JPH10124646A

JPH10124646A - ３次元計測装置

Info

Publication number: JPH10124646A
Application number: JP8274993A
Authority: JP
Inventors: Toshio Norita; 寿夫糊田; Makoto Miyazaki; 誠宮崎; Tadashi Fukumoto; 忠士福本; Akira Yahashi; 暁矢橋
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1996-10-17
Filing date: 1996-10-17
Publication date: 1998-05-15

Abstract

(57)【要約】【課題】計測条件を設定するための測距の精度が高く、
適切な計測条件を設定することのできる３次元計測装置
を提供する。【解決手段】計測対象の物体に光を投射する投光光学系
４０と、撮像面に入射した光の光量に応じた信号を出力
する撮像手段５３と、撮像手段の撮像面に物体の光学像
を結像する受光光学系５０と、計測に先立って、投光光
学系４０によって投光し、撮像手段５３の出力信号に基
づいて対物間距離情報を得るとともに、得られた対物間
距離情報に基づいて計測条件を設定する予備計測制御手
段と、設定された計測条件で前記物体に対する３次元計
測を実行する本計測制御手段とを備えた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体にスリット光
などの光を照射して物体形状を非接触で計測する３次元
計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レンジファインダと呼称される非接触型
の３次元計測装置は、接触型に比べて高速の計測が可能
であることから、ＣＧシステムやＣＡＤシステムへのデ
ータ入力、身体計測、ロボットの視覚認識などに利用さ
れている。

【０００３】レンジファインダに好適な計測方法として
スリット光投影法（光切断法ともいう）が知られてい
る。この方法は、物体を光学的に走査して３次元画像
（距離画像）を得る方法であり、特定の検出光を照射し
て物体を撮影する能動的計測方法の一種である。３次元
画像は、物体上の複数の部位の３次元位置を示す画素の
集合である。スリット光投影法では、検出光として断面
が直線状のスリット光が用いられる。

【０００４】図４６はスリット光投影法の概要を示す
図、図４７はスリット光投影法による計測の原理を説明
するための図である。計測対象の物体Ｑに断面が細い帯
状のスリット光Ｕを照射し、その反射光を例えば２次元
イメージセンサの撮像面Ｓ２に入射させる〔図４６
（ａ）〕。物体Ｑの照射部分が平坦であれば、撮影像
（スリット画像）は直線になる〔図４６（ｂ）〕。照射
部分に凹凸があれば、直線が曲がったり階段状になった
りする〔図４６（ｃ）〕。つまり、計測装置と物体Ｑと
の距離の大小が撮像面Ｓ２における反射光の入射位置に
反映する〔図４６（ｄ）〕。スリット光Ｕをその幅方向
に偏向することにより、受光側から見える範囲の物体表
面を走査して３次元位置をサンプリングすることができ
る。サンプリング点数はイメージセンサの画素数に依存
する。

【０００５】図４７において、投光の起点Ａと受光系の
レンズの主点Ｏとを結ぶ基線ＡＯが受光軸と垂直になる
ように、投光系と受光系とが配置されている。受光軸は
撮像面Ｓ２に対して垂直である。なお、レンズの主点と
は、有限遠の被写体の像が撮像面Ｓ２に結像したとき
の、いわゆる像距離（image distance）ｂだけ撮像面Ｓ
２から離れた受光軸上の点である。像距離ｂは、受光系
の焦点距離ｆとピント調整のためのレンズ繰出し量との
和である。

【０００６】主点Ｏを３次元直交座標系の原点とする。
受光軸がＺ軸、基線ＡＯがＹ軸、スリット光の長さ方向
がＸ軸である。スリット光Ｕが物体上の点Ｐ（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）を照射したときの投光軸と投光基準面（受光軸と平
行な投光面）との角度をθａ、受光角をθｐとすると、
点Ｐの座標Ｚは次の式で表される。

【０００７】基線長Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＝Ｚｔａｎθａ＋Ｚｔａｎθｐ ∴ Ｚ＝Ｌ／（ｔａｎθａ＋ｔａｎθｐ）なお、受光角θｐとは、点Ｐと主点Ｏとを結ぶ直線と、
受光軸を含む平面（受光軸平面）とのなす角度である。

【０００８】撮像倍率β＝ｂ／Ｚであるので、撮像面
Ｓ２の中心と受光画素とのＸ方向の距離をｘｐ、Ｙ方向
の距離をｙｐとすると〔図４７（ａ）参照〕、点Ｐの座
標Ｘ，Ｙは、Ｘ＝ｘｐ／β Ｙ＝ｙｐ／βとなる。

【０００９】角度θａはスリット光Ｕの偏向の角速度に
よって一義的に決まる。受光角θｐはｔａｎθｐ＝ｂ／
ｙｐの関係から算出できる。つまり、撮像面Ｓ２上での
位置（ｘｐ，ｙｐ）を測定することにより、そのときの
角度θａに基づいて点Ｐの３次元位置を求めることがで
きる。

【００１０】図４７（ｃ）のように受光系にズームレン
ズ群を設けた場合には、主点Ｏは後側主点Ｈ’となる。
後側主点Ｈ’と前側主点Ｈとの距離をＭとすると、点Ｐ
の座標Ｚは次の式で表される。

【００１１】Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＝Ｚｔａｎθａ＋（Ｚ−Ｍ）ｔａｎθｐ ∴ Ｚ＝（Ｌ＋Ｍｔａｎθｐ）／（ｔａｎθａ＋ｔａｎ
θｐ）以上の原理のスリット光投影法による計測に際して、計
測者はレンジファインダの位置や向きを決め、必要に応
じてズーミング操作を行って物体Ｑの走査範囲（撮像範
囲）を設定する。このフレーミング作業を容易化する上
で、走査範囲と同じ画角で物体Ｑを撮影したモニタ画像
は有用である。また、例えば３次元ＣＧでは、物体Ｑの
形状を示す計測データとともに物体Ｑのカラー情報を必
要とする場合が多い。

【００１２】従来において、計測の自由度を高めるため
に物体との相対位置を可変としたレンジファインダが提
案されている（特開平８−５３４４号）。従来のレンジ
ファインダは、３次元計測に先立ってＡＦカメラ用の測
距センサによって対物間距離を測定し、その結果に応じ
て計測条件（計測対象の距離範囲、走査速度）を設定す
るように構成されていた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述のＡＦカメラと同
様のパッシブ形式の測距では、特に受光レンズ系の焦点
距離をワイド撮影に適合させたときに、測定の誤差が大
きくなる。このため、計測条件を適切に設定することが
できない場合があるという問題があった。

【００１４】本発明は、計測条件を設定するための測距
の精度が高く、適切な計測条件を設定することのできる
３次元計測装置の提供を目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】計測用の光学系及び撮像
手段を用いて、アクティブ形式の精密な測距を行い、そ
の結果に基づいて計測条件を設定するように構成する。

【００１６】請求項１の発明の３次元計測装置は、計測
対象の物体に光を投射する投光光学系と、撮像面に入射
した光の光量に応じた信号を出力する撮像手段と、前記
撮像手段の撮像面に前記物体の光学像を結像する受光光
学系と、計測に先立って、前記投光光学系によって投光
し、前記撮像手段の出力信号に基づいて対物間距離情報
を得るとともに、得られた対物間距離情報に基づいて計
測条件を設定する予備計測制御手段と、設定された計測
条件で前記物体に対する３次元計測を実行する本計測制
御手段とを備えている。

【００１７】請求項２の発明の３次元計測装置は、前記
投光光学系が、投射方向を起点周りに変移させる走査手
段を有し、前記予備計測制御手段が、前記計測条件とし
て前記投射方向の変移範囲である投射角度範囲を設定す
るものである。

【００１８】請求項３の発明の３次元計測装置において
は、前記予備計測制御手段は、前記計測条件として前記
撮像手段の出力信号に基づいて前記物体の３次元位置を
演算するためのパラメータを設定する。

【００１９】請求項４の発明の３次元計測装置において
は、前記予備計測制御手段は、前記計測条件として前記
投光光学系の投射光強度を設定する

【００２０】

【発明の実施の形態】

〔計測システム１の全体構成〕図１は本発明に係る計測
システム１の構成図である。

【００２１】計測システム１は、スリット光投影法によ
って立体計測を行う３次元カメラ（レンジファインダ）
２と、３次元カメラ２の出力データを処理するホスト３
とから構成されている。

【００２２】３次元カメラ２は、物体Ｑ上の複数のサン
プリング点の３次元位置を特定する計測データ（スリッ
ト画像データ）とともに、物体Ｑのカラー情報を示す２
次元画像及びキャリブレーションに必要なデータを出力
する。三角測量法を用いてサンプリング点の座標を求め
る演算処理はホスト３が担う。

【００２３】ホスト３は、ＣＰＵ３ａ、ディスプレイ３
ｂ、キーボード３ｃ、及びマウス３ｄなどから構成され
たコンピュータシステムである。ＣＰＵ３ａには計測デ
ータ処理のためのソフトウェアが組み込まれている。ホ
スト３と３次元カメラ２との間では、オンライン及び可
搬型の記録メディア４によるオフラインの両方の形態の
データ受渡しが可能である。記録メディア４としては、
光磁気ディスク（ＭＯ）、ミニディスク（ＭＤ）、メモ
リカードなどがある。〔３次元カメラ２の外観構成〕図２は３次元カメラ２の
外観を示す図である。図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）
は背面に設けられたオペレーションパネルの平面図であ
る。

【００２４】ハウジング２０の前面に投光窓２０ａ及び
受光窓２０ｂが設けられている。投光窓２０ａは受光窓
２０ｂに対して上側に位置する。内部の光学ユニットＯ
Ｕが射出するスリット光（所定幅ｗの帯状のレーザビー
ム）Ｕは、投光窓２０ａを通って計測対象の物体（被写
体）に向かう。スリット光Ｕの長さ方向Ｍ１の放射角度
φは固定である。物体の表面で反射したスリット光Ｕの
一部が受光窓２０ｂを通って光学ユニットＯＵに入射す
る。なお、光学ユニットＯＵは、投光軸と受光軸との相
対関係を適正化するための２軸調整機構を備えている。
これについては後で詳細に説明する。

【００２５】ハウジング２０の上面には、ズーミングボ
タン２５ａ，２５ｂ、手動フォーカシングボタン２６
ａ，２６ｂ、及びレリーズボタン２７が設けられてい
る。図２（ｂ）のように、ハウジング２０の背面には、
液晶ディスプレイ２１、カーソルボタン２２、セレクト
ボタン２３、キャンセルボタン２４、レコードボタン２
８、アンデゥーボタン２９、アナログ出力端子３１，３
２、デジタル出力端子３３、及び記録メディア４の着脱
口３０ａが設けられている。レコードボタン２８はフォ
ーカスロックボタンを兼ねる。

【００２６】液晶ディスプレイ２１は、操作画面の表示
手段及び電子ファインダとして用いられる。撮影者（計
測のオペレータ）は背面の各ボタン２１〜２４によって
撮影モードの設定を行うことができる。アナログ出力端
子３１からは計測データが出力され、アナログ出力端子
３１からは２次元画像信号が例えばＮＴＳＣ形式で出力
される。デジタル出力端子３３は例えばＳＣＳＩ端子で
ある。〔３次元カメラ２の制御回路〕図３は３次元カメラ２の
機能構成を示すブロック図である。図中の実線矢印は電
気信号の流れを示し、破線矢印は光の流れを示してい
る。

【００２７】３次元カメラ２は、上述の光学ユニットＯ
Ｕを構成する投光光学系４０及び受光光学系５０を有し
ている。投光光学系４０において、半導体レーザ（Ｌ
Ｄ）４１が射出する波長６９０ｎｍのレーザビームは、
投光レンズ系４２を通過することによってスリット光Ｕ
となり、ガルバノミラー（走査手段）４３によってスリ
ット長さ方向と直交する方向に偏向される。半導体レー
ザ４１のドライバ４４、投光レンズ系４２の駆動系４
５、及びガルバノミラー４３の駆動系４６は、システム
コントローラ６１によって制御される。

【００２８】受光光学系５０において、ズームユニット
５１によって集光された光はビームスプリッタ５２によ
って分光される。半導体レーザ４１の発振波長帯域の光
は、計測用のイメージセンサ５３に入射する。可視帯域
の光は、モニタ用のカラーイメージセンサ５４に入射す
る。イメージセンサ５３及びカラーイメージセンサ５４
は、どちらもＣＣＤエリアセンサである。ズームユニッ
ト５１は内焦型であり、入射光の一部がオートフォーカ
シング（ＡＦ）に利用される。ＡＦ機能は、ＡＦセンサ
５７とレンズコントローラ５８とフォーカシング駆動系
５９によって実現される。ズーミング駆動系６０は電動
ズーミングのために設けられている。

【００２９】イメージセンサ５３による撮像情報は、ド
ライバ５５からのクロックに同期して出力処理回路６２
へ転送される。出力処理回路６２によってイメージセン
サ５３の各画素毎に対応する計測データＤｓが生成さ
れ、出力処理回路６２内のメモリに一旦格納される。一
方、カラーイメージセンサ５４による撮像情報は、ドラ
イバ５６からのクロックに同期してカラー処理回路６７
へ転送される。カラー処理を受けた撮像情報は、ＮＴＳ
Ｃ変換回路７０及びアナログ出力端子３２を経てオンラ
イン出力され、又はディジタル画像生成部６８で量子化
されてカラー画像メモリ６９に格納される。

【００３０】出力処理回路６２は、計測データＤｓに基
づいて計測結果を示す距離画像データＤ２１を生成し、
マルチプレクサ７２に出力する。マルチプレクサ７２
は、システムコントローラ６１の指示に従って、距離画
像データＤ２１及びカラー画像メモリ６９からのカラー
画像データＤ２２の２つの入力のうちの一方を出力とし
て選択する。マルチプレクサ７２によって選択されたデ
ータは、Ｄ／Ａ変換器７３を経てアナログのモニタ表示
信号としてキャラクタジェネレータ７１に転送される。
キャラクタジェネレータ７１は、モニタ表示信号が示す
画像とシステムコントローラ６１が指定した文字や記号
とを合成し、合成画像を液晶ディスプレイ２１へ出力す
る。

【００３１】ユーザーがレコードボタン２８を操作して
データ出力（録画）を指示すると、出力処理回路６２内
の計測データＤｓが、ＳＣＳＩコントローラ６６又はＮ
ＴＳＣ変換回路６５によって所定形式でオンライン出力
され、又は記録メディア４に格納される。計測データＤ
ｓのオンライン出力には、アナログ出力端子３１又はデ
ィジタル出力端子３３が用いられる。また、カラー画像
データＤ２２がカラー画像メモリ６９からＳＣＳＩコン
トローラ６６へ転送され、ディジタル出力端子３３から
オンライン出力され、又は計測データＤｓと対応づけて
記録メディア４に格納される。カラー画像は、イメージ
センサ５３による距離画像と同一の画角の像であり、ホ
スト３側におけるアプリケーション処理に際して参考情
報として利用される。カラー情報を利用する処理として
は、例えばカメラ視点の異なる複数組の計測データを組
み合わせて３次元形状モデルを生成する処理、３次元形
状モデルの不要の頂点を間引く処理などがある。

【００３２】システムコントローラ６１は、ブザー７５
を駆動して動作確認音又は警告音を発生させる。また、
出力処理回路６２に対して、モニタ表示のためのスケー
ル値ｓｃを与える。出力処理回路６２は、システムコン
トローラ６１に対して、後述する３種の警告信号Ｓ１１
〜１３、及び計測データＤｓの一部である受光データＤ
ｇを出力する。〔３次元カメラ２の投光光学系４０の構成〕図４は投光
光学系４０の構成を示す模式図である。図４（ａ）は正
面図であり、図４（ｂ）は側面図である。

【００３３】投光レンズ系４２は、コリメータレンズ４
２１、バリエータレンズ４２２、及びエキスパンダレン
ズ４２３の３つのレンズから構成されている。半導体レ
ーザ４１が射出したレーザビームに対して、次の順序で
適切なスリット光Ｕを得るための光学的処理が行われ
る。まず、コリメータレンズ４２１によってビームが平
行化される。次にバリエータレンズ４２２によってレー
ザビームのビーム径が調整される。最後にエキスパンダ
レンズ４２３によってビームがスリット長さ方向Ｍ１に
拡げられる。

【００３４】バリエータレンズ４２２は、撮影距離及び
撮影の画角に係わらず、イメージセンサ５３に３以上の
複数画素分（本実施例では５画素分）の幅のスリット光
Ｕを入射させるために設けられている。駆動系４５は、
システムコントローラ６１の指示に従って、イメージセ
ンサ５３上でのスリット光Ｕの幅ｗを一定に保つように
バリエータレンズ４２２を移動させる。バリエータレン
ズ４２２と受光側のズームユニット５１とは連動する。

【００３５】ガルバノミラー４３による偏向の以前にス
リット長を拡げることにより、偏向の後で行う場合に比
べてスリット光Ｕの歪みを低減することができる。エキ
スパンダレンズ４２３を投光レンズ系４２の最終段に配
置することにより、すなわちガルバノミラー４３に近づ
けることにより、ガルバノミラー４３を小型化すること
ができる。〔３次元カメラ２の受光光学系５０の構成〕図５は受光
光学系５０のズームユニット５１の模式図である。

【００３６】ズームユニット５１は、前側結像レンズ５
１５、バリエータレンズ５１４、コンペンセータレンズ
５１３、フォーカシングレンズ５１２、後側結像レンズ
５１１、及び入射光の一部をＡＦセンサ５７に導くビー
ムスプリッタ５１６から構成されている。前側結像レン
ズ５１５及び後側結像レンズ５１１は、光軸に対して固
定である。

【００３７】フォーカシングレンズ５１２の移動はフォ
ーカシング駆動系５９が担い、バリエータレンズ５１４
の移動はズーミング駆動系６０が担う。フォーカシング
駆動系５９は、フォーカシングレンズ５１２の移動距離
（繰り出し量）を指し示すフォーカシングエンコーダ５
９Ａを備えている。ズーミング駆動系６０は、バリエー
タレンズ５１４の移動距離（ズーム刻み値）を指し示す
ズーミングエンコーダ６０Ａを備えている。

【００３８】図６は受光光学系５０のビームスプリッタ
５２の模式図、図７は計測用のイメージセンサ５３の受
光波長を示すグラフ、図８はモニタ用のカラーイメージ
センサ５４の受光波長を示すグラフである。

【００３９】ビームスプリッタ５２は、色分解膜（ダイ
クロックミラー）５２１、色分解膜５２１を挟む２つの
プリズム５２２，５２３、プリズム５２２の射出面５２
２ｂに設けられた赤外線カットフィルタ５２４、イメー
ジセンサ５３の前面側に設けられた可視カットフィルタ
５２５、プリズム５２３の射出面５２３ｂに設けられた
赤外線カットフィルタ５２６、及びローパスフィルタ５
２７，５２８から構成されている。

【００４０】ズームユニット５１から入射した光ＵＣ
は、ローパスフィルタ５２７、プリズム５２２を通って
色分解膜５２１に入射する。半導体レーザ４１の発振帯
域の光Ｕ０は色分解膜５２１で反射し、プリズム５２２
の入射面５２２ａで反射した後、射出面５２２ｂからイ
メージセンサ５３に向かって射出する。プリズム５２２
から射出した光Ｕ０の内、赤外線カットフィルタ５２４
及び可視カットフィルタ５２５を透過した光がイメージ
センサ５３によって受光される。一方、色分解膜５２１
を透過した光Ｃ０は、プリズム５２３を通って射出面５
２３ｂからカラーイメージセンサ５４に向かって射出す
る。プリズム５２３から射出した光Ｃ０の内、赤外線カ
ットフィルタ５２６及びローパスフィルタ５２８を透過
した光がカラーイメージセンサ５４によって受光され
る。

【００４１】図７において、破線で示されるように色分
解膜５２１は、スリット光の波長（λ：６９０ｎｍ）を
含む比較的に広範囲の波長帯域の光を反射する。つま
り、色分解膜５２１の波長選択性は、スリット光のみを
選択的にイメージセンサ５３に入射させる上で不十分で
ある。しかし、ビームスプリッタ５２では、鎖線で示さ
れる特性の赤外線カットフィルタ５２４と、実線で示さ
れる特性の可視カットフィルタ５２５とが設けられてい
るので、最終的にイメージセンサ５３に入射する光は、
図７において斜線で示される狭い範囲の波長の光であ
る。これにより、環境光の影響の小さい、すなわち光学
的ＳＮ比が大きい計測を実現することができる。

【００４２】一方、カラーイメージセンサ５４には、図
８に実線で示される特性の赤外線カットフィルタ５２８
によって、破線で示される特性の色分解膜５２１を透過
した赤外帯域の光が遮断されるので、可視光のみが入射
する。これにより、モニタ画像の色再現性が高まる。

【００４３】なお、赤外線カットフィルタ５２４及び可
視カットフィルタ５２５の２個のフィルタを用いる代わ
りに、赤外線及び可視光を遮断する特性をもつ１個のフ
ィルタを用いてもよい。赤外線カットフィルタ５２４及
び可視カットフィルタ５２５の両方をプリズム５２２の
側に設けてもよいし、逆に両方のフィルタをイメージセ
ンサ５３の側に設けてもよい。図６の例とは逆に、可視
カットフィルタ５２５をプリズム５２２の側に設け、赤
外線カットフィルタ５２４をイメージセンサ５３の側に
設けてもよい。〔３次元カメラ２の光学ユニットＯＵの２軸調整機構〕
図９は光学ユニットＯＵの２軸調整機構の概略を説明す
るための斜視図、図１０は図９に示す光学ユニットＯＵ
の上側部分を矢印ＫＡ方向から見た正面図、図１１は図
９に示す光学ユニットＯＵの上側部分を矢印ＫＢ方向か
ら見た右側面図、図１２は図９に示す光学ユニットＯＵ
を矢印ＫＣ方向から見た下面図、図１３は光学ユニット
ＯＵの２軸調整機構の調整方法を説明するための図であ
る。

【００４４】図９に示すように、光学ユニットＯＵは、
投光光学系４０と受光光学系５０とが、ブラケット２１
１，２１２に取り付けられて構成されている。これら２
つのブラケット２１１，２１２は、Ｙ方向軸である第２
回転軸ＡＸ２を中心に互いに回転可能に連結されてい
る。投光光学系４０は、ブラケット２１１に対して、Ｚ
方向軸である第１回転軸ＡＸ１を中心に回転可能に取り
付けられている。受光光学系５０はブラケット２１２に
固定されている。第１回転軸ＡＸ１は受光光学系５０の
受光軸ＡＸ３と平行となるように調整される。

【００４５】図９〜図１２に示すように、各ブラケット
２１１，２１２は、その側面視が略Ｌ字形を呈してお
り、それぞれ水平板部２１１ａ，２１２ａの外面が互い
に接触した状態で回転可能である。すなわち、水平板部
２１２ａに設けられた穴２１５にはカラー２１６が回転
可能に嵌め込まれ、そのカラー２１６はボルト２１７に
よって水平板部２１１ａに固定されている。ボルト２１
７は、頭部にネジ穴が設けられており、図示しない有底
筒状のキャップが頭部に被せられた後、そのキャップの
中央に設けられた穴を貫通して頭部のネジ穴に螺合する
ボルトによって固定され、これによってボルト２１７の
頭部が覆われている。なお、ボルト２１７の頭部には回
転係合用の溝が設けられている。

【００４６】水平板部２１２ａの突出端部２１８に設け
られたネジ穴には、回転角度位置を調整するための調整
ボルト２１９が螺合している。調整ボルト２１９の先端
部は、水平板部２１１ａにボルト２２１により取り付け
られたカラー２２２の周面に当接する。そのボルト２２
１と水平板部２１２ａに取り付けられたボルト２２３と
の間には引張りバネ２２４が装着されており、これによ
って、水平板部２１１ａ，２１２ａの間において、調整
ボルト２１９の先端部がカラー２２２に当接する方向に
互いに付勢されている。したがって、調整ボルト２１９
を回転させてその軸方向位置を調整することにより、第
２回転軸ＡＸ２を中心としてブラケット２１１とブラケ
ット２１２との相対的な回転角度位置が調整される。調
整ボルト２１９の調整後は、調整ボルト２１９をロック
ナット２２０で固定するとともに、水平板部２１２ａに
設けられた３つの長穴２２５を貫通して水平板部２１１
ａのネジ穴に螺合する３つのボルト２２６を締めること
によって、両水平板部２１１ａ，２１２ａ間を固定す
る。

【００４７】投光光学系４０のハウジングの背面部には
軸部材２３１が取り付けられており、この軸部材２３１
が、ブラケット２１１の垂直板部に第１回転軸ＡＸ１を
中心に設けられた軸穴２３２に回転可能に嵌め込まれて
いる。第１回転軸ＡＸ１を中心とする投光光学系４０の
回転角度位置を調整した後、投光光学系４０のハウジン
グに設けられた穴を貫通してブラケット２１１に設けら
れたネジ穴に螺合する図示しない複数のボルトを締める
ことによって、投光光学系４０がブラケット２１１に固
定される。ブラケット２１２には取付け板２１３がボル
トで固定されており、取付け板２１３が光学ユニットＯ
Ｕのケーシングに取り付けられている。なお、投光光学
系４０における投光の起点Ａと受光光学系５０のレンズ
の主点Ｏ（後側主点Ｈ’）とを結ぶ基線ＡＯは、受光軸
ＡＸ３と垂直である。撮像面Ｓ２は屈折した受光軸ＡＸ
３に対して垂直である。

【００４８】次に、第１回転軸ＡＸ１及び第２回転軸Ａ
Ｘ２の調整方法について説明する。図１３（Ａ）に示す
スクリーンＳＣＲは、受光軸ＡＸ３上の前方において受
光軸ＡＸ３と垂直に配置されている。まず、投光光学系
４０からスクリーンＳＣＲ上に投影されたスリット光Ｕ
について、スリット光Ｕを走査したときに、走査の前後
におけるスリット光Ｕの左右の移動距離ＡＬ１，ＡＬ２
が互いに同一となるように、第２回転軸ＡＸ２に対する
ブラケット２１１とブラケット２１２との相対位置を調
整する。次に、図１３（Ｂ）に示す撮像面Ｓ２上に受光
されるスリット光Ｕについて、その左右の位置ＢＬ１，
ＢＬ２が互いに同一となるように、つまりスリット光Ｕ
が撮像面Ｓ２のＸ軸と平行になるように、第１回転軸Ａ
Ｘ１を調整する。これらの調整を何回か繰り返す。

【００４９】これらの調整によって、第１回転軸ＡＸ１
が受光軸ＡＸ３と平行となり、スリット光Ｕの走査方向
（偏向方向）が第２回転軸ＡＸ２の方向と一致する。し
たがって、投光光学系４０と受光光学系５０との位置関
係の誤差がなくなり、その補正を行わなくても精度のよ
い計測を行うことができる。また、より良い精度を得る
ために補正を行う場合でも、ズームユニット５１におい
てズーミングを行ってもその補正値を変更する必要がな
い。したがって、補正のための演算処理が不要又は最小
限でよく、計測に係わる処理時間が極めて短くなる。〔計測システム１における３次元位置の計測〕図１４は
計測システム１における３次元位置の算出の原理図であ
る。

【００５０】イメージセンサ５３の撮像面Ｓ２上で複数
画素分となる比較的に幅の広いスリット光Ｕを物体Ｑに
照射する。具体的にはスリット光Ｕの幅を５画素分とす
る。スリット光Ｕは、サンプリング周期毎に撮像面Ｓ２
上で１画素ピッチｐｖだけ移動するように上から下に向
かって偏向され、それによって物体Ｑが走査される。サ
ンプリング周期毎にイメージセンサ５３から１フレーム
分の光電変換情報が出力される。

【００５１】撮像面Ｓ２の１つの画素ｇに注目すると、
走査中に行うＮ回のサンプリングの内の５回のサンプリ
ングにおいて有効な受光データが得られる。これら５回
分の受光データに対する補間演算によって注目画素ｇが
にらむ範囲の物体表面ａｇをスリット光Ｕの光軸が通過
するタイミング（時間重心Ｎｐｅａｋ：注目画素ｇの受
光量が最大となる時刻）を求める。図１４（ｂ）の例で
は、ｎ回目とその１つ前の（ｎ−１）回目の間のタイミ
ングで受光量が最大である。求めたタイミングにおける
スリット光の投射方向と、注目画素ｇに対するスリット
光の入射方向との関係に基づいて、物体Ｑの位置（座
標）を算出する。これにより、撮像面の画素ピッチｐｖ
で規定される分解能より高い分解能の計測が可能とな
る。

【００５２】注目画素ｇの受光量は物体Ｑの反射率に依
存する。しかし、５回のサンプリングの各受光量の相対
比は受光の絶対量に係わらず一定である。つまり、物体
色の濃淡は計測精度に影響しない。

【００５３】本実施形態の計測システム１では、３次元
カメラ２がイメージセンサ５３の画素ｇ毎に５回分の受
光データを計測データとしてホスト３に出力し、ホスト
３が計測データに基づいて物体Ｑの座標を算出する。３
次元カメラ２における各画素ｇに対応した計測データの
生成は、出力処理回路６２が担う。〔３次元位置の算出のための出力処理回路６２の構成〕
図１５は出力処理回路６２のブロック図、図１６はイメ
ージセンサ５３の読出し範囲を示す図である。

【００５４】出力処理回路６２は、クロック信号ＣＫを
出力するクロック発生回路６２０、イメージセンサ５３
の出力する光電変換信号のレベルを最適化するための増
幅器６２１、クロック信号ＣＫに同期して各画素ｇの光
電変換信号を８ビットの受光データＤｇに変換するＡＤ
変換器６２２、直列接続された４つのフレームディレイ
メモリ６２３〜６２６、コンパレータ６２７、フレーム
番号（サンプリング番号）ＦＮを指し示すジェネレータ
６２８、マルチプレクサ６２９、６個のメモリ６３０Ａ
〜６３０Ｆ、警告判別回路６３１、スケール発生回路６
３２、及び画像合成回路６３３を有している。増幅器６
２１のゲインは可変であり、システムコントローラ６１
によって適切な値に設定される。４つのフレームディレ
イメモリ６２３〜６２６は、イメージセンサ５３の各画
素ｇについて５フレーム分の受光データＤｇを同時にメ
モリ６３０Ａ〜Ｅに出力するために設けられている。

【００５５】メモリ６３０Ａ〜６３０Ｅは、有効な５回
分の受光データＤｇを記憶するために設けられており、
それぞれが計測のサンプリング点数（つまり、イメージ
センサ５３の有効画素数）と同数個の受光データＤｇを
記憶可能な容量をもつ。メモリ６３０Ｆは、画素ｇ毎に
特定のフレーム番号ＦＮを記憶するために設けられてお
り、サンプリング点数と同数個のフレーム番号ＦＮを記
憶可能な容量をもつ。メモリ６３０Ｂ〜６３０Ｆには、
書込み信号としてコンパレータ６２７の出力信号Ｓ６２
７が共通に加えられる。これに対して、メモリ６３０Ａ
には、出力信号Ｓ６２７とクロック信号ＣＫの２つの信
号のうち、マルチプレクサ６２９によって選択された一
方の信号が書込み信号として加えられる。クロック信号
ＣＫは予備計測において書込み信号として選択される。
つまり、予備計測ではＡＤ変換器６２２の変換動作と同
期してメモリ６３０Ａの書込みが行われる。

【００５６】予備計測に続いて行われる計測（これを本
計測と呼称する）において、イメージセンサ５３におけ
る１フレームの読出しは、撮像面Ｓ２の全体ではなく、
高速化を図るために図１６のように撮像面Ｓ２の一部の
有効受光エリア（帯状画像）Ａｅのみを対象に行われ
る。有効受光エリアＡｅはスリット光Ｕの偏向に伴って
フレーム毎に１画素分だけシフトする。本実施形態で
は、有効受光エリアＡｅのシフト方向の画素数は３２に
固定されている。この３２画素分の幅が計測対象となる
距離範囲（計測可能範囲）に対応する。ＣＣＤエリアセ
ンサの撮影像の一部のみを読み出す手法は、特開平７−
１７４５３６号公報に開示されている。

【００５７】ＡＤ変換器６２２は、１フレーム毎に３２
ライン分の受光データＤｇを画素ｇの配列順にシリアル
に出力する。各フレームディレイメモリ６２３〜６２６
は、３１（＝３２−１）ライン分の容量をもつＦＩＦＯ
メモリ（ファーストインファーストアウトメモリ）であ
る。ＡＤ変換器６２２から出力された注目画素ｇの受光
データＤｇは、２フレーム分だけ遅延された時点で、コ
ンパレータ６２６によって、メモリ６３０Ｃが記憶する
注目画素ｇについての過去の受光データＤｇの最大値と
比較される。遅延された受光データＤｇ（フレームディ
レイメモリ６２４の出力）が過去の最大値より大きい場
合に、その時点のＡＤ変換器６２２の出力及び各フレー
ムディレイメモリ６２３〜６２６の出力が、メモリ６３
０Ａ〜６３０Ｅにそれぞれ格納され、メモリ６３０Ａ〜
Ｅの記憶内容が書換えられる。これと同時にメモリ６３
０Ｆには、メモリ６３０Ｃに格納する受光データＤｇに
対応したフレーム番号ＦＮが格納される。ただし、ここ
でのフレーム番号ＦＮは、撮像面Ｓ２の全体における通
しのライン番号（Ｙ方向の画素番号）ではなく、上述し
た３２画素幅の有効受光エリアＡｅ内でのライン番号で
あり、０〜３１の範囲の値をとる。３２ライン分ずつの
読出しの順位（すなわち注目画素ｇのＹ方向の位置）と
フレーム番号ＦＮとにより、撮像面Ｓ２の全体における
ライン番号を特定することができる。

【００５８】ｎ番目のラインで注目画素ｇの受光量が最
大になった場合には、メモリ６３０Ａに（ｎ＋２）番目
のラインのデータが格納され、メモリ６３０Ｂに（ｎ＋
１）番目のフレームのデータが格納され、メモリ６３０
Ｃにｎ番目のフレームのデータが格納され、メモリ６３
０Ｄに（ｎ−１）番目のフレームのデータが格納され、
メモリ６３０Ｅに（ｎ−２）番目のフレームのデータが
格納され、メモリ６３０Ｆにｎが格納される。本計測の
結果としてホスト３へ送られる上述の計測データＤｓ
は、メモリ６３０Ａ〜Ｅに格納された受光データＤｇと
メモリ６３０Ｆに格納されたフレーム番号ＦＮとを合わ
せたデータである。

【００５９】警告判別回路６３１、スケール発生回路６
３２、及び画像合成回路６３３は、計測結果のモニタ表
示（プレビュー）のための回路である。警告判別回路６
３１には、メモリ６３０Ｃからの受光データＤｇ、メモ
リ６３０Ｆからのフレーム番号ＦＮ、及びシステムコン
トローラ６１からのスケール値ｓｃが入力される。警告
判別回路６３１は、３種の入力の値の組合せに応じて、
計測結果である３次元形状を無彩色の濃淡（グレースケ
ール）で表した距離画像データＤ２１と、３種の警告信
号Ｓ１１〜１３を出力する。距離画像データＤ２１は、
具体的には、画像の各画素の表示色を規定するＲ，Ｇ，
Ｂの３色の輝度データである。スケール発生回路６３２
は、距離画像の濃淡と対物間距離との関係を示す帯状の
グラデーション画像（スケールバー）９０を生成する。
画像合成回路６３３は、距離画像データＤ２１にスケー
ルバー９０の表示データを組み入れる。〔３次元位置の計測結果のプレビュー表示〕図１７は警
告判別回路６３１のブロック図、図１８は警告判別回路
６３１の入力と出力との関係を表形式で示す図である。

【００６０】警告判別回路６３１は、２個のコンパレー
タ６３１１，６３１２とルックアップテーブル（ＬＵ
Ｔ）６３１３とから構成されている。コンパレータ６３
１１，６３１２には、メモリ６３０Ｃから有効画素数の
受光データＤｇが画素毎にシリアルに入力される。一方
のコンパレータ６３１１は、注目画素の最大受光量を示
す受光データＤｇの値が許容受光量の下限値である閾値
ｔｈＢより小さいときに、低輝度検出信号ＳＬを出力す
る。他方のコンパレータ６３１２は、受光データＤｇの
値が許容受光量の上限値である閾値ｔｈＡを越えたとき
に、オーバーフロー警告信号Ｓ１３を出力する。ＬＵＴ
６３１３は、フレーム番号ＦＮ、スケール値ｓｃ、低輝
度検出信号ＳＬ、及びオーバーフロー警告信号Ｓ１３の
値の組合せに応じて、距離画像データＤ２１、近接警告
信号Ｓ１１、及び遠方警告信号Ｓ１２を出力する。

【００６１】スケール値ｓｃは、有効受光エリアＡｅの
幅で規定される計測可能範囲内の計測基準面の位置を示
し、０〜３１の値をとる。スケール値ｓｃのデフォルト
値は１６である。なお、本計測では、計測基準面の位置
をほぼ中央とする計測可能範囲が設定される。フレーム
番号ＦＮは、計測可能範囲内における物体位置（厳密に
は注目画素に対応したサンプリング点の位置）を示す。
基本的には距離画像データＤ２１は、このフレーム番号
ＦＮをそのままグレースケール変換したデータである。
すなわち、グレースケールにおけるＲ，Ｇ，Ｂの輝度Ｙ
ｒ，Ｙｇ，Ｙｂは８×（ＦＮ−ｓｃ＋１６）である。た
だし、本実施形態においては、計測結果の良否を視覚的
に容易に理解できるように、特定の画素についてカラー
表示による強調が行われる。

【００６２】図１８のように、低輝度検出信号ＳＬがア
クティブ（オン）であれば、その画素の表示色はブラッ
クである。つまり、表示画面のうち、物体の反射率が極
端に小さい画素及び計測可能範囲外の画素はブラックで
表示される。オーバーフロー警告信号Ｓ１３がオンであ
れば、正確に時間重心Ｎｐｅａｋを算出することができ
ないことをユーザーに知らせるため、その画素はレッド
で表示される。計測基準面と物体との位置関係の理解を
助けるため、フレーム番号ＦＮがスケール値ｓｃと等し
い画素はシアンで表示される。そして、計測可能範囲の
近接側の端縁に対応した画像がグリーンで表示され、遠
方側の端縁に対応した画像はブルーで表示される。この
ような色分け表示により、ユーザーは物体の所望部分が
正しく計測されているかを容易に確認することができ
る。〔３次元位置の計測手順〕次に、３次元カメラ２及びホ
スト３の動作を計測の手順と合わせて説明する。計測に
用いられるイメージセンサ５３の撮像面Ｓ２の有効画素
数（サンプリング点数）は２４４×２５６、すなわち１
フレームは２４４×２５６画素であり、２４４回のサン
プリングにより２４４フレームのデータが得られる。し
たがって、実質的なフレーム数Ｎは２４４であり、撮像
面Ｓ２におけるスリット長さ方向の画素数は２５６であ
る。

【００６３】ユーザーは、液晶ディスプレイ２１が表示
するカラー画像を見ながら、カメラ位置と向きとを決め
て画角を設定する。その際、必要に応じてズーミング操
作を行う。３次元カメラ２ではカラーイメージセンサ５
４に対する絞り調整は行われず、電子シャッタ機能によ
り露出制御されたカラーモニタ像が表示される。これ
は、絞りを開放状態とすることによってイメージセンサ
５３の入射光量をできるだけ多くするためである。

【００６４】図１９は３次元カメラ２におけるデータの
流れを示す図、図２０はホスト３におけるデータの流れ
を示す図、図２１は投光光学系４０及び受光光学系５０
の各点と物体Ｑとの位置関係を示す図である。

【００６５】ユーザーによる画角選択操作（ズーミン
グ）に応じて、ズームユニット５１のバリエータレンズ
５１４が移動するとともにフォーカシングレンズ５１２
の移動によるフォーカシングが行われる。フォーカシン
グの過程でおおよその対物間距離ｄ₀が測定される。こ
のような受光系のレンズ駆動に呼応して、投光側のバリ
エータレンズ４２２の移動量が演算により算出され、算
出結果に基づいてバリエータレンズ４２２の移動制御が
行われる。投光側のレンズ制御は、撮影距離及び画角に
係わらず、イメージセンサ５３に５画素分の幅のスリッ
ト光Ｕを入射させるためのものである。

【００６６】システムコントローラ６１は、レンズコン
トローラ５８を介して、フォーカシング駆動系５９のエ
ンコーダ出力（繰り出し量Ｅｄ）及びズーミング駆動系
６０のエンコーダ出力（ズーム刻み値ｆｐ）を読み込
む。システムコントローラ６１の内部において、歪曲収
差テーブルＴ１、主点位置テーブルＴ２、及び像距離テ
ーブルＴ３が参照され、繰り出し量Ｅｄ及びズーム刻み
値ｆｐに対応した撮影条件データがホスト３へ出力され
る。ここでの撮影条件データは、歪曲収差パラメータ
（レンズ歪み補正係数ｄ１，ｄ２）、前側主点位置Ｆ
Ｈ、及び像距離ｂである。前側主点位置ＦＨは、ズーム
ユニット５１の前側端点Ｆと前側主点Ｈとの距離で表さ
れる（図４７参照）。前側端点Ｆは固定であるので、前
側主点位置ＦＨにより前側主点Ｈを特定することができ
る。

【００６７】また、システムコントローラ６１は、特定
の方向にスリット光Ｕを投射して計測環境を測定する予
備計測を実行し、予備計測で得られた撮影情報に基づい
て三角測量法により対物間距離ｄを求め、その対物間距
離ｄに基づいて、繰り出し量Ｅｄを再設定するとともに
レンズ駆動を行い、本計測の動作設定をする。設定項目
には、半導体レーザ４１の出力（レーザ光強度）、スリ
ット光Ｕの偏向条件（投射角度範囲を特定する投射開始
角及び投射終了角、偏向角速度）などがある。

【００６８】予備計測に際しては、おおよその対物間距
離ｄ₀に平面物体が存在するものとして、撮像面Ｓ２の
中央に反射光が入射するように投射角を設定する。半導
体レーザ４１をパルス点灯して受光量を測定し、受光量
が適正になるように投射強度を調整する。このとき、人
体への安全と半導体レーザ４１の定格とを考慮した許容
上限値に投射強度を設定しても必要な受光量が得られな
い場合には、計測を中止し、その旨の警告メッセージを
表示するとともに警告音を発する。対物間距離ｄの算定
においては、測距基準点である受光系の前側主点Ｈと投
光の起点ＡとのＺ方向のオフセットｄｏｆｆを考慮す
る。偏向条件の算定に際しては、走査方向の端部におい
ても中央部と同様の計測可能範囲ｄ’を確保するため、
所定量（例えば８画素分）のオーバースキャンを行うよ
うにする。投射開始角ｔｈ１、投射終了角ｔｈ２、偏向
角速度ωは、次の（１）式、（２）式、（３）式で表さ
れる。

【００６９】

【数１】

【００７０】このようにして算出された条件で本計測が
行われる。物体Ｑが走査され、出力処理回路５２によっ
て１画素当たり５フレーム分の計測データＤｓが生成さ
れる。そして、上述したように距離画像のモニタ表示が
行われる。３次元カメラ２は、再計測の便宜を図るため
のプレビュー機能（詳細は後述）を有している。ユーザ
ーはモニタ表示を見た上で、必要に応じて再計測を指示
する。再計測モードにおいてユーザーが計測条件を変更
すると、新たな計測条件に対応した仮想の距離画像が前
回の計測時の計測データＤｓに基づいて生成され、プレ
ビュー画像として表示される。条件変更操作に呼応して
プレビュー画像がリアルタイムで表示されるので、ユー
ザーは計測条件の最適化を効率的に進めることができ
る。ユーザーが条件変更の終了を入力すると、再計測が
行われて新たな計測データＤｓが生成される。

【００７１】ユーザーがレコードボタン２８をオンする
と、計測データＤｓがホスト３へ送られる。同時に、偏
向条件（偏向制御データＤ４３）及びイメージセンサ５
３の仕様などを示す装置情報Ｄ１０も、ホスト３へ送ら
れる。表１は３次元カメラ２がホスト３へ送る主なデー
タをまとめたものである。

【００７２】

【表１】

【００７３】投射開始角ｔｈ１及び投射終了角ｔｈ２の
設定に際して、上述の（１）式、（２）式に代えて次の
（１’）式、（２’）式を適用すれば、測定可能距離範
囲を光軸方向にシフトさせることができる。

【００７４】

【数２】

【００７５】後述のように対物間距離の算定の基準位置
を物体の近接位置（３次元カメラ２側）に設定し、その
前後に計測可能範囲ｄ’を設定すると、前側（３次元カ
メラ２側）の計測可能範囲が無駄になることが多い。し
たがって、シフト量ｐｉｔｃｈｏｆｆを設定して、前側
２５％、後側７５％の割合になるように計測可能範囲
ｄ’を後側へシフトさせるのが望ましい。

【００７６】本実施形態のように有効受光エリアＡｅが
３２画素幅である場合（つまり、ＣＣＤエリアセンサが
３２ラインの読出し幅をもつ場合）、シフト量ｐｉｔｃ
ｈｏｆｆを「８」とすれば、上述の割合の計測可能範囲
が設定される。シフト後の会則可能範囲ｄ’’は図２２
（ｃ）に示す範囲となる。

【００７７】図２０のように、ホスト３においては、ス
リット重心演算、歪曲収差の補正演算、カメラ視線方程
式の演算、スリット面方程式の演算、及び３次元位置演
算が実行され、それによって２４４×２５６個のサンプ
リング点の３次元位置（座標Ｘ，Ｙ，Ｚ）が算定され
る。サンプリング点はカメラ視線（サンプリング点と前
側主点Ｈとを結ぶ直線）とスリット面（サンプリング点
を照射するスリット光Ｕの光軸面）との交点である。

【００７８】スリット光Ｕの時間重心Ｎｐｅａｋ（図１
４参照）は、各サンプリング時の受光データＤｇ（ｉ）
を用いて（４）式、又は（４’）式で与えられる。

【００７９】

【数３】

【００８０】５つの受光データの内の最小のデータｍｉ
ｎＤｇ（ｉ）を差し引いて加重平均を求めることによ
り、環境光の影響を軽減することができる。カメラ視線
方程式は（５）式及び（６）式である。

【００８１】

【数４】

【００８２】スリット面方程式は（７）式である。

【００８３】

【数５】

【００８４】幾何収差は画角に依存する。歪はほぼ中心
画素を中心として対象に生じる。したがって、歪み量は
中心画素からの距離の関数で表される。ここでは、距離
の３次関数で近似する。２次の補正係数をｄ１、３次の
補正係数をｄ２とする。補正後の画素位置ｕ’，ｖ’は
（８）式及び（９）式で与えられる。

【００８５】

【数６】

【００８６】上述の（５）式及び（６）式において、ｕ
に代えてｕ’を代入し、ｖに代えてｖ’を代入すること
により、歪曲収差を考慮した３次元位置を求めることが
できる。なお、キャリブレーションについては、電子情
報通信学会研究会資料ＰＲＵ９１−１１３［カメラの位
置決めのいらない画像の幾何学的補正］小野寺・金谷、
電子情報通信学会論文誌Ｄ-II vol.Ｊ７４−Ｄ−II No.
9 pp.1227-1235,'91/9［光学系の３次元モデルに基づく
レンジファインダの高精度キャリブレーション法］植芝
・吉見・大島、などに詳しい開示がある。〔３次元位置の計測における予備計測〕以下、３次元カ
メラ２の自動設定機能について説明する。

【００８７】３次元カメラ２は、予備計測の結果に基づ
いて本計測の条件（投射角度範囲及びレーザ光強度）を
設定する。予備計測では、本計測とは違ってスリット光
Ｕの偏向は行われず、一方向のみにスリット光Ｕが投射
される。投射方向はズーミング状態、及び別途に設けら
れたパッシブ型測距センサの出力に応じて選定される。
投射は、短期間内に断続的に計３回行われ、その際に投
射毎にレーザ光強度（投射光強度）が大きい値から小さ
い値へ変更される。つまり、強度Ａ，Ｂ，Ｃ（Ａ＞Ｂ＞
Ｃ）の３種のスリット光Ｕによる計測が行われる。各強
度Ａ〜Ｃのスリット光Ｕの投射時にイメージセンサ５３
によって得られた撮影情報は、メモリ６３０Ａに一旦格
納された後、所定の演算に用いられる。メモリ６３０Ａ
からの撮影情報（受光データＤｇ）の読出しは、撮像面
Ｓ２の全体ではなく一部分のみを対象に行われる。この
ように本実施形態においては、投射方向及び撮影情報の
読出し範囲を限定することによって予備計測の所要時間
の短縮が図られており、強度の異なる３種のスリット光
Ｕを投射することによって信頼性が高められている。

【００８８】図２３は予備計測時のサンプリングの範囲
を示す図である。予備計測においては、イメージセンサ
５３の撮像面Ｓ２を構成する２４４×２５５個の画素の
うち、５つのラインｖ１〜ｖ５の画素がサンプリングの
対象となる。各ラインｖ１〜ｖ５は、Ｙ方向（スリット
光の偏向方向）の一端から他端までの画素列であり、Ｘ
方向の中央付近でほぼ等間隔に並んでいる。各ラインｖ
１，ｖ２，ｖ３，ｖ５，ｖ５のＸ方向の座標（画素番
号）は、順に１１０，１２０，１２８，１４０，１５０
であり、ＡＦセンサ５７の測距エリアＡ５７の範囲内の
値に選定されている。一般に、計測に際しては計測対象
物体の真正面に３次元カメラ２が配置されるので、でき
るだけ少ないサンプリング点数で有効な情報を得ようと
する場合、撮像面Ｓ２の中央付近がサンプリング点とし
て好適である。

【００８９】図２４はスリット画像ＧＳとサンプリング
点との関係を示す図である。例えば物体Ｑが球である場
合には曲線状のスリット画像ＧＳが撮影される。予備計
測における最初の投射時には、各ラインｖ１〜ｖ５につ
いて全ての画素のデータがメモリ６３０Ａから読み出さ
れ、スリット画像ＧＳに対応した画素のＹ方向の座標
（スリット画像位置）が検出される。図２４（ａ）中の
黒丸はスリット画像位置を示している。これに対して、
２回目及び３回目の投射時には、既にスリット画像位置
が検出されているので、時間を節約するために、各ライ
ンｖ１〜ｖ５についてスリット画像位置及びその両側の
画素ｇを合わせた３個の画素ｇのデータのみがメモリ６
３０Ａから読み出される。図２４（ｂ）中の斜線を付し
た画素ｇがスリット画像位置に対応する。

【００９０】図２５は予備計測テーブルＴ５のデータ内
容の模式図である。予備計測テーブルＴ５は、システム
コントローラ６１に内蔵されている図示しないＲＡＭに
設けられる。上述の各強度Ａ〜Ｃのスリット光Ｕを投射
したときの受光データＤｇ及びそれに基づいて得られた
所定のデータ（スリット画像位置など）が予備計測デー
タとしてラインｖ１〜ｖ５毎に格納される。

【００９１】図２６は投射光強度と受光量との関係の代
表例を示すグラフである。図２６（ａ）の例では、強度
Ａ〜Ｃにおける受光レベルは飽和レベル（受光のダイナ
ミックレンジの上限）より低い。図２６（ｂ）の例では
強度Ａにおいて受光が飽和している。

【００９２】受光レベルが非飽和の範囲内であり且つ環
境光や信号ノイズの影響がなければ、強度Ａ〜Ｃと受光
データＤｇとの間に比例関係が成立する。したがって、
各強度Ａ〜Ｃの受光データＤｇの値から、任意の投射光
強度における受光レベルを推測することができる。言い
換えれば、最適の受光レベルの得られる投射光強度を演
算で求めることができる。強度Ａ〜Ｃの大小関係と受光
データＤｇの大小関係とが一致しない場合は、受光デー
タＤｇの信頼性に問題がある。上述の予備計測テーブル
Ｔ５には、各ラインｖ１〜ｖ５のデータの適否判別の結
果も格納される。

【００９３】システムコントローラ６１は、５つのライ
ンｖ１〜ｖ５の中から後述の要領で選択したラインのス
リット画像位置に基づいて三角測量法によって対物間距
離を求め、本計測のレンズ位置条件を設定する。これに
より計測可能範囲が定まる。その後、システムコントロ
ーラ６１は、５つのラインｖ１〜ｖ５のうち、計測可能
範囲内のラインの予備計測データに基づいて、本計測の
投射光強度を最適化する。

【００９４】図２２は投射光強度を最適化の手順を説明
するための図、図２７は図２２に対応した最適強度を示
すグラフである。図２２（ａ）において、背景面ＳＢの
前面側に立方体状の物体Ｑが置かれている。図２２
（ｂ）は物体Ｑに向かってスリット光Ｕを投射したとき
のスリット画像ＧＳを示している。撮像面Ｓ２の各ライ
ンｖ１〜ｖ５のスリット画像位置をＰ１〜５とする。図
２２（ｃ）は、各スリット画像位置Ｐ１〜Ｐ５と物体Ｑ
との位置関係を示す平面図である。図２２（ｂ）及び
（ｃ）のように、スリット画像位置Ｐ２，Ｐ３が物体Ｑ
に対応し、他の３つのスリット画像位置Ｐ１，Ｐ４，Ｐ
５は背景面ＳＢに対応する。

【００９５】ここでは、スリット画像位置Ｐ３が対物間
距離の算定の基準位置（ピントを合わせる位置）である
ものとする。黒丸を囲む○印が基準位置であることを表
している。基準位置の選定によって計測可能範囲ｄ’が
決まる。図２２（ｃ）のように、スリット画像位置Ｐ
２，Ｐ３は計測可能範囲ｄ’の内側であるが、他の３つ
のスリット画像位置Ｐ１，Ｐ４，Ｐ５は、計測可能範囲
ｄ’の外側であって本計測時には撮影されない。図中の
×印は、本計測の対象外であることを表している。本計
測の投射光強度は、本計測時の撮影対象に対応したスリ
ット画像位置Ｐ２，Ｐ３を含むラインｖ２，ｖ３の予備
計測データに基づいて設定される。

【００９６】図２７のように、各強度Ａ〜Ｃにおけるラ
インｖ２，ｖ３の受光量の実測値から、各スリット画像
位置Ｐ２，Ｐ３について最適レベルが得られる投射光強
度を求める。そして、求めた２つの投射光強度のうち、
値の小さい方を本計測の設定値として採用する。計測可
能範囲ｄ’の内側のスリット画像位置が３以上であれ
ば、それらについて求めた最適の投射光強度のうちの最
小値を採用する。最小値を採用するのは、受光の飽和を
避けるためである。〔３次元計測におけるプレビュー機能〕図２８はプレビ
ュー機能を説明するための計測例を示す図、図２９は計
測条件の変更例を示す図、図３０は図２９に対応したモ
ニタ表示の内容を示す図である。

【００９７】ここでは、計測対象の物体Ｑを鳥の置物と
し、鳥の顔面に対する真正面の位置から計測を行うもの
とする。図２８のように、鳥の胴の前面側に高輝度部分
ｑが存在する。図２９（ａ）は最初の計測時の計測可能
範囲ｄ’の設定状態を示し、図２９（ｂ）は再計測時の
計測可能範囲ｄ’の設定状態を示している。図３０
（ａ）は図２９（ａ）に対応し、図３０（ｂ）は図２９
（ｂ）に対応する。

【００９８】最初の計測が終了した段階で、液晶ディス
プレイ２１の画面には距離画像Ｇ１、スケールバー９
０、計測基準位置ｅ１の対物間距離（単位はｍｍ）を表
す数値ｚ１、計測可能範囲ｄ’の両端縁ｅ２，ｅ３の対
物間距離を表す数値ｚ２，ｚ３、スケールバー９０にお
ける計測基準位置ｅ１に対応した表示輝度を示す矢印Ｚ
４、及び投射光強度の設定値を表す数値ｚ５が表示され
る。なお、実際には、図３０（ａ）及び（ｂ）中の斜線
部分はブラックで表示され、白抜き部分は図１８で説明
したように計測値に応じた濃度（明暗）の無彩色で表示
される。通常、白抜き部分の全域が同一濃度となること
はほとんどない。

【００９９】図２９（ａ）においては、計測基準位置ｅ
１が鳥の頭の中央付近に設定されており、くちばしの先
端が計測可能範囲ｄ’より近接側にはみ出ている。この
ことは、図３０（ａ）の距離画像Ｇ１において、計測可
能範囲ｄ’の近接側端縁ｅ２に対応したグリーンの部分
（連続的又は断続的な線状の画素群）Ｅ２が存在するこ
とから判る。また、距離画像Ｇ１は、遠方側端縁ｅ３に
対応したブルーの部分Ｅ３と、高輝度部分ｑに対応した
レッドの部分Ｅｑとを含んでいる。

【０１００】ここで、ユーザーが図２９（ｂ）のように
計測可能範囲ｄ’を以前より近接側にシフトしたとす
る。操作としては、下向きのカーソルボタン２２（図２
参照）を必要回数だけ押せばよい。カーソルボタン２２
を押す毎に、矢印ｚ４は表示画面の下方側に移動し、数
値Ｚ１が更新される。そして、この条件変更操作に呼応
してモニタ画像がリアルタイムで書換えられる。図２９
（ｂ）の状態では、くちばしの全体が計測可能範囲ｄ’
の内側に入っている。このことは、図３０（ｂ）のプレ
ビュー画像Ｇ１’の中に近接警告を意味するグリーンの
部分がないことから判る。なお、プレビュー画像Ｇ１’
は前回の計測データＤｇに基づいて生成されるので、距
離画像Ｇ１で欠けているくちばしは実際には計測されて
いないことから、プレビュー画像Ｇ１’においてその部
分はブラックで表示される。また、計測可能範囲ｄ’の
変更に伴って、新たに計測可能範囲外となった部分もブ
ラックで表示される。〔メイン制御フロー〕図３１は３次元カメラ２の計測動
作の制御手順を示すフローチャートである。

【０１０１】レコードボタン２８のフォーカスロック操
作に呼応してアクティブ形式の予備計測を行う（＃１
１、＃１２）。測定した対物間距離ｄが仕様で定められ
た撮影距離範囲から外れている場合には、エラー処理を
実行する（＃１３、＃２３）。エラー処理では、液晶デ
ィスプレイ２１により所定のメッセージを表示するとと
もにブザー７５を鳴らす。対物間距離ｄが撮影距離範囲
内であれば、その後のレリーズ操作に呼応して計測デー
タＤｓを得るための撮影処理を行う（＃１４、＃１
５）。一方、フォーカスロック操作が行われずにレリー
ズ操作が行われた場合も、予備計測を行って対物間距離
ｄの適否を判断する（＃２０〜＃２２）。対物間距離ｄ
及び受光光量が適正であれば「本計測」に進み、不適正
であればエラー処理を行う（＃１５、＃２３）。

【０１０２】撮影が終了した後、アンドゥーボタン２９
によるアンドゥー操作が行われた場合は、「再計測処
理」を実行する（＃１６、＃１９）。レコードボタン２
８のレコード操作が行われた場合は、計測データＤｓを
ホスト３又は記憶媒体４へ出力する録画処理を実行する
（＃１７、＃１８）。本計測ルーチン（＃１５）で図３
０（ａ）の表示が行われており、操作者は測定できなか
った部分を確認して、その撮影結果を採用するか、再計
測を行うかを選択できる。〔予備計測処理〕以下に図３１のフローチャートにおけ
る＃１２、＃２１の「予備計測」の具体的手順をフロー
チャートを参照して詳しく説明する。

【０１０３】図３２はシステムコントローラ６１が実行
する「予備計測」のフローチャートである。システムコ
ントローラ６１は、スリット光Ｕの投射方向を決める
「予備計測条件の設定」（＃１０）、スリット光Ｕを投
射しないときの環境情報を得る「環境光画像の撮影」
（＃２０）、３段階の強度Ａ〜Ｃのスリット光Ｕを投射
して環境情報を得る「スリット画像の撮影」（＃３
０）、予備計測の信頼性を高めるための「撮影情報の適
否判別」（＃４０）、対物間距離を求める「距離演算」
（＃５０）、及び予備計測の結果に応じた動作設定をす
る「本計測条件の設定」（＃６０）、の各処理を順に実
行する。

【０１０４】図３３は図３２の「予備計測条件の設定」
のフローチャートである。まず、その時点のズーム段階
ｚｏｏｍに応じて、上述の３段階の強度Ａ，Ｂ，Ｃのそ
れぞれの値を設定する（＃１００）。ズーム段階ｚｏｏ
ｍの段数は例えば９であり、ズーム刻み値ｆｐによって
特定される。強度Ａ，Ｂ，Ｃを可変とすることにより、
有効な測距結果を容易に得ることができる。

【０１０５】次にズーミング状態をチェックする（＃１
０１）。ズーム段階ｚｏｏｍが４以上であるテレ状態の
場合には、ＡＦセンサ５７によるパッシブ形式の測距の
精度が比較的に高いので、その測距結果を用いることが
できる。したがって、ズーム段階ｚｏｏｍと繰り出し量
Ｅｄとから、前側主点位置ＦＨ、実効焦点距離Ｆｒｅａ
ｌ、及び対物間距離ｄ₀を算出し（＃１０２、＃１０
３）、その後に受光軸と物体面との交点にスリット光Ｕ
が入射するような投射角度を算出する（＃１０４）。そ
して、算出した投射角度に対応した回転角度位置にガル
バノミラー４３をセットする（＃１０５）。

【０１０６】一方、ワイド状態の場合には、パッシブ形
式の測距の精度が低いものの、受光系の視野が広いの
で、遠近の２通り程度の投射方向の切換えを行えば、物
体で反射したスリット光Ｕを受光することができる。そ
こで、前側主点位置ＦＨ及び実効焦点距離Ｆｒｅａｌと
してズーム段階ｚｏｏｍに応じた固定値を設定した後、
繰り出し量Ｅｄに応じた既定の角度を投射角度とする
（＃１０６〜＃１０９）。そして、テレ状態の場合と同
様に投射角度に対応した回転角度位置にガルバノミラー
４３をセットする（＃１０５）。

【０１０７】図３４は図３２の「環境光画像の撮影」の
フローチャートである。撮影モードを予備計測のための
モードに切り換える（＃２０１）。すなわち、イメージ
センサ５３については、撮像面Ｓ２の全画素の光電変換
信号を読み出すモードとし、メモリ６３０Ａの書込み信
号がクロック信号ＣＫとなるように出力処理回路６２の
マルチプレクサ６２９の入力選択をする。これにより、
撮影毎にイメージセンサ５３の１画面分（撮像面Ｓ２の
全域）の撮影情報がメモリ６３０Ａに格納される。

【０１０８】出力処理回路６２の増幅器６２１のゲイン
を初期値の「１」とし（＃２０２）、イメージセンサ５
３を制御するＣＣＤ駆動処理を行う（＃２０３）。具体
的には、ドライバ５５に対して積分（電荷蓄積）の開始
及び終了を指示する。続いて、撮影情報（受光データＤ
ｇ）をメモリ６３０Ａに格納するデータ転送処理を行い
（＃２０４）、メモリ６３０Ａから上述した５本のライ
ンｖ１〜ｖ５の受光データＤｇを読み込む（＃２０
５）。

【０１０９】図３５は図３２の「スリット画像の撮影」
のフローチャートである。このルーチンおいて、半導体
レーザ４１をパルス点灯させて計３回の撮影を行う。図
２４で説明したように１回目の撮影情報はスリット画像
位置を検出する上で特に重要である。レーザ光強度（投
射光強度）が大きいほどノイズの影響を受けにくい。し
たがって、１回目の撮影のレーザ光強度を強度Ａに設定
する（＃３１０）。続いて、「投光・受光制御」（＃３
２０）、「強度Ａの場合のサンプリング」（＃３３０）
を順に実行する。投光・受光制御は、次の（１）〜
（５）の処理からなる。（１）イメージセンサ５３のドライバ５５に対して積分
の開始を指示する。（２）ＬＤドライバ４４に対して点灯を指示する。（３）所定時間の経過を待ってＬＤドライバ４４に対し
て消灯を指示する。（４）積分の終了を指示する。（５）１画面分の受光データＤｇをメモリ６３０Ａに格
納する。

【０１１０】次に２回目の撮影に移り、レーザ光強度を
強度Ｂに設定する（＃３４０）。１回目と同様の投光・
受光制御（＃３５０）を実行した後、「強度Ｂの場合の
サンプリング」（＃３６０）を実行する。

【０１１１】３回目の撮影に際しては、レーザ光強度を
強度Ｃに設定し（＃３７０）、１回目及び２回目と同様
の投光・受光制御（＃３８０）を実行した後、「強度Ｃ
の場合のサンプリング」（＃３９０）を実行する。「強
度Ｃの場合のサンプリング」の内容は、「強度Ｂの場合
のサンプリング」（＃３６０）と同様である。

【０１１２】図３６は図３５の「強度Ａの場合のサンプ
リング」のフローチャートである。サンプリング対象の
５本のラインｖ１〜ｖ５のうちの第１番目のラインｖ１
を注目ラインとして選択する（＃３３０１）。予備計測
テーブルＴ５に格納されている注目ラインのレーザ光量
測定値Ｊを最小値に初期化する（＃３３０２）。注目ラ
インの先頭画素を注目画素として選択し、メモリ６３０
Ａから注目画素の受光データＤｇを読み出す（＃３３０
４）。そして、読み出した受光データＤｇから、上述の
「環境光画像の撮影」ルーチンで読み出しておいた当該
注目画素の受光データ（環境光成分）を差し引き、レー
ザ光成分ｊを算出する（＃３３０５）。レーザ光成分ｊ
が最低限の受光レベル（スリット光Ｕと認められる最低
値）より大きく且つその時点のレーザ光量測定値Ｊより
大きい場合は（＃３３０６、＃３３０７）、注目画素の
Ｙ座標をスリット画像位置として予備計測テーブルＴ５
に書き込み（＃３３０８）、強度Ａのレーザ光量測定値
Ｊとしてレーザ光成分ｊを書き込む（＃３３０９）。そ
の後、次の画素に注目する（＃３３１０、＃３３１
４）。＃３３０６又は＃３３０７でノーであれば、予備
計測テーブルＴ５を更新せずに次の画素に注目する。注
目ラインの全ての画素を順に注目してレーザ光成分ｊと
レーザ光量測定値Ｊとを比較することにより、注目ライ
ンの中で最も明るい画素を検出することができる。その
最も明るい画素がスリット画像位置に対応する。各画素
のレーザ光成分ｊどうしを比較するので、環境光成分を
含む受光データＤｇどうしを比較する場合と比べて、位
置検出の誤りが少ない。

【０１１３】注目ラインの全ての画素に対する比較処理
が終われば、次のラインに注目して同様の処理を繰り返
す（＃３３１１、＃３３１５）。５本のラインｖ１〜ｖ
５に対する比較処理が終われば、少なくとも１本のライ
ンにおいてスリット画像位置を検出したか否か、すなわ
ち所定値以上の明るさの画素が存在したか否かをチェッ
クする（＃３３１２）。スリット画像位置が見つかり且
つ各ラインｖ１〜ｖ５におけるレーザ光成分ｊの最大値
が所定の基準（重心演算の値として採用可能な最低値）
に達していればリターンし、達していなければ出力処理
回路６２の増幅器６２１のゲインを１ステップ大きい値
に更新する（＃３３１６、＃３３１７）。ゲインの更新
の後、「環境光画像の撮影」の処理へ戻って撮影をやり
直す。

【０１１４】図３７は図３５の「強度Ｂの場合のサンプ
リング」のフローチャートである。サンプリング対象の
５本のラインｖ１〜ｖ５のうちの第１番目のラインｖ１
を注目ラインとして選択する（＃３６０１）。予備計測
テーブルＴ５に注目ラインにおけるスリット画像位置が
格納されているか否かを確認する（＃３６０２）。格納
されていない場合は次のラインに注目する。

【０１１５】スリット画像位置が格納されている場合
は、注目ラインのレーザ光量測定値Ｊを最小値に初期化
した後、スリット画像位置の１つ前の画素に注目する
（＃３６０３、＃３６０４）。注目画素の受光データＤ
ｇをメモリ６３０Ａから読出し（＃３６０５）、上述の
要領で環境光成分を差し引いたレーザ光成分ｊを算出す
る（＃３３０６）。レーザ光成分ｊがその時点のレーザ
光量測定値Ｊより大きい場合は、強度Ｂのレーザ光量測
定値Ｊとしてレーザ光成分ｊを予備計測テーブルＴ５に
書き込む（＃３３０７、＃３３０８）。そして、次の画
素に注目して同様の処理を行う（＃３６０９、＃３６１
１）。つまり、各画素のレーザ光成分ｊを比較し、注目
ラインにおけるレーザ光成分ｊの最大値を記憶する。ス
リット画像位置とその前後を合わせた計３個の画素に対
する処理が終われば、次のラインに注目して前ラインと
同様に３画素のレーザ光成分ｊのうちの最大値を記憶す
る（＃３６１０、＃３６１２）。５本のラインｖ１〜ｖ
５に対する処理が終われば、図３５のフローにリターン
する。

【０１１６】図３８は図３２の「撮影情報の適否判別」
のフローチャートである。サンプリング対象の５本のラ
インｖ１〜ｖ５のうちの第１番目のラインｖ１を注目ラ
インとして選択し（＃４０１）、予備計測テーブルＴ５
に注目ラインにおけるスリット画像位置が格納されてい
るか否かを確認する（＃４０２）。スリット画像位置が
格納されていない場合は、注目ラインの予備計測データ
を無効と判定し、その旨を示すフラグを予備計測テーブ
ルＴ５にセットする（＃４１０）。そして、次のライン
に注目する（＃４１１、＃４１２）。

【０１１７】スリット画像位置が格納されている場合
は、次の要領で予備計測データの適否を判別する。ま
ず、スリット画像位置における強度Ａの受光データＤｇ
（環境光成分＋レーザ光成分）が飽和レベルであるか否
かをチェックする（＃４０３）。強度Ａの受光データＤ
ｇが飽和レベルであれば、強度Ｂの受光データＤｇが飽
和レベルであるか否かをチェックする（＃４１３）。強
度Ｂの受光データＤｇも飽和レベルであれば、さらに強
度Ｃの受光データＤｇが飽和レベルであるか否かをチェ
ックする（＃４１４）。強度Ａ，Ｂ，Ｃの受光データＤ
ｇのいずれもが飽和レベルであれば、注目ラインの予備
計測データを無効と判定する（＃４１０）。

【０１１８】＃４０３において強度Ａの受光データＤｇ
が飽和レベルでなければ、強度と受光量との関係が正し
いか否かをチェックする。すなわち強度Ａのレーザ光成
分であるレーザ光量測定値Ｊが強度Ｂのレーザ光量測定
値Ｊより大きいか否かを確かめ（＃４０４）、強度Ｂの
レーザ光量測定値Ｊが強度Ｃのレーザ光量測定値Ｊより
大きいか否かを確かめる（＃４０５）。＃４１３でノー
の場合も＃４０５のチェックを行う。強度の大小とレー
ザ光量測定値Ｊの大小との関係が反転している場合は、
明らかに異常であるので、注目ラインの予備計測データ
を無効と判定する（＃４１０）。強度の大小とレーザ光
量測定値Ｊの大小との関係が適正であれば、強度Ａ（又
は強度Ｂ）のレーザ光量測定値Ｊと強度が零のときの測
光値である環境光成分とから、図２６で説明したグラフ
の傾きを求め、強度Ｃにおけるレーザ光成分の推定値を
算出する（＃４０６）。このとき、強度Ａの受光データ
Ｄｇが飽和レベルである場合にのみ強度Ｂのレーザ光量
測定値Ｊを用いる。より大きいレーザ光量測定値Ｊを用
いる方が、グラフの傾きの誤差を少なくする上で有利で
ある。

【０１１９】強度Ｃのレーザ光成分について、実測値と
算出した推定値との差が許容範囲内であれば（＃４０
７）、注目ラインの予備計測データを有効と判定し（＃
４０８）、強度Ａ，Ｂ，Ｃのうちで受光データＤｇが非
飽和域である最も大きい強度の予備計測データを本計測
の条件設定のためのデータとして記憶する（＃４０
９）。そして、次のラインに注目して先頭ラインと同様
の処理を繰り返す。最良の場合は５ラインｖ１〜ｖ５の
それぞれから条件設定のためのデータが選定されること
になる。実測値と推定値との差が許容範囲を越える場合
は、注目ラインの予備計測データを無効と判定する。

【０１２０】図３９は図３２の「距離演算」のフローチ
ャートである。５ラインｖ１〜ｖ５の全てにおいて予備
計測データの信頼度が低い場合、すなわち５ラインｖ１
〜ｖ５の予備計測データが無効と判定された場合には、
エラー処理を実行してメインルーチンへリターンする
（＃５０１、＃５１０）。

【０１２１】少なくとも１本のラインにおいて予備計測
データが有効であれば、第１番目のラインｖ１に注目す
る（＃５０２）。注目ラインの予備計測データが有効で
あれば、スリット画像位置に基づいて三角測量法を適用
して対物間距離ｄを算出する（＃５０３、＃５０４）。
そして、次のラインに注目する（＃５０５、＃５０
９）。注目ラインの予備計測データが無効であれば、対
物間距離ｄを算出せずに次のラインの処理に移る。

【０１２２】５ラインｖ１〜ｖ５に対する処理が終了し
た時点で、最大５個の対物間距離ｄの算出値が記憶され
ている。ズーミングがテレ状態であれば、上述したよう
にＡＦセンサ５７によるパッシブ測距の精度が高いの
で、パッシブ測距の結果に最も近い対物間距離ｄの算出
値を対物間距離の測定値として選択する（＃５０６、＃
５０７）。一方、ワイド状態であれば、対物間距離ｄの
算出値のうちの最小値を測定値として選択する（＃５０
８）。通常、計測対象の物体Ｑが３次元カメラ２に近
く、背景となる被写体は遠い位置に存在するからであ
る。

【０１２３】図４０は図３２の「本計測条件の設定」の
フローチャートである。測定値として選択された対物間
距離ｄの示す物体位置が計測可能範囲であれば、次の３
つの設定処理を行う。まず、ズーム段階ｚｏｏｍと選択
された対物間距離ｄとに適合する繰り出し量Ｅｄを算出
し、フォーカシングの制御値として設定する（＃６１
０）。次に、ズーム段階ｚｏｏｍと算出された繰り出し
量Ｅｄとに適合する前側主点位置ＦＨ及び実効焦点距離
Ｆｒｅａｌを算出し、レンズ情報として設定する（＃６
２０）。レンズ情報は投射角度範囲の演算、及びホスト
３による座標演算などに用いられる。そして、最後に
「投射光強度の設定」を行う（＃６３０）。

【０１２４】図４１は図４０の「投射光強度の設定」の
フローチャートである。このルーチンの実行によって図
２２及び図２７で説明した機能が実現される。本計測に
おける投射の強度設定値を、人体に対する安全を考慮し
た上限値に初期化し（＃６３０１）、先頭のラインｖ１
に注目する（＃６３０２）。注目ラインの予備計測デー
タが有効であれば、注目ラインのスリット画像位置に対
応した物体上の位置が、対物間距離ｄを基準に設定され
る計測距離範囲（本計測の撮影範囲）の内側であるか否
かをチェックする（＃６３０４）。

【０１２５】スリット画像位置が本計測時の撮影対象に
該当する場合は、「撮影情報の適否判別」ルーチンにお
いて記憶しておいたデータを用いて、スリット画像位置
（ライン）におけるレーザ光強度の最適値を計算により
求める（＃６３０５）。計算結果が許容最大値より大き
いときには、計算結果として許容最大値を採用する（＃
６３０６、＃６３０７）。計算結果がその時点における
強度設定値より小さい場合には、強度設定値を計算結果
に変更する（＃６３０９）。＃６３０３〜＃６３０９の
処理を５本の各ラインについて実行する（＃６３１０、
＃６３１１）。これにより、本計測時の撮影対象である
各スリット画像位置に対応した最適値のうち、最も小さ
い値が本計測時の強度となる。〔本計測処理〕図４２は図３１の「本計測」のフローチ
ャートである。

【０１２６】対物間距離ｄに応じて投射角範囲を設定し
（＃１５１）、スキャンニングを行う（＃１５２）。ス
キャンニングで得られた距離画像のモニタ表示を行い
（＃１５３）、出力処理回路６２による警告信号の出力
の有無をチェックする（＃１５４）。近接警告信号Ｓ１
１、遠方警告信号Ｓ１２、オーバーフロー警告信号Ｓ１
３のいずれかが出力された場合には、出力された警告に
応じたメッセージ表示を行い、ブザー７５を鳴らす（＃
１５５、＃１５６）。予備計測では時間を短縮するため
に撮影像の一部分（例えば中央部）について適否判別を
行っている。そのため、その部分以外について本計測で
エラーの検出されることがある。〔再計測処理〕図４３は図３１の「再計測処理」のフロ
ーチャートである。

【０１２７】投射光量設定を行い（＃１９１）、その後
のセレクト操作を受けて図３１のフローへリターンする
（＃１９２）。セレクトボタン２３が押される以前に、
上向き又は下向きのカーソルボタン２２が押されると、
モニタ表示の矢印ｚ４を上方又は下方へ移動させる（＃
１９３、＃１９４、＃１９８、＃１９９）。

【０１２８】移動後の矢印ｚ４の位置に対応した対物間
距離ｄを算出し、数値ｚ１の表示を更新する（＃１９
７）。スケール値ｓｃも矢印ｚ４の位置に対応した値に
更新し（＃１９８）、プレビュー画像を表示する（＃１
９９）。操作者は、このプレビュー画像によって、設定
変更後の撮影結果を予測しながら設定変更を行うことが
できる。セレクトボタン２８が押されると、そのときの
設定が記憶されたままリターンする。その後、＃１４
（図３１）でレリーズ操作があると上述の設定条件で撮
影が行われる。

【０１２９】図４４はガルバノミラー４３とイメージセ
ンサ５３との同期制御の一例を示すタイムチャート、図
４５はガルバノミラー４３とイメージセンサ５３との同
期制御の他の例を示すタイムチャートである。これらの
図において符合の添字「ｔ」はテレ状態の値であること
を示し、「ｗ」はワイド状態の値であることを示してい
る。

【０１３０】３次元カメラ２では、ズーム倍率によって
画角を偏向するので、図４４のように低倍率時の偏向角
θｗは高倍率時の偏向角θｔよりも大きい。システムコ
ントローラ６１は、レリーズボタン２７からのレリーズ
信号Ｓ２７を検知すると、まず、ガルバノミラー４３の
回転を開始してから撮像を開始するまでの期間Ｔ２、す
なわち停止位置から所定の角度位置までガルバノミラー
４３を回転させるのに必要な時間を、ズーム倍率及び対
物間距離に基づいて算出する。このとき、期間Ｔ２にお
ける偏向角速度を、センサ駆動期間Ｔｓにおける角速度
ωと同じ値に設定する。角速度ωを安定させるためであ
る。期間Ｔ２の算出を終えた後、ガルバノミラー４３の
回転駆動を開始し、期間Ｔ２の経過後にイメージセンサ
５３の駆動を開始する。

【０１３１】このようにシステムコントローラ６１がガ
ルバノミラー４３及びイメージセンサ５３の両方を直接
に制御する形態では、駆動のタイミングを正確に合わせ
るために、システムコントローラ６１に高速の処理が要
求される。一方、専用のハードウェア又は市販のビデオ
用タイミングジェネレータをセンサ駆動に用いることに
より、システムコントローラ６１をガルバノミラー４３
の制御に専念させて、制御の負担を軽減することも可能
である。

【０１３２】すなわち、図４５において、ドライバ５５
（図３参照）は、レリーズ信号Ｓ２７をビデオ同期信号
Ｖｓｙｎｃの立上がりエッジで正規化し、レリーズ検知
信号Ｓ２７’を生成する。また、ドライバ５５は、レリ
ーズ検知信号Ｓ２７’の立上がりから一定時間Ｔ０’が
経過した時点でセンサ駆動を開始する。レリーズ検知信
号Ｓ２７’はシステムコントローラ６１に割込み信号と
して入力される。システムコントローラ６１は、レリー
ズ動作に先立って、上述の期間Ｔ２とともに、レリーズ
検知信号Ｓ２７’の立上がりからミラーの回転を開始す
るまでの時間Ｔ１’（＝Ｔ０’−Ｔ２）を計算してお
く。そして、レリーズ検知信号Ｓ２７’の割込みを受け
付けると、その時点から時間Ｔ１’が経過した時点でガ
ルバノミラーの回転を開始する。

【０１３３】以上の実施形態の３次元カメラ２は、計測
対象の物体Ｑにスリット光Ｕを投射する投光光学系４０
と、入射光量に応じた光電変換信号を出力するイメージ
センサ（撮像手段）５３と、撮像面Ｓ２に物体Ｑの光学
像を結像する受光光学系５０と、予備計測制御手段（図
３１の＃１２、＃２１の実行手段）及び本計測制御手段
（図３１の＃１５の実行手段）としてのシステムコント
ローラ６１を有し、本計測に先立ってスリット光Ｕを投
射する能動的な測距を行い、得られた距離情報（対物間
距離ｄ）基づいて、計測条件を設定するように構成され
ている。計測条件には、スリット光Ｕの投射方向の変移
範囲である投射角度範囲（投射開始角ｔｈ１，投射終了
角ｔｈ２）、投射光強度、及びホスト３側での３次元位
置の演算に用いるパラメータ（像距離ｂなど）が含まれ
る。このように、能動的な測距の結果に応じた動作を行
うので、ＡＦカメラ用のパッシブ型測距センサによる場
合よりも高精度の距離情報を得ることができ、計測条件
の設定の信頼性が高い。設定が不適切であると、物体Ｑ
の大半又は全部が計測対象外になるといった計測の失敗
を招く。ズーム機能を有した構成において、ＡＦカメラ
と同様の測距によって計測条件を設定する場合には、ワ
イドになると誤差が大きくなるので、ズーム範囲を制限
せざるを得ない。これに対して、本実施形態の３次元カ
メラ２では、ワイドであっても十分な測距精度が得られ
るので、ズーム範囲を制限する必要がない。

【０１３４】上述の実施形態によれば、予備計測時に警
告が行われるので、操作者は本計測を実行させずに条件
の再設定を行うことができ、計測作業を効率良く進める
ことができる。

【０１３５】上述の実施形態においては、光切断法によ
る計測を例に挙げたが、計測の方法は光切断法に限られ
るこのではなく、例えばパターン投影法であってもよ
い。パターン投影法では、パターンの投影方向と受光視
野との関係で測定可能距離範囲が決まる。また、光切断
法と同様に対象物体の反射率によっては、パターンの反
射光が検出できなかったり、受光系がオーバーフローを
起こしたりすることがある。そのような場合に警告する
ように構成すればよい。

【０１３６】上述の実施形態は、計測データＤｓに基づ
いて３次元位置を算出する演算をホスト３が担うもので
あるが、３次元カメラ２に３次元位置を算出する演算機
能を設けてもよい。３次元位置をルックアップテーブル
方式で算定することも可能である。受光側の受光光学系
５０において、ズームユニット５１に代えて交換レンズ
によって撮像倍率を変更してもよい。

【０１３７】

【発明の効果】請求項１乃至請求項４の発明によれば、
計測条件を設定するための測距の精度を高め、適切な計
測条件を設定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る計測システムの構成図である。

【図２】３次元カメラの外観を示す図である。

【図３】３次元カメラの機能構成を示すブロック図であ
る。

【図４】投光光学系の構成を示す模式図である。

【図５】受光光学系のズームユニットの模式図である。

【図６】受光光学系のビームスプリッタの模式図であ
る。

【図７】計測用のイメージセンサの受光波長を示すグラ
フである。

【図８】モニタ用のカラーイメージセンサの受光波長を
示すグラフである。

【図９】光学ユニットの２軸調整機構の概略を説明する
ための斜視図である。

【図１０】光学ユニットの上側部分の正面図である。

【図１１】光学ユニットの上側部分の右側面図である。

【図１２】光学ユニットの下面図である。

【図１３】光学ユニットの２軸調整機構の調整方法を説
明するための図である。

【図１４】計測システムにおける３次元位置の算出の原
理図である。

【図１５】出力処理回路のブロック図である。

【図１６】イメージセンサの読出し範囲を示す図であ
る。

【図１７】警告判別回路のブロック図である。

【図１８】警告判別回路の入力と出力との関係を表形式
で示す図である。

【図１９】３次元カメラ２におけるデータの流れを示す
図である。

【図２０】ホストにおけるデータの流れを示す図であ
る。

【図２１】投光光学系及び受光光学系の各点と物体との
位置関係を示す図である。

【図２２】投射光強度を最適化の手順を説明するための
図である。

【図２３】予備計測時のサンプリングの範囲を示す図で
ある。

【図２４】スリット画像とサンプリング点との関係を示
す図である。

【図２５】予備計測テーブルのデータ内容の模式図であ
る。

【図２６】投射光強度と受光量との関係の代表例を示す
グラフである。

【図２７】図２２に対応した最適強度を示すグラフであ
る。

【図２８】プレビュー機能を説明するための計測例を示
す図である。

【図２９】計測条件の変更例を示す図である。

【図３０】図２９に対応したモニタ表示の内容を示す図
である。

【図３１】３次元カメラの計測動作の制御手順を示すフ
ローチャートである。

【図３２】システムコントローラが実行する「予備計
測」のフローチャートである。

【図３３】図３２の「予備計測条件の設定」のフローチ
ャートである。

【図３４】図３２の「環境光画像の撮影」のフローチャ
ートである。

【図３５】図３２の「スリット画像の撮影」のフローチ
ャートである。

【図３６】図３５の「強度Ａの場合のサンプリング」の
フローチャートである。

【図３７】図３５の「強度Ｂの場合のサンプリング」の
フローチャートである。

【図３８】図３２の「撮影情報の適否判別」のフローチ
ャートである。

【図３９】図３２の「距離演算」のフローチャートであ
る。

【図４０】図３２の「本計測条件の設定」のフローチャ
ートである。

【図４１】図４０の「投射光強度の設定」のフローチャ
ートである。

【図４２】図３１の「本計測」のフローチャートであ
る。

【図４３】図３１の「再計測処理」のフローチャートで
ある。

【図４４】ガルバノミラーとイメージセンサとの同期制
御の一例を示すタイムチャートである。

【図４５】ガルバノミラーとイメージセンサとの同期制
御の他の例を示すタイムチャートである。

【図４６】スリット光投影法の概要を示す図である。

【図４７】スリット光投影法による計測の原理を説明す
るための図である。

【符号の説明】

２３次元カメラ（３次元計測装置）４０投光光学系４３ガルバノミラー（走査手段）５０受光光学系５３イメージセンサ（撮像手段）６１システムコントローラ（予備計測制御手段、本計
測制御手段）ｂ像距離（パラメータ）Ｑ物体Ｓ２撮像面ｔｈ１投射開始角（投射角度範囲を特定する角度位
置）ｔｈ２投射終了角（投射角度範囲を特定する角度位
置）Ｕスリット光（光）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者福本忠士大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内 (72)発明者矢橋暁大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】計測対象の物体に光を投射する投光光学系
と、撮像面に入射した光の光量に応じた信号を出力する撮像
手段と、前記撮像手段の撮像面に前記物体の光学像を結像する受
光光学系と、計測に先立って、前記投光光学系によって投光し、前記
撮像手段の出力信号に基づいて対物間距離情報を得ると
ともに、得られた対物間距離情報に基づいて計測条件を
設定する予備計測制御手段と、設定された計測条件で前記物体に対する３次元計測を実
行する本計測制御手段と、を備えたことを特徴とする３次元計測装置。
【請求項２】前記投光光学系は、投射方向を起点周りに
変移させる走査手段を有し、前記予備計測制御手段は、前記計測条件として前記投射
方向の変移範囲である投射角度範囲を設定する請求項１
記載の３次元計測装置。
【請求項３】前記予備計測制御手段は、前記計測条件と
して前記撮像手段の出力信号に基づいて前記物体の３次
元位置を演算するためのパラメータを設定する請求項１
記載の３次元計測装置。
【請求項４】前記予備計測制御手段は、前記計測条件と
して前記投光光学系の投射光強度を設定する請求項１記
載の３次元計測装置。