(57)【要約】【課題】  測定物体方面から戻る反射光（反射パルス）から距離決定を行うさいに、照射パターンのパルスパターンを簡単に実現でき、パルス光量変動に対する安定性を向上させる形状測定装置を提供する。【解決手段】  測定物体２０に照射パターンを照射する照射手段２１と、前記測定物体２０表面で反射された撮像パターンを得る前記照射手段２１と光学的に同じ位置にある撮像手段２２とを備え、前記撮像パターンから前記測定物体２０の表面形状を得る形状測定装置において、前記測定物体２０は前記照射手段２１から距離Ｌ１からＬ２の範囲に存在し、前記照射パターンはＬ１とＬ２の時間遅延ｔｐをｂ＾ｍ分割し、かつ各分割時間の間にレベル０からｂ−１の一定で離散的な光強度を採るｔｐを周期とする多値光パルス列であり、前記撮像手段２２は距離Ｌ１にある前記測定物体２０からの反射光が前記撮像手段２２に戻る時間ｔ１のタイミングで撮像パターンの光強度を計測し、計測された光強度を２値化したｎ種類のコードから、前記測定物体２０の距離を求める。【選択図】  図１
2006337309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定物体に照射パターンを照射する照射手段と、前記測定物体表面で反射された撮像パターンを得る前記照射手段と光学的に同じ位置にある撮像手段とを備え、前記撮像パターンから前記測定物体の表面形状を得る形状測定装置において、前記測定物体は前記照射手段から距離Ｌ１からＬ２（Ｌ２＞Ｌ１とする）の範囲に存在し、ｂを正の整数、ｍ＝１,...ｎ,ｎは正の整数、ｃを光速とした場合、前記照射パターンはＬ１とＬ２の時間遅延ｔｐ＝２（Ｌ２−Ｌ１）／ｃをｂm分割し、かつ各分割時間の間にレベル０からｂ−１の一定で離散的な光強度を採るｔｐを周期とする多値光パルス列であり、前記撮像手段は距離Ｌ１にある前記測定物体からの反射光が前記撮像手段に戻る時間ｔ１のタイミングで撮像パターンの光強度を計測し、計測された光強度を２値化したｎ種類のコードから、前記測定物体の距離を求めることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記照射パターンは、ｂが２であり、ｍ＝１の場合は｛０,１｝、ｍ＝２の場合は｛０,１,０,１｝と、１と０が交互に繰り返されることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記照射パターンは、ｂが２であり、いわゆるグレーコードであることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項４】
さらに、前記撮像手段は距離Ｌ１にある前記測定物体からの反射光が前記撮像手段に戻る時間を起点にして積算計測された光強度をＰ１、前記撮像手段は距離Ｌ１にある測定物体からの反射光が前記撮像手段に戻る時間ｔ１からさらにｄｔだけ遅れた時間を起点にし、計測される２値の光量が反転するようにｄｔを選び、計測された光強度をＰ２として、光量差（Ｐ１−Ｐ２）の正負を２値化したｎ種類のコードから、測定物体の距離を求めることを特徴とする請求項２または３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記照射手段の前方の距離Ｌｏに半透明の反射板を設け、この反射板から戻る反射光の戻り時間ｔｏから、撮像に対する照射の遅れｔｄをｔｄ＝ｔｏ−２Ｌｏ／ｃ（ｃは光速）で求めて遅れを補正することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項６】
前記撮像手段から一定の光量を照射して計測した撮像光の光強度をＰｍａｘ、前記撮像手段から光照射を行わずに計測した背景光の光強度をＰｍｉｎ、計測した光強度をＰ、規格化光強度をＰｎｏｒｍ＝Ｋ（Ｐ−Ｐｍｉｎ）／（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）で求め、定数ＫをＰｎｏｒｍの最大値を１とするように決め、Ｐｎｏｒｍを２値化して形状を求めることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項７】
前記照射手段は、レーザダイオードや発光ダイオードなどの半導体光源であり、前記撮像手段は、光シャッタつきのＣＣＣＤ素子、またはＣＭＯＳ素子であることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項８】
前記照射手段は、レーザダイオードや発光ダイオードなどの半導体光源であり、前記撮像手段は電子増倍作用を持ったイメージインテンシファイアであることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項９】
前記照射手段の光源を赤外光源とし、前記撮像手段に可視光を除去する光フィルタを設けることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項１０】
前記照射手段の光源を赤外光源とし、前記撮像手段に赤外光と可視光を分離する第２のミラーを設け、分離した赤外光から形状を測定し、可視光から形状に貼り付けるテキスチャデータを得ることを特徴とする請求項９に記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定物体に照射パターンを照射し、測定物体表面で反射された撮像パターンを得、撮像パターンから測定物体の表面形状を得るようになされる非接触型の形状計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来では、人物や商品などを撮像するさいに、背景抜き出しや測定物体の表面形状を計測する形状測定装置において、測定物体に光パターン照射し、測定物体表面で反射された光パターンを得、この光パターンから測定物体の表面形状を計算することが知られている（例えば、特許文献１および２、および非特許文献１参照）。
人物や商品などを撮像するさいに、背景抜き出しや測定物体の表面形状を計測する形状測定装置では、非特許文献１に開示されるように、通常は、光切断法と呼ばれる、光スリットを測定物体表面に照射しながら、その変形をカメラで観測することでカメラから測定物体までの距離、つまり表面形状を計測する。
また、ステレオ法と呼ばれる複数のカメラから視差情報を用いて測定物体の表面形状測定することが多い。これらの方法は三角測量の原理を用いているため、光源とカメラの間、あるいはカメラ同士の間に距離を必要とする。それらの視差により互いに見えない部分が生じる（いわゆる「隠れ」）ことがある。見えない部分は形状データが得られないので、近傍点から類推するか、測定位置を変えて再測定することで回避するが、表面形状が複雑だと隠れをなくすことが不可能な場合もある。
隠れが生じない測定方法にＴＯＦ（タイム・オブ・フライト）法がある。この方法は、距離計測装置から光を発し、測定物体上で反射して戻る光の時間をなんらかの方法で計測するものである。
これには、特許文献１に開示されるような周波数変調したレーザ光源を照射し、反射光とビートを取ることで距離に相当する位相ずれを測定する方法、または特許文献２に開示されるような時間方向に増加する光パルスと減少する光パルスを照射し、これら２つのパルスに対して各々計測した反射光強度の比を測定することで距離を計測する方法が知られている。
図５は特許文献１に開示の従来例を示すブロック図である。この形状計測装置には、変調回路１、半導体レーザ２、コリメータレンズ３、ビームスプリッタ４、ミラー５、光検出器６、集光レンズ７、スキャナ８、モータ９、周期／周波数計測回路１０、距離演算回路１１、障害物検知回路１２、および被計測物体１３が示されている。
かかる形状計測装置（特許文献１の技術）は、比較的精度よく距離計測できるが、位相ずれを２次元的に検知できる素子がないため、１度に１点しか距離計測できない短所を持ち、形状測定にはあまり向いていない。
【０００３】
図６は特許文献２に開示の従来例を示すブロック図である。この形状計測装置には、信号発生部１５、信号処理部１６、投光部１７、および撮像部１８が示されている。信号発生部１５からは、投光部１７へ照明光変調信号Ｓ１、撮像部１８へ撮像利得変調信号Ｓ２、そして信号処理部１６へ制御信号Ｓ３が送られる。
投光部１７からは被写体へ照明光Ｓ６が照射され、被写体からの反射光Ｓ７は撮像部１８へ入る。撮像部１８から映像信号Ｓ４１，Ｓ４２が信号処理部１６へ送られる。信号処理部１６からは処理された信号が立体情報信号Ｓ５として出力される。
かかる形状計測装置（特許文献２の技術）は、また、１ｎｓ以下のごく狭い時間帯で光量の測定を行うことで、数ｃｍきざみの距離分解能を持たせることができ、また短時間のシャッタ機能を備えた２次元受光素子を利用することで、一括で画像の画素ごとに距離計測を行なえる。
図７は光強度を三角形状に変調した光パターンを２つの場合で示す概略図である。図５および図６で示した形状計測装置は、図７に示すように、光強度を三角形状に変調した光パターンでなければならず、同じ周期の正弦波で変調した場合に比べ変調時に高い周波数特性が要求される。
また、図６では、上りの三角形と下りの三角形の強度の比を用いて、測定物体の反射率をキャンセルしているため、計測時に信号以外の外乱光が混入するとこの比がずれてしまうため、背景光除去に注意を払う必要がある。
後者は１ｎｓ以下のごく狭い時間帯で光量を測定を行うことで、数ｃｍきざみの距離分解能をもたせることができ、また短時間のシャッタ機能を備えた２次元受光素子を利用することで、一括で画像の画素ごとに距離計測をおこなえる。しかし図Ｃに示すように、光強度を直線状に変調しなければならず、距離精度はこのパルス形状の精度でアナログ的に決まる問題がある。
【特許文献１】特開平７−１０３７１４号公報
【特許文献２】特開２０００−１２１３３９公報
【非特許文献１】「光三次元計測」、吉澤徹、新技術コミュニケーションズ、ページ２８−３７，１９９３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の、ＴＯＦ法に基づいて一括で画像の画素ごとに距離を計測する方法では、測定物体表面から戻る反射パルスの距離決定を背景光が無視できることを前提に行っており、光量変動などの光の外乱に弱い問題がある。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、測定物体表面から戻る反射光（反射パルス）から距離決定を行うさいに、照射パターンのパルスパターンを簡単に実現でき、パルス光量変動に対する安定性を向上させる形状測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、測定物体に照射パターンを照射する照射手段と、前記測定物体表面で反射された撮像パターンを得る前記照射手段と光学的に同じ位置にある撮像手段とを備え、前記撮像パターンから前記測定物体の表面形状を得る形状測定装置において、前記測定物体は前記照射手段から距離Ｌ１からＬ２（Ｌ２＞Ｌ１とする）の範囲に存在し、ｂを正の整数、ｍ＝１，．．．ｎ，ｎは正の整数、ｃを光速とした場合、前記照射パターンはＬ１とＬ２の時間遅延ｔｐ＝２（Ｌ２−Ｌ１）／ｃをｂm分割し、かつ各分割時間の間にレベル０からｂ−１の一定で離散的な光強度を採るｔｐを周期とする多値光パルス列であり、前記撮像手段は距離Ｌ１にある前記測定物体からの反射光が前記撮像手段に戻る時間ｔ１のタイミングで撮像パターンの光強度を計測し、計測された光強度を２値化したｎ種類のコードから、前記測定物体の距離を求めることを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、前記照射パターンが、ｂが２であり、ｍ＝１の場合は｛０，１｝、ｍ＝２の場合は｛０，１，０，１｝と、１と０が交互に繰り返される請求項１の形状測定装置を特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、前記照射パターンが、ｂが２であり、いわゆるグレーコードである請求項１の形状測定装置を特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、さらに、前記撮像手段が距離Ｌ１にある前記測定物体からの反射光が前記撮像手段に戻る時間を起点にして積算計測された光強度をＰ１、前記撮像手段は距離Ｌ１にある測定物体からの反射光が前記撮像手段に戻る時間ｔ１からさらにｄｔだけ遅れた時間を起点にし、計測される２値の光量が反転するようにｄｔを選び、計測された光強度をＰ２として、光量差（Ｐ１−Ｐ２）の正負を２値化したｎ種類のコードから、測定物体の距離を求める請求項２または３記載の形状測定装置を特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、前記照射手段の前方の距離Ｌｏに半透明の反射板を設け、この反射板から戻る反射光の戻り時間ｔｏから、撮像に対する照射の遅れｔｄをｔｄ＝ｔｏ−２Ｌｏ／ｃ（ｃは光速）で求めて遅れを補正する請求項１の形状測定装置を特徴とする。
【０００６】
また、請求項６に記載の発明は、前記撮像手段から一定の光量を照射して計測した撮像光の光強度をＰｍａｘ、前記撮像手段から光照射を行わずに計測した背景光の光強度をＰｍｉｎ、計測した光強度をＰ、規格化光強度をＰｎｏｒｍ＝Ｋ（Ｐ−Ｐｍｉｎ）／（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）で求め、定数ＫをＰｎｏｒｍの最大値を１とするように決め、Ｐｎｏｒｍを２値化して形状を求める請求項１の形状測定装置を特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、前記照射手段が、レーザダイオードや発光ダイオードなどの半導体光源であり、前記撮像手段は、光シャッタつきのＣＣＣＤ素子、またはＣＭＯＳ素子である請求項１の形状測定装置を特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、前記照射手段が、レーザダイオードや発光ダイオードなどの半導体光源であり、前記撮像手段は電子増倍作用を持ったイメージインテンシファイアである請求項１の形状測定装置を特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、前記照射手段の光源を赤外光源とし、前記撮像手段に可視光を除去する光フィルタを設ける請求項１の形状測定装置を特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、前記照射手段の光源を赤外光源とし、前記撮像手段に赤外光と可視光を分離する第２のミラーを設け、分離した赤外光から形状を測定し、可視光から形状に貼り付けるテキスチャデータを得る請求項９の形状測定装置を特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、光強度を２値化したｎ組の光パルスの反射光の光強度をデジタル的に観測して距離を決定するので、パルス光量変動に対する安定性が向上し、光強度変動などの外乱に強くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明による形状測定装置の第１の実施の形態を示す概略図である。図１において、形状測定装置Ａは、測定物体２０に光パターン（照射パターン）を照射するレーザダイオード（照射手段）２１と、測定物体２０表面で反射された光パターン（撮像パターン）を得る、レーザダイオード２１と光学的に同じ位置にある受光素子アレイ（撮像手段）２２と、撮像パターンから測定物体２０の表面形状を計算する計算手段（図示せず）から構成されている。
測定物体２０はレーザダイオード２１から距離Ｌ１からＬ２（Ｌ２＞Ｌ１とする）の範囲に存在し、照射パターンはＬ１とＬ２の時間遅延ｔｐ（＝２（Ｌ２−Ｌ１）／ｃ）をｂ＾ｍ分割し（ｂは正の整数、ｍ＝１，．．．ｎ，ｎは正の整数、ｂ＾ｍはｂのｍ乗、ｃは光速を意味する）、各分割時間の間にレベル０からｂ−１の一定で離散的な光強度をとるｔｐを周期とする多値光パルス列である。
受光素子アレイ２２は距離Ｌ１にある測定物体２０からの反射光が受光素子アレイ２２に戻る時間ｔ１のタイミングで撮像パターンの光強度を計測し、計測された光強度を２値化したｎ種類のコードから、測定物体の距離を求めるようにしている。
具体的に述べれば、レーザダイオード２１はレーザの出力光を変調して照射パターンを生成する。受光素子アレイ２２はレンズ２３とＣＭＯＳフォトダイオードが２次元状に配列され、レンズ２３の直前に配した光シャッタ２４からなる。
ハーフミラー２５を利用してレンズ２３の光学中心とレーザダイオード２１の発光中心を光学的に同じ位置に合わせてあるため、測定物体２０から見ると、レーザダイオード２１と受光素子アレイ２２は同じ場所にあるように見える。そのため、通常の光切断法と異なり、照明と撮像の間に視差がない。
レーザダイオード２１から照射された光パルスはハーフミラー２５で折り曲げられて測定物体２０上に照射される。この測定物体２０上で散乱された光の一部は、照射と同じ経路を逆にたどって、ハーフミラー２５を透過し、光シャッタ２４を抜けて受光素子アレイ２２上に結像する。レンズ２３の焦点距離をｆとすると、レンズ２３と受光素子アレイ２２との距離はおおむねｆとなる。
レンズ２３の光学中心から測定物体２０までの距離をＬ、光速をｃとすると、レーザダイオード２１から照射されたパルス列は、測定物体２０上で反射されて、２Ｌだけ伝播し、時間ｔ後に光シャッタ２４に戻ってくる。
ｔ＝２Ｌ／ｃ
【０００９】
測定物体２０がＬ１からＬ２（Ｌ１＜Ｌ２）の間にあるとして、Ｌ１の距離から一番速くパルスが受光素子アレイ２２に戻る時間ｔ１と、Ｌ２の距離から一番遅くパルスが戻る時間ｔ２は、
ｔ１＝２Ｌ１／ｃ
ｔ２＝２Ｌ２／ｃ
である。
レーザの照射するパルス幅ｔｐを
ｔｐ＝２（Ｌ２−Ｌ１）／ｃ
とし、ｔｐをｂ＾ｍ分割し、その間一定でｂ値パルス列をｎ個照射する。ｂ＝３、ｎ＝３の場合は次の３つのパルス列を照射する。｛  ｝の中の数値はｂ値のパルス列の光強度を時間順に並べたもので、｛  ｝の先頭がパルス先頭を意味し、ｔｐを周期に以下のパルス列が繰り返される。
｛0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2｝ｍ＝１
｛0 0 0 1 1 1 2 2 2 0 0 0 1 1 1 2 2 2 0 0 0 1 1 1 2 2 2｝ｍ＝２
｛0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2｝ｍ＝３
レーザのパルスに同期して、距離Ｌ１にある測定物体２０からの反射光が撮像手段２２に戻る時間ｔ１のタイミングで光シャッタ２４を一瞬開ける。光強度を観察すると、ｍ＝１のパルス列の場合、距離ｘがＬ１＜ｘ＜Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１）／３の場合は上記のパルス列が若干遅れて到着するためレベル２が計測される。
Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１）／３＜ｘ＜Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１）２／３の場合はレベル１が計測され、Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１）２／３＜ｘ＜Ｌ２の場合はレベル０が計測される。
ｍ＝２の場合は、ｘの繰り返し周期が１／３になるだけで、距離ｘがＬ１＜ｘ＜Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１）／３＾２の場合はレベル２が計測され、Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１）／３＾２＜ｘ＜Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１）２／３＾２の場合はレベル１が計測され、Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１）２／３＾２＜ｘ＜Ｌ１＋Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１）／３の場合はレベル０が計測される。
ｘと（Ｌ２−Ｌ１）／３だけずれた位置で反射された場合でも同じレベルが観察される。ｍ＝３では、さらにｘの繰り返し周期が１／３になるだけ、距離に応じてレベル０、１、２が観察されるのは同じである。
つまりｎ種のｂ値パルスを使うことで、Ｌ１からＬ２の距離をｂ＾ｎ分割（ここでは３＾３＝２７分割）して、ｎ個のｂ値コード（ｂ１，ｂ２，ｂ３）で表すことができる。（Ｌ２−Ｌ１）／ｂ＾ｎをｄＬとすると、コードが（２，２，２）ならＬ１から１番目の区間（Ｌ１＜ｘ＜Ｌ１＋ｄＬ）、（２，２，１）なら２番目の区間（Ｌ１＋ｄＬ＜ｘ＜Ｌ１＋２ｄＬ）などとなる。
【００１０】
区間の判別にｎ回の測定が必要だが、区間判定を従来のようにアナログ光量から判定するよりは離散化した光量を用いているため安定に判別できる利点がある。光強度を計測する時間はｄＬ／ｃよりも短い必要があるので、一般に１回の周期から得られる光量はごく微弱になり易い。
計測周期数をｋ周期に増やし、得られた光量を受光素子内の光生成された電荷として加算すれば、積算光量はｋ倍できて受光素子のノイズに埋もれず光強度の計測を行うことができる。
この装置で高速動作しなくてはならないのは、レーザダイオードと光シャッタだけであり、高価になり易い高速変調素子の数を２個に抑えられることが利点である。高速変調素子の個数が少なければ、相互の時間同期も取り易い。
受光素子アレイ２２を用いているため、アレイの各画素からレンズ２３の光学中心を通して見た方向ごとに、測定物体２０表面の距離が同時に求められる。受光素子アレイ２２は通常のＣＣＤやＣＭＯＳ受光素子アレイで十分であり、光強度の２値判定だけが必要なので、入射光量に対する信号の線形性もそれほど高くなくてもよい。
【００１１】
図２は本発明による形状測定装置の第２の実施の形態を示す概略図である。
図２において、図１と同一部分には同一符号を付してとくに必要以外の説明は省略する。図２の形状測定装置Ａでは、追加的に、照射パターンは、具体的にｎ＝３の場合のパルス列を示す。３値に比べて表現できるコード数（分割数）が８に減る。
｛０  ０  ０  ０  １  １  １  １｝ｍ＝１
｛０  ０  １  １  ０  ０  １  １｝ｍ＝２
｛０  １  ０  １  ０  １  ０  １｝ｍ＝３
とくに２値化（ｂ＝２）することで、離散化パルスの中で最も安定に区間コードを判別できる。もちろん３値以上に比べて、同じ距離分解能ｄＬを得ようとすると、ｎの値を増やし、計測回数を増やさなくてはならないが、外乱光などに対する形状計測の安定性を必要とする場合は、２値化が望ましい。
したがって、照射パターンを、１と０が交互に繰り返されるパルス列とすることによって、パターンが実装し易くなっているため、照射や観測を簡単に実現できる。
第２の実施の形態の第１の変形例の形状測定装置では、第１の実施の形態に加え、照射パターンはｂが２であり、いわゆるグレーコードであることを特徴とする。
具体的にｎ＝３の場合のパルス列を示す。表現できるコード数（分割数）は第２の実施の形態と同じ８であるが、パルスパターンが異なる。
｛０  ０  ０  ０  １  １  １  １｝ｍ＝１
｛０  ０  １  １  １  １  ０  ０｝ｍ＝２
｛０  １  １  ０  ０  １  １  ０｝ｍ＝３
グレーコードは、隣接するコード間で１ビットしか符合が変わらない特徴があり、第２の実施の形態の単純に０、１が繰り返されるコードに比較して、復号する手間が掛かるが判定誤りが少ない利点がある。外乱光などに対する形状計測の安定性を必要とする場合は２値化だけでなく、グレーコードを用いてさらに安定性を確保することができる。
第２の実施の形態の第２の変形例の形状測定装置では、第２の実施の形態またはその第１の変形例に加え、撮像手段２２は距離Ｌ１にある測定物体２０からの反射光が撮像手段２２に戻る時間を起点にして積算計測された光強度をＰ１とする。
また、撮像手段２２は距離Ｌ１にある測定物体２０からの反射光が撮像手段２２に戻る時間ｔ１からさらにｄｔだけ遅れた時間を起点にし、計測される２値の光量が反転するようにｄｔを選ぶ。そして計測された光強度をＰ２として、光量差（Ｐ１−Ｐ２）の正負を２値化したｎ種類のコードから、測定物体２０の距離を求めるようにしている。
【００１２】
第２の実施の形態では、ｄｔをｔｐ／２＾ｍ、第２の実施の形態の第１の変形例では、ｍ＝１の場合ｄｔ＝ｔｐ／２そしてｍ＞１の場合ｄｔ＝３ｔｐ／２＾（ｍ−１）とすると、入射パルス列のレベルが反転したパルスが計測できる。理想的には入射パルスは０と１の状態を取るが、光量ノイズδが合成されると、０＋δ，１＋δの光強度Ｐ１が計測されることになる。
反転したパルス列を観測した結果は、各々１＋δ、０＋δの光強度Ｐ２が観察されるので、（Ｐ１−Ｐ２）は光量ノイズが相殺されて、−１、１のレベルの光強度が計測される。
（Ｐ１−Ｐ２）の負を０、正を１と判定すれば光量ノイズの影響を受けずに区間判定を行えることになる。この方法を使えば、光強度差を２値化することで、照射パターンのパルスパターンのなまりを相殺できる。したがって、パルスがなまって正弦波に近くなっても検知でき、コード判定の誤りを減らせる利点もあり、より低コストの変調素子で光源や撮像素子を駆動できることになる。
第２の実施の形態の第３の変形例の形状測定装置では、第１の実施の形態に加え、照射手段２１の前方の距離Ｌｏに半透明の反射板を設け、この反射板から戻る反射光の戻り時間ｔｏから、撮像に対する照射の遅れｔｄをｔｄ＝ｔｏ−２Ｌｏ／ｃ（ｃは光速）でもとめて遅れを補正するようにしている。
図２のように、レンズの光学中心からＬｏの距離に半透明な参照ミラー２６を設けておく。レーザパルスの基準期間に比べて光シャッタ２４の基準時間がずれてｔｄだけ早い場合、レーザがレーザ自体の基準時間ｔｌに１つの短パルスを発生すると、光シャッタ２４の基準時間ｔｓに対してｔ＝ｔｓ＋２Ｌｏ／Ｃ＋ｔｄの時間に光シャッタ２４を開くと、パルスが観察される。
反射板から戻る反射光の戻り時間ｔｏ＝ｔ−ｔｓ＝２Ｌｏ／Ｃ＋ｔｄなので、ｔｄ＝ｔｏ−２Ｌｏ／ｃから、基準時間ｔｓに対するｔｌの遅れを求めることができるので、ｔｓ’＝ｔｓ−ｄｔを新たに光シャッタ２４の補正された基準時間とすることで、照射と撮像のより正確な同期を取ることができる。
このように、半透明の反射板を設け、この反射板から戻る反射光の戻り時間から撮像に対する照射の遅れを計測することで、照射と撮像のタイミングずれを予測しているので、距離測定の誤差を低減できる。
【００１３】
図３は本発明による形状測定装置の第３の実施の形態を示す概略図である。
図３において、図１と同一部分には同一符号を付してとくに必要以外の説明は省略する。
第３の実施の形態の形状測定装置Ａでは、第１の実施の形態に加え、撮像手段２２から一定の光量を照射して計測した撮像光の光強度をＰｍａｘ、撮像手段２２から光照射を行わずに計測した背景光の光強度をＰｍｉｎ、計測した光強度をＰ、規格化光強度をＰｎｏｒｍ＝Ｋ（Ｐ−Ｐｍｉｎ）／（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）で求め、定数ＫをＰｎｏｒｍの最大値を１とするように決め、Ｐｎｏｒｍを２値化して形状を求めるようにしている。
撮像手段２２で計測される光強度Ｐは、照射強度Ｐｓと測定物体表面の反射率σに比例する。このときの比例係数をＣとすると、背景光をＰｂとして
Ｐ＝ＣＰｓσ＋Ｐｂ
となる。
一定の光強度Ｐｓ１で照射した場合の計測光強度をＰｍａｘ、光強度０とした場合の計測光強度をＰｍｉｎとすると、
Ｐｍａｘ＝ＣＰｓ１σ＋Ｐｂ
Ｐｍｉｎ＝Ｐｂ
背景光を除いた真の計測光強度をＰｘとし、規格化光強度をＰｎｏｒｍ＝（ＫＰ−Ｐｍｉｎ）／（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）を求めると、
Ｐ＝ＣＰｘσ＋Ｐｂ
Ｐｎｏｒｍ＝Ｋ（Ｐ−Ｐｍｉｎ）／（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）
＝ＫＰｘ／Ｐｓ１
Ｐｘの最大値をＰｘｍａｘとすると、
Ｋ＝Ｐｓ１／Ｐｘｍａｘ
とすればＰｎｏｒｍを０から１に規格化できる。改めてＰｎｏｒｍを計測光強度として距離判定に用いれば、測定物体２０の反射率や背景光の影響なく形状計測できる。
このように、一定光量の撮像光強度と背景光の光強度で、計測した光強度を規格化することで、撮像される光強度が測定物体の反射率に依存しにくいため、測定物体２０の反射率に依存した距離誤差を低減できる。
【００１４】
第３の実施の形態の第１の変形例の形状測定装置では、第１の実施の形態に加え、照射手段２１がレーザダイオードや発光ダイオードなどの半導体光源であり、撮像手段２２が、光シャッタ付きのＣＣＣＤ素子、またはＣＭＯＳ素子であることを特徴とする。
照明手段２１や撮像手段２２は、なるべく入手し易く低コストの部品で作れることが望ましい。照射手段２１を、レーザダイオードや発光ダイオードなどの半導体光源、撮像手段２２を、光シャッタ付きのＣＣＣＤ素子、またはＣＭＯＳ素子とすれば、容易に第３の実施の形態の第１の変形例の形状測定装置を構成することができる。
レーザダイオードと外部に光シャッタを設けたＣＣＤまたはＣＭＯＳアレイによる構成は第１の実施の形態で既に述べた。最近のＬＳＩは簡単な回路であれば１０ＧＨｚを越すクロックでも動作するので、光シャッタ２４をＣＭＯＳ基板に内蔵した光電流のシャッタ回路としてもよい。
照射手段２１を半導体光源、撮像手段２２を光シャッタ付きのＣＣＣＤ素子、またはＣＭＯＳ素子とすることで、入手し易く高速応答可能な素子で装置を構成でき、システムコストを低減できる。
【００１５】
第３の実施の形態の第２の変形例の形状測定装置では、第１の実施の形態に加え、照射手段２１が、レーザダイオードや発光ダイオードなどの半導体光源であり、撮像手段２２が電子増倍作用を持ったイメージ増強装置（インテンシファイア）であることを特徴とする。
撮像手段２２で光量を測定する場合、計測周期数を増やすことで光量を確保することは第１の実施の形態の説明で述べたが、受光素子自体を高速高感度にする方法もある。この第３の実施の形態の第２の変形例では受光素子として電子増倍作用を持ったイメージインテンシファイア（製造元は浜松ホトニクス社など）を用いる。
この素子は高速のゲート機能を持つため、光シャッタ２４を兼用できる点もメリットである。高感度に光強度を計測できるため、計測周期数を増やす必要もなく、全体の形状計測時間を低減することにつながる。
このように、照射手段２１を半導体光源、撮像手段２２を、電子増倍作用を持ったイメージインテンシファイアとすることで、撮像手段２２を高速・高感度化しているので、距離誤差を低減できる。
第３の実施の形態の第２の変形例の形状測定装置では、第１の実施の形態に加え、照射手段２１の光源を赤外光源とし、撮像手段２２に可視光を除去する光（赤外線）フィルタ２７を設けることを特徴とする。
図３に示すように、光源として赤外レーザダイオードを用い、光シャッタ２４に赤外線を透過する赤外線フィルタ２７を設けることで、ノイズになる外部からレンズに入射する可視光を除去し、光強度計測の誤差を低減できる。
照射手段２１の光源を赤外光源とし、撮像手段２２に可視光を除去する光フィルタ２７を設けることで、外乱光を除去でき、光量誤差に起因する距離誤差を低減できる。
【００１６】
図４は本発明による形状測定装置の第４の実施の形態を示す概略図である。
図４において、図１と同一部分には同一符号を付してとくに必要以外の説明は省略する。
第４の実施の形態の形状測定装置Ａでは、第３の実施の形態の第２の変形例に加え、照射手段２１の光源を赤外光源とし、撮像手段２２に赤外光と可視光を分離する第２のハーフミラー２８を設け、分離した赤外光から形状を測定し、可視光から形状に貼り付けるテキスチャデータを得るようにしている。
第３の実施の形態の第２の変形例の光フィルタとして、第２のハーフミラー２８を新たに設け、この第２のハーフミラー２８は可視光を反射するようにする。反射した可視光は第２のレンズ２９で第２の受光素子アレイ３０に結像され、可視のテキスチャ画像として撮像する。
赤外レーザダイオードとレンズ２３と光シャッタ２４と受光素子アレイ２２により形状計測を行う点は、第３の実施の形態の第２の変形例と同じである。レンズ２３と第２レンズ２９の光学中心は、ミラーで折り曲げられているだけで、光学的に同じ位置にあるため、受光素子アレイ２２および第２の受光素子アレイ３０の画素ごとにテキスチャ画像と距離画像の対応を付けることができる。
このように、赤外光・可視光の分離ミラーを利用して赤外光から形状を測定し、可視光から形状に貼り付けるテキスチャデータを得ることで、形状測定とテキスチャ画像取得を異なる波長の光で行うので、形状測定とテキスチャ画像取得を同時に行える。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による形状測定装置の第１の実施の形態を示す概略図である。
【図２】本発明による形状測定装置の第２の実施の形態を示す概略図である。
【図３】本発明による形状測定装置の第３の実施の形態を示す概略図である。
【図４】本発明による形状測定装置の第４の実施の形態を示す概略図である。
【図５】特許文献１に開示の従来例を示すブロック図である。
【図６】特許文献２に開示の従来例を示すブロック図である。
【図７】光強度を三角形状に変調した光パターンを２つの場合で示す概略図である。
【符号の説明】
【００１８】
２０  測定物体
２１  照射手段（レーザダイオード）
２２  撮像手段（受光素子アレイ）
２３  撮像手段（レンズ）
２４  撮像手段（光シャッタ）
２５  ハーフミラー
２６  反射板（参照ミラー）
２７  赤外線フィルタ
２８  第２のハーフミラー
２９  第２のレンズ
３０  第２の受光素子アレイ
【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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