(57)【要約】【課題】  照射光の色やパターンを柔軟に変更し、多様な被検物に対応可能な立体計測装置を提供する。【解決手段】  本発明の立体計測装置は、分光部、光空間変調部、投影部、撮像部、および画像解析部を備える。分光部は、スペクトル光を発生する。光空間変調部は、スペクトル光の空間変調により、照明光の色パターンを柔軟に変更する。投影部は、照射光を被検物に投影する。撮像部は、被検物に生じる投影像を、照射光の照射方向と異なる方向から撮像する。画像解析部は、撮像画像からパターンの位置および色を検出し、この位置および色に基づいて被検物の立体形状を検出する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物の立体形状を検出する立体計測装置であって、
光を分光してスペクトル光を発生する分光部と、
前記スペクトル光を空間変調して、波長の異なる複数の光束からなる照射光に加工する光空間変調部と、
前記照射光を前記被検物に投影する投影部と、
前記照射光によって前記被検物に生じる投影像を、前記照射光の照射方向とは異なる方向から撮像する撮像部と、
前記撮像部の撮像画像から前記投影像のパターンの位置および色を検出し、前記位置および前記色に基づいて前記被検物の立体形状を検出する画像解析部と
を備えたことを特徴とする立体計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の立体計測装置において、
前記光空間変調部は、前記スペクトル光の空間変調を制御して、前記照射光を前記被検物に対してパターン移動させ、
前記撮像部は、前記照射光のパターン移動に応じて撮像を繰り返し、複数の前記撮像画像を生成し、
前記画像解析部は、複数の前記撮像画像を用いて前記立体形状を検出する
ことを特徴とする立体計測装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の立体計測装置において、
前記画像解析部は、
前記被検物の表面色の補色成分を検出または情報取得し、前記撮像画像に含まれる前記補色成分の色相域を、前記立体形状の検出処理に使用しない
ことを特徴とする立体計測装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の立体計測装置において、
前記光空間変調部は、
前記被検物の表面色の補色成分を検出または情報取得し、前記補色成分を前記照射光から除去する
ことを特徴とする立体計測装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の立体計測装置において、
前記光空間変調部は、
液晶素子を用いて、前記スペクトル光を空間変調する
ことを特徴とする立体計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光切断法を用いた立体計測技術が知られている。この光切断法では、複数のスリット光を被検物に投影し、その被検物の表面に現れる明暗パターンの形状から、被検物の立体形状を検出する。
また、上述したスリット光の照射光を、ピエゾ素子などを用いて機械的に振動させることにより、微細な表面形状の変化を検出する位相シフト法も公知である。
さらに、下記の特許文献１には、スリットチャートのスリットごとに透過波長の異なる光学フィルタを設けて、各スリット光の色を変える技術が開示されている。この場合、スリット光のパターンが溝などによって一部欠落しても、色の違いからスリット光の繋がりを推定できるなど、立体計測の信頼性を高めることができる。
【特許文献１】特開平５−１７５３１０号公報（段落００２７など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１の従来技術では、スリットチャートのスリットに透過波長の異なる光学フィルタを固定的に設ける。そのため、スリット光の色やパターン形状を柔軟に変更することができない。そのため、被検物の状況（表面の色や凹凸の間隔など）に応じて、スリット光の色やパターンサイズやパターン形状を柔軟に変更できないといった問題点があった。
そこで、本発明は、多様な被検物に対応可能な立体計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
《１》  本発明の立体計測装置は、被検物の立体形状を検出する装置であって、分光部、光空間変調部、投影部、撮像部、および画像解析部を備える。
分光部は、光を分光してスペクトル光を発生する。
光空間変調部は、スペクトル光を空間変調して、波長の異なる複数の光束からなる照射光に加工する。
投影部は、照射光を被検物に投影する。
撮像部は、照射光によって被検物に生じる投影像を、照射光の照射方向とは異なる方向から撮像する。
画像解析部は、撮像部の撮像画像から投影像のパターンの位置および色を検出し、位置および色に基づいて被検物の立体形状を検出する。
《２》  なお好ましくは、光空間変調部は、スペクトル光の空間変調を制御して、照射光を被検物に対してパターン移動させる。撮像部は、照射光のパターン移動に応じて撮像を繰り返し、複数の撮像画像を生成する。画像解析部は、これら複数の撮像画像を用いて立体形状を検出する。
《３》  また好ましくは、画像解析部は、被検物の表面色の補色成分を検出または情報取得し、撮像画像に含まれる補色成分の色相域を、立体形状の検出処理に使用しないことを特徴とする。
《４》  なお好ましくは、光空間変調部は、被検物の表面色の補色成分を検出または情報取得し、この補色成分を照射光から除去する。
《５》  また好ましくは、光空間変調部は、液晶素子を用いて、スペクトル光を空間変調する。
【発明の効果】
【０００５】
本発明では、光空間変調部を用いて分光スペクトルを空間変調し、波長の異なる複数光束からなる照射光を生成する。このような装置構成では、光空間変調部の空間変調を制御することで、照射光の色またはパターンを柔軟に変更することができる。その結果、多様な被写体に対応可能な立体計測装置が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
《実施形態の全体構成の説明》
図１は、本実施形態の立体計測装置１１を示す図である。
立体計測装置１１には、白色光源１２が設けられる。この白色光源１２の白色光は、コリメータレンズ１３に通して平行光に変換される。この平行光は、グレーティング（回折格子）１４に照射される。グレーティング１４は、この平行光を波長別に分散し、スペクトル光１５に変換する。
このスペクトル光１５は、液晶素子１６の透過セルおよび遮光セルを介して、複数色のスリット光に空間変調される。この液晶素子１６は、パターン発生回路１６ａによって駆動される。
液晶素子１６を透過した複数色のスリット光は、透過拡散板１７によって散乱され、複数色のパターンを形成する。この複数色のパターンは、投影レンズ１８を通して複数色の光束からなる照射光に変換される。この照射光は、被検物２０に投影像を形成する。なお、この投影レンズ１８は、レンズシフト機構１８ａによって、レンズ光軸と直交する方向にシフト駆動することができる。
【０００７】
カメラ２２は、照射光によって被検物２０に生じた投影像を、照射光の照射方向とは異なる方向から撮像する。カメラ２２の撮像画像は、距離計算回路２２ａに入力される。
なお、立体計測装置１１には、中央制御回路２３が設けられる。この中央制御回路２３は、上述したパターン発生回路１６ａ、距離計算回路２２ａ、およびレンズシフト機構１８ａの動作を制御する。また、中央制御回路２３には、色切り替えスイッチ２４が接続される。
【０００８】
《立体計測装置１１の測定動作》
図２は、立体計測装置１１の測定動作を説明する流れ図である。以下、図２に示すステップ番号に沿って、この動作を説明する。
【０００９】
ステップＳ１：  中央制御回路２３は、パターン発生回路１６ａを介して、液晶素子１６を駆動し、透過セルと遮光セルを図３に示すＡパターンに設定する。この液晶素子１６をスペクトル光１５が透過することにより、図３に示す照射光Ａが被検物２０に投影される。この照射光Ａは、赤色、黄色、緑色、および紫色のスリット状の光束からなる。
なお、ここでは説明を簡明にするため、数本のスリットパターンの場合を例示する。しかしながら、スリットパターンの本数については、カメラ２２の撮像限界や色分解能に余裕があれば、数十本以上の設定することが好ましい。
【００１０】
ステップＳ２：  この状態で、カメラ２２は、被検物２０に生じる投影像を撮像し、撮像画像を生成する。この撮像画像は、カメラ２２のモニタ画面に表示されると共に、中央制御回路２３に伝達される。中央制御回路２３は、撮像画像の色相をヒストグラム解析し、照射光Ａに含まれている波長成分（赤、黄、緑、紫）が撮像画像に閾値以上に含まれているか否かを判定する。ここでの閾値は、後述する３次元データの算出に支障がない程度の値に設定することが好ましい。
【００１１】
ステップＳ３：  ステップＳ２の判定処理において波長成分の欠落（すなわち欠落色）を検出すると、中央制御回路２３は色切り替えを行うためステップＳ４に動作を移行する。一方、欠落色を検出しない場合、中央制御回路２３はステップＳ５に動作を移行する。
なお、ユーザーが、カメラ２２のモニタ表示を見て欠落色が生じたか否かを判断してもよい。この場合、ユーザーは、欠落色を検知すると色切り替えスイッチ２４を操作することで、立体計測装置１１に色切り替えを指示することができる。
【００１２】
ステップＳ４：  ここでは、照射光Ａの色パターンに、被検物２０の表面色の補色成分が含まれていたため、欠落色が生じたと判断できる。この状態では、投影像の色パターンが歯抜け状態となるため、後述する立体計測に適さない。
そこで、中央制御回路２３は、パターン発生回路１６ａを介して、液晶素子１６の透過セルと遮光セルとを逆転させる（図３に示すＢパターン）。この液晶素子１６をスペクトル光１５が透過することにより、図３に示す照射光Ｂが被検物２０に投影される。この照射光Ｂは、橙色、黄緑色、および青色のスリット状の光束からなる。
なお、この色切り替えは、色切り替えスイッチ２４を用いて手動で行ってもよい。
【００１３】
ステップＳ５：  カメラ２２は、被検物２０に生じた投影像を、照射光の照射方法とは異なる方向から撮像する。カメラ２２の撮像画像は、距離計算回路２２ａに伝達される。
【００１４】
ステップＳ６：  距離計算回路２２ａは、撮像画像の画像信号から、欠落色（ステップＳ３で特定された色）に該当する色相域をノイズとして除去する。
【００１５】
ステップＳ７：  距離計算回路２２ａは、撮像画像の画素単位または画素ブロック単位に、照射光に含まれていた色相域を抽出する。この抽出処理によって、投影像のパターン（好ましくはパターンのエッジ部分）の画素位置と色とを逐一検出する。
【００１６】
ステップＳ８：  距離計算回路２２ａは、撮像画像から求めた画素位置ごとにカメラ視線を算出する。図４に示すように、このカメラ視線と照射光線との交点に、被検物２０の表面が位置する。
そこで、距離計算回路２２ａは、照射光の光路情報に基づいて、カメラ視線上の各点を通過する照射光線の色を判別する。このとき、画素位置の色に合致する交点を見つけると、距離計算回路２２ａは、この交点を被検物２０の表面上の一点として３次元データを算出する。
距離計算回路２２ａは、この演算処理を、ステップＳ７で求めた（画素位置、色）ごとに行うことにより、被検物２０の表面形状を示す３次元データを求める。
【００１７】
ステップＳ９：  中央制御回路２３は、照明光のパターン移動を完了したか否かを判定する。
パターン移動が未完了の場合、中央制御回路２３はステップＳ１０に動作を移行する。
一方、パターン移動が完了した場合、中央制御回路２３はステップＳ１１に動作を移行する。
【００１８】
ステップＳ１０：  中央制御回路２３は、液晶素子１６の空間変調を制御し、図４に示すように、照射光を被検物２０に対して一定幅だけパターン移動させる。
なお、パターン移動の走査位置によって欠落色の範囲が比較的広く発生する場合には、レンズシフト機構１８ａを用いて、投影レンズ１８をシフト移動させることが好ましい。この動作によっても、照射光を被検物２０に対して一定幅だけパターン移動させることができる。
この照明光のパターン移動の後、中央制御回路２３はステップＳ５に動作を戻し、３次元データの検出を繰り返す。
【００１９】
ステップＳ１１：  照明光のパターン移動を完了すると、距離計算回路２２ａは、個々のパターン移動ごとに求めたパターンのエッジ部分の３次元データを合成して、より詳細な被検物２０の３次元形状データを得る。
上述した一連の動作により、被検物２０の３次元形状データを求めることができる。
【００２０】
《本実施形態の効果など》
本実施形態では、液晶素子１６を用いてスペクトル光１５を空間変調することで、波長の異なる複数光束からなる照射光を生成する。したがって、この空間変調を制御することで、照射光の色パターンを柔軟に変更することが可能になる。
例えば、スペクトル光１５の空間変調を制御することで、欠落色（被検物２０の表面色の補色成分）を、照射光の色パターンから取り除くことが可能になる。その結果、カメラ２２の撮像画像には、欠落色の暗いパターンが含まれなくなり、３次元データの検出精度を高めることができる。
【００２１】
さらに、本実施形態では、３次元データの算出処理において、欠落色の色相成分をノイズとして除去する。その結果、撮像画像のＳ／Ｎが向上し、３次元データの検出精度を更に高めることができる。
また、本実施形態では、空間変調を制御することで、照射光の色パターンをシフトする。このパターンシフトは、液晶素子１６の電気制御によって実現するため、機械的な誤差が生じない。したがって、照射光のパターンを高精度にシフトすることが可能となり、３次元データの検出精度を更に高めることができる。
さらに、本実施形態では、被検物２０の表面凹凸の間隔などに応じて、照射光のスリット巾を柔軟に変更することも可能になる。
【００２２】
《実施形態の補足事項》
なお、上述した実施形態では、液晶素子１６を用いて、スペクトル光を空間変調している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ＤＭＤ素子（Digital Micromirror Device）その他の光空間変調素子を用いて、スペクトル光を空間変調してもよい。
【００２３】
また、上述した実施形態では、グレーティング１４を使用してスペクトル光を生成している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、プリズム素子その他の分散光学素子を用いてスペクトル光を生成してもよい。
【００２４】
さらに、上述した実施形態では、可視光域の色パターンを被検物２０に照射している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。カメラ２２で撮像可能な波長域（赤外域や紫外域など）の色パターンを被検物２０に照射してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
以上説明したように、本発明は、立体計測装置などに利用可能な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施形態の立体計測装置１１を示す図である。
【図２】立体計測装置１１の測定動作を説明する流れ図である。
【図３】照射光の色パターンの切り替えを説明する図である。
【図４】照射光の色パターンの走査移動を説明する図である。
【符号の説明】
【００２７】
１１…立体計測装置，１２…白色光源，１３…コリメータレンズ，１４…グレーティング，１５…スペクトル光，１６…液晶素子，１６ａ…パターン発生回路，１７…透過拡散板，１８…投影レンズ，１８ａ…レンズシフト機構，１９…照射光，２０…被検物，２２…カメラ，２２ａ…距離計算回路，２３…中央制御回路，２４…色切り替えスイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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