(57)【要約】【課題】  簡単な装置構成で一括に物体の高精度な形状計測を行うことができる３次元形状計測方法および装置を提供する。【解決手段】  ３次元形状計測装置は、物体１に同心円状の縞模様２を投影する投影装置３と、縞模様２を撮影する撮像装置４と、縞模様２の撮影情報から取得した物体１までの距離情報に基づいて物体１の３次元形状計測を行う演算処理装置５とを備える。同心円状の縞模様２は、例えばプロジェクタあるいは半導体レーザを用いた光干渉投射装置を用いて形成することができる。演算処理装置５は、縞模様２の撮影画像濃度の極小値または極大値を表わす画素ナンバーに基づいて距離情報を取得することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロジェクタを用いて物体に同心円状の縞模様を投影し、前記縞模様を撮影し、前記縞模様の撮影情報から取得した物体までの距離情報に基づいて前記物体の３次元形状計測を行うことを特徴とする３次元形状計測方法。
【請求項２】
物体に同心円状の縞模様を投影し、前記縞模様を撮影し、前記縞模様の撮影情報から取得した物体までの距離情報に基づいて前記物体の３次元形状計測を行う３次元形状計測方法であって、前記距離情報が、前記縞模様の撮影画像濃度の極小値または極大値を表わす画素ナンバーに基づいて取得されることを特徴とする３次元形状計測方法。
【請求項３】
前記同心円状の縞模様が、プロジェクタを用いて形成されることを特徴とする請求項２記載の３次元形状計測方法。
【請求項４】
前記同心円状の縞模様が、半導体レーザを用いた光干渉投射装置を用いて形成されることを特徴とする請求項２記載の３次元形状計測方法。
【請求項５】
プロジェクタを用いて物体に同心円状の縞模様を投影する投影装置と、前記縞模様を撮影する撮像装置と、前記縞模様の撮影情報から取得した物体までの距離情報に基づいて前記物体の３次元形状計測を行う演算処理装置とを備えたことを特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項６】
物体に同心円状の縞模様を投影する投影装置と、前記縞模様を撮影する撮像装置と、前記縞模様の撮影情報から取得した物体までの距離情報に基づいて前記物体の３次元形状計測を行う演算処理装置とを備え、前記演算処理装置が、前記縞模様の撮影画像濃度の極小値または極大値を表わす画素ナンバーに基づいて前記距離情報を取得することを特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項７】
前記同心円状の縞模様がプロジェクタを用いて形成されることを特徴とする請求項６記載の３次元形状計測装置。
【請求項８】
前記同心円状の縞模様が半導体レーザを用いた光干渉投射装置を用いて形成されることを特徴とする請求項６記載の３次元形状計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の３次元形状計測を行うための３次元形状計測方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
物体の形状計測は、従来から種々の方法が提案されているが、代表的な手法として、ステレオ画像法、光切断法、あるいは、高精度な計測に向いている光干渉法などがある。ステレオ画像法は、例えば、視点を変えた左右２枚の対象物画像を取り込み、両画像の対応点を抽出することにより視差を算出し、三角測量の原理により対象物までの距離を求める方式である。
【０００３】
また、光切断法は、例えば、光源と撮像面を幾何学的に既知の配置にしておき、射出部と撮像面からなる線（基線）に対する光源から射出された光の角度と撮像面上の反射像と対象物上の像を結ぶ線と基線がなす角度から、三角測量の原理に基づいて対象物までの距離を求めるものである。
【０００４】
さらに、光干渉法は、例えば、特許文献１に記載のように、レーザ光源から出た光をビームスプリッターなどを用いて２つに分割し、その一方を対象物に照射し、他方を参照光としてミラーに照射して元の光路に戻し、対象物からの反射光と参照光とを重ね合わせて干渉させる方法である。この方法では、波長以下の分解能で位置や変位を計測できるという特徴がある。
【特許文献１】特開２０００−１７１２０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ステレオ画像法は、装置構成が簡単であるが単調なテクスチャを持つ物体は計測できない、あるいは、左右２枚の画像に特徴的な画像情報がない場合、対応点の決定にあいまいさが残り計測精度が低くなるという問題がある。また、光切断法は、計測精度に優れているが計測に時間がかかり、また装置構成が複雑で高価である、あるいは光線等を対象物全体に照射して走査しなければならず、計測時間が長くかかるという問題がある。さらに、光干渉法は、一括で高精度な計測が可能だが、光学系が複雑で装置が大掛かりで高価である。すなわち、ビームスプリッターや反射ミラーなどの光学部品が必要で、部品数が多く、かつコストが高いという問題がある。また、これらの部品の組立には高い位置精度が要求され、手間がかかりコストが高いという問題がある。
【０００６】
従って本発明の目的は、これらの問題を解決し、簡単な装置構成で一括に物体の高精度な形状計測を行うことができる３次元形状計測方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、プロジェクタを用いて物体に同心円状の縞模様を投影し、前記縞模様を撮影し、前記縞模様の撮影情報から取得した物体までの距離情報に基づいて前記物体の３次元形状計測を行う３次元形状計測方法により、達成される。また、上記目的は、物体に同心円状の縞模様を投影し、前記縞模様を撮影し、前記縞模様の撮影情報から取得した物体までの距離情報に基づいて前記物体の３次元形状計測を行う３次元形状計測方法であって、前記距離情報が、前記縞模様の撮影画像濃度の極小値または極大値を表わす画素ナンバーに基づいて取得される３次元形状計測方法により、達成される。ここで、前記同心円状の縞模様はプロジェクタまたは半導体レーザを用いた光干渉投射装置を用いて形成することができる。
【０００８】
本発明に係る３次元形状計測装置は、プロジェクタを用いて物体に同心円状の縞模様を投影する投影装置と、前記縞模様を撮影する撮像装置と、前記縞模様の撮影情報から取得した物体までの距離情報に基づいて前記物体の３次元形状計測を行う演算処理装置とを備えたものである。また、本発明に係る３次元形状計測装置は、物体に同心円状の縞模様を投影する投影装置と、前記縞模様を撮影する撮像装置と、前記縞模様の撮影情報から取得した物体までの距離情報に基づいて前記物体の３次元形状計測を行う演算処理装置とを備え、前記演算処理装置が、前記縞模様の撮影画像濃度の極小値または極大値を表わす画素ナンバーに基づいて前記距離情報を取得するものである。ここで、前記同心円状の縞模様はプロジェクタまたは半導体レーザを用いた光干渉投射装置を用いて形成することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、簡単な装置構成で一括に物体の高精度な形状計測を行うことができる３次元形状計測方法および装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明に係る３次元形状計測装置の一実施例を示す図である。本実施例は、図示のように、物体１に同心円状の縞模様２を投影する投射装置３と、この縞模様２を撮影する撮像装置４と、この縞模様２の撮影情報から取得した物体１までの距離情報に基づいて物体１の３次元形状計測を行う演算処理装置（ＰＣ）５とを備える。この演算処理装置５は、本実施例では撮像装置４の外部に接続されたパソコン（ＰＣ）としたが、撮像装置４に内蔵することもできる。
【００１１】
図１において、投射装置３と撮像装置４とは紙面上下方向に離隔しており、投射装置３と撮像装置４のレンズ主点は異なる位置に配置される。投射装置３から同心円状の縞模様２を所定の画角６で物体１に投射する。これを撮像装置４により所定の画角７で撮像する。この同心円状の縞模様２は、プロジェクタを用いて形成してもよいし、あるいは半導体レーザ（ＬＤ）を用いた光干渉投射装置を用いて形成してもよい。本発明で用いる光干渉投射装置は、例えば次のように構成される。
【００１２】
図２は、本発明で用いる光干渉投射装置の一例を示す図である。本例の光干渉投射装置は、半導体レーザ光源と同心円状の縞模様（同心円干渉模様）を形成するレンズとを組み合わせたものである。この光干渉投射装置を用いて、同心円の間隔が等間隔である同心円を形成する。図２に示すように、光干渉投射装置２１は、波長８５０ｎｍの半導体レーザ光源２２と同心円干渉模様を形成するリング形状レンズ２３とで構成した。レンズ外径は６ｍｍとした。光軸を通る平面によるレンズ入射面の断面はｘ＝０．３＊（ｙ−１．５）１．５５（単位はｍｍ）の非球面で構成した。ここで、ｘは光軸で光の進行方向を正とし、ｙは光軸に垂直な半径方向の軸である。レンズ２３の光出射面は曲率半径Ｒ＝−６２ｍｍの凹面の球面とした。レンズ材質の屈折率は１．５１で、光軸上のレンズ厚さは３ｍｍとした。
【００１３】
このレンズ２３に半導体レーザ光源２２から出射した光をコリメータレンズ２４で平行光として入射させた。この場合、光軸より上側を通過した光は物体に光線軌跡２５を経由して照射される。同様に、光軸より下側を通過した光は物体に光線軌跡２６を経由して照射される。物体上の同一点（干渉点）２７に到達した光は、同一光源より発せられたレーザ光であるので干渉する。このように、一つの光源から放出されたレーザ光は光軸上平面において仮想的に２点の光源から放出されたレーザ光であるように、物体に投影される。
【００１４】
レンズ出射面から投影平面までの距離を３ｍとした場合に、投影平面に形成される同心円干渉模様は円中心から外周部に至るまで、そのピッチが全て０．８５〜０．８６ｍｍになることがシミュレーション結果から分かった。これを図３（ａ）、（ｂ）に示す。即ち、光源の光軸と平面が垂直であれば、同心円干渉模様のピッチは平面内のどこでもほぼ同じになることが判明した。このピッチは距離に比例する。従って、同心円ピッチから光干渉投射装置までの光軸上の距離を求めることができる。
【００１５】
この同心円干渉模様のピッチと距離の関係を図１の演算処理装置５の記憶装置（図示しない）にテーブル化し格納しておく。ピッチあるいは、同心円干渉模様（サインカーブ）の極小値や極大値を表す画素ナンバーの位置が分かれば、撮像装置から物体までの距離が一意的に決まる。
【００１６】
次に、本発明における３次元形状計測方法について説明する。説明の都合上、投射装置と撮像装置の光軸はほぼ同軸と見なすことができ、また計測物体は平面で撮像装置の光軸に対して正対しているとする。図１の物体１のａ方向における撮像画像の濃度勾配を表すグラフを図４および図５に示す。各グラフの縦軸は撮像画像の濃度（色が濃い場合は数値が大）であり光軸方向を原点にしている。横軸は画素ナンバーである。原点は同心円の中心である。グラフはサインカーブを描く。図１の演算処理装置５において、複数ある極小値や極大値が原点から何番目であるかを数える。この何番目かが分かっている極小値や極大値を表す画素ナンバーは、距離を一意的に表すことができる。したがって、これらの各画素の距離情報を総合することにより物体の３次元形状計測を行うことができる。
【００１７】
図４の例は、撮像装置から物体までの距離が５０ｃｍの時を表している。すなわち、１番目の極小値が１０画素目であるときは、上述のＰＣ５のテーブルを参照することにより、物体と撮像装置の距離は５０ｃｍであると一意的に決まる。また、図５の例は、撮像装置から物体までの距離が１００ｃｍの場合を示している。物体が離れると撮像装置の画角の広がりに対して、投射装置の画角は広がり大きいので、サインカーブの周期は大きくなり、第一の極小値を表す画素ナンバーは５０ｃｍの１０画素目から１８画素目に変わる。すなわち、１番目の極小値が１８画素目であるときは、上述のＰＣ５のテーブルを参照することにより、物体と撮像装置の距離は１００ｃｍであると一意的に決まる。このように、何番目かが分かっている極小値や極大値を表す画素ナンバーの各距離情報を総合して物体の３次元形状計測を行う。
【００１８】
図１の場合は、物体１は平面で撮像装置４の光軸に対して正対しているので、物体１のａ方向以外の方向でも、同心円干渉模様の撮像画像の濃度勾配はａ方向と同様なサインカーブを描く。しかし、物体１が撮像装置４に対して正対していない場合は、撮像画像におけるサインカーブの周期は一定でなくなる。これについて次に説明する。
【００１９】
図６は、物体が撮像装置に対して正対していない場合の３次元形状計測方法を説明するための図である。図示のように、物体６１が撮像装置４に対して正対していない場合、物体６１のａ方向における撮像画像のサインカーブの周期は一定しているが、それ以外のｂ方向やｃ方向等では撮像画像におけるサインカーブの周期が一定でなくなる。しかしながら、原点から何番目かが分かっている極小値や極大値を表す画素ナンバーとの関係から、距離は図１の場合と同様に算出される。本例の場合も、サインカーブの周期（ピッチ）と距離の関係が図１のＰＣ５の記憶装置（図示しない）にテーブル化し格納されているので、ピッチあるいは、同心円干渉模様（サインカーブ）の極小値や極大値を表す画素ナンバーの位置が分かれば、撮像装置から物体までの距離が一意的に決まる。この何番目かが分かっている極小値や極大値を表す画素ナンバーの各距離情報を総合して物体の３次元形状計測を行うことができる。
【００２０】
図７は、本発明に係る３次元形状計測装置の他の実施例を示す図である。本実施例は、図示のように、ハーフミラー７１にて投射装置３と撮像装置４の光軸を一致させる点で図１の実施例と異なるが、その他は図１の実施例と同様である。本実施例でも、投射装置３と撮像装置４のレンズ主点は異なる位置に配置される。投射装置３から同心円状の縞模様２をハーフミラー７１を介して所定の画角６で物体１に投射する。これをハーフミラー７１を介して撮像装置４で撮像する。同心円状の縞模様２は、プロジェクタを用いて形成してもよいし、あるいは半導体レーザ（ＬＤ）を用いた光干渉投射装置を用いて形成してもよい。プロジェクタを用いる利点としては、計測物体の形状に合わせて、ユーザは所定のピッチの縞模様を容易に変更できる点が挙げられる。
【００２１】
本実施例は、上記図１の実施例と同様の方法で、物体の３次元形状計測を行うことができる。すなわち、本実施例の場合も、同心円状の縞模様のサインカーブの周期（ピッチ）と距離の関係がＰＣ５の記憶装置（図示しない）にテーブル化し格納されているので、ピッチあるいは、同心円干渉模様（サインカーブ）の極小値や極大値を表す画素ナンバーの位置が分かれば、撮像装置から物体までの距離が一意的に決まる。この何番目かが分かっている極小値や極大値を表す画素ナンバーの各距離情報を総合して物体の３次元形状計測を行うことができる。本実施例によれば高精度計測型の装置を得ることができる。
【００２２】
以上のように、本発明によれば、簡単な装置構成で一括に物体の高精度な３次元形状計測を行うことができる。本発明に係る計測方法は、例えば、特に、紙のカールの度合い等を計測するのに好適である。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、物体の３次元形状計測を行うための３次元形状計測方法および装置に関するものであり、産業上の利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る３次元形状計測装置の一実施例を示す図である。
【図２】本発明で用いる光干渉投射装置の一例を示す図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は光干渉投射装置により形成される同心円干渉模様のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】図１の物体１のａ方向における撮像画像の濃度勾配の一例を示すグラフである。
【図５】図１の物体１のａ方向における撮像画像の濃度勾配の他の例を示すグラフである。
【図６】物体が撮像装置に対して正対していない場合の３次元形状計測方法を説明するための図である。
【図７】本発明に係る３次元形状計測装置の他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  物体
２  同心円状の縞模様
３  投射装置
４  撮像装置
５  演算処理装置（ＰＣ）
６  投射装置画角
７  撮像装置画角
２１  光干渉投射装置
２２  半導体レーザ
２３  リング形状レンズ
２４  リング形状レンズ
２５、２６  光線軌跡
２７  干渉点（干渉模様）
７１  ハーフミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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