(57)【要約】【課題】小型で安価なカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置及び計測方法を提供すること。【解決手段】対象物体Ｂからの入射光を複数の方向の光に分離し、少なくとも２方向の光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射する光学手段５と、一方向に出射された光を受けて２次元画像を出力する１台のカメラ１と、カメラ１より出力された２次元画像を、少なくとも２つの光路の各々を通過した光によって生成された像の各々を含む複数の２次元画像データに分離し、複数の２次元画像データを使用して対象物体Ｂの３次元情報を求める処理手段６とを備える。【選択図】図２
2007057386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物体からの入射光を複数の方向の光に分離し、少なくとも２方向の前記光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射するステップと、
１台のカメラを用いて前記一方向に出射された光を受けて２次元画像を得るステップと、
前記２次元画像を、少なくとも２つの前記光路の各々を通過した光によって生成された像の各々を含む複数の２次元画像データに分離するステップと、
分離された複数の前記２次元画像データを使用して前記対象物体の３次元情報を求めるステップと、を含むことを特徴とするカメラ１台を用いたインライン３次元計測方法。
【請求項２】
対象物体からの入射光を重複しない複数の波長帯の光に分離し、少なくとも２波長帯の前記光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射するステップと、
前記一方向に出射された光を少なくとも２つの前記波長帯に分離し、少なくとも２つの前記波長帯毎の２次元画像を得るステップと、
前記２次元画像を使用して前記対象物体の３次元情報を求めるステップと、を含むことを特徴とするカメラ１台を用いたインライン３次元計測方法。
【請求項３】
対象物体からの入射光を複数の方向の光に分離し、少なくとも２方向の前記光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射する光学手段と、
前記一方向に出射された光を受けて２次元画像を出力する１台のカメラと、
前記カメラより出力された前記２次元画像を、少なくとも２つの前記光路の各々を通過した光によって生成された像の各々を含む複数の２次元画像データに分離し、複数の前記２次元画像データを使用して前記対象物体の３次元情報を求める処理手段と、を備えることを特徴とするカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置。
【請求項４】
前記入射光を２つの前記光路に分離する前記光学手段が、
少なくとも１枚のハーフミラーと、
前記ハーフミラーによって反射された前記入射光を、異なる長さの前記光路のうちの長い光路を通過させた後、前記ハーフミラーを透過した光と合成させる反射手段とを備えていることを特徴とする請求項３に記載のカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置。
【請求項５】
前記光学手段が、２枚のミラーと、１枚のハーフミラーとを備え、
２枚の前記ミラーが、前記カメラの光軸と平行に、相互に対向して配置され、
前記ハーフミラーが、２枚の前記ミラーの間に、前記カメラに対向して配置され、
前記ハーフミラーの法線が、前記光軸を含む前記ミラーに垂直な平面内で、前記光軸と４５度の角度を成すことを特徴とする請求項３に記載のカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置。
【請求項６】
前記光学手段が、３枚のミラーと、１枚のハーフミラーとを備え、
３枚の前記ミラー及び１枚の前記ハーフミラーが、正方形の断面形状を有するように、２枚ずつが対向して配置され、
前記ハーフミラーが、前記カメラに対向して配置され、
前記ハーフミラーの法線が、前記カメラの光軸及び３枚の前記ミラーの法線を含む平面内で、前記光軸と４５度の角度を成すことを特徴とする請求項３に記載のカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置。
【請求項７】
前記光学手段が、２枚のミラーと、１枚のハーフミラーとを備え、
それぞれの一端で互いに直角に交差する２枚の前記ミラーと、前記ハーフミラーとが、三角形の断面形状を有するように配置され、
前記ハーフミラーが、前記カメラに対向して配置され、
前記ハーフミラーの法線が、前記カメラの光軸を含む前記ミラーに垂直な平面内で、前記光軸と４５度の角度を成すことを特徴とする請求項３に記載のカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置。
【請求項８】
前記光学手段が、２枚のハーフミラーを備え、
２枚の前記ハーフミラーが、前記カメラの光軸と直交するように、互いに対向して配置されていることを特徴とする請求項３に記載のカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置。
【請求項９】
前記光学手段が、前記入射光を２つの前記光路に分離し、
２つの前記光路の何れか一方を通過する光を、所定の時間の間、前記カメラに入射しないようにする手段をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置。
【請求項１０】
対象物体からの入射光を重複しない複数の波長帯の光に分離し、少なくとも２波長帯の光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射する光学手段と、
前記一方向に出射された光を少なくとも２つの前記波長帯に分離し、少なくとも２つの前記波長帯毎の２次元画像を出力する１台のカメラと、
前記２次元画像を使用して前記対象物体の３次元情報を求める処理手段と、を備えることを特徴とするカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置。
【請求項１１】
前記光学手段が、複数のカラーフィルターを備え、
前記カメラが、少なくとも２方向に光を分離する分光手段と、少なくとも２つの撮像手段とを備えることを特徴とする請求項１０に記載のカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置。
【請求項１２】
前記光学手段が、１枚のミラー、５枚のハーフミラー、及び３枚の前記カラーフィルターを備え、
前記カメラが、３つの前記撮像手段であるＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサを備えることを特徴とする請求項１１に記載のカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元計測に関し、特に、被測定物体からの光を一台のカメラで記録し、光強度の差や、色の違い等を用いて複数の画像に分離し、非接触で３次元物体の形状計測を三角測量の原理に基づいて行う計測装置およびその計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元計測法は幅広い分野に応用されており、広範囲の利用に対応するため、用途にあった三次元計測法が開発されている。大別すると、受動型計測（レンズ焦点法、ステレオ法）と能動型計測（光レーザー法、アクティブステレオ法、照度差ステレオ法）に分類される。この内、ステレオ法は、複数台のカメラを並べて三角測量の原理で計測を行う方法であり、カメラの配置によって、「両眼視」「三眼視」「カメラ移動型」などの方法がある。さらに、「両眼視」においても、２台のカメラを異なる光軸に配置して計測するオフアクシス（Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ）計測法と、２台のカメラを同じ光軸に配置して計測するインライン（Ｉｎ−Ｌｉｎｅ）計測法（例えば、下記特許文献１、２）がある。オフアクシス計測法では、撮像した２枚の画像の歪みを補正することが必要であり、且つ死角も生じるが、インライン計測法ではこれらの欠点が無い。
【０００３】
図１の（ａ）及び図１の（ｂ）はそれぞれ、従来の２台のカメラを用いたインライン３次元測定法の構成及び原理を示す平面図及び斜視図である。
【０００４】
図１の（ａ）及び図１の（ｂ）において、符号１、２は、同じスペック（焦点距離ｆ等）を有する２台のカメラを示し、視差ｄは２台のカメラ間の距離である。図１の（ａ）に示されているように、前方にあるカメラ（以下、フロントカメラとも記す）１と後方にあるカメラ（以下、バックカメラとも記す）２は、被測定物である物体Ａを通る同じ光軸（Ｚ軸）の上に配置されている。
【０００５】
図１の（ａ）に示した配置によれば、円筒座標を用いて、３次元空間における物体Ａ上の任意の１点Ｐ（Ｒ，α，Ｈ）は、図１の（ｂ）に示すように、フロントカメラ１の撮像面において点Ｐｆ（ｒｆ，α）、また、バックカメラ２の撮像面において点Ｐｂ（ｒｂ，α）として結像する。Ｒ、ｒｆ、及びｒｂはそれぞれ、点Ｐ、点Ｐｆ、及び点Ｐｂの光軸Ｚに対する垂直距離を示し、Ｈは、点Ｐを通り光軸Ｚに垂直な面からカメラ１のレンズまでの距離を示す。また、フロントカメラ１のレンズの位置を座標原点としている。カメラ１、２のレンズの焦点距離をｆとすると、物体Ａ上の点Ｐの位置と、２台のカメラ１、２より得られた２つの画像上の点Ｐｆ及び点Ｐｂとの関係から、次式が得られる。
【０００６】
Ｈ  ：  ｆ  ＝  Ｒ  ：  ｒｆ        （１）
Ｈ＋ｄ  ：  ｆ  ＝  Ｒ  ：  ｒｂ        （２）
焦点距離ｆ及び視差ｄは既知であり、ｒｆ及びｒｂは撮像した画像から知ることができるので、上記の２式により、Ｒ及びＨを求めることができ、また、角度αは、点Ｐｆ又は点Ｐｂと画像中心を通る互いに垂直な座標軸との関係から求めることができるため、物体Ａ上の点Ｐの３次元空間における位置（Ｒ，α，Ｈ）を求めることができる。
【０００７】
一方、この２台のカメラを用いた３次元計測法の応用分野として、流れの非定常現象のメカニズムを解明するための、ＰＩＶ（Particle Image Velocimetry、粒子画像計測）が知られている（下記非特許文献１）。ＰＩＶによれば、微小なトレイサー粒子を投入した流体を２台のカメラで撮影する３次元計測によって、各トレイサー粒子の３次元的位置及びその速度ベクトルを求めることができる。
【特許文献１】特開平０４−０１２２１０号公報
【特許文献２】特開平０６−２８１４２３号公報
【非特許文献１】The application of an in-line, stereoscopic, PIV system to 3-component velocity measurements, by Grant et al., Experiments in Fluids, 19, 1995, pp.214-221.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記した従来のインライン３次元計測法では、２台のカメラを使用するため、装置自体が大型になり、且つ高価になってしまうという欠点を有する上、装置の設置調節も複雑であるという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、簡易な調整で３次元計測を行うことができる、小型で安価なカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置および計測方法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】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明に係るカメラ１台を用いたインライン３次元計測方法（１）は、対象物体からの入射光を複数の方向の光に分離し、少なくとも２方向の前記光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射するステップと、１台のカメラを用いて前記一方向に出射された光を受けて２次元画像を得るステップと、前記２次元画像を、少なくとも２つの前記光路の各々を通過した光によって生成された像の各々を含む複数の２次元画像データに分離するステップと、分離された複数の前記２次元画像データを使用して前記対象物体の３次元情報を求めるステップとを含むことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るカメラ１台を用いたインライン３次元計測方法（２）は、対象物体からの入射光を重複しない複数の波長帯の光に分離し、少なくとも２波長帯の前記光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射するステップと、前記一方向に出射された光を少なくとも２つの前記波長帯に分離し、少なくとも２つの前記波長帯毎の２次元画像を得るステップと、前記２次元画像を使用して前記対象物体の３次元情報を求めるステップと、を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置（１）は、対象物体からの入射光を複数の方向の光に分離し、少なくとも２方向の前記光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射する光学手段と、前記一方向に出射された光を受けて２次元画像を出力する１台のカメラと、前記カメラより出力された前記２次元画像を、少なくとも２つの前記光路の各々を通過した光によって生成された像の各々を含む複数の２次元画像データに分離し、複数の前記２次元画像データを使用して前記対象物体の３次元情報を求める処理手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
前記入射光を２つの前記光路に分離する前記光学手段は、少なくとも１枚のハーフミラーと、前記ハーフミラーによって反射された前記入射光を、異なる長さの前記光路のうちの長い光路を通過させた後、前記ハーフミラーを透過した光と合成させる反射手段とを備えていることができる。
【００１４】
また、前記光学手段が、２枚のミラーと、１枚のハーフミラーとを備え、２枚の前記ミラーが、前記カメラの光軸と平行に、相互に対向して配置され、前記ハーフミラーが、２枚の前記ミラーの間に、前記カメラに対向して配置され、前記ハーフミラーの法線が、前記光軸を含む前記ミラーに垂直な平面内で、前記光軸と４５度の角度を成す構成であっても良い。
【００１５】
また、前記光学手段が、３枚のミラーと、１枚のハーフミラーとを備え、３枚の前記ミラー及び１枚の前記ハーフミラーが、正方形の断面形状を有するように、２枚ずつが対向して配置され、前記ハーフミラーが、前記カメラに対向して配置され、前記ハーフミラーの法線が、前記カメラの光軸及び３枚の前記ミラーの法線を含む平面内で、前記光軸と４５度の角度を成す構成であっても良い。
【００１６】
また、前記光学手段が、２枚のミラーと、１枚のハーフミラーとを備え、それぞれの一端で互いに直角に交差する２枚の前記ミラーと、前記ハーフミラーとが、三角形の断面形状を有するように配置され、前記ハーフミラーが、前記カメラに対向して配置され、前記ハーフミラーの法線が、前記カメラの光軸を含む前記ミラーに垂直な平面内で、前記光軸と４５度の角度を成す構成であっても良い。
【００１７】
また、前記光学手段が、２枚のハーフミラーを備え、２枚の前記ハーフミラーが、前記カメラの光軸と直交するように、互いに対向して配置されていても良い。
【００１８】
また、前記光学手段が、前記入射光を２つの前記光路に分離し、２つの前記光路の何れか一方を通過する光を、所定の時間の間、前記カメラに入射しないようにする手段をさらに備えていても良い。
【００１９】
また、本発明に係るカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置（２）は、対象物体からの入射光を重複しない複数の波長帯の光に分離し、少なくとも２波長帯の光を互いに異なる長さの光路を通過させた後、合成して一方向に出射する光学手段と、前記一方向に出射された光を少なくとも２つの前記波長帯に分離し、少なくとも２つの前記波長帯毎の２次元画像を出力する１台のカメラと、前記２次元画像を使用して前記対象物体の３次元情報を求める処理手段と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
前記光学手段は、複数のカラーフィルターを備え、前記カメラは、少なくとも２方向に光を分離する分光手段と、少なくとも２つの撮像手段とを備えることができる。
【００２１】
さらに、前記光学手段が、１枚のミラー、５枚のハーフミラー、及び３枚の前記カラーフィルターを備え、前記カメラが、３つの前記撮像手段であるＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサを備えることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、従来の２台のカメラを用る場合よりも、安価及び小型であり、且つ設置調整が容易なインライン３次元計測装置を実現することができ、効率的に３次元計測を行うことができる。
【００２３】
従って、流体計測への応用は元より、ステレオ計測法を広く普及させることが可能となる。例えば本発明は、製造ラインにおいては、回路基板などへの部品実装時の実装位置の検査、ロボットアームの位置調整、製品加工時の位置合わせなどに適用することができる。また、自動車の車間距離の測定に適用することができ、さらには、医療分野における内視鏡の撮像部に適用すれば、人体内部を立体的に表示することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係る、カメラ１台を用いたインライン３次元計測装置及び計測方法の好ましい実施の形態を、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。尚、図面において、同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。
（第１の実施の形態）
図２は、本発明の第１の実施の形態に係るカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置の概略構成を示す平面図である。
【００２５】
図２に示した本実施の形態に係るインライン３次元計測装置１０は、焦点距離ｆのレンズを有するＣＣＤカメラ（以下、単にカメラと記す）１と、２枚のミラー３、３’及び１枚のハーフミラー４を有する光学手段５と、カメラ１によって撮影された画像データを一時的にメモリ（図示せず）に記憶し、それに基づいて対象物体の３次元情報（３次元形状、対象物体までの距離など）を求める処理手段６とを備える。ここでは、２枚のミラー３、３’は、カメラの光軸Ｚと平行に、相互に対向して配置され、ハーフミラー４は、２枚のミラー３、３’の間に、カメラ１に対向して配置され、ハーフミラー４の法線は、光軸Ｚを含むミラー３，３’に垂直な平面内で、光軸Ｚと図２の上方に４５度の角度を成している。また、カメラ１は輝度画像を撮像可能なカメラであればよい。
【００２６】
次に、本実施の形態に係るカメラ１台を用いたインライン３次元計測の方法及び原理について説明する。
【００２７】
図２に示すように、物体Ｂからの光は、光学手段５に入射し、そこでハーフミラー４によって入射光が２方向に分離される。即ち、強度Ｉの入射光は、光学手段５によって、その半分がハーフミラー４を透過してカメラ１に入射する。一方、入射光の残りの半分はハーフミラー４によって反射されて図２の下方のミラー３’に入射し、ミラー３’により完全反射されて再度ハーフミラー４に入射し、この入射した光の半分、即ちＩ／４の強度の光がハーフミラー４を透過してミラー３に入射する。ミラー３で、光が完全反射されて再度ハーフミラー４に入射し、この入射した光の半分、即ちＩ／８の強度の光がハーフミラー４により反射されてカメラ１に入射する。このように、強度Ｉの入射光は、光学手段５によって２方向に分離され、それぞれ互いに長さの異なる光路をたどった後、Ｉ／２の強度の光及びＩ／８の強度の光として再び合成されて平行にカメラ１に入射する。このため、カメラ１の撮像面では同一の物体に対して２つの像が結ばれる。即ち、これは、対象物体を１台のカメラによって、光軸方向を維持したまま異なる距離から、同時に１枚の画像として撮影することに相当する。
【００２８】
図３は、図２に示したカメラ１台を用いたインライン３次元計測方法の原理を説明する斜視図である。
【００２９】
図３において、点Ｐ（Ｒ，α，Ｈ）は、円筒座標で表した３次元空間における物体Ｂ上の任意の１点を示し、点Ｐｓ（ｒｓ，α）と点Ｐｗ（ｒｗ，α）とはそれぞれ、短い光路をたどった強い強度の入射光と、相対的に長い光路をたどった弱い強度の入射光とにより、点Ｐがカメラ１の撮像面において結像した像である。点Ｐｖ（Ｒ，α，Ｈ＋ｄ）は、光学手段５により光路が延ばされることにより結像された点Ｐｗに対応し、３次元空間における実在の点Ｐのバーチャル点を示す。ここでは、Ｒは、点Ｐ及び点Ｐｖの光軸Ｚに対する垂直距離、ｒｓ及びｒｗはそれぞれ、点Ｐｓ及び点Ｐｗの光軸Ｚに対する垂直距離、Ｈは、点Ｐを通り光軸Ｚに垂直な平面からカメラ１のレンズまでの距離、視差ｄは、点Ｐを通り光軸Ｚに垂直な平面と点Ｐｖを通り光軸Ｚに垂直な平面との間の距離である。また、カメラ１のレンズの位置を座標原点としている。従って、これらのことから、図１の（ｂ）の場合と同様に次式が得られる。
【００３０】
Ｈ  ：  ｆ  ＝  Ｒ  ：  ｒｓ        （３）
Ｈ＋ｄ  ：  ｆ  ＝  Ｒ  ：  ｒｗ        （４）
従って、式（３）、（４）の連立方程式を解くことにより、Ｒ及びＨを求めることができ、また、角度αは、得られた画像データより、カメラの撮像面上の点Ｐｓ又は点Ｐｗと画像中心を通る互いに垂直な座標軸との関係から求められるので、物体Ｂ上の点Ｐの位置（Ｒ，α，Ｈ）を算出することができる。
【００３１】
なお、図３では任意の１点に関する結像を示しており、このように光軸上に位置しない１点を対象とする場合には、結像された２つの像が重なることが無いので、画像の分離をしなくても、対応する点を決定することができる。しかし、対象物体が面状体又は立体である場合には、長い光路と短い光路とによって結像される２つの像の形状は、撮像面の中心を相似の中心とする相似形となり、それらが重なって１枚の画像になるので、処理手段６は、２つの像を識別して２枚の画像に分離した後に、対応点を決定する必要がある。
【００３２】
画像分離の方法としては、公知の画像処理を用いて輝度をもとに分離することができる。即ち、上記したように、光学手段５によって分離された２つの光路を通過した光の強度は、入射光の強度をＩとして、それぞれＩ／２及びＩ／８となり、強度が大きく異なる。例えば、粒子マスク法（ＰＩＶハンドブック、可視化情報学会編、２００２年、ｐｐ．８３〜８５）を用いて粒子中心位置を検出し、光強度差で粒子像を分離することができる。また、例えば、カメラによって撮像した１枚の画像の輝度データに対して、輝度の差、輝度のヒストグラム、輝度の濃淡差の大きい場所の位置、その連続・不連続性、輝度変化の滑らかさなどを考慮して、２つの像のそれぞれのエッジを抽出することにより、２つの像を分離することもできる。
【００３３】
また、画像分離を容易にする手段として、一方の光路を通過する光がカメラ１に入射しないようにする可動手段を設けても良い。
【００３４】
例えば、可動手段として、ミラー３を所定の時間だけ移動させる移動手段を用いる場合、所定の時間、ミラー３’からの光がカメラ１に入射しないようにし、短い光路の光のみを用いて対象物体Ｂを撮像する。得られた画像Ｂ１（近距離撮影の画像）と、図２の配置で得られた、画像Ｂ２（近距離撮影の画像及び遠距離撮影の画像が重畳した画像）とを用いて、画像Ｂ２から画像Ｂ１を差し引く（Ｂ２−Ｂ１）こと、即ち対応する画素の値を減算することによって、遠距離撮像の画像Ｂ３を得ることができ、分離した２つの画像を得ることができる。尚、ミラー３の代わりにミラー３’又はハーフミラー４を所定の時間だけ移動させても良い。
【００３５】
また、他の可動手段として、一方の光路の光のみを所定の時間だけ遮断する遮断手段を用いても良い。例えば、ハーフミラー４とミラー３との間、又はハーフミラー４とミラー３’との間にシャッタを設ければよい。
【００３６】
さらに、動く対象物を撮像する場合には、ビデオの１フレーム程度の短い時間で、上記の２回の撮像を行えばよい。このような高速応答が必要な場合には、例えばシャッタとして液晶シャッタなどを使用すればよい。
【００３７】
このように、本第１の実施の形態にかかるカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置では、測定する対象物体とカメラとの間に、対象物体からの入射光を分離し、それぞれ互いに異なる長さの光路を通過させてから１台のカメラに入射させる光学手段を設けている。これによって、同じ視線方向の異なる位置から対象物体を同時に撮像し、光強度及びサイズの異なる像が２重に結像した一枚の画像を得ることが可能となり、この２重結像の画像に対して、画像分離を行い、得られた２つの画像上の対応点の位置情報から、対象物体に対する３次元計測を実現することができる。本装置では、１台のカメラを使用しているため、２台のカメラを使う場合に必要な画像歪みの補正が不要となり、且つ死角も発生しないという利点を有する上、装置の設置調整が簡易で、小型で安価な装置として色々な産業分野で利用できる。特に、市販の民生用カメラを使用すれば、非常に安価に構成することができる。尚、カラー撮像可能なカメラを使用しても良く、その場合には撮像したカラー画像を輝度画像に変換すれば良い。
【００３８】
図４は、本発明の第１の実施の形態に係るカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置において、図２と異なる光学手段を用いる場合の概略構成を示す平面図である。
【００３９】
図４に示したインライン３次元計測装置２０では、光学手段５ａが、３枚のミラー３と１枚のハーフミラー４とを正方形の断面形状を有するように組み立てて構成されており、且つハーフミラー４が、カメラ１の光軸と斜めに交差するように、カメラ１と対向して配置されている。
【００４０】
図５は、図４のインライン３次元計測装置２０を用いて１つの微小粒子を一度だけ撮像して得られた画像を示す写真である。図５により、一枚の画像に１つの粒子が異なる強度で、２重に結像していることを確認することができる。即ち、図５に示されているように、短い光路をたどった強い光（Ｉ／２の輝度）は画面上、大きな明るい円として結像（Ｉ／２で示す）し、長い光路をたどった弱い光（Ｉ／４の輝度）は画面上、小さな暗い円として結像（Ｉ／４で示す）している。
【００４１】
このように、異なる光強度によって２つの像の明暗がはっきり分かれており、また、異なる長さの光路によって２つの像のサイズ及び画像中心からの距離が大きく異なるので、一枚の画像上の２重結像を容易に分離することができる。よって、３次元計測、即ち、対象物体のカメラからの距離、対象物体の立体形状を測定することができる。尚、２つの像を共に焦点の合った像とすることはできないが、若干焦点が合っていなくても撮像された画像上の輝点の中心を対象として計算すればよい。
【００４２】
このように、図４のカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置２０は、図２の３次元計測装置１０と同様に、小型で安価な装置として、簡易な設置調整で３次元計測を行うことができる。さらに、インライン３次元計測装置２０の光学手段５ａは、３次元計測装置１０の光学手段５と比較して、コンパクトであり、光路をより長く引き延ばすことができるので、装置全体がより小さくなり、且つ２重に結像した２つの像のサイズが一層相違するものとなり、よって２重結像の分離をより容易に行うことができるというメリットがある。
【００４３】
また、図２、図４のインライン３次元計測装置１０、２０において、光学手段５、５ａの代わりに、図６又は図７に示した光学手段５ｂ、５ｃを用いても良い。これらの場合、装置全体をよりコンパクトにすることができる。
【００４４】
尚、本発明に係る光学手段は、入射光を複数の方向に分離し、それぞれ異なる長さの光路を通過させた後、強度の異なる複数の光を合成して１つの方向に出射するものであれば良く、例えば、図８〜図１１に示す光学手段５ｄ〜５ｇなど様々に構成することができる。
【００４５】
また、光学手段を構成する、入射光を分離する手段はハーフミラーに限定されず、入射光を異なる方向に反射及び透過させる手段であればよく、三角プリズムを使用してもよい。
（第２の実施の形態）
図１２は、本発明の第２の実施の形態に係るカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置の概略構成を示す平面図である。
【００４６】
図１２に示した本実施の形態に係るインライン３次元計測装置３０は、上記の第１の実施の形態に係るインライン３次元計測装置１０において、光学手段５を別の光学手段５ｈと置き換え、且つ３枚のＣＣＤを有するカラー撮像可能なカメラ１’を用いた装置である。即ち、本第２の実施の形態では、光学手段５ｈは、１枚のミラー３、５枚のハーフミラー４、及び赤緑青（以下、ＲＧＢと記す）の３枚のカラーフィルター７、８、９を備え、入射光を３つの光路に分離した後、ＲＧＢの各フィルター７〜９を通過させ、異なる光路長の光路をたどらせてから合成して、一方向に出射するように構成されている。また、カメラ１’（レンズ等は図示せず）は、光学手段５ｈから出力される合成されたＲＧＢの光を、分光プリズムによってＲＧＢの３色に分光して対応する３枚のＣＣＤに入射させることにより、ＲＧＢカラー画像を撮像するものである。
【００４７】
次に、本実施の形態に係るカメラ１台を用いたインライン３次元計測の方法及び原理について説明する。
【００４８】
図１２に示すように、物体Ｂからの光は、光学手段５ｈに入射し、カラーフィルター７〜９の左側に配置された２枚のハーフミラー４及び１枚のミラー３によって入射光が３つの光路に分離され、それぞれの光路をたどってＲＧＢのカラーフィルター７〜９を通過する。カラーフィルター７〜９を通過した光は、カラーフィルター７〜９の右側に配置された３枚のハーフミラー４によって、それぞれの光路をたどった後、合成されて平行にカメラ１’のレンズに入射する。カメラ１’では、上記したように、入射される光を、分光プリズム及び３枚のＣＣＤを用いて、ＲＧＢカラー画像として撮像する。このように、強度Ｉの入射光は、光学手段５ｈによってＲＧＢの３色の光に分離され、それぞれ互いに長さの異なる光路をたどった後、Ｉ／４の強度の赤色光、Ｉ／１６の強度の緑色光、Ｉ／３２の強度の青色光として混合されてカメラ１に入射し、カメラ１’のそれぞれのＣＣＤで結像する。即ち、これは、対象物体を１台のカメラによって、光軸方向を維持したまま異なる３種類の距離から、同時に１枚の画像として撮影することに相当する。
【００４９】
図１３は、図１２に示したカメラ１台を用いたインライン３次元計測方法の原理を説明する斜視図である。
【００５０】
図１３において、点ＰＲ（Ｒ，α，Ｈ）は、円筒座標で表した３次元空間における物体Ｂ上の任意の１点を示し、点ＱＲ（ｒＲ，α）、点ＱＧ（ｒＧ，α）及び点ＱＢ（ｒＢ，α）はそれぞれ、ＲＧＢカラーフィルターを通過し、異なる光路をたどった入射光により、点ＰＲがカメラ１’の３枚のＣＣＤにおいて結像した像である。図１３では、便宜上、３つの像を１枚の撮像面上に示しているが、実際には、ＲＧＢの３つの像はそれぞれ、各々のＣＣＤに結像される。点ＰＢ（Ｒ，α，Ｈ＋ｄ１＋ｄ２）及びＰＧ（Ｒ，α，Ｈ＋ｄ１）はそれぞれ、光学手段５ｈにより光路が延ばされることにより結像された点ＱＢ及び点ＱＧに対応し、３次元空間における実在の点ＰＲのバーチャル点である。ここでは、Ｒは、点ＰＲ、ＰＧ及びＰＢの光軸Ｚに対する垂直距離、ｒＲ、ｒＧ、及びｒＢはそれぞれ、点ＱＲ、点ＱＧ及び点ＱＢの光軸Ｚに対する垂直距離である。Ｈは、点ＰＲを通り光軸Ｚに垂直な平面からカメラ１’のレンズまでの距離であり、視差ｄ１は、点ＰＲを通り光軸Ｚに垂直な平面と点ＰＧを通り光軸Ｚに垂直な平面との間の距離であり、視差ｄ２は、点ＰＢを通り光軸Ｚに垂直な平面と点ＰＧを通り光軸Ｚに垂直な平面との間の距離である。また、カメラ１’のレンズの位置を座標原点としている。従って、これらのことから、図１の（ｂ）及び図３の場合と同様に次式が得られる。
【００５１】
Ｈ：ｆ              ＝Ｒ：ｒＲ              （５）
Ｈ＋ｄ１：ｆ        ＝Ｒ：ｒＧ              （６）
Ｈ＋ｄ１＋ｄ２：ｆ  ＝Ｒ：ｒＢ              （７）
従って、上記３つの式のいずれか２つからなる連立方程式を解くことにより、Ｒ及びＨを求めることができる。また、角度αは、得られた画像データより、カメラの像面上の点ＱＲ、点ＱＧ、又は点ＱＢと画像中心を通る互いに垂直な座標軸との関係から求められる。よって、物体Ｂ上の点ＰＲの位置（Ｒ，α，Ｈ）を求めることができる。
【００５２】
本実施の形態では、異なる光路をたどった光が異なるＣＣＤで結像し、Ｒ画素データ、Ｇ画素データ、及びＢ画素データとしてサンプリングされた後、所定のカラー画像データとして記録される。従って、取得したカラー画像データを各ＲＧＢデータに分離すること、即ち、各経路を通過した光による象を分離することは容易に行うことができる。従って、上記第１の実施の形態に関して説明したような画像分離を行う必要がなく、ＲＧＢの３つの画像のうち少なくとも２つの画像を得て、互いに対応する点を決定し、上記の連立方程式を解くことにより対象物体の３次元計測を行うことができる。
【００５３】
このように、本第２の実施の形態に係るカメラ１台を用いたインライン３次元計測装置では、測定する対象物体とカメラとの間に、対象物体からの光をＲＧＢの３色に分離し、それぞれ互いに異なる長さの光路をたどらせてから合成し、１台のカメラに入射させる光学手段、及び入射光をＲＧＢに分光して、ＲＧＢ毎の画素データを取得し、カラー画像として撮影するカメラを設けたので、同じ視線方向の３つの位置からの対象物体の撮影画像を１台のカメラで得ることが可能となり、且つ第１の実施の形態のような画像分離をすることなく、対象物体に対する３次元計測を高精度で簡単に実現することができる。
【００５４】
尚、図１２に示した光学手段５ｈの構成は一例であり、少なくとも２色の光を用いて撮像することができれば良く、種々の変更が可能である。例えば、カラーフィルター９を通過した光が反射される、カラーフィルター９の右側に配置されたハーフミラー４を、全反射ミラーに置き換えても良い。その場合、３色の光が混合されるときの、カラーフィルター９を通過した光の強度は、カラーフィルター８を通過した光と同じＩ／１６となるが、本第２の実施の形態では、輝度では無く、色で像を分離するので支障は無い。
【００５５】
また、特定の１色の光がカメラ１’に入射しないようにしてもよい。例えば、カラーフィルター９を通過する光路を無くしてもよい。即ち、例えば、カラーフィルター９と、ミラー３と、カラーフィルター９の右側に配置されたハーフミラー４とを備えていない光学手段を使用してもよい。
【００５６】
また、カメラ１’は、ＣＣＤを用いたカメラに限らず、ＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子を用いたカメラであってもよい。
【００５７】
また、光を分離する波長は、ＲＧＢの波長に限定されず、互いに重複しない少なくとも２つの波長帯に分離すればよい。即ち、光を分離するために光学手段で使用するカラーフィルターと同じ波長帯のカラーフィルターを用いたカメラで撮像すれば良い。
【００５８】
以上では、本発明を特定の実施の形態に関連して図示し、説明したが、本発明は上記で説明した実施の形態に限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば特許請求の範囲により定められる本発明の技術的範囲から逸脱することなく、様々に変更できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】（ａ）は、従来の２台のカメラを用いたインライン３次元測定法の構成を示す平面図であり、（ｂ）は、従来の２台カメラを用いたインライン３次元測定法の原理を説明する斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るカメラ１台を用いたインライン３次元測定装置の概略構成を示す平面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るカメラ１台を用いたインライン３次元測定法の原理を説明する斜視図である。
【図４】図２のインライン３次元測定装置をよりコンパクトにする代替の光学手段を備えた構成を示す平面図である。
【図５】図４のインライン３次元測定装置により得られた画像データの一例を示す写真である。
【図６】光学手段の構成の一例を示す平面図である。
【図７】光学手段の構成の一例を示す平面図である。
【図８】光学手段の構成の一例を示す平面図である。
【図９】光学手段の構成の一例を示す平面図である。
【図１０】光学手段の構成の一例を示す平面図である。
【図１１】光学手段の構成の一例を示す平面図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係るカメラを１台用いたインライン３次元測定装置の概略構成を示す平面図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係るカメラ１台を用いたインライン３次元測定法の原理を説明する斜視図である。
【符号の説明】
【００６０】
１、１’、２  カメラ
３、３’  ミラー
４  ハーフミラー
５、５ａ〜５ｈ  光学手段
６  処理手段
７  赤カラーフィルター
８  緑カラーフィルター
９  青カラーフィルター
１０、２０、３０  カメラ１台を用いたインライン３次元測定装置
【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５】
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