーカス距離はどれか、或いはコントラスト平均値のピーク値はどれかを判定することで導出される。
続いて、距離算出部２６４により、ステップＳ１６で各々のフォーカス距離において高コントラスト領域として特定された領域について三角測量演算が行われ、各領域の詳細な距離情報が求められる（ステップＳ２２）。
しかる後、フォーカス距離設定部２６６により、上記距離情報を踏まえて、図２２に基づいて説明したような手法により、測定範囲の合わせ込み調整が行われ（ステップＳ２３）、ＡＦ処理が終了する。この調整で得られたフォーカス距離が、後の本測定の撮像におけるフォーカス距離とされるものである。
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば次のような変形実施形態を取ることができる。
（１）上記実施形態では、距離算出部２６４により求められた距離情報のうち、最も近いエリアと最も遠いエリアとが、単純に測定範囲内へ収められるように測定範囲の合わせ込み調整を行う例を示した。これに加えて、各エリアの距離情報に重み付けを行い、測定対象物の形状に沿った測定範囲の合わせ込みを行うようにしても良い。かかる方法によれば、ある距離付近に距離情報が集中しているような場合に、その距離付近に合焦位置を合わせるようにすることで、より正確な三次元形状測定が行えるようになる。
（２）受光光学系２２１を構成する受光レンズ等が交換可能なものであり、受光レンズにより測定範囲が異なるものである場合、装着されている受光レンズのレンズ情報を取得して測定範囲記憶部２５の情報を書き換えるレンズ情報出力部を具備するように構成することが望ましい。
（３）上記実施形態では、本発明を三次元形状測定装置２０のオートフォーカス調整に適用した例を示したが、当該フォーカス調整方法は他の光学装置にも適用可能である。例えばデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、或いはその他の計測機器類にも適用することができる。
本発明に係る三次元形状測定装置の外観構成を示す斜視図である。 上記三次元形状測定装置の基本的な内部構成を示す模式図である。 上記三次元形状測定装置による三次元計測方法の原理を示す説明図である。 受光部の測定範囲を説明するための模式図である。 測定範囲の位置設定状況を説明するための模式図である。 測定範囲の位置設定状況を説明するための模式図である。 測定範囲の位置設定状況を説明するための模式図である。 測定範囲の位置設定状況を説明するための模式図である。 測定範囲の位置設定状況を説明するための模式図である。 三次元形状測定装置の電気的構成を示すブロック図である。 ＡＦ制御部（制御演算手段）の機能構成を示す機能ブロック図である。 投光部によるスリット光の測定面への走査投影状況を説明するための模式図である。 パターンマスクが採用された三次元形状測定装置によるパターン光投影状況を示す模式図である。 レーザ光源２１１から発せられるスリットレーザ光Ｓ０の合焦状態と、該スリットレーザ光Ｓ０のヒストグラムとの関係を模式的に示す図である。 図１４に示したスリットレーザ光Ｓ０の走査により形成されるスリット光Ｓの一投影エリアの輝度和分布を示すグラフである。 像面コントラスト算出及び高コントラスト領域特定の具体例を示す模式図である。 エリア別のコントラスト値、平均値の算出結果を表すグラフである。 像面コントラストの算出結果に基づく、三角測量の実行状況を示す模式図である。 スリット位置の推定手法を説明するための模式図である。 像面コントラスト算出及び高コントラスト領域特定の他の具体例を示す模式図である。 エリア別のコントラスト値、平均値の算出結果を表すグラフである。 測定範囲２０Ｅを測定対象物１０Ｄに対して合わせ込んだ状態を模式的に示す図である。 投影角調整部の動作を説明するための模式図である。 三次元形状測定装置による三次元形状測定フローを示すフローチャートである。 ＡＦ制御部によるオートフォーカス処理のフローを示すフローチャートである。
符号の説明
１０ 測定対象物
２０ 三次元形状測定装置
２１ 投光部（投光手段）
２１１ レーザ光源
２１２ 投光光学系
２１３ ガルバノミラー（回転ミラー）
２１４ ＬＤドライバ
２１５ 投光駆動部
２２ 受光部（撮像手段）
２２１ 受光光学系
２２２ 撮像素子
２２３ ＡＦ駆動部
２３ 出力処理回路
２４ データメモリ
２５ 測定範囲記憶部
２６ ＡＦ制御部（制御演算手段）
２６１ フォーカスシフト部
２６２ コントラスト算出部（第１の距離算出手段）
２６３ 領域特定部
２６４ 距離算出部（第２の距離算出手段）
２６５ データバッファ
２６６ フォーカス距離設定部（測定範囲調整手段）
２６７ 投影角調整部
２７ 全体制御部

Claims (10)

  1. 測定範囲として合焦位置の前後に所定の測定奥行をもつ非接触型の三次元形状測定装置を用い、測定対象物に対するフォーカス調整を行った後、三次元形状の測定動作を行う三次元形状測定方法において、
    前記フォーカス調整として、
    所定のパターン光を測定対象物に投光すると共にその反射光を受光して前記測定対象物についての二次元画像を取得する動作と、取得された二次元画像について複数の領域で像面コントラストを算出する動作とを、フォーカス距離を変えて所定回数繰り返すステップと、
    前記像面コントラストが所定の閾値を超過する高コントラスト領域を、各フォーカス距離で取得された二次元画像毎に抽出するステップと、
    前記高コントラスト領域に対応する前記測定対象物上の位置と、前記投光及び受光の位置とに基づいて、三角測量により距離情報を取得するステップと、
    前記距離情報に基づき当該測定対象物についての前記測定範囲の合わせ込み調整を行うステップと
    を含むことを特徴とする三次元形状測定方法。
  2. 測定範囲として合焦位置の前後に所定の測定奥行をもつ非接触型の三次元形状測定装置であって、
    所定の測定光を測定対象物に投光する投光手段と、
    前記測定光の前記測定対象物からの反射光をフォーカス距離調整が可能な光学系を介して受光することで、前記測定対象物についての二次元画像を取得する撮像手段と、
    前記二次元画像の複数の領域で像面コントラストを算出する第１の距離導出手段と、
    前記二次元画像の複数の領域で三角測量を行うことで、前記領域毎の距離情報を求めることが可能な第２の距離導出手段と、
    前記第１の距離導出手段の算出結果から、前記像面コントラストが所定の閾値を超過する高コントラスト領域を特定する処理を、前記撮像手段のフォーカス距離を変えて所定回数実行させると共に、該高コントラスト領域について前記第２の距離導出手段に三角測量を実行させる処理を行わせる制御演算手段と、
    前記三角測量により得られた距離情報に基づき当該測定対象物についての前記測定範囲の合わせ込み調整を行う測定範囲調整手段と
    を具備することを特徴とする三次元形状測定装置。
  3. 前記投光手段は、所定のパターン光を投光するものであり、
    前記第２の距離導出手段は、前記パターン光の投光及び受光の角度と、投光位置と受光位置との距離とから三角測量を行うものであることを特徴とする請求項２に記載の三次元形状測定装置。
  4. 前記投光手段が、スリット光を強度変調して発生する光源と、前記スリット光を前記測定対象物に走査投影する回転ミラーとを含むことを特徴とする請求項３に記載の三次元形状測定装置。
  5. 前記撮像手段は、スリット光の走査投影角に応じた受光エリアを有するエリアセンサを備え、
    前記第１の距離導出手段は、前記スリット光にて一投影エリアの走査が行われた結果、前記エリアセンサから出力される前記一投影エリアの輝度和分布に相当する出力値を取得し、前記輝度和分布の立ち上がり度合いに基づいて、像面コントラストの評価を行うことを特徴とする請求項４に記載の三次元形状測定装置。
  6. 第１の距離導出手段は、前記コントラスト算出結果から前記領域毎の概略距離情報を求めるものであり、
    前記第２の距離導出手段は、前記概略距離情報からスリット光の投光角を推定して三角測量を行うことを特徴とする請求項４に記載の三次元形状測定装置。
  7. 前記制御演算手段は、前記撮像手段のフォーカス距離を第１の距離として前記スリット光を前記測定対象物に走査投影させ、前記第１の距離導出手段により算出されるコントラストに基づいて測定対象物の存在領域を判定し、
    フォーカス距離が前記第１の距離とは異なる第２の距離として次回のスリット光の走査投影を行わせるに際し、前記測定対象物の存在領域に応じて走査投影角を設定することを特徴とする請求項４に記載の三次元形状測定装置。
  8. 前記測定範囲調整手段は、前記測定範囲中の合焦位置を、前記距離情報から推定される測定対象物の形状に応じて設定することで、測定範囲を調整することを特徴とする請求項２に記載の三次元形状測定装置。
  9. 前記測定範囲調整手段は、前記距離情報のうち最も近い点と遠い点とが前記測定奥行に含まれるように、測定範囲を調整することを特徴とする請求項２に記載の三次元形状測定装置。
  10. 撮像範囲として合焦位置の前後に所定の撮像奥行をもつ撮像装置における、撮像対象物に対するフォーカス調整方法であって、
    所定のパターン光を測定対象物に投光すると共にその反射光を受光して前記測定対象物についての二次元画像を取得する動作と、取得された二次元画像について複数の領域で像面コントラストを算出する動作とを、フォーカス距離を変えて所定回数繰り返すステップと、
    前記像面コントラストが所定の閾値を超過する高コントラスト領域を、各フォーカス距離で取得された二次元画像毎に抽出するステップと、
    前記高コントラスト領域に対応する前記撮像対象物上の位置と、前記投光及び受光の位置とに基づいて、三角測量により距離情報を取得するステップと、
    前記距離情報に基づき当該撮像対象物についての前記撮像範囲の合わせ込み調整を行うステップと
    を含むことを特徴とするフォーカス調整方法。
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