JP5682134B2 - ３次元形状測定装置、３次元形状測定付加装置および３次元形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物に光を投光したときの反射光を用いて被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置、３次元形状測定付加装置および３次元形状測定方法に関する。

簡易な構成で測定精度が高い３次元形状の測定装置として光切断法による３次元形状測定装置が従来から知られている。かかる光切断法による３次元形状測定装置では、まず、測定対象である被測定物に、スリット形状の光であるスリット光を照射し、被測定物の反射光を投影した投影像を形成する。そして、３次元形状測定装置は、投影像に出現した、スリット光の反射光である光切断像の３次元空間の位置（３次元位置）を特定することで被測定物の３次元形状を導出する。

３次元形状の測定時において、被測定物には、上述した測定のためのスリット光の他に、人が測定作業を行うための照明光も照射される。すると、照明光も被測定物で反射され背景光（環境光）として上述のスリット光の反射光に重畳されるため、３次元形状測定装置では、形成された投影像からスリット光の反射光による光切断像のみを抽出することが困難になり、３次元形状の測定精度が低下する。特に近年では、人の作業効率や安全性の向上を図るため照明光の強度がより強くなる傾向にあり、光切断像の抽出は困難になりつつある。

そこで、１の被測定物の反射光を異なる２つの方向に設けられた受光素子で受光し、２つの投影像のうち有効な測定結果が得られない一方の投影像を他方で補間して被測定物の３次元形状を測定する技術が知られている（例えば、特許文献１）。また、投光の有無に応じて投影像を２回取得し、投光有りの投影像から投光無しの投影像を減算して背景光を排除する技術も提案されている（例えば、特許文献２）。

特開平２−２２３８０９号公報 特開２００９−１９８８４号公報

上述した特許文献１の技術では、同一の部分に対して異なるタイミングで形成された２つの投影像のうち、有効な測定結果が得られない投影像を排除しているので、測定精度を高めることができる。しかし、かかる技術は、照明光の反射光の影響が比較的少ない投影像を採用しているに過ぎず、例えば、照明光の反射光の強度が時間に拘わらず一様に強い場合には良好な結果を得ることができなかった。また、投影像の投影処理や選択処理が増えるとそれに伴って計算処理負荷が高くなり、コストが高くなることもあった。さらに、特許文献２の技術では、投光有りの投影像と投光無しの投影像との取得タイミングが異なるため、被測定物やその背景が移動または変形している場合や、照明光の反射光の強度が変化する場合に背景光を正確に排除することができず誤差が生じてしまう。

また、照明光の反射光の影響を削減するため、３次元形状測定装置や被測定物が設置される部屋の照明を完全に消灯して暗室化することも考えられる。しかし、暗室内では被測定物の視認性や人の作業効率が著しく低下するのみならず、暗室への被測定物の出し入れすら困難になる。

本発明は、このような課題に鑑み、被測定物の視認性や人の作業効率に影響を与えることなく、高精度かつ確実に被測定物の３次元形状を導出することが可能な、３次元形状測定装置、３次元形状測定付加装置および３次元形状測定方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の３次元形状測定装置は、被測定物に投光する投光源と、被測定物で反射された反射光を受光し投影像を形成する受光素子と、２値化された制御信号を生成する信号生成部と、被測定物に照明光を照射する照明装置を制御信号が第１状態を示す間消灯する照明制御部と、制御信号が第１状態を示す間に、受光素子に投影像を形成させる投影像形成制御部と、受光素子で形成された投影像に基づいて被測定物の３次元形状を導出する３次元形状導出部と、を備え、照明制御部は、照明光の単位時間の発光量を、照明装置を消灯せず連続して点灯した場合の発光量と比べて、全時間に対する照明装置を消灯する時間の占有率を相殺する分だけ大きく設定することを特徴とする。

３次元形状導出部は、受光素子で形成された投影像の受光量が所定の閾値以上であるか否かに基づいて被測定物の３次元形状を導出してもよい。

上記課題を解決するために、本発明の３次元形状測定付加装置は、被測定物に投光する投光源と、被測定物で反射された反射光を受光し投影像を形成する受光素子と、受光素子で形成された投影像に基づいて被測定物の３次元形状を導出する３次元形状導出部とを有する３次元形状測定装置に付加する３次元形状測定付加装置であって、２値化された制御信号を生成する信号生成部と、被測定物に照明光を照射する照明装置を制御信号が第１状態を示す間消灯する照明制御部と、制御信号が第１状態を示す間に、受光素子に投影像を形成させる投影像形成制御部と、を備え、照明制御部は、照明光の単位時間の発光量を、照明装置を消灯せず連続して点灯した場合の発光量と比べて、全時間に対する照明装置を消灯する時間の占有率を相殺する分だけ大きく設定することを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の他の３次元形状測定装置は、被測定物に投光する投光源と、被測定物で反射された反射光を受光する受光素子と、２値化された制御信号を生成する信号生成部と、被測定物に照明光を照射する照明装置を制御信号が第１状態を示す間消灯する照明制御部と、制御信号が第１状態を示す間に、投光源に投光させ、受光素子にその反射光を受光させる投影像形成制御部と、投光源の投光時点と受光素子の受光時点との差分時間に基づいて被測定物の３次元形状を導出する３次元形状導出部と、を備え、照明制御部は、照明光の単位時間の発光量を、照明装置を消灯せず連続して点灯した場合の発光量と比べて、全時間に対する照明装置を消灯する時間の占有率を相殺する分だけ大きく設定することを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の３次元形状測定方法は、被測定物に投光する投光源と、被測定物で反射された反射光を受光し投影像を形成する受光素子とを含む３次元形状測定装置を用いて３次元形状の測定を行う３次元形状測定方法であって、２値化された制御信号を生成し、照明装置が被測定物に照射する照明光の単位時間の発光量を、照明装置を消灯せず連続して点灯した場合の発光量と比べて、全時間に対する照明装置を消灯する時間の占有率を相殺する分だけ大きく設定した状態で、制御信号が第１状態を示す間、照明装置を消灯すると共に受光素子で投影像を形成し、制御信号が第２状態を示す間、照明装置を点灯すると共に受光素子の投影像の形成を停止し、受光素子で形成された投影像に基づいて被測定物の３次元形状を導出することを特徴とする。

本発明によれば、被測定物の視認性や人の作業効率に影響を与えることなく、高精度かつ確実に被測定物の３次元形状を導出することが可能となる。

３次元形状測定システムの概略的な接続関係を示した説明図である。 ３次元形状測定装置の概略的な構成を説明するための説明図である。 ３次元形状導出部による３次元形状の導出を説明するための説明図である。 被測定物上の任意の点の３次元位置の導出を説明した説明図である。 照明装置の消灯タイミングと受光素子に投影像を形成させるタイミングを説明するためのタイムチャートである。 受光量の絶対値を利用した３次元形状測定装置を例示した説明図である。 ３次元形状測定付加装置の概略的な構成を示す構成図である。 ３次元形状測定方法の全体的な流れを示したフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

被測定物の特に表面の３次元形状を測定するには、被測定物の表面における任意の複数の点の３次元位置（または３次元座標）を導出しなければならない。ここでは、そのような被測定物の表面における点の３次元位置を、例えば、三角測量法を応用して求める。三角測量法は、三角形の１辺の長さと、その端部における２の夾角または端部で交わる他の２辺の長さのいずれか一方が分かれば他方も求められ、その２辺の交点の位置が特定できる測定方法である。

ここでは、このような三角測量法を用いた３次元形状の測定方法の一例として光切断法を挙げ、被測定物の視認性や人の作業効率に影響を与えることなく、高精度かつ確実に被測定物の３次元形状を導出する３次元形状測定システム１００を提案し、その後、具体的な３次元形状測定方法を詳述する。

（３次元形状測定システム１００）
図１は、３次元形状測定システム１００の概略的な接続関係を示した説明図である。３次元形状測定システム１００は、３次元形状測定装置１１０と、照明装置１２０とを含んで構成される。

３次元形状測定装置１１０は、被測定物１０２にスリット光を投光し、被測定物１０２の反射光により投影像１１２を形成して、投影像１１２に出現した光切断像１１４の３次元位置を特定する。また、３次元形状測定装置１１０では、このようなスリット光を、図１中白抜き矢印で示したように、スリット光（スリットの）の長手方向と垂直となる方向に推移し、投影像１１２を被測定物１０２全体に関して順次形成することで、被測定物１０２の表面全体の３次元形状を導出する。当該３次元形状測定装置１１０の設置場所は特に限定されない。

照明装置１２０は、人が測定作業や各種作業を行うため、被測定物１０２を含む作業領域を照射する。かかる照明装置１２０としては、点灯と消灯とを比較的高速に切換可能な光源を用いる。ここでは、その典型例として、高速応答、低消費電力、長寿命等の理由で近年広く利用されている白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）照明を用いる。照明装置１２０の設置位置は、室内の天井としてもよいし、被測定物１０２近辺の任意の位置としてもよく、数にも制限はない。また、被測定物１０２が比較的小さい場合、光を遮蔽し暗室化した箱内に被測定物１０２を配置し、照明装置１２０がその箱内のみを照射するとしてもよい。

また、照明装置１２０に電力を供給する駆動電源１２２は、照明装置１２０の高速切換を実現するため、供給電力を高速に開閉することが可能な電源である。例えば、照明装置１２０として上記の白色ＬＥＤ照明を採用した場合、駆動電源１２２として、商用電源を変圧、整流および平滑化した直流電力や定電圧の蓄電池による直流電力を用い、ゲート隔離型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の半導体電力制御素子を通じて、その直流電力を高速に開閉する。ここで、照明装置１２０が複数設けられている場合、照明装置１２０の駆動電源１２２も複数準備し、共通のゲート信号によって上記の半導体電力制御素子を制御して複数の照明装置１２０の点灯と消灯のタイミングを同期させる。また、照明装置１２０がＬＥＤ照明以外であっても、既存の駆動電源の構成や電力供給方式を変更することで、照明装置１２０の点灯と消灯とを高速に切り換えることができる。

３次元形状測定システム１００では、照明装置１２０が照射される下で、３次元形状測定装置１１０により被測定物１０２の３次元形状を測定する。以下、３次元形状測定装置１１０の詳細な構成を説明する。

（３次元形状測定装置１１０）
図２は、３次元形状測定装置１１０の概略的な構成を説明するための説明図である。３次元形状測定装置１１０は、投光源１５０と、第１光学系１５２と、投光源推移部１５４と、第２光学系１５６と、電子シャッタ１５８と、受光素子１６０と、照明制御部１６２と、保持部１６４と、中央制御部１６６とを含んで構成される。ここでは説明の便宜のため省略するが、投光源１５０、第１光学系１５２、投光源推移部１５４、第２光学系１５６、電子シャッタ１５８、受光素子１６０等は３次元形状測定装置１１０のハウジングに固定されている。

投光源１５０は、例えば、レーザダイオード等で構成され、被測定物１０２にレーザ光を投光（出射）する。ここで、レーザ光の投光タイミングは、連続的または間欠的とすることができる。例えば、後述する受光素子１６０に投影像１１２を形成させるタイミングに合わせてレーザ光を間欠的に出射し、その出射時間を短縮することで、無駄な消費電力を削減し、発光量を高めることができる。

第１光学系１５２は、例えば、シリンドリカルレンズで構成され、投光源１５０から出射されたレーザ光を扇状に放射したスリット光を形成する。ここでは、レーザ光を拡散することでスリット光を形成しているが、レーザ光のスポット光を走査することでスリット光を形成することもできる。

投光源推移部１５４は、動力源１６８を通じて、第１光学系１５２によって形成されたスリット光を、図２中白抜き矢印で示したように、スリット光の長手方向と垂直となる方向に推移させる。例えば、投光源１５０と第１光学系１５２とを一体的に形成してギア（図示せず）に固定し、動力源１６８により駆動されるピニオン（図示せず）をギアにかみ合わせてスリット光を推移させたり、スリット光をミラー（図示せず）で反射し、ミラーを動力源１６８で回転させることによりスリット光を推移させるように構成する。こうして、被測定物１０２全体に順次スリット光を当てることができる。

第２光学系１５６は、１枚のレンズまたは複数のレンズを組み合わせて構成され、スリット光が被測定物１０２表面で反射した反射光（反射像）を受光素子１６０に結像させる。かかる第２光学系１５６にレーザ光と同じ波長の光のみを透過するフィルタを設けることで他の波長の光を減衰し、レーザ光の抽出精度を高めることもできる。

電子シャッタ１５８は、第２光学系１５６を透過した反射光の受光素子１６０への導光状態（透過状態または非透過状態）を制御する。本実施形態では、後述する照明制御部１６２が照明装置１２０を点灯させている間、電子シャッタ１５８を非透過状態にし、照明装置１２０を消灯させている間のみ透過状態とする。このように電子シャッタ１５８の透過時間を制限することで、照明装置１２０の照明光による被測定物１０２の反射光の影響を削減することができる。

受光素子１６０は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）や消費電力の少ないＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等による２次元光電変換素子で構成され、電子シャッタ１５８が透過状態となっている間、被測定物１０２の表面で生じる反射光を光電変換した電荷を蓄積する。かかる電荷の蓄積は、例えば、受光素子１６０の画素単位で行われ、画素全体で２次元の投影像１１２を形成する。本実施形態では、理解を容易にするため、電子シャッタ１５８の透過状態と非透過状態という表現を用いることとする。電子シャッタ１５８の透過状態とは、受光素子１６０において光電変換した電荷の蓄積が行われる状態のことであり、電子シャッタ１５８の透過状態において受光された光は、受光素子１６０において投影像１１２の形成に寄与する。反対に、電子シャッタ１５８の非透過状態とは、受光素子１６０において光電変換した電荷の蓄積が行われていない状態のことであり、電子シャッタ１５８の非透過状態において受光された光は、受光素子１６０において投影像１１２の形成に寄与しない。このようにして形成された被測定物１０２の投影像１１２によって、後述する３次元形状導出部は、受光素子１６０に入射した反射光の受光角を把握することができ、その受光角と投光源１５０の投光角とを用いて３次元形状を導出する。ここで、反射光は、正確には、被測定物１０２表面における散乱光の一部であるが、説明の便宜上、単に反射光の表現を用いることとする。

本実施形態では、照明制御部１６２が照明装置１２０を点灯させている間、電子シャッタ１５８が非透過状態となるので、受光素子１６０で照明光の反射光を受光することなく、照明装置１２０を消灯させている間のみ電子シャッタ１５８が透過状態となるので、投光源１５０による反射光のみを受光できる。したがって、照明光の反射光を排除できるので、高精度かつ確実に被測定物１０２の３次元形状を導出することが可能となる。

照明制御部１６２は、後述する信号生成部によって生成される２値化された制御信号が第１状態を示す間、照明装置１２０を消灯する。例えば、制御信号が、５０Ｈｚの周波数であり、継続時間１ｍｓｅｃの第１状態と１９ｍｓｅｃの第２状態を交互に繰り返す場合、照明制御部１６２は、制御信号が第２状態を示す間は照明装置１２０を点灯し、２０ｍｓｅｃ毎に１回、第１状態である１ｍｓｅｃの間だけ照明装置１２０を消灯する。ここでは、照明装置１２０を消灯する時間が点灯する時間に比べて非常に短いので、照明装置１２０の消灯が意識されることもなく、相対的に十分な点灯時間を確保できることとなり、被測定物１０２の視認性や人の作業効率に影響を及ぼすことがない。

また、照明装置１２０の点灯や消灯に遅延を伴う場合、照明装置１２０の消灯時間を確保するため、照明制御部１６２は、制御信号が第２状態から第１状態に反転する時点より遅延時間分早く照明装置１２０の消灯を開始してもよい。こうすることで、制御信号が第１状態を示している間、照明装置１２０を完全に消灯することができる。

本実施形態では、被測定物１０２の視認性や人の作業効率に影響を与えることなく、被測定物１０２の３次元形状を導出することを目的としている。そこで、照明制御部１６２は、照明装置１２０の点灯状態を比較的長時間確保することで、被測定物１０２の視認性や人の作業効率を維持し、また、被測定物１０２の３次元形状を測定するため、被測定物１０２の視認性や人の作業効率に影響を与えない範囲で照明装置１２０を短時間だけ消灯する。

ここで、照明制御部１６２は、照明装置１２０の照明光の単位時間の発光量を、照明装置１２０を消灯する時間と点灯する時間を合わせた全時間に対する照明装置１２０を消灯する時間の占有率（比率）を相殺する分だけ大きく設定することができる。例えば、上述した５０Ｈｚ（周期２０ｍｓｅｃ）で１ｍｓｅｃだけ照明装置１２０を消灯する場合、占有率（照明装置１２０が消灯する時間／全時間）は、１／２０となり、単純に消灯を繰り返すと発光量は（１−１／２０）＝１９／２０に減衰してしまう。そこで、照明制御部１６２は、消灯の影響を相殺すべく、その発光量を２０／１９倍に増幅するように設定する。こうして、照明装置１２０を消灯せず連続して点灯した場合と等しい発光量を確保することができ、被測定物１０２の視認性や人の作業効率への影響を最低限に抑えることが可能となる。

保持部１６４は、半導体メモリ、不揮発性ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等で構成され、後述する記憶制御部１７４の制御指令に基づいて、中央制御部１６６から送信された１または複数の投影像１１２を保持する。

中央制御部１６６は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路により、３次元形状測定装置１１０全体を管理および制御する。また、本実施形態において、中央制御部１６６は、信号生成部１７０と、投影像形成制御部１７２と、記憶制御部１７４と、３次元形状導出部１７６としても機能する。

信号生成部１７０は、第１状態と第２状態とに２値化され、第１状態の占有時間が第２状態の占有時間より短い矩形状の制御信号を生成する。具体的に、信号生成部１７０は、上述したような周期的な制御信号を生成する場合、図示しないタイマおよびカウンタに周波数および第１状態を継続する継続時間を設定し、１ショットの矩形インパルスの制御信号を生成する場合、図示しないタイマに第２状態から第１状態への反転時刻を設定して制御信号を生成する。また、このような周期的な制御信号や１ショットの制御信号に限らず、規則的または不規則に変化する様々な矩形信号を制御信号とすることができる。ここでは、タイマやカウンタを設定し、ハードウェアで制御信号を生成する例を挙げているが、ソフトウェア割り込みを利用して中央制御部１６６内で制御信号を生成することもできる。また、制御信号の第１状態と第２状態とは離散信号のハイレベルとローレベル（正論理）に対応するが、ローレベルとハイレベル（負論理）に対応していてもよい。

信号生成部１７０が周期的な制御信号を生成する場合、その時間配分は大凡以下のようにして定めることができる。まず、投光源１５０の光の強度と被測定物１０２との距離に応じ、受光素子１６０において被測定物１０２の反射光による投影像１１２を形成するのに必要な時間が決まり、それが制御信号の第１状態の継続時間となる。また、照明装置１２０の消灯が被測定物１０２の視認性や人の作業効率に影響を与えない範囲で、投影像１１２を十分な回数取得できるように周波数が決定される。

したがって、投光源１５０の光の強度を強くできれば、その分、第１状態の継続時間も短くでき、ひいては投影像１１２の単位時間当たりの取得回数を増やし、測定完了までの総時間を短縮することも可能となる。このとき、信号生成部１７０は、電子シャッタ１５８の反応速度や照明装置１２０の切換による遅延時間等も踏まえて制御信号を生成してもよい。

投影像形成制御部１７２は、制御信号が第１状態を示す間に、受光素子１６０に投影像１１２を形成させる。ここでは、電子シャッタ１５８の導光状態を制御して受光素子１６０の投影像１１２を形成させる例を挙げて説明するが、かかる場合に限られず、投影像形成制御部１７２は、受光素子１６０に蓄積された電荷のリセット信号によって電荷の蓄積開始タイミングを制御する等、様々な方法で受光素子１６０に投影像１１２を形成させるタイミングを制御することができる。

このようにして生成された制御信号を通じて、照明装置１２０の消灯タイミングと受光素子１６０に投影像１１２を形成させるタイミングとを同期させる。

また、受光素子１６０に投影像１１２を形成させるタイミングが予め定まっている場合、その投影像１１２を形成させるタイミングを提供する手段が信号生成部１７０に相当する。したがって、投影像形成制御部１７２は、信号生成部１７０から提供される制御信号としての、予め定められた投影像１１２を形成させるタイミングを受け、受光素子１６０に投影像１１２を形成させることとなる。また、照明制御部１６２は、その投影像１１２を形成させるタイミング（制御信号）で照明装置１２０を消灯させる。

さらに、その逆のパターンとして、照明装置１２０の消灯タイミングが予め定まっている場合、その照明装置１２０の消灯タイミングを提供する手段が信号生成部１７０に相当する。したがって、照明制御部１６２は、信号生成部１７０から提供される制御信号としての予め定められた照明装置１２０の消灯タイミングを受け、照明装置１２０を消灯することとなる。また、投影像形成制御部１７２は、その照明装置１２０の消灯タイミング（制御信号）で受光素子１６０に投影像１１２を形成させる。

本実施形態の目的は、照明装置１２０の点灯と受光素子１６０の投影像１１２の形成とを時間方向において排他的に実行することである。したがって、信号生成部１７０は、かかる目的を達成できれば、様々な他のタイミングを基準に制御信号を形成するこができる。

このとき、受光素子１６０に投影像１１２を形成させるタイミングに合わせて、投光源１５０にレーザ光を間欠的に出射させてもよい。このように投光源１５０の出射時間を削減することで、上述したように、無駄な消費電力を削減し、発光量を高めることができる。この場合、投光源１５０の駆動電源にも制御信号が提供され、投光源１５０は、電子シャッタ１５８が非透過状態となっている間、投光を止め、電子シャッタ１５８が透過状態となるタイミングで投光を開始する。

また、受光素子１６０が投影像１１２を形成し始めるのに遅延を伴う場合、電荷の蓄積時間を確保すべく、その遅延時間分、制御信号が第２状態から第１状態に反転する時点より早く電子シャッタ１５８を透過状態とすることもできる。

記憶制御部１７４は、制御信号が第１状態から第２状態に反転した後、すなわち、投影像形成制御部１７２が電子シャッタ１５８を非透過状態とした後で、受光素子１６０に蓄積された投影像１１２を読み出し、そのときの投光源１５０の投光角と関連付けて順次保持部１６４に記憶する。

３次元形状導出部１７６は、被測定物１０２全体に渡る光切断像１１４を取得すべく、予め定められた回数分、投影像１１２が形成されると、保持部１６４に保持された複数の投影像１１２に基づいて被測定物１０２の３次元形状を導出する。具体的に、３次元形状導出部１７６は、受光素子１６０で形成された投影像１１２の各画素における受光量（受光強度）が所定の閾値以上であるか否かに基づいて光切断像１１４のみを抽出し、その光切断像１１４の投影像１１２に対する相対的位置から、光切断像１１４上の点の３次元位置を求め、被測定物１０２の３次元形状を導出する。

図３は、３次元形状導出部１７６による３次元形状の導出を説明するための説明図である。受光素子１６０で形成された複数の投影像１１２のうち、例えば、スリット光の投光角が図１の状態であった場合の任意の投影像１１２が図３（ａ）のようになったと仮定する。投影像１１２には、被測定物１０２におけるスリット光の反射光である光切断像１１４が投影される。このとき投影像１１２内の、光切断像１１４の長手方向と垂直の方向の任意のライン１１６における各画素の受光量は、図３（ｂ）のようになる。図３（ｂ）は、横軸がライン１１６の画素に相当する位置であり、縦軸がその画素毎の受光量を示している。

従来では、スリット光の反射光に照明装置１２０の照明光による反射光が重畳されていたので、受光量の分布は、図３（ｃ）のようになっていた。かかる図３（ｃ）の分布では、光切断像１１４に相当する画素Ａ（図３（ａ）参照）において、スリット光の反射光が照明光の反射光に加算され、相対的に受光量が高くなるが、照明光の反射光の受光量は事前には予測困難であり、照明光の反射光の受光量が揺動して不規則となることもあるので、その位置を判別するための閾値を一意に設定できず、スリット光の反射光のみを抽出するのは困難であった。本実施形態では、図３（ｂ）の如く、投影像１１２の形成において照明光の反射光を排除しているので、スリット光の光切断像１１４のみが受光分布として現れ、測定者は、その光切断像１１４の受光量を想定することができる。したがって、例えば、図３（ｂ）の如く、想定される受光量の半分の位置に閾値を設定することで、３次元形状測定装置１１０は、確実かつ容易に光切断像１１４のみを抽出することができ、高精度で３次元形状を測定することが可能となる。続いて、抽出された光切断像１１４から３次元位置を導出する流れを説明する。

図４は、被測定物１０２上の任意の点の３次元位置の導出を説明した説明図である。例えば、図４（ａ）の投影像１１２の光切断像１１４上における任意の点Ａを対象とすると、３次元形状導出部１７６は、投影像１１２に基づいて、点ＡのＹ軸方向（図４中右側に示す）の座標Ｙ_Ａ、および、点Ａに相当する被測定物１０２の点と受光素子１６０とを結ぶ線分と、受光素子１６０と投光源１５０とを結ぶ線分とが為す夾角である受光角θ_Ｒを導出できる。また、投影像１１２には、投光源１５０の投光角（スリット光が当たっている点と投光源１５０とを結ぶ線分と、受光素子１６０と投光源１５０とを結ぶ線分とが為す夾角）θ_Ｓも関連付けられて保持されている。したがって、受光素子１６０と投光源１５０との距離Ｌが予め把握されていれば、点Ａは、図４（ｂ）のように、１辺（距離Ｌ）とその端部の夾角（受光角θ_Ｒ、投光角θ_Ｓ）が特定された三角形の頂点となり、３次元形状導出部１７６は、三角測量法に基づき、計算またはテーブルを参照することによって、Ｘ軸方向の座標Ｘ_ＡおよびＺ軸方向の座標Ｚ_Ａを導出することが可能となる。こうして点Ａに関する３次元位置として座標（Ｘ_Ａ、Ｙ_Ａ、Ｚ_Ａ）が求まる。このように、光切断法では、受光素子１６０で形成された投影像１１２と、投光源１５０と受光素子１６０との相対位置とに基づいて、被測定物１０２の３次元形状を求めることができる。

このとき被測定物１０２と受光素子１６０とを結ぶ線分と、被測定物１０２と投光源１５０とを結ぶ線分とが為す夾角は、１８０°未満の任意の角度をとることができる。かかる夾角は、大きいほど、３次元形状の導出精度を高めることができるが、光切断像１１４が被測定物１０２の突出構造に隠れて取得できなかったり、光切断像１１４の幅を十分確保できなくなったりするので、ここでは上記夾角を約６０°としている。

本実施形態は、投影像１１２を形成する段階に工夫が凝らされ、１の投光角に対して複数の投影像を生成したり、その複数の投影像を選択や合成したりする付加的な処理が無いので、３次元形状導出部１７６の計算処理負荷が増大することもない。

（測定タイミング）
以上説明した３次元形状測定装置１１０における測定タイミングを具体的に示す。

図５は、照明装置１２０の消灯タイミングと受光素子１６０に投影像１１２を形成させるタイミングを説明するためのタイムチャートである。特に図５（ａ）は３次元形状を導出するまでの全体的なタイミングを、図５（ｂ）はその測定中の投光源１５０が任意の投光角にある場合の１回の投影像１１２の読み出しタイミングを示している。

３次元形状の測定において、信号生成部１７０が図５（ａ）および（ｂ）に示すような２値化された制御信号を生成すると、照明制御部１６２は、制御信号が第２状態を示す間、照明装置１２０を点灯し、第１状態を示す間、照明装置１２０を消灯する。また、投影像形成制御部１７２は、制御信号が第２状態を示している間、電子シャッタ１５８を非透過状態にし、制御信号が第２状態から第１状態に反転する直前に受光素子１６０の光の蓄積をリセットし、制御信号が第１状態を示している間、透過状態にして受光素子１６０に反射光を導光する。こうして、受光素子１６０は、電子シャッタ１５８が透過状態となっている間のみ光を蓄積する。

ここでは、制御信号が第１状態を示している間、照明装置１２０は消灯しているので、電子シャッタ１５８が導光する反射光にはスリット光の反射光しか含まれておらず、受光素子１６０では、図３（ｂ）のように光切断像１１４と他の部分とで受光量の差が鮮明になる投影像１１２が蓄積される。また、本実施形態では、このような投影像１１２を、受光素子１６０による１回の投影で取得するので、被測定物１０２やその背景が移動または変形している場合や、照明光の反射光の強度が変化する場合であっても、光切断像１１４を高精度かつ確実に抽出することが可能となる。

そして、制御信号が第１状態から第２状態に反転すると、記憶制御部１７４は、受光素子１６０で蓄積された電荷による投影像１１２を読み出し、スリット光の投光角と関連付けて保持部１６４に保持する。予定された回数、投影像１１２を形成し、被測定物１０２全体に渡る光切断像１１４を取得すると、３次元形状導出部１７６は、保持部１６４に保持された複数の投影像１１２に基づいて被測定物１０２の３次元形状を導出する。また、３次元形状導出部１７６は、被測定物１０２全体に渡る光切断像１１４の取得の完了を待たずに、取得された光切断像１１４に基づいて、随時、被測定物１０２の３次元形状を導出することもできる。

ここでは、照明装置１２０の消灯と、電子シャッタ１５８の透過状態とを同時に変化させる例を挙げて説明したが、本実施形態は、かかる場合に限られず、照明装置１２０の点灯状態と電子シャッタ１５８の透過状態とが時間軸で排他的になればよく、例えば、照明装置１２０が消灯した後、反射光が安定するのを待って電子シャッタ１５８を透過状態にしてもよい。

また、ここでは、電子シャッタ１５８の透過状態と、受光素子１６０の投影像１１２の形成とが同時に行われると仮定しているが、これも同時に行われる場合に限られず、電子シャッタ１５８の透過状態中に受光素子１６０が投影像１１２を形成すればよく、電子シャッタ１５８が非透過状態から透過状態に完全に移行するのを待って受光素子１６０の投影像１１２の形成を開始してもよい。また、電子シャッタ１５８の代わりに機械式シャッタを用いる場合、機械式シャッタが完全に開口するには時間を要するため、その遅延時間分受光素子１６０の投影像形成開始時点を遅らせるか機械式シャッタの開口時点を早めることで対応してもよい。このように機械式シャッタを用いる場合、開閉を伴うシャッタの代わりに、回転体にスリットを設け、回転体の回転に伴ってスリットの間のみ透過状態となる機構を利用してもよい。

また、照明装置１２０の消灯時間、電子シャッタ１５８を透過状態とする時間、および、受光素子１６０で投影像１１２を形成する時間を１ｍｓｅｃとして説明したが、投光源１５０と、被測定物１０２との距離に応じてその時間を随時変更してもよい。例えば、投光源１５０および受光素子１６０と被測定物１０２との距離が離れている場合、被測定物１０２に到達する光量も少なく、受光素子１６０で受光する反射光の光量も弱まる。したがって、投影像形成制御部１７２は、電子シャッタ１５８を透過状態にする時間を長くし、受光素子１６０で光を蓄積する時間を増やして、測定に必要な受光量を確保する。さらに、同一の被測定物１０２においても、投光源１５０や受光素子１６０との距離が異なる場合、それに合わせて距離が短いところは短時間だけ透過状態にし、距離が長いところは長時間、透過状態とすることもできる。

（投光パターンによる他の３次元形状計測装置）
上述した実施形態では、理解を容易にするため、被測定物１０２にレーザ光を投光したときの反射光を用いて被測定物１０２の３次元形状を測定する３次元形状測定装置として、光切断法による３次元形状測定装置１１０を説明した。しかし、本実施形態の３次元形状測定装置は、光切断法に限らず、照明光の反射光が不利に働く点で共通する様々な光の投光パターンを用いた測定方法、例えば、スポット法、繰り返しパターン法、符号化パターン法（空間コード化法）、モアレ法等にも適用することができる。

スポット法は、光切断法におけるスリット光をスポット光に置き換えたものであり、１つの投影像について１の点の３次元位置を特定することができる。繰り返しパターン法では、光切断法におけるスリット光を規則的に並べてマルチスリット光としたり、正方形や円を規則的に並べて投光パターンを形成したり、市松模様のような規則的な投光パターンを用いたりして、反射光により３次元形状を特定する。符号化パターン法では、被測定物１０２を含む測定空間の各点を２進数コードで符号化し、その符号に合わせて明暗のピッチを倍々に変化させたパターン光を投光して、投影像の少ない形成回数（空間の分離数をｎとするとｌｏｇ_２ｎ以上の整数）で３次元形状を特定している。モアレ法は、被測定物１０２と投光源１５０との間に格子マスクを配置し、かかる格子を通った光がなす明暗のパターンが、受光素子１６０による投影像にモアレ縞を形成し、このモアレ縞によって３次元形状を特定することができる。

（光時間差による３次元形状計測装置）
さらに本実施形態は、上述した反射光の有無を判断し三角測量法を用いて３次元形状を導出する３次元形状測定に限らず、光レーザ法（光時間差法）のような光時間差を用いた３次元形状測定にも適用できる。具体的に、光レーザ法では、上述した三角測量法と異なり、投光源１５０と受光素子１６０とを極力近づけ、投光源１５０の出射方向と受光素子１６０の入射方向とが略同軸に配置される。そして、光レーザ法では、投光源１５０から光を出射し、受光素子１６０が反射光を入射した際にその光の出射から入射までの時間（飛行時間）を測定し、測定した時間に光速を乗じることにより、投光源１５０から被測定物１０２までの距離と被測定物１０２から受光素子１６０までの距離の和を求め、その和の半分を被測定物１０２の距離とすることで、３次元形状を特定することができる。

このとき、反射光の受光時点を特定する上で、照明光の反射光をレーザ光の反射光と誤認してしまうと、被測定物１０２の正確な距離を導出できない。そこで、本実施形態では、反射光が入射するタイミングで照明装置１２０を消灯する。具体的に、投影像形成制御部１７２は、制御信号が第１状態を示す間に、投光源１５０に投光させ、受光素子１６０にその反射光を受光させる。このとき投影像形成制御部１７２は、投光源１５０が投光を開始してから受光素子１６０が受光を完了するまでの所定時間に渡って、電子シャッタ１５８を継続して透過状態とする。また、照明制御部１６２は、制御信号が第１状態を示す間、照明装置１２０を消灯する。そして、３次元形状導出部１７６は、投光源１５０の投光時点と受光素子の受光時点との差分時間に基づいて被測定物１０２の３次元形状を導出する。ここでは、照明光の反射光が削減されるので、レーザ光の反射光の受光時点を正確に特定でき、被測定物１０２の正確な距離を測定できる。また、光の飛行時間は短いので照明装置１２０の消灯が被測定物１０２の視認性や人の作業効率に影響を及ぼすこともない。

（さらに他の３次元形状測定装置）
また、上述した光切断法による３次元形状測定装置１１０では、投影像１１２の光量を閾値と比較することで、光切断像１１４を抽出したが、それに限らず、３次元形状導出部１７６は、受光素子１６０で形成された投影像１１２の受光量の絶対値や波長に基づいて被測定物１０２の３次元形状を導出することもできる。

図６は、受光量の絶対値を利用した３次元形状測定装置１９０を例示した説明図である。図６（ａ）に示すように、３次元形状測定装置１９０は、上述した３次元形状測定装置１１０と実質的に同じ構成を有し、第１光学系１９２がシリンドリカルレンズではあるものの、光の遮光度が段階的に異なる点で３次元形状測定装置１１０と相違する。したがって、第１光学系１９２を通過したレーザ光は、図６（ａ）に示すように、光量の異なる複数のスリット光となり、被測定物１０２の表面に投光する。このとき、投影像１１２には図６（ｂ）のように異なる受光量による縞模様が形成される。したがって、投影像１１２の任意のライン１１６における各画素の受光量は、図６（ｃ）のようになる。図６（ｃ）は、図３（ｂ）同様、横軸がライン１１６の画素に相当する位置であり、縦軸がその画素毎の受光量を示している。

本実施形態では、投影像１１２の形成において照明光の反射光を排除しているので、図６（ｃ）の如く、スリット光の反射光のみが段階的な受光分布として現れ、その受光量の段階的な受光分布から、光量の異なる複数のスリット光が被測定物１０２のいずれに当たっているかを、閾値１〜４と比較することで容易に特定できる。また、当該３次元形状測定装置１９０の場合、１回分の投影像１１２で複数のスリット光に関して測定することができるので、測定に費やす総時間を短縮することも可能となる。図６では、理解を容易にするためスリット光の光量を４段階で示したが、投光源１５０の発光量と受光素子１６０における受光量の検出精度に応じて、それ以上のスリット光を形成できるのは言うまでもない。

また、被測定物１０２に投光される光量のみならず、被測定物１０２に投光される光の波長が異なる場合であっても、本実施形態では、照明光の反射光が影響しないので、各波長を受光素子１６０において高精度で抽出することができ、高精度な３次元形状の計測が可能となる。

（３次元形状測定付加装置２００）
上述した実施形態では、新たに３次元形状測定装置１１０を形成する例を挙げたが、既存の３次元形状測定装置１０に付加的に本実施形態を適用することもできる。

図７は、３次元形状測定付加装置２００の概略的な構成を示す構成図である。３次元形状測定付加装置２００は、パーソナルコンピュータ等の計算機や組み込み用のボードコンピュータで構成され、照明制御部１６２と、中央制御部２０２における信号生成部１７０と、投影像形成制御部１７２とを含んで構成される。かかる照明制御部１６２と、信号生成部１７０と、投影像形成制御部１７２とは、３次元形状測定装置１１０の構成要素と実質的に機能が同一なので同一の符号を付して重複説明を省略する。

信号生成部１７０は、例えば、３次元形状測定付加装置２００としてのパーソナルコンピュータのタイマおよびカウンタを用いて動作し、３次元形状測定装置１１０同様、第１状態と第２状態とに２値化され、第１状態の占有時間が第２状態の占有時間より短い制御信号を生成する。そして、照明制御部１６２は、信号生成部１７０が生成した制御信号が第１状態を示す間、照明装置１２０を消灯する。また、投影像形成制御部１７２は、制御信号が第１状態を示す間に、例えば、電子シャッタ１５８等を制御して、既存の３次元形状測定装置１０の受光素子１６０に投影像１１２を形成させる。また、信号生成部１７０は、３次元形状測定装置１１０同様、既存の３次元形状測定装置１０において、受光素子１６０に投影像１１２を形成させるタイミングが予め定まっている場合、その投影像１１２を形成させるタイミングを提供する手段に相当する信号生成部１７０から投影像１１２を形成させるタイミング（制御信号）を受けて、照明制御部１６２は、その投影像１１２を形成させるタイミングで照明装置１２０を消灯させる。

このような３次元形状測定付加装置２００を既存の３次元形状測定装置１０に接続することで、被測定物１０２の視認性や人の作業効率に影響を与えることなく、高精度かつ確実に被測定物１０２の３次元形状を導出することが可能となる。

（３次元形状測定方法）
また、被測定物１０２に光を投光したときの反射光による投影像１１２に基づいて被測定物１０２の３次元形状を測定する３次元形状測定方法も提供される。以下、このような３次元形状測定方法を詳細に説明する。

図８は、３次元形状測定方法の全体的な流れを示したフローチャートである。図８に示すように、３次元形状測定装置１１０の信号生成部１７０は、２値化された制御信号を生成する（Ｓ２００）。

そして、照明制御部１６２および投影像形成制御部１７２は、制御信号が第１状態を示しているか否か判定し（Ｓ２０２）、第１状態を示していれば（Ｓ２０２におけるＹＥＳ）、照明制御部１６２は、被測定物１０２に照明光を照射する照明装置１２０を消灯し（Ｓ２０４）、投影像形成制御部１７２は、受光素子１６０で投影像１１２を形成する（Ｓ２０６）。また、制御信号が第１状態を示していなければ、すなわち、第２状態を示していれば（Ｓ２０２におけるＮＯ）、照明制御部１６２は、照明装置１２０を点灯し（Ｓ２０８）、投影像形成制御部１７２は、受光素子１６０での投影像１１２の形成を停止する（Ｓ２１０）。

そして、すべての投影像１１２を取得したか否か判断され（Ｓ２１２）、まだ投影像１１２を取得してない投光角が残っていれば（Ｓ２１２におけるＮＯ）、制御信号生成ステップＳ２００からを繰り返す。予定された回数、投影像１１２を形成し、被測定物１０２全体の光切断像を取得すると、投影像１１２がすべて取得されたと判断され（Ｓ２１２におけるＹＥＳ）、３次元形状導出部１７６は、受光素子で形成された投影像１１２に基づいて被測定物１０２の３次元形状を導出する（Ｓ２１４）。

こうして、３次元形状測定方法においても、被測定物１０２の視認性や人の作業効率に影響を与えることなく、高精度かつ確実に被測定物１０２の３次元形状を導出することが可能となる。

上述した、３次元形状測定装置１１０、１９０の技術的思想に基づく構成要素やその説明は、３次元形状測定付加装置２００や３次元形状測定方法にも適用可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、本明細書の３次元形状測定方法における各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、被測定物に光を投光したときの反射光を用いて被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置、３次元形状測定付加装置および３次元形状測定方法に利用することができる。

１０、１１０、１９０ …３次元形状測定装置
１０２ …被測定物
１１２ …投影像
１２０ …照明装置
１５０ …投光源
１６０ …受光素子
１６２ …照明制御部
１７０ …信号生成部
１７２ …投影像形成制御部
１７６ …３次元形状導出部
２００ …３次元形状測定付加装置

Claims (5)

1. 被測定物に投光する投光源と、
   前記被測定物で反射された反射光を受光し投影像を形成する受光素子と、
   ２値化された制御信号を生成する信号生成部と、
   前記被測定物に照明光を照射する照明装置を前記制御信号が第１状態を示す間消灯する照明制御部と、
   前記制御信号が第１状態を示す間に、前記受光素子に投影像を形成させる投影像形成制御部と、
   前記受光素子で形成された投影像に基づいて前記被測定物の３次元形状を導出する３次元形状導出部と、
   を備え、
   前記照明制御部は、前記照明光の単位時間の発光量を、前記照明装置を消灯せず連続して点灯した場合の発光量と比べて、全時間に対する前記照明装置を消灯する時間の占有率を相殺する分だけ大きく設定することを特徴とする３次元形状測定装置。
2. 前記３次元形状導出部は、前記受光素子で形成された投影像の受光量が所定の閾値以上であるか否かに基づいて前記被測定物の３次元形状を導出することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定装置。
3. 被測定物に投光する投光源と、該被測定物で反射された反射光を受光し投影像を形成する受光素子と、該受光素子で形成された投影像に基づいて該被測定物の３次元形状を導出する３次元形状導出部とを有する３次元形状測定装置に付加する３次元形状測定付加装置であって、
   ２値化された制御信号を生成する信号生成部と、
   前記被測定物に照明光を照射する照明装置を前記制御信号が第１状態を示す間消灯する照明制御部と、
   前記制御信号が第１状態を示す間に、前記受光素子に投影像を形成させる投影像形成制御部と、
   を備え、
   前記照明制御部は、前記照明光の単位時間の発光量を、前記照明装置を消灯せず連続して点灯した場合の発光量と比べて、全時間に対する前記照明装置を消灯する時間の占有率を相殺する分だけ大きく設定することを特徴とする３次元形状測定付加装置。
4. 被測定物に投光する投光源と、
   前記被測定物で反射された反射光を受光する受光素子と、
   ２値化された制御信号を生成する信号生成部と、
   前記被測定物に照明光を照射する照明装置を前記制御信号が第１状態を示す間消灯する照明制御部と、
   前記制御信号が第１状態を示す間に、前記投光源に投光させ、前記受光素子にその反射光を受光させる投影像形成制御部と、
   前記投光源の投光時点と前記受光素子の受光時点との差分時間に基づいて前記被測定物の３次元形状を導出する３次元形状導出部と、
   を備え、
   前記照明制御部は、前記照明光の単位時間の発光量を、前記照明装置を消灯せず連続して点灯した場合の発光量と比べて、全時間に対する前記照明装置を消灯する時間の占有率を相殺する分だけ大きく設定することを特徴とする３次元形状測定装置。
5. 被測定物に投光する投光源と、該被測定物で反射された反射光を受光し投影像を形成する受光素子とを含む３次元形状測定装置を用いて３次元形状の測定を行う３次元形状測定方法であって、
   ２値化された制御信号を生成し、
   照明装置が前記被測定物に照射する照明光の単位時間の発光量を、該照明装置を消灯せず連続して点灯した場合の発光量と比べて、全時間に対する該照明装置を消灯する時間の占有率を相殺する分だけ大きく設定した状態で、前記制御信号が第１状態を示す間、前記照明装置を消灯すると共に前記受光素子で投影像を形成し、該制御信号が第２状態を示す間、該照明装置を点灯すると共に該受光素子の投影像の形成を停止し、
   前記受光素子で形成された投影像に基づいて前記被測定物の３次元形状を導出することを特徴とする３次元形状測定方法。

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