JPH05272932A - 位置情報のコード化方法およびそのコードを用いた３次元計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光学的パターンを走査し一般的なイメージセン
サを用いながらも１フレームないし数フレーム程度の時
間で高精度に３次元情報を求める。 【構成】照明装置２は対象物１の表面に照度の十分に異
なる明領域ＢＡと暗領域ＤＡとを形成する。また、照明
装置２は明領域ＢＡと暗領域ＤＡとの境界線ＢＬが対象
物１の全表面を通過するように境界線ＢＬを一方向に走
査する。イメージセンサ３は面状に配列した多数の画素
を有し、照明装置２の投光方向とは異なる方向から対象
物１の表面を撮像する。イメージセンサ３は対象物１の
表面の各点が明領域ＢＡに属していた間に受光した光束
を蓄積することによって各画素ごとに受光量を求める。
処理部５は各画素の受光量に基づいて各画素に対応する
対象物１の表面の各点を境界線ＢＬが通過した時刻を求
めることにより対象物１の表面の各点の位置を３次元計
測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、対象物の表面に所定の
光学的パターンを有した光を照射し、光学的パターンを
時間の経過とともに変化させることによって、対象物の
表面の各点の位置情報をコード化する位置情報のコード
化方法およびそのコードを用いた３次元計測方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、対象物の表面の３次元形状を非
接触で計測する方法としては、三角測量法の原理を用い
て対象物の表面までの距離を求める方法が知られてい
る。すなわち、対象物の表面に所定の光学的パターンを
有した光を照明装置から照射し、光の照射方向とは異な
る方向から光学的パターンの位置情報をイメージセンサ
によって検出し、イメージセンサに入力された光学的パ
ターンの位置情報、照明装置とイメージセンサとの位置
関係、光学的パターンの照射方向などに三角測量法の原
理を適用することによって、あらかじめ設定した座標系
における対象物の表面の各点の座標を決定するのであ
る。このような３次元形状の計測方法に用いる光学的パ
ターンとしては、点状パターン、帯状パターン、モアレ
縞状パターン、格子状パターンなど各種形状のものが知
られている。

【０００３】ところで、点状パターンや帯状パターンを
用いて対象物の表面の広範囲な領域に亙って３次元情報
を得ようとすれば、光学的パターンを領域内で移動させ
る必要があるから、光学的パターンをイメージセンサに
取り込むたびに演算することになる。イメージセンサと
してＰＳＤなどの非走査型のものを用いれば、光学的パ
ターンの入力と演算とを同時進行させることができるか
ら、イメージセンサへの光学的パターンの入力の時間が
問題になることはないが、この種のイメージセンサでは
光学的パターンに点状パターンしか使うことができない
から、対象物の表面の測定領域の全域に亙って光学的パ
ターンを走査するのに長時間を要するという問題が生じ
る。また、イメージセンサとしてビジコン、ＣＣＤなど
の走査型の撮像装置を用いれば、帯状パターンを用いる
ことができるから、対象物の表面の測定領域の全域に亙
って比較的短時間で光学的パターンを走査することが可
能ではある。この方法は、いわゆる光切断法として広く
用いられている。しかしながら、光学的パターンを各位
置ごとに１フレームとしてイメージセンサに入力し、１
フレームごとに演算することが必要になるから、測定領
域の全域に亙って３次元計測を行うには、多数のフレー
ムを取り込むことが必要であり、結局、広範囲な測定領
域の全域に亙る３次元情報を得るには長時間を要すると
いう問題がある。すなわち、光学的パターンとして点状
パターンや帯状パターンを用いると、３次元計測の測定
領域が広範囲である場合には時間がかかるという問題が
生じるのである。

【０００４】このような問題を解決するために、イメー
ジセンサの各画素ごとにメモリを設け、帯状パターンで
ある光学的パターンの照射方向を時間を用いてコード化
し、各画素ごとに光学的パターンを受光した時刻の基準
時刻からの時間間隔をメモリに格納するようにした３次
元計測装置が提案されている〔佐藤幸男，荒木和男：
“高速３次元物体計測法の提案”，電子情報通信学会論
文誌(D), J70-D, 5, PP.1053-1055 (1987年 5月) 〕。
すなわち、対象物の表面の全面に亙って帯状パターンを
１回走査する間に、イメージセンサの各画素に対応した
メモリに、各画素に光が入射した時点の光学的パターン
の照射方向を基準時刻からの時間間隔に置き換えて格納
することによって、対象物の表面の全面に亙る３次元情
報を１フレームで取り込むのである。

【０００５】しかしながら、この構成ではイメージセン
サの各画素ごとにメモリを設けた特殊なイメージセンサ
が必要であって、工業用テレビカメラ等の一般的なイメ
ージセンサを用いることができないという問題がある。
また、提案されているイメージセンサは、各画素を構成
する受光素子と、受光素子での受光時点をトリガとして
時間間隔を記憶するメモリと、受光素子の出力を増幅し
たり波形整形したりするための回路とを各画素ごとに必
要とし、構成が複雑であって現時点の技術では実用にそ
ぐわないという問題がある。

【０００６】一方、モアレ縞状パターンや格子状パター
ンを用いる場合には、対象物の表面の全面に亙って光学
的パターンを同時に形成することができ、モアレ縞の次
数や格子の位置によって光学的パターンの照射方向をコ
ード化することになるから、イメージセンサへの情報の
取り込み時間は短縮される。しかしながら、この種の光
学的パターンを用いる場合にはモアレ縞のピッチや格子
点の間隔を、イメージセンサの分解能に対して少なくと
も２倍以上に大きく設定することが必要であって、イメ
ージセンサの分解能程度の精度で３次元計測を行うこと
ができないという問題がある。

【０００７】このような分解能の問題を解決するため
に、対象物の表面の全面に亙って白色光を回折格子によ
って分光した光を照射し、イメージセンサにより同一シ
ーンについて分光感度を変えた２つの画像を取り込み、
両画像に基づいて３次元計測を行うことが考えられてい
る〔田島譲二，岩川正人：“Rainbow Range Finderによ
る距離画像取得”，電子情報通信学会論文誌(D-11), J7
3-D-11, 3, PP. 374-382(1990年 3月) 〕。この方法で
はカラー撮像装置を用いれば画像を１回で取り込むこと
ができ、モノクロ撮像装置を用いる場合でも分光特性の
異なる３種のフィルタを用いて画像を３回取り込めばよ
いから、情報の取り込み時間は短いものである。しか
も、理論的にはイメージセンサの画素程度の分解能を得
ることができ、また通常の装置を組み合わせることによ
って実現できるものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した色情報を用い
て光の照射方向をコード化する方法では、対象物の表面
の色と照射される光の波長との関係によっては信号対雑
音比を十分に大きくとることができず、また、イメージ
センサにおける色の分解能によって計測値の分解能が制
限されるという問題を有している。しかも、色情報を用
いるから、１フレームで３次元計測を行うには分光感度
の異なる３個のイメージセンサが必要になって構成が複
雑になるという問題があり、１個のイメージセンサでフ
ィルタによって分光感度を変えるようにすれば３フレー
ムで３次元計測を行うことになって計測に時間がかかる
という問題がある。

【０００９】本発明は上記問題点の解決を目的とするも
のであり、光学的パターンを走査する形式であって一般
的なイメージセンサを用いながらも１フレームないし数
フレーム程度の時間で３次元情報を求めることができ、
しかも、各画素程度の分解能を得ることができる位置情
報のコード化方法およびそのコードを用いた３次元計測
方法を提供しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明では、上
記目的を達成するために、対象物の表面に明るさが十分
に異なる明領域と暗領域とを形成するとともに明領域と
暗領域との境界線を一方向に走査し、対象物の全表面に
境界線を１回通過させた後において対象物の表面の各点
が明領域に属していた時間を、対象物の表面上での境界
線の位置情報のコードとして用いるのである。

【００１１】請求項２の発明では、対象物の表面に照度
の十分に異なる明領域と暗領域とを形成する照明装置に
よって明領域と暗領域との境界線が対象物の全表面を通
過するように境界線を一方向に走査し、対象物への光の
照射方向とは異なる方向から対象物の表面で反射された
光束を多数の画素を面状に配列したイメージセンサによ
って受光し、対象物の表面の各点が明領域に属していた
間に受光した光束を蓄積することによってイメージセン
サの各画素ごとに受光量を求め、各画素の受光量に基づ
いて各画素に対応する対象物の表面の各点を境界線が通
過した時刻を求め、各時刻において照明装置により設定
された境界線を含む平面と、各時刻における境界線上の
各点とイメージセンサの各画素とを結ぶ直線との交点を
求めることによって対象物の表面の各点の位置を３次元
計測するのである。

【００１２】請求項３の発明では、イメージセンサの各
画素の受光量を、対象物の全表面に光を照射したときの
イメージセンサの各画素の受光量によって除算すること
によって、受光量を正規化する。請求項４の発明では、
明領域と暗領域との境界線を明領域が減少する向きに走
査したときのイメージセンサの各画素での受光量と、明
領域と暗領域との境界線を明領域が増加する向きに走査
したときのイメージセンサの各画素での受光量との平均
値に基づいて対象物の表面の各点を境界線が通過した時
刻を求める。

【００１３】請求項５の発明では、所定幅の遮光部を有
した遮光板を光源の前方で一方向に走査し、遮光板の走
査方向における遮光部の各端縁に対応して形成される２
つの境界線を対象物の表面に順次通過させることによっ
て、明領域が減少する向きと明領域が増加する向きとに
境界線を走査する。請求項６の発明では、対象物の全表
面に光を照射したときのイメージセンサの各画素の受光
量の分布パターンを求め、イメージセンサの各画素の受
光量が一定になるように照明装置の発光パターンを受光
量の分布パターンに基づいて設定する。

【００１４】請求項７の発明では、明領域と暗領域との
境界線を明領域が減少する向きに走査するとともに、境
界線が走査される向きに向かって対象物の表面の明るさ
が次第に減少するように照明装置の発光パターンを設定
する。

【００１５】

【作用】請求項１の方法によれば、明領域と暗領域との
境界線を一方向に走査し、対象物の全表面に境界線を１
回通過させた後において対象物の表面の各点が明領域に
属していた時間を、対象物の表面上での境界線の位置情
報のコードとして用いるので、対象物の表面からの光束
の分布をイメージセンサで検出する際に、イメージセン
サの各画素が明領域からの光束を受光していた時間をそ
れぞれ求めることによって、対象物の表面の３次元的な
位置情報をコード化することができるのである。その結
果、イメージセンサの１フレーム以内の時間で対象物の
全表面に境界線を走査すれば、イメージセンサの１フレ
ーム程度の時間で３次元情報を取り込むことができるの
である。しかも、イメージセンサの各画素ごとに対象物
の表面の対応する各点が明領域に属していた時間を求め
ることができるから、各画素程度の分解能を得ることが
できるのである。

【００１６】請求項２の方法によれば、イメージセンサ
として１フレーム内で受光した光束を蓄積した受光量に
対応する出力が得られるものを用いることによって、各
画素が明領域からの光束を受光していた時間情報を受光
量として検出することができるのであり、１フレーム程
度の時間で光学的パターン（明領域と暗領域との境界
線）の位置情報を得ることができることになる。しか
も、各画素の受光量に基づいて各時刻における境界線の
位置情報を得ることができるから、各画素単位での分解
能を得ることができることになる。すなわち、短時間で
精度よく３次元計測を行うことができるのである。

【００１７】請求項３の方法によれば、イメージセンサ
の各画素の受光量を画素単位で正規化するのであって、
照明装置の対象物の表面での照度むらや対象物の表面の
各点での反射率の差による誤差を除去できることにな
る。請求項４の方法によれば、明領域と暗領域との境界
線を明領域が減少する向きに走査したときのイメージセ
ンサの各画素での受光量と、明領域と暗領域との境界線
を明領域が増加する向きに走査したときのイメージセン
サの各画素での受光量との平均値に基づいて３次元計測
を行うから、対象物の表面での境界線の滲みによる誤差
を相殺することができ、測定精度を一層高めることがで
きるのである。この場合、イメージセンサへの画像入力
に際して３フレーム程度の時間を要するが、一般的な光
切断法などに比較すれば、はるかに短時間で３次元計測
を行うことができるのである。

【００１８】請求項５の方法は、請求項４の方法に関す
る望ましい実施態様であって、遮光板に設けた遮光部の
両側の端縁に対応して形成される境界線を対象物の表面
に通過させることによって、遮光板を一方向に走査する
だけで請求項４の方法による３次元計測を可能にするも
のである。請求項６の方法によれば、対象物の全表面に
光を照射したときのイメージセンサの各画素の受光量の
分布パターンを求め、イメージセンサの各画素の受光量
が一定になるように照明装置の発光パターンを受光量の
分布パターンに基づいて設定するので、測定時において
イメージセンサの各画素に入射する光束がほぼ一定にな
り、イメージセンサに要求されるダイナミックレンジを
低減できるのである。

【００１９】請求項７の方法によれば、明領域と暗領域
との境界線を明領域が減少する向きに走査するととも
に、境界線が走査される向きに向かって対象物の表面の
明るさが次第に減少するように照明装置の発光パターン
を設定するので、対象物の表面のうちで明領域に属する
時間がない点ほど対応する画素に入射する光束が低減す
るのであって、結果的に各画素の受光量の差を小さくす
ることができるのであって、イメージセンサに要求され
るダイナミックレンジを請求項６の方法よりも一層低減
できるのである。

【００２０】

【実施例】

（実施例１）図１に本実施例の３次元計測装置の概略構
成を示す。基本的には、対象物１の表面に対して斜めか
ら照明装置２によって光を照射し、対象物１の表面に投
影された光学的パターンを、光の照射方向とは異なる方
向からイメージセンサ３によって撮像し、撮像した光学
的パターンに基づいた演算を行うことによって対象物１
の表面の各部までの距離を求めるものである。ここで、
照明装置２はイメージセンサ３の視野外に配置し、逆
に、イメージセンサ３は照明装置２による照射範囲内に
は配置しないようにする。

【００２１】照明装置２は、図２に示すように、対象物
１の表面を全面に亙って照射することができる光源２１
を備え、対象物１を照射する光源２１からの光を一部を
遮光板２２によって遮光することによって、明るさが十
分に異なる明領域と暗領域とを空間に形成する。本実施
例では、対象物１の表面の全面に亙って一定照度で照射
することができるような平面状の光源２１を用いる。ま
た、遮光板２２のエッジを一直線に形成することによっ
て、光を照射する空間を明領域と暗領域とを分割する境
界面がエッジを含む平面になるようにしてある。ここ
に、光源２１の発光面および遮光板２２のエッジが対象
物１の表面で結像されるように、照明装置２には投光光
学系２３が設けられる。すなわち、対象物１の表面に
は、上記境界面と対象物１の表面との交線として照度が
十分に異なる明領域ＢＡと暗領域ＤＡとを分ける一直線
上の境界線ＢＬが形成される。遮光板２２は、上記境界
線ＢＬが対象物１の表面の全面に亙って図１に矢印で示
す向きに走査されるように、図２に矢印で示す向きに既
定の速度で移動する。遮光板２２の移動速度は走査制御
部４によって制御される。図では遮光板２２が対象物１
の表面に沿って移動するように記載しているが、対象物
１の表面に対して所定の角度で移動するようにしてもよ
い。

【００２２】一方、イメージセンサ３としては、２次元
の画像を入力することができ、各画素ごとに１フレーム
内の受光量（すなわち、受光した光束の積分値）を出力
する蓄積形のものを用いる。このような蓄積形のイメー
ジセンサ３は特殊なものではなく一般に提供されてい
る。イメージセンサ３は、受光面に直交する光軸を有し
た集光レンズよりなる受光光学系３１を備える。以下の
説明では、図３に示すように、受光光学系３１の光軸Ｏ
Ｘの方向をＹ軸方向とし、Ｙ軸方向に直交する一つの平
面をＸＺ平面として定めた直交座標系を設定し、この直
交座標系において対象物１の各点の３次元の座標値を求
めるものとして説明する。また、遮光板２２の移動方向
をＸ軸方向と定める。この場合、イメージセンサ３の各
画素はＸＺ平面の上の各点に一対一に対応することにな
る。

【００２３】イメージセンサ３の出力は、走査制御部４
による遮光板２２の制御に関する情報とともに処理部５
に入力される。処理部５では、以下に説明する原理によ
って対象物１の表面の各点の３次元の座標値を求める。
すなわち、遮光板２２の位置は遮光板２２の移動を開始
してからの時間ｔの関数になるから、光を照射している
空間の明領域と暗領域とを分ける境界面は、時間ｔの関
数としてＰ（ｔ）と表すことができる（図３参照）。ま
た、上述したように、イメージセンサ３の各画素（ｍ，
ｎ）は基準平面ＰＳの各点に対応しているから、各画素
（ｍ，ｎ）と基準平面の各点とを結ぶ直線は、画素
（ｍ，ｎ）の関数としてＬ（ｍ，ｎ）と表すことができ
る。したがって、対象物１の表面の各点は、図３に示す
ように、平面Ｐ（ｔ）と直線Ｌ（ｍ，ｎ）との交点とし
て求めることができる。すなわち、対象物１の表面にお
ける明領域ＢＡと暗領域ＤＡとの境界線ＢＬが各時刻ｔ
においてイメージセンサ３のどの画素（ｍ，ｎ）に対応
しているかがわかれば、対象物１の表面の各点の３次元
の座標値を求めることができるのである。

【００２４】しかしながら、境界線ＢＬの各位置ごとに
対象物１の表面の画像をイメージセンサ３に入力するの
では、従来と同様に境界線ＢＬの各位置ごとに１フレー
ムを必要とすることになるから、従来の光切断法と同じ
であって、対象物１の全表面の計測を１フレームで行う
という目的を達成することができない。そこで、本発明
では、イメージセンサ３の各画素での受光量が簡単な時
間関数となるような方法で対象物１を照明し、境界線Ｂ
Ｌの位置を１フレームで求めることができるようにして
いるのである。

【００２５】イメージセンサ３の各画素（ｍ，ｎ）にお
ける受光量は、各画素（ｍ，ｎ）で受光した光束Ｑ
（ｍ，ｎ）の積分値であり、光源２１は対象物１の全表
面を一定照度で照射するように構成されていたから、対
象物１の全表面での反射率が一定であるとすれば、各画
素（ｍ，ｎ）に対応する対象物１の表面の各点が明領域
ＢＡに属していた時間に比例することになる。すなわ
ち、対象物１の表面の明領域ＢＡにおける各点で反射さ
れる光束が等しく、暗領域ＤＡの光束が０であると理想
化し、イメージセンサ３の１フレームで境界線ＢＬが対
象物１の全表面を通過する間の対象物１の表面の画像が
入力されるものとすれば、各画素（ｍ，ｎ）の受光量Ｉ
（ｍ，ｎ）は、照明装置２によって対象物１の表面への
光の照射を開始してから境界線ＢＬが画素（ｍ，ｎ）に
対応する位置を通過するまでの時間τに比例し、次式の
ような関係が得られる。

【００２６】Ｉ（ｍ，ｎ）＝Ｑ（ｍ，ｎ）・τ ここでは、全画素（ｍ，ｎ）について単位時間に受光す
る光束Ｑ（ｍ，ｎ）を一定と仮定している。したがっ
て、各画素（ｍ，ｎ）の受光量Ｉ（ｍ，ｎ）がわかれ
ば、照明装置２によって対象物１の表面への光の照射を
開始してから各画素に対応する直線Ｌ（ｍ，ｎ）と対象
物１の表面との交点を境界線ＢＬが通過するまでの時間
τを知ることができるのである。

【００２７】イメージセンサ３が電荷の蓄積を開始する
時刻と、遮光板２２の移動を開始する時刻との時間差δ
がわかっていれば、光の照射を開始してからの経過時間
ｔは、 ｔ＝τ＋δ＝κ・Ｉ（ｍ，ｎ）＋δ であるから、明領域と暗領域との境界面Ｐ（ｔ）は、 Ｐ（ｔ）＝Ｐ（κ・Ｉ（ｍ，ｎ）＋δ） になる。ただし、κ＝１／Ｑ（ｍ，ｎ）である。要する
に、各画素（ｍ，ｎ）の受光量Ｉ（ｍ，ｎ）がわかれ
ば、各画素（ｍ，ｎ）に対応する直線Ｌ（ｍ，ｎ）と境
界面Ｐ（ｔ）との交点を求めることができ、結果的に対
象物１の表面の各点の座標値を求めることができるので
ある。

【００２８】いま、イメージセンサ３の中心を原点
（０，０，０）として上述した直交座標系で考えると、
対象物１の表面上で時刻ｔに境界線ＢＬの上に位置する
点（ｘ_p，ｙ_p ，ｚ_p ）に対応する画素（ｍ，ｎ）と点
（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ）とを通る直線Ｌ（ｍ，ｎ）の式
は、画素（ｍ，ｎ）の座標を（ｘｉ，０，ｚｉ）とし、
受光光学系３１の中心の座標を（０，ｙｆ，０）とすれ
ば、 （ｘ−ｘｉ）／（−ｘｉ）＝ｙ／ｙｆ＝（ｚ−ｚｉ）／
（−ｚｉ） と表すことができる。また、光の境界面Ｐ（ｔ）は、投
光光学系２３の中心の座標を（ｘｚ，ｙｚ，ｚｚ）と
し、境界面Ｐ（ｔ）が基準位置（境界面Ｐ（ｔ）が基準
位置にあるときのＹＺ平面となす角度はα₀ である）と
なす角度をαとすれば、 （ｘ−ｘｚ）−（ｙ−ｙｚ）cot α＝０ と表すことができる。対象物１の上の点（ｘｐ，ｙｐ，
ｚｐ）は、直線Ｌ（ｍ，ｎ）と境界面Ｐ（ｔ）との交点
であるから、 ｘｐ＝｛（ｙｆ−ｙｚ）＋ｘｚ・tan α｝ｘｉ／Ｃ ｙｐ＝｛ｙｚ＋（ｘｉ−ｘｚ）・tan α）ｙｆ｝／Ｃ ｚｐ＝｛（ｙｆ−ｙｚ）＋ｘｚ・tan α｝ｚｉ／Ｃ ただし、Ｃ＝ｙｆ＋ｘｉ・tan α になる。図３において、投光光学系２３は光軸が遮光板
２２に直交するように配設されているものとし、遮光板
２２の等速移動の速度をｖ、投光光学系２３の中心から
遮光板２２までの距離をｂとすると、 α＝tan ^-1（tan α₀ ＋ｖｔ／ｂ） という関係があるから、対象物１の上の点（ｘｐ，ｙ
ｐ，ｚｐ）に関する上の３式にそれぞれαを代入すれ
ば、対象物１の上の点（ｘｐ，ｙｐ，ｚｐ）を求めるこ
とができるのである。

【００２９】たとえば、対象物１の表面が平面であっ
て、図４に示すように境界線ＢＬが一定速度で移動する
ものとすれば、境界線ＢＬの移動方向における一直線上
に等間隔で並ぶ各画素ｐ１〜ｐ８での受光量は図６のよ
うに変化する。図５における時間Ｔは、イメージセンサ
３における１フレームの時間を示し、境界線ＢＬは時間
Ｔの間に対象物１の全表面を移動する。この場合、遮光
板２２の移動方向において隣接する一対の画素ｐ１〜ｐ
８の受光量の差は一定になる。

【００３０】一方、対象物１の表面に半球状の突部１ａ
が存在する場合には（図１参照）、図６に示すように、
境界線ＢＬは突部１ａの上で弧状になる。すなわち、突
部１ａを通る一直線に対応する画素ｐ１〜ｐ８について
考えると、図７に示すように、境界線ＢＬが突部１ａを
登るときには、隣接する一対の画素ｐ１〜ｐ８の受光量
の差は小さく、逆に境界線ＢＬが突部１ａを下るときに
は、隣接する画素ｐ１〜ｐ８の受光量の差は大きくな
る。

【００３１】以上のようにして、各画素ｐ１〜ｐ８の受
光量に基づいて、対象物１の表面の各点の座標値を計測
することができるのである。 （実施例２）実施例１では、対象物１の表面で反射した
光束が対象物１の全表面で一様であるという条件が仮定
されているが、実際には、照明装置２が対象物１の表面
を一様な照度で照明することができず、また、対象物１
の表面の反射率が一様ではないことが普通である。そこ
で、本実施例では、遮光板２２を移動させて対象物１の
表面で境界線ＢＬを走査する前に、対象物１の全表面を
照明し、この状態において、対象物１の表面の各点の光
束Ｑ（ｍ，ｎ）に対応する全画素（ｍ，ｎ）に関するイ
メージセンサ３の１フレームでの受光量Ｉ₀ （ｍ，ｎ）
を求め、その後に遮光板２２を移動させて計測すること
によって求めた各画素（ｍ，ｎ）についての受光量Ｉ
（ｍ，ｎ）を、受光量Ｉ₀ （ｍ，ｎ）で除算することに
よって正規化する。

【００３２】すなわち、実施例１では対象物１の全表面
についてイメージセンサ３に入射する光束Ｑ（ｍ，ｎ）
が一定であると仮定していたから、画素（ｍ，ｎ）に対
応する受光量Ｉ（ｍ，ｎ）は対象物１の表面に光を照射
した時間ｔに比例するとしていたが、実際には、対象物
１の表面の各点ごとにイメージセンサ３に入射する光束
Ｑ（ｍ，ｎ）が異なるのが普通である。各画素（ｍ，
ｎ）に対応する受光量Ｉ（ｍ，ｎ）は、光束Ｑ（ｍ，
ｎ）を時間で積分した積分値であるから、実施例１と同
様に、次式のようになる。

【００３３】Ｉ（ｍ，ｎ）＝Ｑ（ｍ，ｎ）・ｔ 一方、イメージセンサ３の１フレームでの各画素（ｍ，
ｎ）の受光量Ｉ₀ （ｍ，ｎ）は、１フレームの時間をＴ
とすれば、 Ｉ₀ （ｍ，ｎ）＝Ｑ（ｍ，ｎ）・Ｔ になる。そこで、受光量Ｉ（ｍ，ｎ）をＩ₀ （ｍ，ｎ）
で除算すれば、対象物１の表面の各点の光束Ｑ（ｍ，
ｎ）が消去され、光束Ｑ（ｍ，ｎ）に依存しないように
時間ｔを求めることができる。すなわち、受光量Ｉ
（ｍ，ｎ）をＩ₀ （ｍ，ｎ）で除算して正規化した受光
量Ｉ′（ｍ，ｎ）を求めれば、 Ｉ′（ｍ，ｎ）＝ｔ／Ｔ になるのであって、時間Ｔはイメージセンサ３の１フレ
ームの時間であるから一定であり、たとえば一般のＴＶ
カメラであれば１／３０秒になる。すなわち、正規化し
た受光量Ｉ′（ｍ，ｎ）を求めることによって、各画素
（ｍ，ｎ）に対応する対象物１の表面上の各点に光が照
射されていた時間ｔを求めることができるのである。時
間ｔを求めれば、実施例１と同様にして対象物１の表面
の各点の座標値を求めることができる。他の構成につい
ては実施例１と同様である。

【００３４】（実施例３）上記各実施例では、図８に一
点鎖線で示すように、明領域ＢＡと暗領域ＤＡとの間の
境界線ＢＬに滲みがなく、光強度は境界線ＢＬを挟んで
急峻に立ち上がるものと仮定していたが、実際には、照
明装置２の投光光学系２１の焦点が合う範囲には制限が
あるから、境界線ＢＬの付近では光強度の立ち上がりが
図８に実線で示すような形になる。この形はガウス分布
の片側形状になる。したがって、画素（ｍ，ｎ）の受光
量Ｉ（ｍ，ｎ）は、図９（ａ）に示すように、境界線Ｂ
Ｌが通過するまではほぼ一定であり、境界線ＢＬの通過
とともに次第に減少して０になる。すなわち、画素
（ｍ，ｎ）に対応する対象物１の表面上の点に光の照射
を開始してから時間ｔｒが経過したときに画素（ｍ，
ｎ）に対応する位置を境界線ＢＬが通過したとすると、
受光量Ｉ（ｍ，ｎ）によって得られる時間ｔｅは、時間
ｔｒよりも短くなる。時間ｔｅと時間ｔｒとの差をΔｔ
とすれば、受光量Ｉ（ｍ，ｎ）に基づいて求めた時間ｔ
ｅは実際の時間ｔｒに対して−Δｔの誤差を生じること
になる。このような誤差は実施例１、実施例２のいずれ
の方法を用いたとしても生じる。

【００３５】そこで、本実施例では、図９（ｂ）に示す
ように、画素（ｍ，ｎ）が暗領域ＤＡから明領域ＢＡに
移行するときには、受光量Ｉ（ｍ，ｎ）の立ち上がり方
が逆になり、境界線ＢＬが実際に通過した時間ｔｅに対
して受光量Ｉ（ｍ，ｎ）に基づいて求めた時間ｔｒがΔ
ｔだけ誤差を生じることに着目し、両方向についての誤
差を加算することによって誤差を消去する。すなわち、
各画素（ｍ，ｎ）について明領域ＢＡから暗領域ＤＡに
移行する状態と、暗領域ＤＡから明領域ＢＡに移行する
状態とについて、それぞれ受光量Ｉ₁ （ｍ，ｎ），Ｉ₂
（ｍ，ｎ）を求め、両受光量Ｉ₁ （ｍ，ｎ），Ｉ
₂ （ｍ，ｎ）の平均値を受光量Ｉ（ｍ，ｎ）とするので
ある。以後は、実施例１または実施例２の方法によっ
て、対象物１の表面の各点の座標値を求めることができ
る。

【００３６】上述のような処理を行うために、照明装置
２は、図１０に示すように、移動方向に遮光部２２ｃを
挟んで並ぶ２つの開口部２２ａ，２２ｂを備えた遮光板
２２を有している。すなわち、遮光板２２の移動方向に
おける遮光部２２ｃの幅ｗは、遮光板２２の移動速度を
ｖ、イメージセンサ３の１フレームの取込み時間をＴと
するとき、 ｗ≧ｖ・Ｔ となるように設定してあり、イメージセンサ３の１フレ
ームの間に各画素（ｍ，ｎ）の出力が０になるようにし
てある。また、遮光板２２の移動方向における各開口部
２２ａ，２２ｂの幅は遮光部２２ｃの幅ｗ以上に設定し
てあり、各開口部２３のエッジによって対象物１の表面
に形成される境界線ＢＬが、対象物１の全表面を１回走
査する間の対象物１からの反射光をイメージセンサ３で
受光できるようになっている。

【００３７】このような遮光板２２を用いれば、遮光板
２２が移動するに従って一方の開口部２２ａを通して光
源２１からの光が対象物１の表面に照射されているとき
には、対象物１の表面は明瞭域ＢＡから暗領域ＤＡに入
り、他方の開口部２２ｂを通して光源２１の光が対象物
１の表面に照射されているときには、対象物１の表面は
暗領域ＤＡから明領域ＢＡに入ることになる。また、開
口部２２ａ，２２ｂの幅や遮光部２２ｃの幅が上述のよ
うな寸法に設定されているから、イメージセンサ３で１
フレーム分の画像を取り込む時間があれば、対象物１の
全表面の各点の座標値を求めることができるのである。
他の処理は実施例１、実施例２と同様である。

【００３８】（実施例４）本実施例では、対象物１の表
面の各点ごとに照度を調節することができるような光源
２１を用いる。このような光源２１は、たとえば、長残
光型のＣＲＴやバックライトを有した液晶ディスプレイ
パネル等を用いることによって実現できる。この光源２
１を用いることによって、実施例２のように、まず対象
物１の全表面に光を照射している状態でイメージセンサ
３の各画素（ｍ，ｎ）の受光量Ｉ₀（ｍ，ｎ）を求め、
この受光量Ｉ₀ （ｍ，ｎ）に基づいて、各画素（ｍ，
ｎ）の受光量Ｉ₀ （ｍ，ｎ）が一定になるように対象物
１の表面に照射する光束の分布パターンを調節すること
ができる。すなわち、イメージセンサ３の各画素（ｍ，
ｎ）の受光量Ｉ₀ （ｍ，ｎ）の分布パターンを反転させ
た分布パターンで発光する光源２１を用いることによっ
て、対象物１の表面において各画素（ｍ，ｎ）に対応す
る点からの反射光の光束Ｑ（ｍ，ｎ）のむらを相殺して
一定にするのである。この条件は、実施例１における光
源２１の必要条件を満たすものであり、実施例１、実施
例３の方法を適用することによって対象物１の全表面の
座標値を求めることができる。また、一般に、イメージ
センサ３は、受光量Ｉ（ｍ，ｎ）に関するダイナミック
レンジが２５６〜１０００倍程度と比較的小さいもので
あるが、光束Ｑ（ｍ，ｎ）が一定であることによって、
Ｑ（ｍ，ｎ）＝Ｃとすれば、高々Ｋ・Ｔのダイナミック
レンジがあればよいことになる。ここに、Ｔはイメージ
センサ３の１フレームの時間である。

【００３９】さらに、対象物１の全表面に光を照射した
状態でのイメージセンサ３の受光量Ｉ₀ （ｍ，ｎ）に基
づいて光源２１の発光の分布パターンを設定し、次に、
この分布パターンで対象物１の全表面に光を照射した状
態でイメージセンサ３の各画素（ｍ，ｎ）の受光量Ｉ₃
（ｍ，ｎ）を求める。この条件で得られた受光量Ｉ
₃（ｍ，ｎ）は、 Ｉ₃ （ｍ，ｎ）＝Ｃ・Ｔ である。この関係に基づいて、光束Ｑ（ｍ，ｎ）の逆数
（１／Ｃ）を、 １／Ｃ＝Ｔ／Ｉ₃ （ｍ，ｎ） として求めることができる。その後、遮光板２２を走査
したときのイメージセンサ３の各画素（ｍ，ｎ）での受
光量Ｉ（ｍ，ｎ）を求めると、 Ｉ（ｍ，ｎ）＝Ｃ・ｔ であるから（ｔは各画素（ｍ，ｎ）の受光時間）、受光
量Ｉ（ｍ，ｎ）に対して上述のようにして求めた光束Ｑ
（ｍ，ｎ）の逆数（１／Ｃ）を乗算すれば、時間ｔを求
めることができる。すなわち、 Ｉ（ｍ，ｎ）・（１／Ｔ）＝Ｃ・ｔ・（１／Ｔ） ＝ｔ になる。

【００４０】この方法によれば、イメージセンサ３の３
フレームで時間ｔを求めることができるのである。ま
た、実施例２の方法に比較すれば、各画素（ｍ，ｎ）ご
との正規化が不要であって、受光量Ｉ（ｍ，ｎ）に対し
て一定値を乗算すればよく、各画素（ｍ，ｎ）の受光量
Ｉ₀ （ｍ，ｎ）を保持しておく必要がないから、処理が
簡単になって高速な演算が可能になる。また、イメージ
センサ３のダイナミックレンジを高々Ｃ・Ｔとしてダイ
ナミックレンジの比較的小さいイメージセンサ３であっ
ても時間ｔを正確に求めることができるのである。ここ
において、遮光板２２を走査する際に、実施例３のよう
に、明領域ＢＡと暗領域ＤＡとを逆転させるとともに境
界線ＢＬを逆向きに走査する方法を適用すれば、さらに
精度よく時間ｔを求めることが可能になる。

【００４１】（実施例５）本実施例では、イメージセン
サ３のダイナミックレンジを実施例４の方法よりもさら
に低減する方法について説明する。すなわち、本実施例
では光源２１として実施例４と同様に、対象物１の表面
の各点ごとに照度を設定できるようにしたものを用い
る。光源２１からの光束の分布パターンは、明領域ＢＡ
が減少する向きに境界線ＢＬが走査され、境界線ＢＬの
進行する向きについて照度が次第に減少するように設定
される。

【００４２】イメージセンサ３の各画素（ｍ，ｎ）の受
光量Ｉ（ｍ，ｎ）は、各画素（ｍ，ｎ）に入射する光束
Ｑ（ｍ，ｎ）と各画素（ｍ，ｎ）に光が入射した時間ｔ
との積であるから、 Ｉ（ｍ，ｎ）＝Ｑ（ｍ，ｎ）・ｔ である。ここで、本実施例では対象物１の表面が平面で
あるときの光束Ｑ（ｍ，ｎ）を時間ｔに反比例するよう
に設定するのである。すなわち、実施例４において対象
物１の表面が平面であるときのイメージセンサ３の各画
素（ｍ，ｎ）に入射する光束をＱ₀ （ｍ，ｎ）とすれ
ば、本実施例におけるイメージセンサ３の各画素（ｍ，
ｎ）に入射する光束Ｑ（ｍ，ｎ）は、 Ｑ（ｍ，ｎ）＝Ｑ₀ （ｍ，ｎ）／ｔ になり、 Ｉ（ｍ，ｎ）＝（Ｑ₀ （ｍ，ｎ）／ｔ）・ｔ ＝Ｑ₀ （ｍ，ｎ） ＝一定 になる。すなわち、対象物１の表面に凹凸がある場合で
も、イメージセンサ３の各画素（ｍ，ｎ）の受光量Ｉ
（ｍ，ｎ）の最大値と最小値との差が小さくなり、結果
的にイメージセンサ３に必要なダイナミックレンジが実
施例４よりもさらに低減できるのである。

【００４３】

【発明の効果】請求項１の発明は、明領域と暗領域との
境界線を一方向に走査し、対象物の全表面に境界線を１
回通過させた後において対象物の表面の各点が明領域に
属していた時間を、対象物の表面上での境界線の位置情
報のコードとして用いるので、対象物の表面からの光束
の分布をイメージセンサで検出する際に、イメージセン
サの各画素が明領域からの光束を受光していた時間をそ
れぞれ求めることによって、対象物の表面の３次元的な
位置情報をコード化することができるという効果があ
る。その結果、イメージセンサの１フレーム以内の時間
で対象物の全表面に境界線を走査すれば、イメージセン
サの１フレーム程度の時間で３次元情報を取り込むこと
ができるようになるという利点を有する。しかも、イメ
ージセンサの各画素ごとに対象物の表面の対応する各点
が明領域に属していた時間を求めることができるから、
各画素程度の分解能を得ることができるという利点があ
る。

【００４４】請求項２の発明は、イメージセンサとして
１フレーム内で受光した光束を蓄積した受光量に対応す
る出力が得られるものを用いることによって、各画素が
明領域からの光束を受光していた時間情報を受光量とし
て検出することができるのであり、１フレーム程度の時
間で境界線の位置情報を得ることができる。しかも、各
画素の受光量に基づいて各時刻における境界線の位置情
報を得ることができるから、各画素単位での分解能を得
ることができるという利点がある。

【００４５】請求項３の発明は、イメージセンサの各画
素の受光量を画素単位で正規化するのであって、照明装
置の対象物の表面での照度むらや対象物の表面の各点で
の反射率の差による誤差を除去できるという利点を有す
る。請求項４の発明は、境界線を明領域が減少する向き
に走査したときのイメージセンサの各画素での受光量
と、境界線を明領域が増加する向きに走査したときのイ
メージセンサの各画素での受光量との平均値に基づいて
３次元計測を行うから、対象物の表面での境界線の滲み
による誤差を相殺することができ、測定精度を一層高め
ることができるという効果を奏する。請求項５の発明で
は、遮光板に設けた遮光部の両側の端縁に対応して形成
される境界線を対象物の表面に通過させるから、遮光板
を一方向に走査するだけで請求項４の方法による３次元
計測を可能にする。すなわち、照明装置の構成が簡単に
なるという利点がある。

【００４６】請求項６の発明は、対象物の全表面に光を
照射したときのイメージセンサの各画素の受光量の分布
パターンを求め、イメージセンサの各画素の受光量が一
定になるように照明装置の発光パターンを受光量の分布
パターンに基づいて設定するので、測定時においてイメ
ージセンサの各画素に入射する光束がほぼ一定になり、
イメージセンサに要求されるダイナミックレンジを低減
できるという利点がある。

【００４７】請求項７の発明は、境界線を明領域が減少
する向きに走査するとともに、境界線が走査される向き
に向かって対象物の表面の明るさが次第に減少するよう
に照明装置の発光パターンを設定するので、対象物の表
面のうちで明領域に属する時間がない点ほど対応する画
素に入射する光束が低減し、結果的に各画素の受光量の
差を小さくすることができる。すなわち、イメージセン
サに要求されるダイナミックレンジを非常に低減できる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法による３次元計測装置の概略斜視
図である。

【図２】実施例１、実施例２に用いる照明装置を示す概
略構成図である。

【図３】実施例１、実施例２による３次元計測装置の概
略構成図である。

【図４】実施例１の動作説明図である。

【図５】実施例１の動作説明図である。

【図６】実施例１の動作説明図である。

【図７】実施例１の動作説明図である。

【図８】実施例３に対応する問題点を説明する図であ
る。

【図９】実施例３の原理説明図である。

【図１０】実施例３に用いる照明装置を示す概略構成図
である。

【符号の説明】

１ 対象物 ２ 照明装置 ３ イメージセンサ ２１ 光源 ２２ 遮光板 ２２ａ 開口部 ２２ｂ 開口部 ２２ｃ 遮光部 ２３ 投光光学系 ３１ 受光光学系

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物の表面に明るさが十分に異なる明
   領域と暗領域とを形成するとともに明領域と暗領域との
   境界線を一方向に走査し、対象物の全表面に境界線を１
   回通過させた後において対象物の表面の各点が明領域に
   属していた時間を、対象物の表面上での境界線の位置情
   報のコードとして用いることを特徴とする位置情報のコ
   ード化方法。
2. 【請求項２】 対象物の表面に照度の十分に異なる明領
   域と暗領域とを形成する照明装置によって明領域と暗領
   域との境界線が対象物の全表面を通過するように境界線
   を一方向に走査し、対象物への光の照射方向とは異なる
   方向から対象物の表面で反射された光束を多数の画素を
   面状に配列したイメージセンサによって受光し、対象物
   の表面の各点が明領域に属していた間に受光した光束を
   蓄積することによってイメージセンサの各画素ごとに受
   光量を求め、各画素の受光量に基づいて各画素に対応す
   る対象物の表面の各点を境界線が通過した時刻を求め、
   各時刻において照明装置により設定された境界線を含む
   平面と、各時刻における境界線上の各点とイメージセン
   サの各画素とを結ぶ直線との交点を求めることによって
   対象物の表面の各点の位置を３次元計測することを特徴
   とする位置情報のコードを用いた３次元計測方法。
3. 【請求項３】 イメージセンサの各画素の受光量を、対
   象物の全表面に光を照射したときのイメージセンサの各
   画素の受光量によって除算することによって、受光量を
   正規化することを特徴とする請求項２記載の位置情報の
   コードを用いた３次元計測方法。
4. 【請求項４】 明領域と暗領域との境界線を明領域が減
   少する向きに走査したときのイメージセンサの各画素で
   の受光量と、明領域と暗領域との境界線を明領域が増加
   する向きに走査したときのイメージセンサの各画素での
   受光量との平均値に基づいて対象物の表面の各点を境界
   線が通過した時刻を求めることを特徴とする請求項２記
   載の位置情報のコードを用いた３次元計測方法。
5. 【請求項５】 所定幅の遮光部を有した遮光板を光源の
   前方で一方向に走査し、遮光板の走査方向における遮光
   部の各端縁に対応して形成される２つの境界線を対象物
   の表面に順次通過させることによって、明領域が減少す
   る向きと明領域が増加する向きとに境界線を走査するこ
   とを特徴とする請求項４記載の位置情報のコードを用い
   た３次元計測方法。
6. 【請求項６】 対象物の全表面に光を照射したときのイ
   メージセンサの各画素の受光量の分布パターンを求め、
   イメージセンサの各画素の受光量が一定になるように照
   明装置の発光パターンを受光量の分布パターンに基づい
   て設定することを特徴とする請求項２記載の位置情報の
   コードを用いた３次元計測方法。
7. 【請求項７】 明領域と暗領域との境界線を明領域が減
   少する向きに走査するとともに、境界線が走査される向
   きに向かって対象物の表面の明るさが次第に減少するよ
   うに照明装置の発光パターンを設定することを特徴とす
   る請求項２記載の位置情報のコードを用いた３次元計測
   方法。