(57)【要約】【課題】距離分布のリアルタイム計測を可能とし、移動物体の距離計測に適した３次元計測装置を得る。【解決手段】マトリックス状の極小光学面を所定の変調パターンで切り替えて出射光を変調してパターン計測光を生成し、計測対象物体上に照射する投光系変調手段、この変調手段と同期し、所定の変調パターンと連動した変調パターンでマトリックス状の極小光学面を切り替えて計測対象物体上の照射像を変調し、仮想的に設置した計測基準点と計測対象物体までの距離に応じた視差情報を照射像の光量変化成分として抽出する撮像系変調手段、この光量変化成分を受光して輝度情報を得る光電変換手段、輝度情報に基づいて視差情報を求める輝度−視差変換手段を有する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測光を計測対象物体に照射する投光系と、当該計測対象物体の照射像から３次元情報を取得する撮像系を備えた３次元形状計測装置において、
前記投光系が、
マトリックス状に配置した極小光学面を所定の変調パターンに従って切り替えることにより計測光源からの出射光を変調してパターン計測光を生成し、当該パターン計測光を前記計測対象物体上に照射する投光系変調手段を有し、
前記撮像系が、
前記パターン計測光により前記計測対象物体上に形成された照射像が結像され、前記投光系変調手段と同期して動作し、前記所定の変調パターンと連動した変調パターンに従ってマトリックス状に配置された極小光学面を切り替えることにより、結像された前記照射像を変調して仮想的に設置した計測基準点と前記計測対象物体までの距離に応じた視差情報を照射像の光量変化成分として抽出する撮像系変調手段と、
この照射像の光量変化成分を受光して光電変換し、輝度情報を得る光電変換手段と、
得られた輝度情報に基づいて前記視差情報を求める輝度−視差変換手段とを有することを特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項２】
計測光を計測対象物体に照射する投光系と、当該計測対象物体の照射像から３次元情報を取得する撮像系を備えた３次元形状計測装置において、
前記投光系が、
マトリックス状に配置した極小光学面を所定の変調パターンに従って切り替えることにより計測光源からの出射光を変調してパターン計測光を生成し、当該パターン計測光を前記計測対象物体上に照射する投光系変調手段を有し、
撮像系が、
前記パターン計測光により前記計測対象物体上に形成された照射像を複数方向に分岐する光学的分岐手段と、
この光学的分岐手段による一つまたは複数の分岐方向に配置され、分岐された照射像がそれぞれ結像され、前記投光系変調手段と同期して動作し、前記所定の変調パターンと連動した変調パターンに従ってマトリックス状に配置された極小光学面を切り替えることにより、結像された前記照射像を変調して仮想的に設置した計測基準点と前記計測対象物体までの距離に応じた視差情報を照射像の光量変化成分として抽出する各撮像系変調手段と、
これら各撮像系変調手段から得られた照射像の光量変化成分を受光して光電変換し、輝度情報をそれぞれ得る各光電変換手段と、
これら各光電変換手段から得られた輝度情報に基づいて前記視差情報をそれぞれ求める輝度−視差変換手段とを有することを特徴とする３次元形状計測装置。
【請求項３】
残りの分岐方向に配置され、分岐された照射像が直接結像され、この直接結像された照射像を光電変換する光電変換手段を有することを特徴とする請求項２記載の３次元形状計測装置。
【請求項４】
撮像系変調手段の少なくとも一つとして、結像された照射像を複数の反射方向に切り替える動作を兼ねる光学スイッチを用い、前記反射方向のそれぞれに光電変換手段を配置したことを特徴とする請求項２または請求項３記載の３次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はパターン光投影法を用いてリアルタイムに立体形状計測を行う３次元計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
３次元計測には、三角測量を応用し、光切断線と呼ばれるスリット状の光を計測対象に投影し、これが物体形状に応じて変化する様子を観測する光切断法が広く知られている。しかし、この方法では、スリット光があたっている部分以外の３次元距離情報は得られず、３次元距離分布を得るためには、光切断線を投射する角度を徐々に変えながら複数回の観測を行う必要がある。そのため、非常に長い計測時間を要していた。
これに対し、空間コード化法を用いた３次元計測方法がある（例えば、特許文献１参照。）。この方法は、光切断線の投射角度情報を複数の投射パターンにエンコードし、各光パターンで計測対象物体を照射し、その計測対象物体を異なる位置で撮像し、観測した結果をデコードすることで計測対象物体の位置を求めるものである。この方法によれば、投射角度を変化させる光切断法に比べて短い時間で計測を行うことが可能になる。例えば、２５６段階の投影角度に対する観測を行う場合、通常の光切断法では２５６回の観測が必要であるが、空間コード化法では８枚のパターン投光とその観測で済むため、２５６／８＝３２倍の高速化が可能となる。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６０−１５２９０３号公報（第１−２頁、図２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の空間コード化法による３次元計測方法は以上のように構成されているので、光切断法に比べて計測時間が短くなるが、依然として複数フレームの計測時間が必要なことから、計測対象物体が移動物体である場合には計測が困難になるという問題点があった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、距離分布のリアルタイム計測を可能とし、移動物体の距離計測に適した３次元計測装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る３次元計測装置は、計測光を計測対象物体に照射する投光系と、当該計測対象物体の照射像から３次元情報を取得する撮像系を備えた３次元形状計測装置において、投光系が、マトリックス状に配置した極小光学面を所定の変調パターンに従って切り替えることにより計測光源からの出射光を変調してパターン計測光を生成し、当該パターン計測光を計測対象物体上に照射する投光系変調手段を有し、撮像系が、パターン計測光により計測対象物体上に形成された照射像が結像され、投光系変調手段と同期して動作し、所定の変調パターンと連動した変調パターンに従ってマトリックス状に配置された極小光学面を切り替えることにより、結像された照射像を変調して仮想的に設置した計測基準点と計測対象物体までの距離に応じた視差情報を照射像の光量変化成分として抽出する撮像系変調手段と、この照射像の光量変化成分を受光して光電変換し、輝度情報を得る光電変換手段と、得られた輝度情報に基づいて視差情報を求める輝度−視差変換手段とを有するものである。
【０００７】
この発明に係る３次元計測装置は、計測光を計測対象物体に照射する投光系と、当該計測対象物体の照射像から３次元情報を取得する撮像系を備えた３次元形状計測装置において、投光系が、マトリックス状に配置した極小光学面を所定の変調パターンに従って切り替えることにより計測光源からの出射光を変調してパターン計測光を生成し、当該パターン計測光を計測対象物体上に照射する投光系変調手段を有し、撮像系が、パターン計測光により計測対象物体上に形成された照射像を複数方向に分岐する光学的分岐手段と、この光学的分岐手段による一つまたは複数の分岐方向に配置され、分岐された照射像がそれぞれ結像され、投光系変調手段と同期して動作し、所定の変調パターンと連動した変調パターンに従ってマトリックス状に配置された極小光学面を切り替えることにより、結像された照射像を変調して仮想的に設置した計測基準点と計測対象物体までの距離に応じた視差情報を照射像の光量変化成分として抽出する各撮像系変調手段と、これら各撮像系変調手段から得られた照射像の光量変化成分を受光して光電変換し、輝度情報をそれぞれ得る各光電変換手段と、これら各光電変換手段から得られた輝度情報に基づいて視差情報をそれぞれ求める輝度−視差変換手段とを有するものである。
【０００８】
この発明に係る３次元計測装置は、残りの分岐方向に配置され、分岐された照射像が直接結像され、この直接結像された照射像を光電変換する光電変換手段を有することを特徴とするものである。
【０００９】
この発明に係る３次元計測装置は、撮像系変調手段の少なくとも一つとして、結像された照射像を複数の反射方向に切り替える動作を兼ねる光学スイッチを用い、反射方向のそれぞれに光電変換手段を配置したものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による３次元計測装置の構成を示す構成図である。図において、１０１，１０２はマイクロミラーデバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｃｒｏ　Ｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ：以下ＤＭＤとする）である。このＤＭＤは、米国Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社が主な用途としてビデオプロジェクタ用に開発した素子で、半導体基板上に数十万個の極小ミラー（極小光学面）をマトリックス状に組み込み、個々のミラーを２進法のパルス幅変調技術を用いて動かし、入射光をオンオフ制御して画像を作り出すデジタル制御の高速反射式光スイッチである。通常は、カラーフィルタを順次切り替えることにより、光の３原色であるＲＧＢ変調を時間をずらして行うが、この実施の形態１では、カラーフィルタを取り外して単色の変調素子として用いる構成とする。ただし、カラーフィルタを用いた変調構成とすることも勿論可能である。１０３はＣＣＤ撮像素子、１１１は計測光源、１１２，１１３は投光系レンズ、１１４，１１５は撮像系レンズである。１３１はクロックパルス源、１３２，１３３はＤＭＤ駆動回路、１４１は計測対象物体である。１５１は照射角度符号化変調信号、１５２は視差抽出変調信号、１５３，１５４は同期クロック信号、１５５，１５６はＤＭＤ駆動信号、１６１は輝度−視差ＬＵＴ（Ｌｏｏｋ　Ｕｐ　Ｔａｂｌｅ：ルックアップテーブル）、１７１は視差画像である。
【００１１】
次に動作について説明する。
計測光源１１１からの出射光は、投光系レンズ１１２を介して、ＤＭＤ（投光系変調手段）１０１の受光面に集光される。ＤＭＤ１０１にはＤＭＤ駆動回路１３２からＤＭＤ駆動信号１５５が与えられており、この信号により受光面を形成する複数のミラーが入射光に対して反射方向を切り替えるように駆動する。すなわち、入射光は、ＤＭＤ駆動信号１５５が形成する変調パターンに従って変調がかけられたパターン計測光となる。ＤＭＤ１０１により変調されたパターン計測光は、投光系レンズ１１３を介して、計測対象物体１４１上に照射される。
【００１２】
撮像系では、照射されたパターン計測光により計測対象物体１４１上に形成される照射像に対し次のような撮像処理が行われる。照射像は、撮像系レンズ１１４によりＤＭＤ（撮像系変調手段）１０２上に結像される。ＤＭＤ１０２にはＤＭＤ駆動回路１３３からＤＭＤ駆動信号１５６が与えられており、この信号により受光面を形成する複数のミラーが入射光に対して反射方向を切り替えるように駆動する。したがって、この結像された照射像は、ＤＭＤ駆動信号１５６が形成する変調パターンに従って変調される。変調された照射像は、撮像系レンズ１１５を介してＣＣＤ撮像素子（光電変換手段）１０３上に結像される。
ここで、変調手段としては、ＤＭＤでなくても、マトリックス状に高速変調可能な素子であれば良く、例えば、複数の極小シャッタ（極小光学面）を配置した透過型アクティブマトリクス方式の液晶デバイス（ＬＣＤ）を用いても良い。
【００１３】
ＤＭＤ１０１およびＤＭＤ１０２には、ＤＭＤ駆動回路１３２，１３３からそれぞれの変調パターンを生成するＤＭＤ駆動信号１５５，１５６が与えられているが、これらの信号は次のようにして生成される。ＤＭＤ駆動回路１３２には照射角度符号化変調信号１５１が与えられ、一方、ＤＭＤ駆動回路１３３には視差抽出変調信号１５２が与えられている。また、クロックパルス源１３１から同期クロック信号１５３，１５４がそれぞれ与えられ、両ＤＭＤ駆動信号１５５，１５６間はタイミングを合わせるのための同期がとれている。
【００１４】
図２および図３はＤＭＤ１０１，１０２のスイッチ動作を制御するＤＭＤ駆動信号１５５，１５６を示すタイムチャートである。（ａ）はＤＭＤ１０１に対しての変調パターンを与えるＤＭＤ駆動信号１５５、（ｂ）はＤＭＤ１０２に対しての変調パターンを与えるＤＭＤ駆動信号１５６を示す。このように、ＤＭＤ１０１，１０２のそれぞれに双方が連動した変調パターンを与えることで、視差情報がＣＣＤ撮像素子１０３で光電変換されて輝度情報としてダイレクトに得られ、リアルタイムに３次元計測が可能となる。
【００１５】
ここで、図２および図３により変調パターンの与え方について説明する。
まず、図２において、横軸は時間軸を表し、１フレーム時間において、Ａ，Ｂ，Ｃの３区分に分けられているとする。なお、ここでは、通常ＤＭＤが光の３原色ＲＧＢのカラー変調に用いられるため、便宜上、前述のようにＡ，Ｂ，Ｃの３区分に分けた構成としているが、１フレーム時間の区分数は任意であり、単一区間で強度変調する構成であっても良い。
【００１６】
次に、上記３区分に分けられた領域において、図２に示すように、ＤＭＤ１０１とＤＭＤ１０２における変調パターン（ａ）と（ｂ）を、互いに反転させた関係とした場合について説明する。ある一定の距離に基準面を想定した時、この基準面上に存在する計測対象物体１４１上の照射像に対して、投光と受光のタイミングがちょうど反転した関係となり、ＤＭＤ１０２は、ＤＭＤ１０１による照射像を全く受光できなくなる。この変調パターンのペアを視差０とする照射角度符号化・視差抽出のコードペアとする。
ところで投光側の変調された計測光は照射角度（位置）によって変化するパターンとなっている。したがって、前述の基準面からずれた位置に計測対象物体１４１が存在し、照射角度の差である視差αで照射されたパターン計測光が計測対象物体１４１上に照射されている場合、そのパターン計測光の輝度差を検出できれば、仮想的に設置した計測基準点と計測対象物体までの距離に応じた視差αを検出できることになる。例えば図２に示すように投光側と受光側の変調パターンのペアを作れば、図３に示すように視差αに比例した光量がＤＭＤ１０２での内積値として得られることになる。なお、ここで計測基準点は、どこに想定してもよいが、通常、投光側焦点と受光側焦点の中間に設置することが多い。
【００１７】
ここで、視差αに応じた変調パターンとしては、例えば、以下の式によって与えられるものとする。
（ＬＡ　＋ＫＴ　・α，ＬＢ　−ＫＴ　・β，ＬＣ　−ＫＴ　・γ）　　　（１）
但し、α＝β＋γ、α，β，γ≧０とする。
ここで、ＬＡ　，ＬＢ　，ＬＣ　はＡ，Ｂ，Ｃ区間にパターン計測光が照射される際の基準となる区間幅（変調時間）である。また、ＫＴ　は視差α，β，γを区間幅に変換するための係数である。
以上のような変調パターンを与えれば、αの量にかかわらず、Ａ，Ｂ，Ｃの全ての区間での合計光量は常に一定となり、観察者は一定光量の照明が行われているようにしか見えず、計測動作を意識させずに計測を行えることができ、対象の濃度画像も取得可能であるという利点がある。
【００１８】
図４では、式（１）に従った変調パターンとして、各照射角度に対して、少しずつタイミングをずらした変調パターン（照射角度符合化変調信号１５１と視差抽出変調信号１５２でみた場合にはコードパターン）のペアを与えており、各撮像方向における視差に比例した輝度値がダイレクトに得られる構成になっている。具体的には、照射角度ｘとなる方向で縦位置がｙである位置（ｘ，ｙ）のコードパターンを、照射角度符合化変調信号１５１のコードパターンとして以下のように与えている。また、この実施の形態１では、視差抽出変調信号１５２のコードパターンは、これを反転させたものとして与えられている。ただし、これは一例であり、照射角度に対して一意に決まるようなコードパターンであれば、他のコードパターン系列であっても良い。
2004101377.tif 000003
ここで、ＬＡ　（ｘ），ＬＢ　（ｘ），ＬＣ　（ｘ）は、それぞれ区間Ａ，Ｂ，Ｃにおける変調区間幅、ＫＸ　は照射角度を変調区間幅へ変換するための係数、ｘ０　は照射開始角度を表す。なお、説明を簡単化するために各区間の最大区間幅を１．０とするように正規化してある。以上の式を見れば分かるように、先に述べたように、３つの区間の合計光量は常に、ＬＡ　（ｘ）＋ＬＢ　（ｘ）＋ＬＣ　（ｘ）＝１．５となり、一定となっていることが解る。
【００１９】
こうして、図５に示すような輝度値Ｉと視差αの関係を撮像方向毎にあらかじめ求めて輝度−視差ＬＵＴ（輝度−視差変換手段）１６１を形成しておけば、これを用いて輝度値Ｉから視差αを検出することができる。さらに、校正データとして取得しておいた視差−距離変換用のＬＵＴを用いて変換すればリアルタイムに距離を取得することができるようになる。なお、この実施の形態１では、照射角度符合化変調信号１５１と視差抽出変調信号１５２のコードパターンを反転させたものとして説明したが、両者を同一パターンとしても構わない。その場合にも、図５のようなＩ−αの関係図が別途与えられ、それに従って視差抽出が可能となる。
【００２０】
以上のように、実施の形態１によれば、計測光の投光系と照射像の撮像系内において、同期クロック信号を共有し、異なる変調も可能な２つの変調手段を設けたことにより、従来は複数フレームに分けて照射していた変調パターンを、単一フレームで照射し、視差情報を単一フレームの受光量の変化として観測できる構成とした。したがって、従来必要であった視差情報を復元するための複雑な計算処理が不要となり、簡単なルックアップテーブルを用意するだけで、受光量（輝度）−視差情報−距離情報の変換が可能となり、その結果、距離分布のリアルタイム計測による移動物体の距離計測を可能とする効果が得られる。
【００２１】
実施の形態２．
実施の形態１では、測定対象物体は均一な完全拡散面であり、環境の背景光が存在しない場合の測定に適している。この実施の形態２では、測定対象物体の表面の反射率が不均一で、背景光も存在する場合についての測定に適している。
図６はこの発明の実施の形態２による３次元計測装置の構成を示す構成図である。図において、２０１〜２０３はＤＭＤ、２０５〜２０７はＣＣＤ撮像素子、２１１は照射光源、２１２，２１３は投光系レンズ、２１５，２１７〜２２０は撮像系レンズ、２１４，２１６はハーフミラー、２３１はクロックパルス源、２３２〜２３４はＤＭＤ駆動回路、２４１は計測対象物体である。２５１は照射角度符号化変調信号、２５２，２５３は視差抽出変調信号、２５４〜２５６は同期クロック信号、２５７〜２５９はＤＭＤ駆動信号である。なお、ＣＣＤ撮像素子２０６，２０７後の輝度−視差ＬＵＴについては省略して示す。
【００２２】
撮像系には、２つのハーフミラー（光学的分岐手段）２１４，２１６を備えることで計測対象物体２４１からの照射像を３つの方向に分岐させる構成となっている。このうち、１つの分岐方向に対しては、ＤＭＤの変調手段を介さずにＣＣＤ撮像素子（光電変換手段）２０７で分岐照射像を直接観測するようにしている。他方、２つの分岐方向に対しては、変調手段として２つのＤＭＤ（撮像系変調手段）２０２，２０３を介してＣＣＤ撮像素子（光電変換手段）２０５，２０６でそれぞれ観測する構成としている。ここで、この場合の変調手段としては必ずしもＤＭＤである必要はなく、マトリックス状に配置された複数の極小光学面を持つ変調手段であればよく、実施の形態１でも述べたような透過型アクティブマトリクス方式の液晶デバイスなどであってもよい。
【００２３】
図６において、ＤＭＤ２０１，２０２，２０３に対して、ＤＭＤ駆動回路２３２，２３３，２３４からＤＭＤ駆動信号２５７，２５８，２５９がそれぞれ与えられる。これらのＤＭＤ駆動信号は、クロックパルス源２３１からの同期クロック信号２５４，２５５，２５６によりタイミングが合わせられ、図７に示すように各ＤＭＤに対して別の変調パターンで与えられるようにしている。このことにより、ＣＣＤ撮像素子２０５，２０６，２０７はそれぞれ異なる情報を含む明度情報を得る。なお、ＣＣＤ撮像素子２０７については、式（１）の関係から一様照明光を照射した明度情報を取得する。
【００２４】
次に、図７で示した変調用の各ＤＭＤに与える変調パターンと受光後の信号処理について述べる。
まず、ＤＭＤ（投光系変調手段）２０１に与える変調信号は実施の形態１と同様であり、ＤＭＤ２０２についてはＤＭＤ２０１とちょうど位相が１８０度反転した変調パターン、ＤＭＤ２０３についてはＤＭＤ２０１と同位相とすると、これらのＤＭＤに対応した２つのＣＣＤ撮像素子２０５，２０６では、以下の光量の光が受光されることになる。
ＩＡ　＝ＫＲ　・ａ＋ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）
ＩＢ　＝ＫＲ　・（１−ａ）＋ｂ　　　　　　　　　　　　　　　（６）
ここで、ＩＡ　はＣＣＤ撮像素子２０５の受光量、ＩＢ　はＣＣＤ撮像素子２０６の受光量、ａは視差に応じた変調区間幅、ｂは背景光、ＫＲ　は計測対象物体表面での反射率と変調区間幅から実際の計測光照射量への変換係数を乗じた係数である。なお、説明を簡単化するために視差に応じた変調区間幅ａについては、ＤＭＤ２０１で変調区間全域に渡って照射が行われたとした時の照射量を１として正規化している。また、ハーフミラー２１４，２１６による分岐後の光量は各分岐方向で同一とし、実際の光量からＣＣＤ撮像素子２０５，２０６上での光電変換係数については省略して定式化しているが、このことはここでの説明に何ら影響を及ぼさない。
【００２５】
一方、ＤＭＤを介さないＣＣＤ撮像素子２０７では、以下の光量の光が受光されることになる。
ＩＣ　＝ＫＲ　＋ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（７）
この時、以下のようにＫＲ　，ａ，ｂを求めることができる。
ＫＲ　＝２・ＩＣ　−（ＩＡ　＋ＩＢ　）　　　　　　　　　　　　（８）
ａ＝（ＩＣ　−ＩＢ　）／（２ＩＣ　−ＩＡ　−ＩＢ　）　　　　　　（９）
ｂ＝ＩＡ　＋ＩＢ　−ＩＣ　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１０）
ここで、ａと視差αの関係をあらかじめ求めておくことで、視差αを求めることができる。さらに距離と視差αの関係も求めておけば、距離への変換が可能である。
【００２６】
以上のように、実施の形態２によれば、複数方向に分岐して変調可能な構成としたため、複数の変調効果を同時に得ることが可能となり、これらの複数の情報を用いて、環境の背景光や計測対象物体の表面反射率が未知であっても、その影響を除去した上で３次元情報を取得可能となる効果が得られる。また、一部は変調手段を介さずに直接観測可能な構成としたため、一様な照明を照射した計測対象物体像を３次元情報と同時に得ることができる効果がある。
【００２７】
実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態３による３次元計測装置の構成を示す構成図である。
図において、３０１，３０２はＤＭＤ、３０５〜３０７はＣＣＤ撮像素子、３１１は計測光源、３１２，３１３は投光系レンズ、３１４はハーフミラー、３１５〜３１８は撮像系レンズ、３３１はクロックパルス源、３３２，３３３はＤＭＤ駆動回路、３４１は計測対象物体である。３５１は照射角度符号化変調信号、３５２は視差抽出変調信号、３５４，３５５は同期クロック信号、３５６，３５７はＤＭＤ駆動信号である。なお、ＣＣＤ撮像素子３０５，３０６後の輝度−視差ＬＵＴについては省略して示す。
【００２８】
この実施の形態３では、ＤＭＤ（撮像系変調手段）３０２は、ＤＭＤ駆動回路３３３からのＤＭＤ駆動信号３５７により複数方向に反射方向を切り替える光学スイッチとしても動作する。したがって、ハーフミラー３１４を通過してＤＭＤ３０２に到達した計測対象物体３４１の照射像は、各方向に切り替えられ、それぞれの反射方向に配置されたＣＣＤ撮像素子（光電変換手段）３０５，３０６上にそれぞれ結像される。このことにより、図６の実施の形態２におけるように分岐後の系統毎に変調手段のＤＭＤ２０２，２０３をそれぞれ配置した場合に比べ、光学的分岐手段と変調手段を兼用した構成とすることができる。したがって、実施の形態２に比し、より簡素な構成とすることができる効果が得られる。
【００２９】
上記実施の形態２および３において、照射像の分岐後の１系統については変調手段を介さないでＣＣＤ撮像素子２０７または３０７に決像させる構成について示した。これに代わって、分岐後の全系統とも変調手段を介する構成とし、それぞれに独立な要素を含むように異なった変調をかけるようにしてもよい。そうすれば、上記の説明と同様に反射率ＫＲ　、受光量ａ、背景光ｂを求めることができる。また、そのような構成にしておいて、うち１系統については、必要に応じて、変調をかけずに直接ＣＣＤ撮像素子に導くように切り替える構成しておけば、上記実施の形態２および３の両機能を備えることが可能となる。
また、その他の例として、背景光、反射率分布のいずれかが、あらかじめ分かっている場合や無視しうる場合には、照射像を分岐による２系統の構成とし、その２系統で変調を行ったり、あるいはそのうち１系統を変調し、残り１系統を非変調といった動作体系にしてもよく、使用環境に合わせてより簡素化することが可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、投光系が、マトリックス状に配置した極小光学面を所定の変調パターンに従って切り替えることにより計測光源からの出射光を変調してパターン計測光を生成し、当該パターン計測光を計測対象物体上に照射する投光系変調手段を有し、撮像系が、パターン計測光により計測対象物体上に形成された照射像が結像され、投光系変調手段と同期して動作し、所定の変調パターンと連動した変調パターンに従ってマトリックス状に配置された極小光学面を切り替えることにより、結像された照射像を変調して仮想的に設置した計測基準点と計測対象物体までの距離に応じた視差情報を照射像の光量変化成分として抽出する撮像系変調手段と、この照射像の光量変化成分を受光して光電変換し、輝度情報を得る光電変換手段と、得られた輝度情報に基づいて視差情報を求める輝度−視差変換手段とを有するように構成したので、環境の背景光成分は存在せず、計測対象物体の表面反射率が均一であるとして、あらかじめ校正情報を取得しておけば、視差情報を単一フレームの受光量の変化として直接観測可能になり、従来必要であった視差情報復元のための複雑な計算処理が不要となり、簡単なＬＵＴを用意するだけで距離情報のリアルタイム計測を可能にする効果がある。
【００３１】
この発明によれば、投光系が、マトリックス状に配置した極小光学面を所定の変調パターンに従って切り替えることにより計測光源からの出射光を変調してパターン計測光を生成し、当該パターン計測光を計測対象物体上に照射する投光系変調手段を有し、撮像系が、パターン計測光により計測対象物体上に形成された照射像を複数方向に分岐する光学的分岐手段と、この光学的分岐手段による一つまたは複数の分岐方向に配置され、分岐された照射像がそれぞれ結像され、投光系変調手段と同期して動作し、所定の変調パターンと連動した変調パターンに従ってマトリックス状に配置された極小光学面を切り替えることにより、結像された照射像を変調して仮想的に設置した計測基準点と計測対象物体までの距離に応じた視差情報を照射像の光量変化成分として抽出する各撮像系変調手段と、これら各撮像系変調手段から得られた照射像の光量変化成分を受光して光電変換し、輝度情報をそれぞれ得る各光電変換手段と、これら各光電変換手段から得られた輝度情報に基づいて視差情報をそれぞれ求める輝度−視差変換手段とを有するように構成したので、複数の変調効果を同時に得ることが可能となり、これらの複数の情報を用いて、環境の背景光や計測対象物体の表面反射率が未知であっても、その影響を除去した上で３次元情報を取得可能とする効果がある。
【００３２】
この発明によれば、残りの分岐方向に配置され、分岐された照射像が直接結像され、この直接結像された照射像を光電変換する光電変換手段を有するように構成したので、一部は変調手段を介さずに直接観測するため、一様な照明を照射した計測対象物体像を３次元情報と同時に得ることができる効果がある。
【００３３】
この発明によれば、撮像系変調手段の少なくとも一つとして、結像された照射像を複数の反射方向に切り替える動作を兼ねる光学スイッチを用い、反射方向のそれぞれに光電変換手段を配置するように構成したので、光学的分岐手段と変調手段を兼用することにより、装置の構成を簡略化できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による３次元計測装置の構成を示す構成図である。
【図２】同実施の形態１に係るＤＭＤ駆動信号を示すタイムチャートである。
【図３】同実施の形態１に係る他のＤＭＤ駆動信号を示すタイムチャートである。
【図４】同実施の形態１に係る変調パターン光による動作を示す説明図である。
【図５】同実施の形態１に係る輝度値Ｉと視差αの関係を示すルックアップテーブルの例を示す説明図である。
【図６】同実施の形態２による３次元計測装置の構成を示す構成図である。
【図７】同実施の形態２に係る変調パターン光による動作を示す説明図である。
【図８】同実施の形態３による３次元計測装置の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１０１，１０２，２０１〜２０３，３０１，３０２　マイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、１０３，２０５〜２０７，３０５〜３０７　ＣＣＤ撮像素子、１１１，２１１，３１１　計測光源、１１２，１１３，２１２，２１３，３１２，３１３　投光系レンズ、１１４，１１５，２１５，２１７〜２２０，３１５〜３１８　撮像系レンズ、１３１，２３１，３３１　クロックパルス源、１３２，１３３，２３２〜２３４，３３２，３３３　ＤＭＤ駆動回路、１４１，２４１，３４１　計測対象物体、１５１，２５１，３５１　照射角度符号化変調信号、１５２，２５２，２５３，３５２　視差抽出変調信号、１５３，１５４，２５４〜２５６，３５４，３５５　同期クロック信号、１５５，１５６，２５７〜２５９，３５６，３５７　ＤＭＤ駆動信号、１６１　輝度−視差ＬＵＴ、１７１　視差画像、２１４，２１６，３１４　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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【図８】
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