(57)【要約】    【課題】  物体にテクスチャがある場合でも計測エラーを低減し，ズームの際などに使い勝手を向上させ，さらに装置の小型化を実現する。    【解決手段】  投射手段１０，第１の撮像手段２０，第２の撮像手段３０により物体の三次元画像を撮像する。投射手段１０は光源１１と，パターン発生部１２と，第１の撮像手段２０と光学的に同主点に配置させるための同主点配置手段１３と，第１の撮像手段２０と共用される結像光学系１４とを含んで構成される。第１の撮像手段２０はテクスチャ・パターン撮像部２１と，同主点配置手段１３と，結像光学系１４とを含んで構成されている。第１の撮像手段２０と第２の撮像手段３０から取得される画像を基に三次元形状計測が行われる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体にパターン光を投射する投射手段と，前記物体からの反射像を撮像する第１の撮像手段と，前記第１の撮像手段と光学的に異なる主点をとるように配置され前記物体からの反射像を撮像する第２の撮像手段とを有し，前記物体の三次元形状を測定する三次元画像撮像装置において，
前記投射手段と前記第１の撮像手段を光学的に同主点位置に配置させるための同主点配置手段と，
前記投射手段と前記第１の撮像手段において共用される結像光学系とを有することを特徴とする三次元画像撮像装置。
【請求項２】
前記結像光学系はズーム手段を備え，前記ズーム手段によりズーム比が変更された場合に前記投射手段と前記第１の撮像手段の同主点位置関係が不変であるように構成された請求項１記載の三次元画像撮像装置。
【請求項３】
前記投射手段は，光源と，パターン発生部と，前記同主点配置手段と前記結像光学系とを有する請求項１記載の三次元画像撮像装置。
【請求項４】
前記投射手段は，光源と，光整形光学系と，パターン発生部と，前記同主点配置手段と，前記結像光学系とを有する請求項１記載の三次元画像撮像装置。
【請求項５】
前記第１の撮像手段は，前記物体のテクスチャおよびパターン反射像を撮像するテクスチャ・パターン撮像部と，前記同主点配置手段と，前記結像光学系とを有する請求項１記載の三次元画像撮像装置。
【請求項６】
前記第２の撮像手段は，前記物体のテクスチャおよびパターン反射像を撮像するテクスチャ・パターン撮像部と，結像光学系とを有する請求項１記載の三次元画像撮像装置。
【請求項７】
前記パターン光は符号化されたストライプ光からなる請求項１記載の三次元画像撮像装置。
【請求項８】
前記投射手段においてパターン光を発生するパターン発生部は液晶パネルを含んでなる請求項１記載の三次元画像撮像装置。
【請求項９】
前記投射手段においてパターン光を発生するパターン発生部はデジタルマイクロミラーデバイスを含んでなる請求項１記載の三次元画像撮像装置。
【請求項１０】
前記投射手段においてパターン光を発生するパターン発生部は透過フィルムを含んでなる請求項１記載の三次元画像撮像装置。
【請求項１１】
少なくとも前記結像光学系および前記同主点配置手段を，前記第１の撮像手段および前記第２の撮像手段への反射光の投射を妨げることがない部分において，遮蔽するカバー部材を設けた請求項１記載の三次元画像撮像装置。
【請求項１２】
前記結像光学系が，前記同主点配置手段より前記物体側に配置される請求項１記載の三次元画像撮像装置。
【請求項１３】
前記同主点配置手段はプレート型ビームスプリッタを用いて構成される請求項１記載の三次元画像撮像装置。
【請求項１４】
前記同主点配置手段はキューブ型ビームスプリッタを用いて構成される請求項１記載の三次元画像撮像装置。
【請求項１５】
物体にパターン光を投射する投射手段と，前記物体からの反射像を撮像する第１の撮像手段と，前記投射手段と前記第１の撮像手段を光学的に同主点位置に配置させるための同主点配置手段と，前記投射手段と前記第１の撮像手段において共用される結像光学系と，前記第１の撮像手段と光学的に異なる主点をとるように配置され前記物体からの反射像を撮像する第２の撮像手段とを用い，投射手段から投射したパターン光を物体に投射し，反射光を第１の撮像手段および第２の撮像手段で撮像し，前記第１の撮像手段により取得した物体からの反射像と前記第２の撮像手段により取得した物体からの反射像に基づいて三次元形状を計測することを特徴とする三次元画像撮像方法。
【請求項１６】
物体にパターン光を投射する投射手段と，前記物体からの反射像を撮像する第１の撮像手段と，前記第１の撮像手段と光学的に異なる主点をとるように配置され前記物体からの反射像を撮像する第２の撮像手段とを有し，前記物体の三次元形状を測定する三次元画像撮像装置において，
前記投射手段と前記第１の撮像手段を光学的に同主点位置に配置させるための同主点配置手段と，
前記投射手段と前記第１の撮像手段において共用される結像光学系と，
前記投射手段と，前記第１の撮像手段と，前記第２の撮像手段を取り付ける筐体とを有することを特徴とする三次元画像カメラ。
【請求項１７】
前記投射手段は，フラッシュ光を投射する請求項１６記載の三次元画像カメラ。
【請求項１８】
前記投射手段は，パターンのない光を前記物体に投射することができ，パターンのない光の前記物体からの反射像を前記第１の撮像手段または前記第２の撮像手段により撮像して前記物体の輝度情報を得る請求項１６記載の三次元画像カメラ。
【請求項１９】
前記物体を可視領域で撮像する第３の撮像手段を設け，前記投射手段は，パターン光として赤外光を投射し，前記第１の撮像手段および前記第２の撮像手段は赤外光の反射像を撮像して前記物体の三次元形状を測定し，前記第３の撮像手段により前記物体の輝度情報を得る請求項１６記載の三次元画像カメラ。
【請求項２０】
前記赤外光の反射情報と前記物体の輝度情報とを同時に取得することにより，前記物体の距離情報と輝度情報とを同時に取得する請求項１９記載の三次元画像カメラ。
【請求項２１】
前記結像光学系が，前記同主点配置手段より前記物体側に配置される請求項１６記載の三次元画像カメラ。
【請求項２２】
物体にパターン光を投射する投射手段と，前記物体からの反射像を撮像する第１の撮像手段と，前記第１の撮像手段と光学的に異なる主点をとるように配置され前記物体からの反射像を撮像する第２の撮像手段とを有し，前記物体の三次元形状を測定する三次元画像撮像装置において，
前記投射手段と前記第１の撮像手段を光学的に同主点位置に配置させるための同主点配置手段と，
前記投射手段と前記第１の撮像手段において共用される結像光学系とを有し，
さらに，前記同主点配置手段は，
前記投射手段からの光を偏光光に変換する偏光変換機能と，
前記物体からの反射光のうち前記第１の撮像手段に導く光を選択する偏光方位選択機能とを有することを特徴とする三次元画像撮像装置。
【請求項２３】
前記結像光学系はズーム手段を備え，前記ズーム手段によりズーム比が変更された場合に前記投射手段と前記第１の撮像手段の同主点位置関係が不変であるように構成された請求項２２記載の三次元画像撮像装置。
【請求項２４】
前記同主点配置手段はプレート型あるいはキューブ型の形状を有する偏光ビームスプリッタを用いて構成される請求項２２記載の三次元画像撮像装置。
【請求項２５】
前記第２の撮像手段は，前記物体のテクスチャおよびパターン反射像を撮像するテクスチャ・パターン撮像部と，結像光学系と，前記物体からの反射光のうち前記第２の撮像手段に導く光を選択する偏光方位選択手段とを有する請求項２２記載の三次元画像撮像装置。
【請求項２６】
前記第２の撮像手段における前記偏光方位選択手段は前記同主点配置手段の偏光変換機能により偏光変換された偏光光の偏光方位に対し，前記偏光方位選択手段が選択する偏光方位の角度を相対的に変化させる角度調整機能を備える請求項２５記載の三次元画像撮像装置。
【請求項２７】
前記偏光変換機能と前記偏光方位選択機能を備える前記同主点配置手段に入射する光は略平行化された光である請求項２２記載の三次元画像撮像装置。
【請求項２８】
物体にパターン光を投射する投射手段と，前記物体からの反射像を撮像する第１の撮像手段と，前記投射手段と前記第１の撮像手段を光学的に同主点位置に配置させるための同主点配置手段と，前記投射手段と前記第１の撮像手段において共用される結像光学系と，前記第１の撮像手段と光学的に異なる主点をとるように配置され前記物体からの反射像を撮像する第２の撮像手段とを用い，さらに，前記同主点配置手段に設けた偏光変換機能により，前記投射手段からの光を偏光光に変換し，前記同主点配置手段に設けた偏光方位選択機能により，前記物体からの反射光のうち前記第１の撮像手段に導く光を選択し，前記第２の撮像手段に設けた偏光方位選択手段により，前記物体からの反射光のうち前記第２の撮像手段に導く光を選択し，前記第１の撮像手段により取得した物体からの反射像と前記第２の撮像手段により取得した物体からの反射像に基づいて三次元形状を計測することを特徴とする三次元画像撮像方法。
【請求項２９】
物体にパターン光を投射する投射手段と，前記物体からの反射像を撮像する第１の撮像手段と，前記第１の撮像手段と光学的に異なる主点をとるように配置され前記物体からの反射像を撮像する第２の撮像手段とを有し，前記物体の三次元形状を測定する三次元画像カメラにおいて，
前記投射手段と前記第１の撮像手段を光学的に同主点位置に配置させるための同主点配置手段と，
前記投射手段と前記第１の撮像手段において共用される結像光学系と，
前記投射手段と，前記第１の撮像手段と，前記第２の撮像手段を取り付ける筐体とを有し，
さらに，前記同主点配置手段は，
前記投射手段からの光を偏光光に変換する偏光変換機能と，
前記物体からの反射光のうち前記第１の撮像手段に導く光を選択する偏光方位選択機能とを有することを特徴とする三次元画像カメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数のカメラによる三角測量法により輝度情報とともに距離情報を一括にて入手するのに最適な三次元画像撮影技術に係り，とくに，計測エラーの低減，使い勝手の向上，装置の小型化を図るようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
物体の形状を測定する手法は，パッシブ手法（三角測量法，ｓｈａｐｅ  ｆｒｏｍ  Ｘ）とアクティブ手法（光飛行時間測定法，三角測量法）に大別される。パッシブ手法とアクティブ手法の違いは，物体に対し何らかのエネルギーを照射するか否かの差である。一般的にアクティブ手法は，計測のあいまいさを除去できるためパッシブ手法に比べてノイズに強い計測手法と言える。両者の手法においてそれぞれ存在する三角測量法は，基線長とその両端から物体上の計測点を結んだ直線のなす角により，計測点までの距離を求める幾何学的手法である。アクティブ型の三角測量法の中には複数のコード化されたストライプパターン光を照射する計測手法が提案されている（特許文献１）。この方式の構成図を図１９に示す。図１９おいて，投射系により光の色にて符号化された複数のストライプ光を物体に投射し，撮像系により物体上のストライプ光を観測する。投射されたストライプ光と撮像されたストライプ像の輝度値を比較し，同一ストライプを見つけ三角原理にて距離を算出する。
【０００３】
ところで，物体にテクスチャ（色や模様）がある場合，距離測定が困難になる。すなわち，撮像されたストライプ像は物体上のテクスチャによる影響を受け，色／明るさが投射されたストライプ光と異なるため，投射されたどのストライプ光に相当するかを判断することが困難となる。よって誤対応が発生し距離が算出できない。
【０００４】
これを解決するため本発明者等は鋭意研究を重ね投射系と撮像系をハーフミラーにて光学的に同主点位置に配置することにより，これらの問題を解決した（特許文献３，特許文献４）。この構成を図２０に示す。符号化されたストライプ光を物体に投射し，投射系と同主点位置に配置した撮像系および非同主点位置に配置した撮像系により物体上のストライプ光をモニタする。同主点の撮像系および非同主点の撮像系により撮像されたストライプ像はともに物体のテクスチャ情報を含んでいるので，両者を比較し対応点抽出する際，エラーの発生を抑制できる。よって物体のテクスチャによる計測劣化の影響を低減できる。また，テクスチャ情報自体も正確に取得でき，テクスチャ付きの三次元画像を取得できる。
【０００５】
しかしながらこのような投射系と撮像系の光学系がそれぞれ独立している構成であると，物体の大きさに合わせて光学系のズーム比を変えたい場合に以下のような煩わしい作業が発生する。物体の３次元形状を高解像度にて取得したい場合などでは撮像系における光学系のズームを望遠側にするが，これに合わせて投射系における光学系のズーム比を調整する手間を必要とする。また撮像系における光学系のズームを変更した場合，光学系の主点位置が移動するので，それに合わせて一度配置した投射系と撮像系の配置をそれぞれの光学系が同主点になるように再調整しなければならないといった非常に煩わしい作業が発生し，使い勝手が悪いという問題がある。
【０００６】
また別の問題としてハーフミラーにて撮像系と投影系の同主点性を実現しているが，このハーフミラーの汚れが計測劣化に大きく影響することが確認されており，解決すべき大きな問題となっているのが現状である。
【０００７】
さらに物体の表面に光沢（反射光の強度分布の偏り）がある場合，距離測定が困難になる。
【０００８】
すなわち，光沢物など鏡面性が高い計測面では，正反射方向には鏡面反射光が観測される。この鏡面反射光は正反射方向から外れると減少する。図２１はこのような反射特性を説明する図である。投光系から照射される投射光は一般に自然光であり，偏光方位はランダムである。ここで正反射方向に位置している視点Ａに配置された撮像系Ａには，拡散反射光に加えて鏡面反射光を含んだ非常に強度の強い反射光が観測される。撮像画像には正反射位置にハイライトとして現れる。よって投射されたストライプ光は，表面光沢の影響を受けた非常に明るい輝度を持つストライプ像として観測されるので，撮像されたストライプ像が投射されたどのストライプ光に相当するかを判断することが困難となる。よって誤対応が発生し，正しい距離が算出できない。
【０００９】
正反射方向に位置していない視点Ｂ，Ｃに配置された撮像系Ｂ，Ｃでは拡散反射光のみを含んだ反射光が観測される。よって撮像画像にはハイライトは現れない。このように視点位置を工夫することにより，誤対応は減少するケースは存在する。しかしながら，このような構成であると撮像系のレイアウトに制約がある，複数の傾きを持つ計測面の測定には適応不可能といった問題がある。また鏡面反射光の強度分布が図２１に示した比較的狭い場合（鏡面性が高い光沢物）ではなく，強度分布に広がり持つ場合には（鏡面性が低い光沢物），撮像系Ｂにおいても鏡面反射光の一部が観測され，誤対応の発生により正しい距離が算出できなくなる。
【００１０】
図２２は撮像系の手前に偏光フィルタを設置することにより上記鏡面反射光を取り除こうとした装置の構成図である。しかしながらこの構成においても，正反射方向である視点Ａにおける反射光は偏光方位がランダムな自然光であるため，偏光フィルタの透過軸をどのように回転調整しても鏡面反射光は除去できない。よって上述した問題は解決できないのが現状である。
【００１１】
特許文献２では，このような物体に光沢がある場合に計測劣化が発生するのを防ぐことを目的とした構成が提案されている。この構成を説明する図を図２３に示す。ＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）プリズムにより偏光光を形成し光沢物にスポット状の光を投射する。光沢面における反射光をＰＢＳプリズムを経由して検出部にて検出する。光沢面における反射光は鏡面反射光と拡散反射光からなる。ＰＢＳプリズムの特性から鏡面反射光は反射され，拡散反射光の一部が検出部に進入し，光沢面上のスポットに対応した点として検出される。検出部にて検出された位置により，物体の三次元位置を算出する。反射光をＰＢＳプリズムを経由しないで検出部にて検出すると，鏡面反射光による点と拡散反射光による点が検出されるため，物体の三次元位置を同定することができないという問題が発生する。このような光沢物特有の問題を解決した構成である。しかしながらこの構成では，投射光がスポット状なので物体全体を計測する場合には投射光の走査が必要であるため，走査を行うための装置が必要になり計測装置全体が大掛かりになる事や走査に時間がかかり，使い勝手が悪い，特に動きにある物体には適用できないといった問題が発生する。
【００１２】
先に説明した引用文献３，４のような同主点性に特徴を持つ光学レイアウトをもってしても，物体に光沢がある場合には，先に示した理由により距離計測ができないのが現状である。
【００１３】
【特許文献１】特開平３−１９２４７４号公報
【特許文献２】特許公報第２９８３３１８号
【特許文献３】特開２０００−６５５４２公報
【特許文献４】特開２０００−９４４２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は，以上の事情を考慮してなされたものであり，物体にテクスチャがある場合や光学系に汚れがある場合でも計測劣化が発生せず，物体の大小に合わせた光学系のズームを簡便なシステムにて実現し，物体の三次元画像を一括にて入手することができる三次元画像撮像技術を提供することを第１の目的としている。また，本発明は，物体に光沢がある場合でも計測劣化が発生せず，物体の大小に合わせた光学系のズームを簡便なシステムにて実現し，物体の三次元画像を一括にて入手することができる三次元画像撮像技術を提供することを第２の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明によれば，上述の目的を達成するために，特許請求の範囲に記載のとおりの構成を採用している。ここでは，発明を詳細に説明するのに先だって，特許請求の範囲の記載について補充的に説明を行なっておく。
【００１６】
すなわち，本発明の一側面によれば，上述の目的を達成するために，物体にパターン光を投射する投射手段と，前記物体からの反射像を撮像する第１の撮像手段と，前記第１の撮像手段と光学的に異なる主点をとるように配置され前記物体からの反射像を撮像する第２の撮像手段とを有し，前記物体の三次元形状を測定する三次元画像撮像装置において，前記投射手段と前記第１の撮像手段を光学的に同主点位置に配置させるための同主点配置手段と，前記投射手段と前記第１の撮像手段において共用される結像光学系とを設けるようにしている。
【００１７】
この構成においては，物体にテクスチャがある場合や光学系に汚れがある場合でも計測劣化が発生せず，物体の大小に合わせた光学系のズームを簡便なシステムにて三次元画像を撮像することができる。
【００１８】
この構成において，前記結像光学系はズーム手段を備え，前記ズーム手段によりズーム比が変更された場合に前記投射手段と前記第１の撮像手段の同主点位置関係が不変であるように構成されてもよい。
【００１９】
また，前記投射手段は，光源と，パターン発生部と，前記同主点配置手段と前記結像光学系とを含んで構成することが好ましい。
【００２０】
また，前記投射手段は，光源と，光整形光学系と，パターン発生部と，前記同主点配置手段と，前記結像光学系とを含んで構成することが好ましい。
【００２１】
また，前記第１の撮像手段は，前記物体のテクスチャおよびパターン反射像を撮像するテクスチャ・パターン撮像部と，前記同主点配置手段と，前記結像光学系とを含んで構成することが好ましい。
【００２２】
また，前記第２の撮像手段は，前記物体のテクスチャおよびパターン反射像を撮像するテクスチャ・パターン撮像部と，結像光学系とを含んで構成することが好ましい。
【００２３】
前記パターン光は，例えば，符号化されたストライプ光である。
【００２４】
前記投射手段においてパターン光を発生するパターン発生部は液晶パネルを含んでなり，あるいは，デジタルマイクロミラーデバイスを含んでなり，あるいは，透過フィルムを含んでなることが好ましい。
【００２５】
この構成において，前記同主点配置手段はプレート型あるいはキューブ型の形状を有するビームスプリッタを用いて構成することが好ましい。
【００２６】
また，少なくとも前記結像光学系および前記同主点配置手段を，前記第１の撮像手段および前記第２の撮像手段への反射光の投射を妨げることがない部分において，遮蔽するカバー部材を設けることが好ましい。
【００２７】
また，前記結像光学系が，前記同主点配置手段より前記物体側に配置されることが好ましい。
【００２８】
また，本発明の他の側面によれば，三次元画像撮像方法において，物体にパターン光を投射する投射手段と，前記物体からの反射像を撮像する第１の撮像手段と，前記投射手段と前記第１の撮像手段を光学的に同主点位置に配置させるための同主点配置手段と，前記投射手段と前記第１の撮像手段において共用される結像光学系と，前記第１の撮像手段と光学的に異なる主点をとるように配置され前記物体からの反射像を撮像する第２の撮像手段とを用い，投射手段から投射したパターン光を物体に投射し，反射光を第１の撮像手段および第２の撮像手段で撮像し，前記第１の撮像手段により取得した物体からの反射像と前記第２の撮像手段により取得した物体からの反射像に基づいて三次元形状を計測するようにしている。
【００２９】
この構成においても，物体にテクスチャがある場合や光学系に汚れがある場合でも計測劣化が発生せず，物体の大小に合わせた光学系のズームを簡便なシステムにて三次元画像を撮像することができる。
【００３０】
また，本発明のさらに他の側面によれば，物体にパターン光を投射する投射手段と，前記物体からの反射像を撮像する第１の撮像手段と，前記第１の撮像手段と光学的に異なる主点をとるように配置され前記物体からの反射像を撮像する第２の撮像手段とを有し，前記物体の三次元形状を測定する三次元画像カメラにおいて，前記投射手段と前記第１の撮像手段を光学的に同主点位置に配置させるための同主点配置手段と，前記投射手段と前記第１の撮像手段において共用される結像光学系と，前記投射手段と，前記第１の撮像手段と，前記第２の撮像手段を取り付ける筐体とを設けるようにしている。
【００３１】
この構成においても，物体にテクスチャがある場合や光学系に汚れがある場合でも計測劣化が発生せず，物体の大小に合わせた光学系のズームを簡便なシステムにて実現し，物体の三次元画像を一括にて入手することができ，さらに装置全体を筐体に配置して携帯することが可能になる。
【００３２】
前記投射手段は，フラッシュ光を投射することが好ましい。
【００３３】
前記投射手段は，パターンのない光を前記物体に投射することができ，パターンのない光の前記物体からの反射光を前記第１の撮像手段または前記第２の撮像手段により撮像して前記物体の輝度情報を得ることが好ましい。
【００３４】
また，前記物体を可視領域で撮像する第３の撮像手段を設け，前記投射手段は，パターン光として赤外光を投射し，前記第１の撮像手段および前記第２の撮像手段は赤外光の反射像を撮像して前記物体の三次元形状を測定し，前記第３の撮像手段により前記物体の輝度情報を得るようにすることが好ましい。
【００３５】
また，前記赤外光の反射情報と前記物体の輝度情報とを同時に取得することにより，前記物体の距離情報と輝度情報とを同時に取得するようにすることが好ましい。
【００３６】
また，前記結像光学系が，前記同主点配置手段より前記物体側に配置されることが好ましい。
【００３７】
また，本発明のさらに他の側面によれば，上述の目的を達成するために，物体にパターン光を投射する投射手段と，前記物体からの反射像を撮像する第１の撮像手段と，前記第１の撮像手段と光学的に同主点でない位置に配置され前記物体からの反射像を撮像する第２の撮像手段とを有し，前記物体の三次元形状を測定する三次元画像撮像装置において，前記投射手段と前記第１の撮像手段を光学的に同主点位置に配置させるための同主点配置手段と，前記投射手段と前記第１の撮像手段において共用される結像光学系とを設け，さらに，前記同主点配置手段は，前記投射手段からの光を偏光光に変換する偏光変換機能と，前記物体からの反射光のうち前記第１の撮像手段に導く光を選択する偏光方位選択機能とを有するようにしている。
【００３８】
この構成においては，物体にテクスチャや光沢がある場合や光学系に汚れがある場合でも計測劣化が発生せず，物体の大小に合わせた光学系のズームを簡便なシステムにて三次元画像を撮像することができる。
【００３９】
この構成において，前記結像光学系はズーム手段を備え，前記ズーム手段によりズーム比が変更された場合に前記投射手段と前記第１の撮像手段の同主点位置関係が不変であるように構成されることが好ましい。
【００４０】
また，前記同主点配置手段はプレート型あるいはキューブ型の形状を有する偏光ビームスプリッタを用いて構成することが好ましい。
【００４１】
前記投射手段は，光源と，パターン発生部と，前記同主点配置手段と前記結像光学系とを含んで構成することが好ましい。
【００４２】
また，前記投射手段は，光源と，光整形光学系と，パターン発生部と，前記同主点配置手段と，前記結像光学系とを含んで構成することが好ましい。
【００４３】
また，前記第１の撮像手段は，前記物体のテクスチャおよびパターン反射像を撮像するテクスチャ・パターン撮像部と，前記同主点配置手段と，前記結像光学系とを含んで構成することが好ましい。
【００４４】
また，前記第２の撮像手段は，前記物体のテクスチャおよびパターン反射像を撮像するテクスチャ・パターン撮像部と，結像光学系と，前記物体からの反射光のうち前記第２の撮像手段に導く光を選択する偏光方位選択手段とを含んで構成することが好ましい。
【００４５】
前記第２の撮像手段における前記偏光方位選択手段は前記同主点配置手段の偏光変換機能により偏光変換された偏光光の偏光方位に対し，前記偏光方位選択手段が選択する偏光方位の角度を相対的に変化させる角度調整機能を備えることが好ましい。
【００４６】
前記パターン光は，例えば，符号化されたストライプ光である。
【００４７】
また，前記偏光変換機能と前記偏光方位選択機能を備える前記同主点配置手段に入射する光は略平行化された光であることが好ましい。
【００４８】
また，少なくとも前記結像光学系および前記同主点配置手段を，前記第１の撮像手段および前記第２の撮像手段への反射光の投射を妨げることがない部分において，遮蔽するカバー部材を設けることが好ましい。
【００４９】
また，前記結像光学系が，前記同主点配置手段より前記物体側に配置されることが好ましい。
【００５０】
また，本発明のさらに他の側面によれば，三次元画像撮像方法において，物体にパターン光を投射する投射手段と，前記物体からの反射像を撮像する第１の撮像手段と，前記投射手段と前記第１の撮像手段を光学的に同主点位置に配置させるための同主点配置手段と，前記投射手段と前記第１の撮像手段において共用される結像光学系と，前記第１の撮像手段と光学的に異なる主点をとるように配置され前記物体からの反射像を撮像する第２の撮像手段とを用い，さらに，前記同主点配置手段に設けた偏光変換機能により，前記投射手段からの光を偏光光に変換し，前記同主点配置手段に設けた偏光方位選択機能により，前記物体からの反射光のうち前記第１の撮像手段に導く光を選択し，前記第２の撮像手段に設けた偏光方位選択手段により，前記物体からの反射光のうち前記第２の撮像手段に導く光を選択し，前記第１の前記第１の撮像手段により取得した物体からの反射像と前記第２の撮像手段により取得した物体からの反射像に基づいて三次元形状を計測するようにしている。
【００５１】
この構成においても，物体にテクスチャや光沢がある場合や光学系に汚れがある場合でも計測劣化が発生せず，物体の大小に合わせた光学系のズームを簡便なシステムにて三次元画像を撮像することができる。
【００５２】
また，本発明のさらに他の側面によれば，物体にパターン光を投射する投射手段と，前記物体からの反射像を撮像する第１の撮像手段と，前記第１の撮像手段と光学的に同主点でない位置に配置され前記物体からの反射像を撮像する第２の撮像手段とを有し，前記物体の三次元形状を測定する三次元画像カメラにおいて，前記投射手段と前記第１の撮像手段を光学的に同主点位置に配置させるための同主点配置手段と，前記投射手段と前記第１の撮像手段において共用される結像光学系と，前記投射手段と，前記第１の撮像手段と，前記第２の撮像手段を取り付ける筐体とを設け，さらに，前記同主点配置手段は，前記投射手段からの光を偏光光に変換する偏光変換機能と，前記物体からの反射光のうち前記第１の撮像手段に導く光を選択する偏光方位選択機能とを有するようにしている。この場合，前記筐体内に前記投射手段と前記第１，第２の撮像手段とを納めることが好ましい
【００５３】
この構成においては，物体にテクスチャや光沢がある場合や光学系に汚れがある場合でも計測劣化が発生せず，物体の大小に合わせた光学系のズームを簡便なシステムにて実現し，物体の三次元画像を一括にて入手することができ，さらに装置全体を筐体に配置して携帯することが可能になる。
【００５４】
前記投射手段は，フラッシュ光を投射することが好ましい。
【００５５】
前記投射手段は，パターンのない光を前記物体に投射することができ，パターンのない光の前記物体からの反射光を前記第１の撮像手段または前記第２の撮像手段により撮像して前記物体の輝度情報を得ることが好ましい。
【００５６】
また，前記物体を可視領域で撮像する第３の撮像手段を設け，前記投射手段は，パターン光として赤外光を投射し，前記第１の撮像手段および前記第２の撮像手段は赤外光の反射像を撮像して前記物体の三次元形状を測定し，前記第３の撮像手段により前記物体の輝度情報を得るようにすることが好ましい。
【００５７】
また，前記赤外光の反射情報と前記物体の輝度情報とを同時に取得することにより，前記物体の距離情報と輝度情報とを同時に取得するように構成することが好ましい。
【００５８】
また，前記結像光学系が，前記同主点配置手段より前記物体側に配置されることが好ましい。
なお，この発明は装置またはシステムとして実現できるのみでなく，方法としても実現可能である。また，そのような発明の一部をソフトウェアとして構成することができることはもちろんである。またそのようなソフトウェアをコンピュータに実行させるために用いるソフトウェア製品もこの発明の技術的な範囲に含まれることも当然である。
【００５９】
この発明の上述の側面および他の側面は特許請求の範囲に記載され以下実施例を用いて詳述される。
【発明の効果】
【００６０】
本発明の三次元画像撮像技術によれば，物体にテクスチャがある場合でも計測エラーを低減し，ズームの際などに使い勝手が向上し，装置の小型化を実現できる。輝度情報とともに距離情報を一括にて入手することも可能である。また物体に光沢がある場合でも計測エラーを低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６１】
以下，図面を参照しながら本発明の実施例を具体的に説明する。
【実施例１】
【００６２】
図１に，本発明の実施例１の三次元画像撮像装置の主要部分である投射手段１０と，投射手段１０に対し光学的に同主点に配置された第１の撮像手段２０を模式的に示す。なお，本実施例の三次元画像撮像装置の全体の構成の概略は図４に示し，後に説明する。
【００６３】
図１において，投射手段１０は光を射出する光源１１と，符号化されたパターン光を発生するパターン発生部１２と，第１の撮像手段２０と光学的に同主点に配置させるための同主点配置手段１３と，第１の撮像手段２０と共用される結像光学系１４とを含んで構成される。パターン発生部１２は液晶パネルあるいは透過フィルムを用いた。液晶パネルを用いればパターンを構成するストライプの濃淡や色，ストライプのピッチの変更が容易であることから，三次元測定したい物体に合わせてパターン変更する際にも使い勝手が良い。透過フィルムでは，予め濃淡あるいは色，ストライプピッチの異なるストライプのセットを複数作製しておき，物体に合わせて交換する。ストライプの符号化は濃淡や色の違いを用いて行う。また透過フィルムの変わりにガラスなどの透明な部材に大きさやピッチを変えた網点を形成して，網点の面積率を変えることにより，光の透過率を変えたストライプパターンを用いてもよい。
【００６４】
第１の撮像手段２０は物体のテクスチャと物体からのパターン反射像を撮像するテクスチャ・パターン撮像部２１と投射手段１０と光学的に同主点に配置させるための同主点配置手段１３と，投射手段１０と共用される結像光学系１４とを含んで構成されている。テクスチャ・パターン撮像部２１から取得される画像を基に三次元形状計測が行われる。
【００６５】
同主点配置手段１３には偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）プリズムを用いた。これはキューブ型のビームスプリッタであり，ランダム偏光である自然光を直線偏光に変換する機能がある。ＰＢＳプリズムは例えば図８に示すように，１対の４５°直角プリズムの間に偏光変換膜を配置したものである。本実施例では，ＰＢＳプリズムを投射手段１０と第１の撮像手段２０が光学的に同主点になるように配置した。同主点に配置するための細かな説明は後ほど示す。このビームスプリッタの先（物体側）に結像光学系１４を配置した。光源１１から射出した光（ランダム偏光光）はパターン発生部１２を通過し，ＰＢＳプリズム（同主点配置手段１３）に入射する。ＰＢＳプリズムにて結像光学系１４方向に直進する光とそれに対し直角な方向（テクスチャ・パターン撮像部２１と反対側の方向）に進行する光に分かれる。この二つの光は直線偏光に変換されおり，その偏光方位は互いに直角である。
【００６６】
このような同主点の構成にて，偏光変換された符号化パターン光を物体に一括にて投射・撮像することを説明する図を図２に示す。パターン発生部１２から射出した濃淡あるいは色により符号化された偏光パターン光がＰＢＳプリズム（同主点配置手段１３）を通過し，その一部が結像光学系１４を経由して物体上に結像される。物体上のパターン反射光は結像光学系１４を再び経由して，ＰＢＳプリズム（同主点配置手段１３）にてその一部が第１の撮像手段２０におけるテクスチャ・パターン撮像部２１に結像される。結像されたパターン反射光を撮像部２１にて画像変換を行うことにより，パターン反射像を取得する。
【００６７】
図３は本実施例にて投射手段１０と第１の撮像手段２０が光学的に同主点位置に配置できることを説明するための図である。
【００６８】
まずパターン発生部１２の位置が物体の位置に対して結像関係になるように結像光学系１４の主点位置を調整する（パターン発生部１２の位置を調整しても良い）。次に結像光学系１４の主点位置からＰＢＳプリズム（同主点配置手段１３）経由の撮像部２１までの光学的距離が，結像光学系１４の主点位置からパターン発生部１２までの光学的距離と等しくなるように撮像部２１を配置する。これにて投射手段１０と第１の撮像手段２０とは同主点の位置関係が成立する。また物体の位置に対し撮像部２１の位置においても結像関係が成立する。以上の作業は結像光学系１４の光軸方向に沿って行なうことのが望ましいが，光軸方向から多少ずれても，結像光学系１４の主点位置からの距離が一定であれば問題はない。
【００６９】
図３では説明の関係上，撮像エリアが投射エリアより小さく示されているが，当然のことながら両者を等しくしても構わない。その場合テクスチャ・パターン撮像部２１の面積とパターン発生部１２の面積を同一にする。また図に示した光トラップ１５はパターン発生部から射出された光のうち，ＰＢＳプリズム（同主点配置手段１３）にて分岐された物体に投射されない光の戻り光を除去するために配置してある。
【００７０】
なお，図から明らかなように，ＰＢＳプリズム（同主点配置手段１３）を結像光学系１４の奥に配置しているため，図２０にて示した従来の装置における同主点配置手段であるハーフミラーに比べてその大きさを小さくすることができる。
【００７１】
図４は本実施例の三次元画像撮像装置の全体像を示した図である。図１に示した主要な構成要素に第１の撮像手段２０と光学的に同主点でない位置に配置された第２の撮像手段３０を加え，また投射手段１０に光整形光学系１６を加えた構成である。投射手段１０から物体に偏光変換された符号化パターン光を照射し，第１の撮像手段２０および第２の撮像手段３０により物体からの反射像を撮像する。
【００７２】
第２の撮像手段３０は物体のテクスチャおよびパターン反射像を撮像するテクスチャ・パターン撮像部３１と結像光学系３２と偏光方位選択手段３３からなる。偏光方位選択手段３３には偏光フィルタを用いた。偏光フィルタは第２の撮像手段３０における結像光学系３２にマウントされ，この結像光学系３２の光軸を中心として回転が可能であるような機構が具備されてある。
【００７３】
投射手段１０に加えられた光整形光学系１６にはインテグレータロッドとコンデンサレンズを用いた。インテグレータロッドは内面が鏡面状である筒型光学部材である。インテグレータロッドとコンデンサレンズの組み合わせにて，集光性を向上させかつ光源の光強度のムラを低減した。
【００７４】
また以上説明した二つの実施例では，同主点配置手段にキューブ型のビームスプリッタ（ＰＢＳプリズム。図８）を用いたが偏光変換機能を有するプレート型ビームスプリッター（図９）を用いても構わない。プレート型ビームスプリッターを用いた場合，より安価，小型な三次元画像撮像装置を実現できる。
【００７５】
このように構成された本発明の三次元画像撮像装置において，投射手段にて偏光変換された符号化パターン光を物体に投射し，投射手段と同主点位置に配置した第１の撮像手段と，投射手段に対し非同主点位置に配置した第２の撮像手段により物体上のパターン光を観測した。
【００７６】
次に本実施例により計測エラーが減少するメカニズムを説明する。まず物体にテクスチャがある場合について示す。
【００７７】
同主点の特性から第１の撮像手段２０にて観測されたストライプ光は，物体の形状に撹乱されることなく元の投射ストライプ光と同様に観測される。また第１の撮像手段２０および第２の撮像手段３０により撮像されたストライプ像はともに物体のテクスチャ情報を含んでいるので，両者を比較し対応点抽出する際，エラーの発生を抑制できる。よって物体のテクスチャによる計測劣化の影響を低減できる。
【００７８】
次に物体に光沢がある場合について図５を用いて説明する。
【００７９】
図５において，同主点配置手段１３における偏光変換機能により直線偏光光を形成し，符号化された複数のストライプ光を光沢がある物体に投射する（投射光：直線偏光光）。光沢面は一般に鏡面と完全拡散面が重畳された面と考えられるので反射光は鏡面反射光と拡散反射光の和となる。鏡面反射光は正反射方向に偏った反射強度分布を持ち，拡散反射光は偏りのない一様な反射強度分布を持つ。従って光沢面上の反射強度分布は図５に示すような正反射方向に偏りのある反射強度分布を示す。ここで説明の便宜上，第２の撮像手段３０の撮像方法を先に説明し，その後，第１の撮像手段２０について説明する。また第２の撮像手段３０をその視点により第２の撮像手段３０−１，第２の撮像手段３０−２と呼ぶことにする。
【００８０】
第２の撮像手段３０が正反射方向に位置している場合（第２の撮像手段３０−１に相当），第２の撮像手段３０方向には鏡面にて反射した鏡面反射光と完全拡散面にて反射した拡散反射光が進行する。鏡面において反射する光は偏光状態が維持されるので，この鏡面反射光は投射光の偏光方位と同一の直線偏光光である。また完全拡散面にて反射した拡散反射光は，偏光方位が一定でないランダム偏光に変化する。ここで，第２の撮像手段３０における偏光方位選択手段３３である偏光フィルタの透過軸を直線偏光投射光の偏光方位と略垂直になるように回転調整すると，鏡面反射光はカットされ，拡散反射光のうち偏光フィルタの透過軸と同一方位の光のみが第２の撮像手段３０に進入する。
【００８１】
次に第２の撮像手段３０が正反射方向に位置していない場合（第２の撮像手段３０−２に相当），第２の撮像手段３０方向には完全拡散面にて反射した拡散反射光が進行する。第２の撮像手段３０における偏光方位選択手段３３である偏光フィルタの透過軸を直線偏光投射光の偏光方位と略垂直になるように回転調整すると，拡散反射光のうち偏光フィルタの透過軸と同一方位の光のみが第２の撮像手段３０に進入する。
【００８２】
よってこのように投射光に直線偏光光を用い偏光フィルタの透過軸を調整すれば，第２の撮像手段３０の視点によらず鏡面反射光を除去でき，拡散反射光のみからなるストライプ光を観測できる。
【００８３】
また鏡面反射光の強度分布が図５に示した比較的狭い場合（鏡面性が高い光沢物）ではなく，ブロードな広がり（鏡面性が低い光沢物）を示す場合には，第２の撮像手段３０−２の視点位置においても鏡面反射光が反射される場合がある。しかしながらこのような場合でも，偏光フィルタの透過軸を直線偏光投射光の偏光方位と略垂直になるように調整すれば，拡散反射光のみからなるストライプ光を観測できる。
【００８４】
図６は第１の撮像手段２０が鏡面反射光を除去でき，拡散反射光のみからなるストライプ光を観測できることを説明するための図である。
【００８５】
光源から射出した光（ランダム偏光）がパターン発生部を通過することにより符号化された複数のスリット光となり，同主点配置手段１３であるＰＢＳプリズムに進入する。ＰＢＳプリズムによりランダム偏光が直線偏光であるＰ偏光とＳ偏光に分岐される。ここではＰ偏光は物体側に直進し，Ｓ偏光はそれと直角な方向でテクスチャ・パターン撮像部２１と反対側に進行する。Ｐ偏光からなる符号化スリット光は結像光学系により光沢を有した物体上に結像される。光沢面にて反射した光は第２の撮像手段３０に関して説明したのと同様の理由により，鏡面反射光と拡散反射光から構成される。これら鏡面反射光と拡散反射光は結像光学系を再び経由してＰＢＳプリズムに進入する。鏡面反射光はＰ偏光のままであるためＰＢＳプリズムの特性から鏡面反射光は光源に向かって直進する。拡散反射光はランダム偏光であるため拡散反射光がＰＢＳプリズムに進入すると，拡散反射光のうち鏡面反射光（Ｐ偏光）の偏光方位と同一偏光方位を持つ光は光源に向かって直進する。これに対しＰ偏光と直角な偏光方位を持つＳ偏光と同一な偏光方位を持つ光だけがテクスチャ・パターン撮像部２１に進入する。テクスチャ・パターン撮像部２１とパターン発生部１２は同主点に配置されているので，テクスチャ・パターン撮像部２１上に光沢面上のストライプ反射像が結像される。よってＰＢＳプリズムに第２の撮像手段３０における偏光方位選択手段３３である偏光フィルタと同様な機能を持たせることができ，第１の撮像手段２０においても光沢面上にて反射した鏡面反射光を除去でき，拡散反射光のみからなるストライプ光を観測できる。（図５では第１の撮像手段に拡散反射光のみが進入する場合を示しているが，当然のことながら，この場合においても第１の撮像手段では拡散反射光のみからなるストライプ光が観察される。）
【００８６】
以上のことから，第１，第２の撮像手段２０，３０において光沢面上にて反射した鏡面反射光が除去された拡散反射光のみからなるストライプ光の観測が可能なり，第１，第２の撮像手段２０，３０から撮像されたストライプ像を比較する際に誤対応は抑えられ，結果として計測精度は飛躍的に向上する。
【００８７】
また本発明おける理想的な状態を実現させる手段としてＰＢＳプリズムに入射する光を平行化することが有効である。これを説明する図を図７に示す。平行化された入射光（ランダム偏光）はＰＢＳプリズムにてＰ偏光とＳ偏光に分離される。ＰＢＳプリズムは偏光変換機能において入射角依存性を持ち，ＰＢＳの偏光変換膜が形成された面への入射角が４５°に近づく程，偏光変換効率を１００％に近づけることができる。よって入射光（ランダム偏光）を平行化すれば最も効率良くＰ偏光とＳ偏光に変換することができる。先に説明した通りＰ偏光光は直進し，結像光学系を経由し物体（図示していない）に投射される。Ｓ偏光光はＰ偏光光の進行方向に対し直角でテクスチャ・パターン撮像部と反対側に進行する。
【００８８】
ここで直進したＰ偏光光はＰＢＳプリズムの全反射面１にて，Ｓ偏光光は全反射面２にて僅かながらだが全反射される。全反射した光はそれぞれの偏光状態を維持している。全反射面１にて反射した光はＰ偏光のままであるため，偏光変換膜を通過し光源に向かって進行する。全反射面２にて反射した光はＳ偏光のままであるため，偏光変換膜にて反射し光源に向かって進行する。従って全反射面１，２にて反射した光（全反射光）はテクスチャ・パターン撮像部に進入することはない。結果として全反射光がノイズとなることはなく高いＳＮ比を維持できる。
【００８９】
一方ＰＢＳプリズムへの入射光（ランダム偏光）が，偏光変換膜が形成された面に対し４５°から外れる程，物体側に直進する光およびそれと直角に進行する光には，ランダム偏光光を多く含んだ状態となる。よって全反射光にもランダム偏光光が多く含まれ，その一部がテクスチャ・パターン撮像部に進入しＳＮ比を大幅に劣化させる事となる。
【００９０】
ここではＰＢＳプリズムの全反射面について説明したが，当然のことながら結像光学系を構成するレンズ群の全反射面についても入射光を平行化することにより，全反射光を防ぐことができる。
【００９１】
入射光を平行化するためには光源のリフレクタにパラボリック型を使用する，数種のレンズを組み合わせた光整形光学系を使用する，光整形光学系の瞳位置に絞りを挿入するなどを適宜，組み合わせることにより実現させる。レーザ光をエクスパンダとその他の光学部材にて組み合わせれば精度のよい平行光を実現できる。
【００９２】
その他の理想的な状態を実現させる手段として，ＰＢＳプリズムに入射する光の狭帯域化が挙げられる。入射光の帯域を狭め，その帯域に対応したＰＢＳプリズムを使用することによりＰＢＳプリズムの偏光変換効率を最大限に引き出すことができる。
【００９３】
本発明の実施例ではさらに以下示すメリットを持つ。
【００９４】
投射手段１０の結像光学系と第１の撮像手段２０の結像光学系とは共通なので光学系のズームを連動させることができる。この利点として従来型の光学系が独立している場合と比較して説明する。物体の三次元データを高解像度にて取得したい場合や対象となる物体が小さい場合などにおいて，撮像系を望遠側にズームインする際，光学系が独立している場合では，ストライプのピッチが粗くなり，撮像系における光学系のズーム比に合わせて投射系における光学系も望遠側に調整しなければならない。これに対して本実施例の光学系では，撮像系を望遠側にズームした際に投射側も全く等しく望遠側にズームインされるので，撮像されるストライプのピッチは一定となり投射系における光学系の調整が不要となる。また撮像系における光学系のズーム比を変更すると光学系の主点位置が移動するので，光学系が独立している場合では，一度配置した投射系と撮像系の配置をそれぞれの光学系が同主点になるように再調整しなければならない。これに対して本実施例の光学系では，結像光学系が共通なのでズーム比を変更しても，主点位置は移動するが，投射系と撮像系の同主点位置関係は不変であるため，同主点にするために調整作業は全く必要がなく使い勝手が非常に良い。
【００９５】
別の利点として，本実施例では同主点配置手段であるビームスプリッターが結像光学系の奥（撮像部側）に配置されているため，従来型のビームスプリッターが結像光学系の手前（物体側）に配置されている場合に比べてビームスプリッターの位置は結像位置からより遠くなる。よってビームスプリッターの汚れは撮像面により結像しにくくなり，汚れによる計測精度への影響は低減される。
【００９６】
また，パターン発生部のパターンを拡大して物体に投射するので，ビームスプリッターを従来のものに比べてパターン発生部側に配置する本実施例によれば，ビームスプリッターを小型化することができる。
【００９７】
さらに結像光学系を共有することにより，光学系を１つ減らすことができ小型，安価な三次元画像撮像装置を実現できる。
【００９８】
本発明の実施例では形状計測ともに物体の輝度情報も取得可能である。投射光を符号化パターン光から白色光に切り替えるか外部の照明装置を用いて最適な照明光を照射することにより物体の質感を高めた状態で，本実施例で示した装置により物体の輝度情報を取得する。撮像手段は第１の撮像手段でも第２の撮像手段を用いてもよい。第２の撮像手段を用いる時は偏光フィルタを装着したままでもよいが，物体の質感をよりリアルに表現したい場合には偏光フィルタを取り外した状態で撮像するのがよい。これにより距離情報のみならず輝度情報も取得が可能になり，物体の形状データに輝度データを貼り付けて表示する３Ｄコンテンツ制作の際のデータ提供も可能になる。もちろん，第１の撮像手段や第２の撮像手段以外の撮像手段を用いて輝度情報を取得しても良い。
【実施例２】
【００９９】
つぎに本発明の実施例２について説明する。図１０は本発明の実施例２の三次元画像撮像装置を説明する図である。実施例２は，投射手段１０に光源１１と光整形光学系１６とパターン発生部１２であるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）を用いた構成である。ＤＭＤは小さな鏡面体の集合であり，１つの鏡面体が１つの画素に相当する。また鏡面体は傾きを変えることができる。鏡面体に光を入射させ，鏡面体の傾きの角度を制御することにより１画素ごとに光のオンオフを制御する。ストライプの符号化に必要な階調制御は，光のオンオフの回数を制御することにより行う。色にて符号化する際には，ＤＭＤの前にＲＧＢなどの色のついたカラーホイールを回転させ，光のオンオフに同期させるとか，色ごとにＤＭＤを用意しておいて，クロスプリズムなどを用いて後で色合成するなどの手段を用いる。ＤＭＤの詳細な構成例は，例えば，「Ｆｒｏｍ  ＩＣｓ  Ｔｏ  ＤＭＤｓ」（Ｍ．Ａ．Ｍｉｇｎａｒｄｉ，ＴＩ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｊｕｌｙ−Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，１９９８，ｐｐ．５６−６３）に紹介されている。これは，数十μｍ角の微小ミラーを，半導体チップ上に，数百個×数百個などの規模で並べた，２次元アレイを用いる。各ミラーは，その下の駆動回路によって，正負に傾斜できる可動構造になっている。これに照明光をあて，個々のミラーの角度に応じて，スクリーン上に所望のパターンを投光するものである。ＤＭＤで投光器を構成し，高精度に所望の縞模様パターンを投光し，空間コード化法で３次元画像を求める例は「Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ  ３Ｄ  Ｓｈａｐｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｗｉｔｈ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｔｒｉｐｅ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ｍｉｃｒｏ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ＤＭＤ」（Ｇ．  Ｆｒａｎｋｏｗｓｋｉ  ｅｔ．ａｌ．，ＳＰＩＥ  ３５９８  Ｆｅｂ．２００１，ｐｐ．９０−１０５）。に詳細が記載されている。ここでは輝度が正弦波状に，連続変化する縞模様パターンを，ＤＭＤによって高精度に投光する。ＤＭＤは，投光がパルス動作であるため，受光素子（ＣＣＤ）の受光動作と，同期をとる制御などをしている。
【０１００】
図１０において図４と対応する箇所には対応する符号を付して詳細な説明は省略する。実施例２においても実施例１と同様な効果が達成される。
【実施例３】
【０１０１】
つぎに本発明の実施例３について説明する。実施例３は，図１１に示すように，上述の実施例１と同様の構成を採用した上で，投射手段１０および第１の撮像手段２０を囲むようにカバー部材４０を設けたものである。この実施例３によれば，実施例１と同様の効果に加え，光学系等の汚れを防止できるという効果も達成する。上述したように小型化が実現されるため，小さなカバー部材４０を用いることができる。なお，図１１においても図４と対応する箇所には対応する符号を付した。
【実施例４】
【０１０２】
つぎに本発明の実施例４について説明する。実施例４によれば，図１２に示すように，投射手段１０，第１の撮像手段２０，第２の撮像手段３０等を収容する筐体５０を設け，小型，携帯型の三次元画像撮像用のカメラとして機能する装置（三次元画像カメラ，３Ｄカメラともいう）を実現できる。図１２の例では，輝度情報のモニタ用に第２の撮像手段３０または第１の撮像手段２０を用い，第２の撮像手段３０または第１の撮像手段２０からの撮像情報をスイッチ６１を介して液晶表示装置６０に供給してモニタできるようにしている。もちろん，別途，結像光学系を設けて光学的にモニタするようにしても良い。撮像をおこなうときには，パターン画像を投射して距離画像を取得し，この後，パターン画像の投射をやめて第１の撮像手段２０または第２の撮像手段３０から輝度情報を取得する。この場合，十分な光量が得られない場合には，光源１１から一様な白色光を投射することができる。図１２においても図４と対応する箇所には対応する符号を付した。
【実施例５】
【０１０３】
つぎに本発明の実施例５について説明する。実施例５によれば，図１３に示すように，モニタ用かつ輝度情報取得用の第３の撮像手段７０を設けている。第１の撮像手段２０および第２の撮像手段３０として赤外線撮像素子（赤外領域に感度を持つＣＣＤ等）を用い，光源１１から赤外光からなるパターン光を投射する。このようにすれば，第１の撮像手段２０および第２の撮像手段３０による距離画像の取得と第３の撮像手段７０による輝度画像の取得とを同時におこなうことができる。また光源駆動部８０が連続駆動するのでなく，フラッシュ駆動するようにすることも好ましい。このようにすれば電源９０の消費を抑えることができ，携帯用として使用できる３Ｄカメラとして使い勝手がよい。図１２においても図４および図１２と対応する箇所には対応する符号を付した。
【実施例６】
【０１０４】
つぎに本発明の実施例６について説明する。上述の実施例１〜５では，同主点配置手段として偏光ビームスプリッタを用い，その偏光変換機能および偏光方位選択機能を利用したが，物体の光沢がさほど問題にならない場合には，あるいは，別途，光沢の問題を解決する手段を採用する場合には，偏光変換機能および偏光方位選択機能を省略することができる。以降の実施例は，偏光変換機能および偏光方位選択機能を具備しない同主点配置手段を採用する。
図１４は，実施例６の三次元画像撮像装置を示しており，この図において図４と対応する箇所には体操する符号を付した。この例では，同主点配置手段１３Ａとしてビームスプリッタ（キューブ型またはプレート型）を用いた。第２の撮像手段３０Ａはテクスチャ・パターン撮像部３１と結像光学系３２とを具備し，他方，偏光方位選択手段（図４に符号３３で示す）は設けられていない。
【０１０５】
実施例６の三次元画像撮像装置においても，第１の撮像手段２０および第２の撮像手段３０Ａにより撮像されたストライプ像はともに物体のテクスチャ情報を含んでいるので，両者を比較し対応点抽出する際，エラーの発生を抑制できる。よって物体のテクスチャによる計測劣化の影響を低減できる。
【０１０６】
また，撮像系を望遠側にズームした際に投射側も全く等しく望遠側にズームされるので，撮像されるストライプのピッチは一定となり投射系における光学系の調整が不要となる。また，結像光学系１４が共通なのでズーム比を変更しても，主点位置は移動するが，投射系と撮像系の同主点位置関係は不変であるため，同主点にするために調整作業は全く必要がなく使い勝手が非常に良い。
【０１０７】
また，ビームスプリッター（同主点配置手段１３Ａ）が結像光学系１４の奥（撮像部側）に配置されているため，従来型のビームスプリッターが結像光学系の手前（物体側）に配置されている場合に比べてビームスプリッターの位置は結像位置からより遠くなる。よってビームスプリッターの汚れは撮像面により結像しにくくなり，汚れによる計測精度への影響は低減される。
【０１０８】
また，パターン発生部のパターンを拡大して物体に投射するので，ビームスプリッターを従来のものに比べてパターン発生部側に配置する本実施例によれば，ビームスプリッターを小型化することができる。
【０１０９】
さらに結像光学系を共有することにより，光学系を１つ減らすことができ小型，安価な三次元画像撮像装置を実現できる。
【０１１０】
この実施例６でも，形状計測ともに物体の輝度情報も取得可能である。投射光を符号化パターン光から白色光に切り替えるか外部の照明装置を用いて最適な照明光を照射することにより物体の質感を高めた状態で，本実施例で示した装置により物体の輝度情報を取得する。撮像手段は第１の撮像手段でも第２の撮像手段を用いてもよい。また別途用意しても良い。これにより距離情報のみならず輝度情報も取得が可能になり，物体の形状データに輝度データを貼り付けて表示する３Ｄコンテンツ制作の際のデータ提供も可能になる。
【実施例７】
【０１１１】
つぎに本発明の実施例７について説明する。図１５は本発明の実施例７の三次元画像撮像装置を説明する図である。実施例７は，基本的には実施例６と同様の構成を採用し，その上で，投射手段１０に光源１１と光整形光学系１６とパターン発生部１２であるＤＭＤを用いている。
【０１１２】
図１５において図１４と対応する箇所には対応する符号を付して詳細な説明は省略する。実施例７においても実施例６と同様な効果が達成される。
【実施例８】
【０１１３】
つぎに本発明の実施例８について説明する。実施例８においては，図１６に示すように，投射手段１０および第１の撮像手段２０を囲むようにカバー部材４０を設け光学系等が汚れないようにしている。上述したように小型化が実現されるため，小さなカバー部材４０を用いることができる。図１６において図１４と対応する箇所には対応する符号を付した。
【実施例９】
【０１１４】
つぎに本発明の実施例９について説明する。実施例９においては，図１７に示すように，投射手段１０，第１の撮像手段２０，第２の撮像手段３０等を収容する筐体５０を設け，小型，携帯型の三次元画像撮像用のカメラとして機能する装置（三次元画像カメラ，３Ｄカメラともいう）を実現している。実施例９では，輝度情報のモニタ用に第２の撮像手段３０または第１の撮像手段２０を用い，第２の撮像手段３０または第１の撮像手段２０からの撮像情報をスイッチ６１を介して液晶表示装置６０に供給してモニタできるようにしている。もちろん，別途，結像光学系を設けて光学的にモニタするようにしても良い。撮像をおこなうときには，パターン画像を投射して距離画像を取得し，この後，パターン画像の投射をやめて第１の撮像手段２０または第２の撮像手段３０から輝度情報を取得する。この場合，十分な光量が得られない場合には，光源１１から一様な白色光を投射することができる。図１７において図１４と対応する箇所には対応する符号を付した。
【実施例１０】
【０１１５】
つぎに本発明の実施例１０について説明する。実施例１０においては，図１８に示すように，モニタ用かつ輝度情報取得用の第３の撮像手段７０を設けている。この場合，第１の撮像手段２０および第２の撮像手段３０を赤外線撮像素子（赤外領域に感度を持つＣＣＤ等）を用い，光源１１から赤外光からなるパターン光を投射する。このようにすれば，第１の撮像手段２０および第２の撮像手段３０による距離画像の取得と第３の撮像手段７０による輝度画像の取得とを同時におこなうことができる。また光源駆動部８０が連続駆動するのでなく，フラッシュ駆動するようにすることも好ましい。このようにすれば電源９０の消費を抑えることができ，携帯用として使用できる３Ｄカメラとして使い勝手がよい。図１８において図１４と対応する箇所には対応する符号を付した。
【０１１６】
以上で実施例の説明を終了する。なお，この発明は上述の実施例に限定されるものではなくその趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明の実施例１における主要部分である投射手段と，投射手段に対し光学的に同主点に配置された第１の撮像手段を模式的に示した図である。
【図２】上述実施例１の同主点の構成にて符号化されたパターン光を物体に投射・撮像することを説明する図である。
【図３】上述実施例１にて投射手段と第１の撮像手段が光学的に同主点位置に配置できることを説明するための図である。
【図４】上述実施例１の三次元画像撮像装置の全体像を示した図である。
【図５】上述実施例１において物体に光沢がある場合でも計測劣化を防ぐことが可能であることを説明する図である。
【図６】上述実施例の第１の撮像手段にて鏡面反射光を除去できることを説明する図である。
【図７】上述実施例１の装置を理想的な状態にするための構成図である。
【図８】上述実施例１に用いるＰＢＳプリズムの例を説明する図である。
【図９】上述実施例１のＰＢＳプリズムに代えて用いるプレート型ＰＢＳの例を説明する図である。
【図１０】本発明の実施例２の三次元画像撮像装置を説明する図である。
【図１１】本発明の実施例３の三次元画像撮像装置を説明する図である。
【図１２】本発明の実施例４の三次元画像カメラを説明する図である。
【図１３】本発明の実施例５の三次元画像カメラを説明する図である。
【図１４】本発明の実施例６の三次元画像撮像装置を説明する図である。
【図１５】本発明の実施例７の三次元画像撮像装置を説明する図である。
【図１６】本発明の実施例８の三次元画像撮像装置を説明する図である。
【図１７】本発明の実施例９の三次元画像カメラを説明する図である。
【図１８】本発明の実施例１０の三次元画像カメラを説明する図である。
【図１９】従来の三次元画像撮像装置の構成を説明する図である。
【図２０】従来の三次元画像撮像装置にて物体にテクスチャがある場合に計測劣化を防ぐことが可能であることを説明する図である。
【図２１】従来の三次元画像撮像装置にて物体に光沢がある場合に計測劣化が発生することを説明する図である。
【図２２】従来の三次元画像撮像装置にて物体に光沢がある場合に計測劣化が発生することを説明する図である。
【図２３】物体に光沢がある場合に計測劣化が発生しない形状計測装置の従来例を説明する図である。
【符号の説明】
【０１１８】
１０      投射手段
１１      光源
１２      パターン発生部
１３，１３Ａ      同主点配置手段
１４      結像光学系
１５      光トラップ
１６      光整形光学系
２０      第１の撮像手段
２１      テクスチャ・パターン撮像部
３０，３０Ａ      第２の撮像手段
３１      テクスチャ・パターン撮像部
３２      結像光学系
３３      偏光方位選択手段
４０      カバー部材
５０      筐体
６０      液晶表示装置
６１      スイッチ
７０      第３の撮像手段
８０      光源駆動部
９０      電源
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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