(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数で強度変調された出射光を物体に向けて出射し、前記物体からの反射光と前記出射光との位相差に基づいて前記物体までの距離を計測する形状計測装置において、
前記所定の周波数で強度変調された前記出射光を前記物体に向けて出射する光出射手段と、
前記光出射手段から出射された前記出射光を所定の方向に反射する反射部材と、
前記物体からの前記反射光と前記反射部材からの前記出射光とを受光し、それらの合成により前記位相差が反映された合成検出信号、前記出射光の出射によって前記物体で反射した前記反射光を受光して反射光検出信号、および前記反射部材からの前記出射光を受光して参照光検出信号を出力する検出手段と、
前記合成検出信号、前記反射光検出信号および前記参照光検出信号に基づいて、前記物体表面の反射率の違い等の外的成分を除去する補正を行って前記距離を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする形状計測装置。
【請求項２】
前記検出手段は、前記所定の方向に設けられ、入射光の光強度に応じた検出信号を出力する検出器と、前記物体と前記検出器との間の光路上、および前記反射部材と前記検出器との間の光路上に各々設けられ、開閉動作により前記光路を開放あるいは遮断する２つのシャッタ手段と、前記２つのシャッタ手段の開閉制御により、前記検出器から前記合成検出信号、前記反射光検出信号および前記参照光検出信号を出力させる制御手段とを備えた構成の請求項１記載の形状計測装置。
【請求項３】
前記検出手段は、前記位相差が反映された前記合成検出信号として前記反射光と前記出射光の合成光の振幅を示す振幅検出信号を出力するとともに、外光による前記物体からの定常反射光検出信号として定常反射光の光量を示す光量検出信号を出力し、
前記演算手段は、前記振幅検出信号に基づいて前記距離を演算するとともに、前記光量検出信号に基づいて前記物体の輝度を演算する構成の請求項１記載の形状計測装置。
【請求項４】
前記検出手段は、入射光の光強度に応じた検出信号を出力する検出器と、前記検出器の前面に設けられ、前記反射部材あるいは前記物体からの光を選択的に透過する光学フィルタとを備えた構成の請求項１記載の形状計測装置。
【請求項５】
前記検出手段は、２次元状に配列され、入射光の光強度に応じた検出信号を出力する複数の検出素子を備え、
前記演算手段は、前記物体上の複数の点までの前記距離を演算する構成の請求項１記載の形状計測装置。
【請求項６】
所定の周波数で強度変調された出射光を物体に向けて出射し、前記物体からの反射光と前記出射光との位相差に基づいて前記物体までの距離を計測する形状計測装置において、
前記所定の周波数で強度変調された前記出射光を前記物体に向けて出射する光出射手段と、
前記物体からの前記反射光と前記出射光とを受光し、それらの合成により前記位相差が反映された合成検出信号、前記出射光の出射によって前記物体で反射した反射光を受光して反射光検出信号、および前記出射光を受光して参照光検出信号を出力する検出手段と、
前記合成検出信号、前記反射光検出信号および前記参照光検出信号に基づいて、前記物体表面の反射率の違い等の外的成分を除去する補正を行って前記距離を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする形状計測装置。
【請求項７】
所定の周波数で強度変調された出射光を物体に向けて出射し、前記物体からの反射光と前記出射光との位相差に基づいて前記物体までの距離を計測する形状計測方法において、
前記所定の周波数で強度変調された前記出射光を前記物体に向けて出射し、前記反射光と前記出射光を検出して、それらの合成により前記位相差が反映した合成検出信号に変換し、前記出射光を前記物体に向けて出射し、前記物体で反射した反射光を検出して反射光検出信号に変換し、前記出射光を検出して参照光検出信号に変換する第１の工程と、
前記合成検出信号、前記反射光検出信号および前記参照光検出信号に基づいて、前記物体表面の反射率の違い等の外的成分を除去する補正を行って前記距離を演算する第２の工程とを含むことを特徴とする形状計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強度変調された出射光を物体に向けて出射し、物体からの反射光と出射光との位相差に基づいて物体までの距離を計測する形状計測装置および形状計測方法に関し、特に、小型かつ安価で、光利用効率が高く、物体表面の反射率の違い等の外的条件に左右されることなく、正確に物体までの距離を計測可能な形状計測装置および形状計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
三次元形状を計測する方式として、パッシブ方式とアクティブ方式の２つが提案されている。パッシブ方式は、エネルギーを対象物体に放射することなしに形状を計測する方式であり、アクティブ方式は、何らかのエネルギーを対象物体に放射しその反射を検出することによって形状を計測する方式である。
【０００３】
パッシブ方式において、対象物体までの複数点の距離を計測する方法の一つとしてステレオ法がある。このステレオ法は、２台のカメラをある間隔をおいて設置し、得られた２つの画像の視差から三角法により対象物体までの距離を計測する方式である。この方式は、画像として取り込むことができれば遠方までの距離を計測することができるという特長はあるが、模様のない滑らかな面を持った表面全体の三次元計測を行うことができないという重大な問題点が存在する。また、２台のカメラの光軸を一致させることが原理的にできないため、距離を測定できない領域（オクルージョン）が発生するという欠点があった。
【０００４】
アクティブ法において、対象物体までの複数点の距離を計測する方法の一つとして光切断法がある。この光切断法は、スリット光をある角度で対象物体に照射し、それとは別の角度から撮像した画像から三角法により対象物体までの距離を計測する方式である。この方式は、比較的簡単な構成で実現できるという特長はあるが、スリット光を微少な角度単位で走査しなければならず、その度に画像を撮像するため、計測時間が長くなるという問題点がある。この問題点を解決するために光切断法を応用した方式に空間コード化法がある。この空間コード化法は、スリット光を何回も照射する替わりに、投影光のパターンをコード化することにより、少ない投影回数で距離を計測する方式であるが、水平方向のサンプル数をｎとすると、ｌｏｇ2ｎ回（ｎ＝５１２ポイントとして９回）の撮像を行わなければならないため、測定時間が長くなるという問題点があった。また、投光器と撮像器の光軸を一致させることが原理的にできないため、距離を測定できない領域（オクルージョン）が発生するという欠点があった。
【０００５】
アクティブ法において、１回の撮像で複数点の距離を計測できる方式の一つとして、強度変調された光を対象物体に照射し、その反射光の位相分布を計測する位相分布計測方式がある。
【０００６】
従来の位相分布計測方式としては、例えば、文献１「SPIE Vol,2588,1995年,126〜134ページに記載された論文(An new active 3D-Vision system based on rf-modulation interferometry light)」、および特許第２６９０６７３号、および、SPIE Vol.2748,1966年、47〜59ページ「The Emerging Versatility of a Scannless Range Imager」に示されるものがある。
【０００７】
図８は、文献１に示された従来の形状計測装置を示す。この形状計測装置１００は、光源１０１Ａから集光レンズ１０２を介してポッケルズセルのような結晶を用いた平面変調器１０３に出射された光に強度変調を施す変調／復調信号発生器１０４と、強度変調された光１０５ａを対象物体６に平面照射する投影レンズ１０６と、対象物体６で反射し結像レンズ１０７を介してポッケルズセルのような結晶を用いた平面復調器１０８に入射した反射光１０５ｂに強度復調を施す変調／復調信号発生器１０４と、強度復調を施された光信号を撮像するＣＣＤカメラ１０９とを有する。このような構成において、光源１０１Ａから発せられた光は、集光レンズ１０２により、平面変調器１０３に入射し、変調／復調信号発生器１０４の信号に基いて強度変調を施された後、その強度変調された光１０５ａは、投影レンズ１０６によって対象物体６に平面照射される。対象物体６からの反射光１０５ｂは、結像レンズ１０７により平面復調器１０８に入射し、変調／復調信号発生器１０４の信号に基いて強度復調を施された後、ＣＣＤカメラ１０９上に結像する。ＣＣＤカメラ１０９で撮像された濃淡画像は、対象物体６までの距離に起因する位相情報を含んでいる。コンピュータ１１０でこの濃淡画像を処理することにより、１回の撮像で対象物体６の距離データを得ることができる。
【０００８】
図９は、特許第２６９０６７３号公報に記載された従来の形状計測装置を示す。図８との相違点は、光源として半導体レーザ１０１Ｂを用いていること、ポッケルズセルのような結晶を用いた変調器は用いずに半導体レーザ１０１Ｂで直接強度変調を行っていること、ポッケルズセルのような結晶を用いた復調器は用いずにイメージインテンシファイア１１１で復調を行っていることの３点である。変調／復調信号発生器１０４の信号に基いて強度変調を施された光は、半導体レーザ１０１Ｂから放射された後、投影レンズ１０６によって対象物体６に平面照射される。対象物体６からの反射光１０５ｂは、結像レンズ１０７によりイメージインテンシファイア１１１に結像される。変調／復調信号発生器１０４の信号を高圧ドライブ回路１１２により高圧信号に変換し、イメージインテンシファイア１１１のゲインコントローラ端子に入力することにより強度復調された反射光は、ＣＣＤカメ１０９で撮像される。ＣＣＤカメラ１０９で撮像された濃淡画像は、対象物体６までの距離に起因する位相情報を含んでいる。コンピュータ１１０でこの濃淡画像を処理することにより、１回の撮像で対象物体６の距離データを得ることができる。
【０００９】
しかし、図８に示す形状計測装置１００によると、平面変調器１０３、平面復調器１０８にポッケルズセルのような結晶を用いた変調器／復調器を用いているため、非常に高価な装置となってしまうという欠点があった。また、この結晶を用いた変調器／復調器は開口が約数ミリ程度と小さいため、光源１０１Ａから放射された光および対象物体６で反射された光をこの開口に合わせて集光レンズ１０７を用いて集光しなければならず、装置が大型化してしまうという欠点があった。また、図９に示す形状計測装置１００によると、イメージインテンシファイア１１１を用いているため、非常に高価な装置となってしまうという欠点があった。また、このイメージインテンシファイア１１１を駆動するためには数百ボルトという高電圧信号を強度変調することが必要なため、駆動回路が複雑になるという欠点があった。また、このイメージインテンシファイア１１１はＣＣＤカメラ１０９に比べて大きいため装置全体が大型化してしまうという欠点があった。
【００１０】
そこで、高価な変調器／復調器や高価で大型のイメージインテンシファイアを用いることなく距離を計測する方式として、参照光を用いた位相分布計測方式による従来の形状計測装置として、例えば、特公昭５９−３０２３３号公報に示されるものがある。
【００１１】
図１０は、その従来の形状計測装置を示す。この形状計測装置１００は、発振器１２０の信号に基づく駆動回路１２１からの駆動信号によって所定の周波数で強度変調された光を出射する発光素子１２３と、発光素子１２３から投影レンズ１２４を介して入射した光を透過および反射させるビームスプリッタ１２５と、ビームスプリッタ１２５を透過し、物体６で反射し、再びビームスプリッタ１２５で反射した光、およびビームスプリッタ１２５で反射し、反射鏡１２８で反射して再びビームスプリッタ１２５を透過した光を集光レンズ１２６を介して受光する受光素子１２７と、受光素子１２７の出力信号を増幅する増幅器１２８と、増幅器１２８の出力信号を検波する検波器１２９と、検波器１２９の出力信号から振幅を読み取るレベル計１３０とを有する。
【００１２】
このような構成において、発振器１２０の信号に基づく駆動回路１２１からの駆動信号によって所定の周波数で強度変調された光が発光素子１２３から放射されると、その光は投影レンズ１２４を介してビームスプリッタ１２５に入射される。ビームスプリッタ１２５により透過された一方の光（照明光）は、物体６で反射し、再びビームスプリッタ１２５で反射され、集光レンズ１２６を介して受光素子１２７に入射される。ビームスプリッタ１２５により反射された他方の光（参照光）は、既知の距離に設置された反射鏡１２８により反射され、ビームスプリッタ１２５で透過され、同じく受光素子１２７に入射される。この２つの光は受光素子１２７上で光学的に合成され、その波形が電気信号に変換され、増幅器１２８に送られる。この波形の振幅は、受光素子１２７から物体６までの距離と受光素子１２７から反射鏡１２８までの距離との差により変化する。増幅された波形信号を検波器１２９により検波し、レベル計１３０で振幅を読み取ることにより物体６までの距離を算出することができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の形状計測装置によれば、発光素子１２３から受光素子１２７に至る間に照明光、参照光ともにビームスプリッタ１２５を２回通過するため、受光素子１２７に入射する光量が出射光の１／４になり、光利用効率が悪いという問題ある。
また、受光素子１２７に入射する光には、物体６表面の反射率の影響が含まれているため、受光素子１２７の出力信号に基づいて物体６までの距離を算出しているので、物体６表面の反射率の違いにより、正確な距離を測定できないという問題がある。
さらに、光軸に対して凹凸を持つ物体では正確な距離を測定できない、暗いところでは問題ないが、外光のあるところでは正確な距離を測定できない、三次元形状を測定するには光を２次元的に走査しなければならず、測定時間が長くなる等の通常の使用環境では距離測定が不可能となる重大な欠点がある。
【００１４】
従って、本発明の目的は、小型かつ安価で、光利用効率が高い形状計測装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、物体表面の反射率の違い等の外的条件に左右されることなく、正確に物体までの距離を計測し得る形状計測装置および形状計測方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、所定の周波数で強度変調された出射光を物体に向けて出射し、前記物体からの反射光と前記出射光との位相差に基づいて前記物体までの距離を計測する形状計測装置において、前記所定の周波数で強度変調された前記出射光を前記物体に向けて出射する光出射手段と、前記光出射手段から出射された前記出射光を所定の方向に反射する反射部材と、前記物体からの前記反射光と前記反射部材からの前記出射光とを受光し、それらの合成により前記位相差が反映された合成検出信号、前記出射光の出射によって前記物体で反射した前記反射光を受光して反射光検出信号、および前記反射部材からの前記出射光を受光して参照光検出信号を出力する検出手段と、前記合成検出信号、前記反射光検出信号および前記参照光検出信号に基づいて、前記物体表面の反射率の違い等の外的成分を除去する補正を行って前記距離を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする形状計測装置を提供する。
【００１６】
上記構成によれば、反射部材としては、例えば、出射光を所定の割合で透過および反射させるビームスプリッタ、あるいは物体への出射光の照射を妨げない位置に設けられた反射ミラーを用いることができる。反射部材としてビームスプリッタを用いることにより、出射光がビームスプリッタを通る回数が１回になるので、検出手段が受光する反射光と出射光の光量がビームスプリッタによって減少するのを抑制することが可能になる。反射部材として上記反射ミラーを用いることにより、検出手段が受光する反射光と出射光の光量が反射ミラーによって減少するのを防げる。また、合成検出信号、反射光検出信号および参照光検出信号に基づいて、物体表面の反射率の違い等の外的成分を除去する補正を行うことにより、物体までの距離が正確に求まる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る三次元形状計測装置を示す。この装置１は、変調信号を発生する変調信号発生器２と、変調信号発生器２からの変調信号に基づいて強度変調されたレーザ光からなる照明光４ａを出射する半導体レーザ３と、半導体レーザ３からの照明光４ａを対象物体６に向けて照射する投影レンズ５と、対象物体６で反射した反射光４ｂを光学フィルタ８を介して平面センサ９上に結像させる結像レンズ７と、半導体レーザ３からの照明光４ａを透過させるとともに、反射させ、その反射させたレーザ光を参照光４ｃとして光学フィルタ８を介して平面センサ９上に導くハーフミラー１０と、対象物体６と光学フィルタ８との間に配置された第１のシャッタ１１Ａと、ハーフミラー１０と光学フィルタ８との間に配置された第２のシャッタ１１Ｂと、平面センサ９の出力信号を濃淡情報として記憶する２次元の画像メモリ１２と、画像メモリ１２に記憶された濃淡情報に基づいて対象物体６の表面形状に関する距離データを２次元的に算出する距離演算部１３と、この装置１の各部を制御するＣＰＵ１４とを有する。
【００１８】
第１および第２のシャッタ１１Ａ，１１Ｂとしては、例えば、偏光子と検光子の間に透明電極を両端に設けた電気光学効果を有する単結晶板を配置したものを用いることができる。なお、液晶，機械式等を用いてもよい。また、本実施の形態では、電圧印加（ＯＮ）によって入射光を透過するものを用いる。
【００１９】
図２は、平面センサ９を構成する１つの画素回路を示す。平面センサ９は、振幅検出モードと光量検出モードとを有し、２次元状に配列された複数の画素を備える。１つの画素は、フォトダイオード９０と、第１のバイパス回路切り替え部９１Ａと、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ:High Pass Filter)９２と、比較器９３ａ，ダイオード９３ｂ，コンデンサ９３ｃからなるピークホールド回路９３と、電流変換回路９４と、第２のバイパス回路切り替え部９１Ｂと、第１のバイパス回路切り替え部９１Ａと第２のバイパス回路切り替え部９１Ｂとに接続され、ＨＰＦ９２とピークホールド回路９３をバイパスするバイパス配線９５と、スイッチ９６と、電荷蓄積回路９７とを備える。
【００２０】
図３（ａ）〜（ｄ）は、平面センサ９の動作を示す。第１および第２のバイパス回路切り替え部９１Ａ，９１ＢをＡ側に設定すると、同図（ａ）に示すように、フォトダイオード９０から信号Ｓａが出力され、そのフォトダイオード９０の出力信号Ｓａは、ＨＰＦ９２でＤＣ成分Ｖ0 がカットされて同図（ｂ）に示す高周波信号Ｓｂとなり、ピークホールド回路９３に入力される。ピークホールド回路９３により同図（ｃ）に示すように振幅のピーク値が保持されたピーク値信号Ｓｃが出力される。このピーク値信号Ｓｃは非常に低電圧であり、検出が困難であるため、電流変換回路９４により電流に変換してから電荷蓄積回路９７に一定時間蓄積している。電荷蓄積回路９７の蓄積電圧Ｓｄは、同図（ｄ）に示すように、直線的に増加し、レーザ光の変調周波数ω／２πと比較して十分大きな時間Ｔ1 の期間積分すると、容易に検出可能な電圧値Ｖとなる。この電圧値Ｖは合成光の振幅に比例することは明らかである。データ転送期間Ｔ2 に電圧値Ｖは距離演算部１３に転送される。電荷蓄積回路９７からは、対象物体６からの強度変調光の振幅が検出され、対象物体６までの距離に対応した位相データを含んだ画像信号が得られる。放電期間Ｔ3 で電荷蓄積回路９７はスイッチ９６により接地され、蓄積された電荷は放出され、その後再び蓄積が開始される。一方、第１および第２のバイパス回路切り替え部９１Ａ，９１ＢをＢ側に設定すると、フォトダイオード９０の出力信号Ｓａは直接電荷蓄積回路９７に入力され、対象物体６からの定常光の平均輝度が検出され、対象物体６の輝度データが得られる。これらの回路によりフォトダイオード９０の出力信号Ｓａの高周波成分の振幅を電圧の形で検出することが可能となる。
【００２１】
次に、本装置１の動作を図４および図５をも参照し、図６のフローチャートに従って説明する。図４（ａ），（ｂ）は、反射光４ｂの位相遅れにより合成光の振幅が変化することを計算機シミュレーションにより表した図である。図５（ａ）は、照明光４ａ、参照光４ｃおよび外光４ｄによる撮像状態を示し、図５（ｂ）は、照明光４ａおよび外光４ｄによる撮像状態を示し、図５（ｃ）は、参照光４ｃのみによる撮像状態を示す。
【００２２】
（１）照明光４ａ、参照光４ｃおよび外光４ｄによる撮像
ここでは、図５（ａ）に示すように、強度変調された照明光４ａ、参照光４ｃ、および外光４ｄを用いた照明条件で対象物体６を撮像する（ＳＴ１）。すなわち、ＣＰＵ１４は、変調信号発生器２への制御信号により、半導体レーザ３から強度変調された照明光４ａを発生させる。また、ＣＰＵ１４は、第１および第２のシャッタ１１Ａ，１１Ｂへの制御信号により、両シャッタ１１Ａ，１１Ｂを開状態にし、対象物体６からの反射光４ｂ、および参照光４ｃを全て透過させる。すなわち、半導体レーザ３からの照明光４ａは、投影レンズ５を介してハーフミラー１０に入射する。ハーフミラー１０に入射した照明光４ａは、透過する光と反射する光に２分される。ハーフミラー１０を透過した照明光４ａは、対象物体６に照射され、対象物体６で反射した反射光４ｂは、結像レンズ７、および第１のシャッタ１１Ａを通り、光学フィルタ８を介して平面センサ９上に結像される。ハーフミラー１０で反射した参照光４ｃは、第２のシャッタ１１Ｂおよび光学フィルタ８を介して平面センサ９に入射する。従って、平面センサ９には、反射光４ｂと参照光４ｃとの合成光が入射する。また、ＣＰＵ１４は、平面センサ９への制御信号により、平面センサ９の光検出モードを強度変調光の振幅を検出する振幅検出モードに設定する。この状態で撮像することにより、後述する式（６）で表されるような反射光４ｂと参照光４ｃとの合成光の振幅情報が濃淡情報（画像データＡｎ）として画像メモリ１２に記憶される。
【００２３】
（２）照明光４ａおよび外光４ｄによる撮像
ここでは、図５（ｂ）に示すように、強度変調された照明光４ａを照射し、参照光４ｃを遮光し、外光４ｄが照射された状態で対象物体６を撮像する（ＳＴ２）。すなわち、ＣＰＵ１４は、変調信号発生器２への制御信号により半導体レーザ３から強度変調された照明光４ａを発生させる。また、ＣＰＵ１４は、第１および第２のシャッタ１１Ａ，１１Ｂへの制御信号により、第１のシャッタ１１Ａを開状態にし、第２のシャッタ１１Ｂを閉状態にして、対象物体６からの反射光４ｂを透過させ、参照光４ｃを遮光し、また、平面センサ９への制御信号により、平面センサ９の光検出モードを強度変調光の振幅を検出する振幅検出モードに設定する。この状態で撮像することにより、後述する式（７）で表されるような反射光４ｂの振幅情報が濃淡情報（画像データＢｎ）として２次元的に画像メモリ１２に記録される。
【００２４】
（３）参照光４ｃのみによる撮像
次に、ＣＰＵ１４は、半導体レーザモニタ出力線１４ａを監視し（ＳＴ３）、レーザ出力の変動が設定された閾値より大きい場合は、以下の撮像を行う（ＳＴ４）。レーザ出力の変動が設定された閾値より小さい場合は、撮像を終了する。但し、本装置１の起動時に１回だけ以下の撮像を行って得られた濃淡情報（画像データＣｎ）を画像メモリ１２に格納しておき、後述する距離データの算出に用いる。ここでは、図５（ｃ）に示すように、対象物体６からの反射光４ｂを遮光し、参照光４ｃのみを撮像する。すなわち、ＣＰＵ１４は、変調信号発生器２への制御信号により、半導体レーザ３から強度変調された照明光４ａを発生させる。また、ＣＰＵ１４は、第１および第２のシャッタ１１Ａ，１１Ｂへの制御信号により、第１のシャッタ１１Ａを閉状態にし、第２のシャッタ１１Ｂを開状態にして、対象物体６からの反射光４ｂを遮光し、参照光４ｃを透過させる。また、平面センサ９への制御信号により、平面センサ９の光検出モードを強度変調光の振幅を検出する振幅検出モードに設定する。この状態で撮像することにより、後述する式（８) で表されるような参照光４ｃによる振幅情報が濃淡情報（画像データＣｎ）として２次元的に画像メモリ１２に記録される。
【００２５】
（４）距離データを２次元的に算出
距離演算部１３では、このように撮像された２〜３枚の画像データＡｎ，Ｂｎ，Ｃｎを基に後述する式（１２）により距離データを２次元的に算出する（ＳＴ５）。
【００２６】
以下、この算出ついて詳細に説明する。変調の角周波数をω、振幅を２Ｅとすると、半導体レーザ３から放射される強度変調光からなる照明光４ａは、次の式（１）のように表される。
Ｉ0＝Ｅ（ｓｉｎωｔ＋１）                                ・・・（１）
【００２７】
対象物体６までの距離が０〜２．５ｍとすると、必要とされる変調周波数は３０ＭＨｚとなる。ハーフミラー１０の光透過率をａ、対象物体６上のある点での反射係数をＣn とすると、その点が平面センサ９上に結像された地点ｎに入射する反射光４ｂの強度は、外光４ｄの強度をｅとすると、次の式（２）のように表される。
Ｉn＝ｄ1Ｃn・ａＥ｛ｓｉｎ（ωｔ＋φn）＋１｝＋ｅ          ・・・（２）
【００２８】
ここで、ｄ1は本装置１の光学系（投影系および結像系）で決まる定数、φn は平面センサ９上に入射する光の光源からの飛行距離に起因する位相遅れである。（半導体レーザ３〜対象物体６）＋（対象物体６〜平面センサ９）間の距離をＬとすると、
φn＝ωＬ／Ｃ      ただし、Ｃは光速
【００２９】
一方、ハーフミラー１０の反射率をｂとし、半導体レーザ３から平面センサ９までの光路長、および平面センサ９の大きさが変調波の波長と比較して十分に小さいとすると、平面センサ９上での参照光４ｃの強度は一様となり、平面センサ９上の地点ｎでは、次の式（３）のように表される。
Ｒn＝ｄ2ｂＥ（ｓｉｎωｔ＋１）                          ・・・（３）
ここで、ｄ2は本装置１の光学系（結像系）で決まる定数である。
【００３０】
平面センサ９上の地点ｎでの光の強度Ｐnは、反射光４ｂと参照光４ｃの合成光となり、式（２)と式（３）の加算により次の式（４）のように表される。
【数１】
0003711808.tif 000002
ただし、
【数２】
0003711808.tif 000003
図４（ａ）では、対象物体６までの距離が比較的小さい場合、つまり位相遅れが小さい場合（π／４遅れ）であり、合成光の振幅は大きくなる。図２（ｂ）では、対象物体６までの距離が比較的大きい場合、つまり位相遅れが大きい場合（７π／８遅れ）であり、合成光の振幅は小さくなる。合成光は、上記式（４）で表されるように、ＤＣ成分
（ｄ1Ｃnａ＋ｄ2ｂ）Ｅ＋ｅ
および、高周波成分
【数３】
0003711808.tif 000004
の和となる。振幅項の中に現れるｄ1・Ｃn・ａＥおよびｄ2・ｂＥは、強度変調しないした光を照射したときの反射光（物体６の表面反射率を含む）４ｂおよび参照光４ｃの振幅成分であるので、予め次のように測定しておくことが可能である。
【００３１】
図５（ａ）の撮像状態のとき、平面センサ９に入射する強度変調光の振幅を２Ａnとすると、Ａnは次の式（６）のように表される。
【数４】
0003711808.tif 000005
図５（ｂ）の撮像状態のとき、平面センサ９に入射する光の強度は次のように表される。強度変調光の振幅を２Ｂnとすると、Ｂnは次の式（７）ように表わされる。
Ｂn＝ｄ1ＣnａＥ                                        ・・・（７）
【００３２】
図５（ｃ）の撮像状態のとき、平面センサ９に入射する光の強度は次の式（８）ように表される。
Ｃn＝ｄ2ｂＥ                                            ・・・（８）
【００３３】
式（６），（７），（８）より、合成波の振幅は、次の式（９）のように表される。
【数５】
0003711808.tif 000006
光源である半導体レーザ３と対象物体６との距離、および対象物体６と平面センサ９との間の距離をＬ、光速をＣとすると、位相遅れφnは、次の式（１１）のように表される。
φn＝ωＬ／Ｃ                                          ・・・（１１）
【００３４】
上記式（９），（１１）より距離Ｌは、先に述べた３種類の画像データＡｎ，Ｂｎ，Ｃｎにより次の式（１２）のように表される。
【数６】
0003711808.tif 000007
従って、対象物体６までの距離を算出するには、３種類の画像データＡｎ，Ｂｎ，Ｃｎを検出すればよいことになる。式（１２）には対象物体６の反射係数Ｃn、光学系に起因する定数ｄ1，ｄ2、および外光強度ｅが含まれないので、どのような反射率分布を持った物体をどのような外光４ｄ下で撮像しても距離情報を取得することができる。
【００３５】
上述した第１の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（イ）半導体レーザ３から出射された照明光４ａおよび参照光４ｃのハーフミラー１０を通る回数が共に１回になるので、平面センサ９が受光する反射光４ｂと参照光４ｃの光量の減少を抑制することが可能になる。
（ロ）光を復調する手段として従来用いられてきた結晶による光強度復調器、イメージインテンシファイア等の高価で大型な手段を必要とせずに、物体６までの距離に応じた位相分布が得られるため、安価で小型の三次元形状計測装置を提供することができる。
（ハ）平面センサ９の前面に光源の光を選択的に透過する光学フィルタ８を設けているので、光源として赤外線もしくは紫外線などを用いれば、外光４ｄの影響による誤差の小さい、高精度な三次元形状を計測することができる。
（ニ）対象物体６までの距離に応じた位相分布を電圧値として計測できるため、三次元形状を容易に計測することができる。
（ホ）１つの平面センサ９で距離画像と輝度画像の両方を得ることができ、この二つの画像は画素が１対１に対応しているため、距離画像を用いた輝度画像の画像処理を容易に行うことができる。
（ヘ）照明条件の異なる３枚の画像を撮像することにより、どのような反射率分布を持った対象物体６をどのような外光４ｄ下で撮像しても距離情報を取得することができる。
（ト）距離画像と輝度画像の両方が得られるので、例えば、スタジオで撮像した画像と建築画像および背景画像とを合成した合成画像の作成や合成画像から物体画像を切り出す処理等が容易になる。
【００３６】
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る形状計測装置を示す。この第２の実施の形態は、第１の実施の形態のハーフミラー１０の代わりに、対象物体６に照射される照明光４ａの光路（同図中点線で示す。）から外れた位置に反射ミラー１５を配置したものであり、他は第１の実施の形態と同様に構成されている。この第２の実施の形態によれば、平面センサ９に入射する反射光４ｂの光量がハーフミラー１０によって半減しないため、平面センサ９の出力信号が大きくなり、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００３７】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々に変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態では、光源として半導体レーザを使用しているが、原理的にコヒーレントな光を必要としないため、一般的な光源、例えば、キセノンランプ，ストロボ等を用いることも可能である。
また、上記実施の形態では、反射光４ｂと参照光４ｃを共通の平面センサ９で受光したが、反射光４ｂを平面センサで受光し、参照光４ｃを１つあるいは複数の受光素子で受光し、各々の出力信号を合成した合成信号を出力するようにしてよい。この場合、ハーフミラー等の反射部材を省略して出射光４ａを参照光として直接取り込むことも可能である。
また、第１の実施の形態では、ハーフミラー１０を用いたが、入射光を所定の比率で透過および反射させるビームスプリッタでもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光出射手段から出射された出射光、および物体からの反射光の光量が反射部材によって減少するのを抑制することができるので、光利用効率が高くなる。また、出射光と反射光との位相差に基づいて物体までの距離を計測しているので、高価な変調器／復調器や高価で大型のイメージインテンシファイアを用いる必要がないため、小型かつ安価な形状計測装置および形状計測方法を提供することができる。
また、物体表面の反射率の違い等の外的成分を除去する補正を行って物体までの距離を演算することにより、正確に物体までの距離を計測することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る三次元形状計測装置の構成図
【図２】第１の実施の形態に係る平面センサを構成する画素回路を示すブロック図
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施の形態に係る平面センサの動作を説明するための波形図
【図４】（ａ），（ｂ）は、反射光の位相遅れにより合成光の振幅が変化することを計算機シミュレーションにより表した図
【図５】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、第１の実施の形態に係る三次元形状計測装置の動作を説明するための図
【図６】第１の実施の形態に係る三次元形状計測装置の動作を説明するためのフローチャート
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る三次元形状計測装置の構成図
【図８】従来の三次元形状計測装置の構成図
【図９】従来の三次元形状計測装置の構成図
【図１０】従来の三次元形状計測装置の構成図
【符号の説明】
１  三次元形状計測装置
２  変調信号発生器
３  半導体レーザ
４ａ  照明光
４ｂ  反射光
４ｃ  参照光
５  投影レンズ
６  対象物体
７  結像レンズ
８  光学フィルタ
９  平面センサ
１０  ハーフミラー
１１Ａ，１１Ｂ  シャッタ
１２  画像メモリ
１３  距離演算部
１４  ＣＰＵ
１４ａ  半導体レーザモニタ出力線
１５  反射ミラー
９０  フォトダイオード
９１Ａ  第１のバイパス回路切り替え部
９１Ｂ  第２のバイパス回路切り替え部
９２  ハイパスフィルタ（ＨＰＦ)
９３  ピークホールド回路
９３ａ  比較器
９３ｂ  ダイオード
９３ｃ  コンデンサ
９４  電流変換回路
９５  バイパス配線
９６  スイッチ
９７  電荷蓄積回路
【図１】
0003711808.tif 000008
【図２】
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【図３】
0003711808.tif 000010
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003711808.tif 000015
【図９】
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【図１０】
0003711808.tif 000017