(57)【要約】【課題】この発明は、広範な範囲を高速かつ高精度に測定することができ、しかも小型で低価格な光投影装置および三次元形状測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】上記の目的を解決するために、この発明の三次元形状測定装置１は、帯状の光線を発生する光源３と、光源より投射された光を投影面上に走査する走査装置４，５と、光源３の光量を制御する光源制御装置６と、撮像装置７と、撮像装置８より画像情報を取り込んで三次元形状情報を算出する画像処理装置８とを有し、走査装置４，５によって光線を投影面において長さ方向に垂直な方向に平行移動させるとともに、光源制御装置６により光源３の光量を光線の平行移動に同期させて変化させることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の光線を発生する光源と、光源より投射された光を投影面上に走査する走査装置と、光源の光量を制御する光源制御装置とを有し、走査装置によって光線を投影面において長さ方向に垂直な方向に平行移動させるとともに、光源制御装置により光源の光量を光線の平行移動に同期させて変化させることを特徴とする光投影装置。
【請求項２】
走査装置として光源より投射された光線を反射させる鏡と、鏡を移動させる駆動装置とを有する請求項１に記載の光投影装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光投影装置と、撮像装置と、撮像装置より画像情報を取り込んで三次元形状情報を算出する画像処理装置とを有する三次元形状測定装置。
【請求項４】
光源制御装置により光線の平行移動に同期させて光源の光量を正弦波関数に基づいて変化させるものであり、その位相をπ／２ずつずらしながら投射を行い、各位相ごとに撮像を行って、４回分の画像情報より三次元形状情報を算出する請求項３に記載の三次元形状測定装置。
【請求項５】
第１の周期の正弦波関数に基づいた光線の投射および撮像と、第１の周期とは異なる第２の周期の正弦波関数に基づいた光線の投射および撮像を行うものである請求項４に記載の三次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元形状を光学的に測定する装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
三次元形状を光学的に測定する技術として、三角法に基づく方法が行われている。たとえば、特許文献１には光切断法に基づく立体計測装置および方法が記載されている。被計測物を載置する拡散板と、該拡散板の下に設置された１以上の照明用光源と、該拡散板に上方からライン光を照射する投光装置と、被計測物の上方に配置された撮像手段と、被計測物挿入孔と、制御部と、画像処理部を備えた立体計測装置であって、前記撮像手段は、択一的になされたライン光の照射と照明用光源の照射を撮像し、前記画像処理部は、照明用光源照射時の画像から被計測物の２次元形状情報を算出し、ライン光照射時の画像から被計測物の高さ情報を算出し、これらの情報から被計測物の立体計測情報を算出するものである。
【０００３】
また、格子投影法とよばれる方法もあり、測定対象面に格子状のパターンの光を投影して撮像し、全面を一度に解析して等高線情報を得るものである。ここで、格子状のパターンで光を投影するために、プロジェクターを用いる方法（特許文献２）や、格子パターンがかかれたガラス板等を通してハロゲンランプの光を照射する方法（特許文献３）などがある。また、液晶パネルに周期的な縞を表示し、これに光を通すことによって、周期的な光の縞を投影する技術も実施されている。
【特許文献１】特開２００６−９８３８４公報
【特許文献２】特許第３５０７８６５号公報
【特許文献３】特許第３５５４８１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されたような光切断法では、一回の撮像によって、１本の光線上にあらわれる情報しか取り込むことができない。対象面のすべての情報を得るためには、線状の光線を平行移動させながら撮像を繰り返す必要がある。したがって、全面の情報を取得するまでには長時間を要する。したがって、測定時間が長くなってしまう。また、短時間で動くようなものには追随できない。
【０００５】
一方、格子投影法によれば、全面を一度に解析することができるので、測定時間が短く、リアルタイムな測定も可能である。しかし、プロジェクターを用いる格子投影では、プロジェクターそのものが大型でしかも高価格であるので、測定装置全体も高価格になってしまう。また、格子パターンがかかれたガラス板等を使用する場合、格子パターンの変更を行うためには、複数のガラス板を用意し、それぞれを取り替えながら使用しなくてはならない。液晶パネルに周期的な縞を表示する方法であれば、比較的高速で投影パターンの変更もできるが、このような液晶パネル中を光が通過することによって、光量の低下が生じる。液晶の画素と画素の間に起因する光の不連続が生じるし、走査方向の分解能も画素数による限界がある。輝度の制御はデジタル的に行われるので、濃淡の程度の段階的にならざるをえない。さらに、レンズを介して光を投影するこれまでの方法では、焦点の合う範囲が限定され、高低差の大きな表面観察ができない。
【０００６】
この発明は、広範な範囲を高速かつ高精度に測定することができ、しかも小型で低価格な光投影装置および三次元形状測定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】
【０００７】
上記の目的を解決するために、この発明の光投影装置は、帯状の光線を発生する光源と、光源より投射された光を投影面上に走査する走査装置と、光源の光量を制御する光源制御装置とを有し、走査装置によって光線を投影面において長さ方向に垂直な方向に平行移動させるとともに、光源制御装置により光源の光量を光線の平行移動に同期させて変化させることを特徴とする。走査装置として光源より投射された光線を反射させる鏡と、鏡を移動させる駆動装置を使用することができる。ここで、周期的な変化は正弦波関数であり、位相をπ／２ずつずらしながら投射を行い、各位相ごとに撮像を行って、４回分の画像情報より三次元形状情報を算出することがこのましい。さらに、第１の周期の正弦波関数に基づいた光線の投射および撮像と、第１の周期とは異なる第２の周期の正弦波関数に基づいた光線の投射および撮像を行うようにすることもできる。
【０００８】
この発明の三次元形状測定装置は、上述の光投影装置と、撮像装置と、撮像装置より画像情報を取り込んで三次元形状情報を算出する画像処理装置とを有するものである。光源制御装置により光線の平行移動に同期させて光源の光量を正弦波関数に基づいて変化させ、さらに、その位相をπ／２ずつずらしながら投射を行い、各位相ごとに撮像を行って、４回分の画像情報より三次元形状情報を算出することができる。また、第１の周期の正弦波関数に基づいた光線の投射および撮像と、第１の周期とは異なる第２の周期の正弦波関数に基づいた光線の投射および撮像を行って、三次元形状情報を算出することができる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の光投影装置および三次元形状測定装置は、光源より投射された帯状の光線を走査装置によって投影面上で走査しながらその動きに連動させて光源の光量を変化させることにより、測定対象面に所定のパターンの光を投射することができ、小型の装置で高速な三次元形状測定ができるという効果を有する。投射光のパターンも自由に設定することができ、さまざまな測定に使用できるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は三次元形状測定装置の概要を示すブロック図である。三次元形状測定装置１は、帯状の光線を発生する光源３と、走査装置と、光源の光量を制御する光源制御装置６と、撮像装置７と、撮像装置７より画像情報を取り込んで三次元形状情報を算出する画像処理装置８とを有する。
【００１１】
すなわち、光投影装置２は、光源３と、走査装置と、光源制御装置６を備えている。光源３は帯状の光線を発生するものである。すなわち、帯形状の幅方向では平行光である。一方、光源からの距離にしたがって、長さ方向には伸びる。このような光源として、ハロゲンランプや発光ダイオードの光を２種類のレンズによって帯状の光線を形成するような構成の装置を使用してもよい。この実施形態においては、ラインレーザーを光源３として使用する。
【００１２】
走査装置は、光源より投射された光を投影面上に走査させるものである。光源３そのものを移動させたり、光線の方向を変える鏡やプリズム等の光学素子を回転や平行移動させるようなものでもよい。この実施形態においては、鏡４を利用する装置として構成している。鏡４は回転軸９を有し、その回転軸９を中心に回転自在となっている。この回転軸９には、鏡４を回転させるための駆動装置５が接続されている。ここで、回転とは、一定の方向に回り続ける場合のほか、ある角度範囲内で揺動する場合も含む。ラインレーザー３から発射された光は、この鏡４によって向きをかえ、測定対象面に投影される。
【００１３】
ラインレーザー３の電源１０は出力を調整することができ、これによって、レーザー光の強度を変化させることができる。
【００１４】
駆動装置５およびラインレーザー３の電源１０は光源制御装置６によって制御される。
【００１５】
撮像装置７は、測定対象面を画像として撮影するものであり、デジタルカメラやビデオカメラなどを使用することができる。この撮像装置７には画像処理装置８が接続されている。この画像処理装置８は撮像装置７より画像情報を取得し、この画像情報より測定対象物の三次元形状情報を算出する。こうして算出された三次元形状情報は例えば等高線表示などによって画像モニタなどの表示装置１１に出力される。
【００１６】
光源制御装置６と画像処理装置８は別々の機材として構成してもよいが、汎用のパーソナルコンピュータなどによって一体として構成してもよい。
【００１７】
ついで、この三次元形状測定装置の作用およびこれを用いた三次元形状測定方法について説明する。ラインレーザー３から発射されたレーザー光は鏡４によって向きを変え、対象面に投射される。ここで、レーザー光の長さ方向が鏡４の回転軸９と平行になるように、ラインレーザー３と鏡４の位置を設定する。また、鏡４の回転軸９を投影面にほぼ平行に設定しておく。また、レーザー光は、投影面に対して斜め方向に投射する。光源であるラインレーザー３から投影面までの間には、減光するような要素がないので、強い光線を投射することができる。
【００１８】
駆動装置５によって鏡４が回転すると、反射光の向きが変化する。これによって、レーザー光は対象面上を移動する。対象面の広さに対して、鏡４と対象面の距離が十分長ければ、鏡４の回転角とレーザー光の移動量はほぼ比例する。この鏡４の回転に連動させて電源１０の出力を変動させれば、レーザー光は対象面を移動しながら、その強度を変化させる。ここで、帯状のレーザー光は、その長さ方向に垂直な方向に投影面上を平行移動していく。光源制御装置６は、この移動長さに対して所定の周期でレーザー光の強度が変動するように電源１０を制御する。
【００１９】
鏡４の回転速度を十分に高く設定し、撮像装置７が一回の撮像で要する時間に比較してより短い時間で帯状のレーザー光が走査されることによって、対象面上に所望の光の強弱が形成される。たとえば、光源制御装置６によって、周期的な光量の変動を発生させることによって、レーザー光による周期的なパターンが実現される。図２は、測定対象面上の投影パターンを模式的に示す平面図である。ここで、測定対象面は凹凸のない状態であるとする。レーザー光の長さ方向に沿ってｙ軸をとり、これに垂直な方向にｘ軸をとる。ｘ方向にそって周期的に光量が変化するようなパターンとなっている。ここで、パターンのｙ方向の長さは、ラインレーザー３から投影面までの距離によって定まる。一方、ｘ方向におけるパターンの繰り返しの間隔は、電源の出力変調の周期、鏡４の回転速度および鏡４から投影面までの距離によって定まる。したがって、電源の出力変調の制御の仕方によって、ｘ方向におけるパターンは自由に設定することができる。電源の出力変調をアナログ的に行うことによって、光の濃淡も連続的に制御できる。走査もミラーの揺動によって連続的に行われるので、走査方向に沿った濃淡変化は連続的に形成することができる。したがって、この光投影装置の走査方向における分解能は無制限と考えてよい。
【００２０】
図３は、ｘ方向における光量変化を示すグラフである。この例においては、ｘ軸に沿って光量が正弦波関数に従って変化している。最も明るい点の光量をＩｍａｘ、最も暗い点の光量をＩｍｉｎ、繰り返し周期をλとすると、ある点（ｘ、ｙ）の光量は、
Ｉ（ｘ，ｙ）＝（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）・ｓｉｎ（２πｘ／λ）＋Ｉｍｉｎ
となる。このように、正弦波関数によるパターンで投影することによって、位相解析を行うことができる。
【００２１】
この投影面において、三次元形状を測定する。図３に示すようなパターンでレーザー光を投射し、撮像装置７によって１回目の撮像を行う。この画像データを画像処理装置７によって取り込み、記憶領域ｍ１に記憶させる。ついで、同じ繰返し周期λでありながら、その位相をπ／２だけずらしたパターン、すなわち、ｘ方向にλ／４の距離だけずらしたパターンで照射する。このようなパターンは光源制御装置６によって簡単かつ正確に作り出すことができる。こうして、２回目の撮像を行い、その画像データを記憶領域ｍ２に記憶させる。さらにパターンをπ／２だけずらしながら３回目、４回目の撮像を行い、画像データを記憶領域ｍ３および記憶領域ｍ４に記憶させる。以上、４回の撮像により、一回の測定に必要な情報を取得することができる。
【００２２】
ついで、これらの画像データを使った位相解析について説明する。ある点（ｘ，ｙ）についての測定輝度データを、１回目から４回目までの撮像のデータを記憶領域ｍ１〜ｍ４より読み込む。これらの値をＩ０，Ｉ１，Ｉ２、Ｉ３とする。
【００２３】
図４は位相シフト法の概要を示すグラフである。点（ｘ，ｙ）についての４つの輝度データＩ０，Ｉ１，Ｉ２、Ｉ３と投影光パターンの位相との関係をグラフに示すと次のような関係になる。
Ｉ（ｘ，ｙ）＝ａ（ｘ，ｙ）・ｃｏｓ（θ（ｘ、ｙ）＋α）＋ｂ（ｘ，ｙ）
ここで、ａおよびｂはその点の反射率に依存する係数、θが高さ情報を含む位相データ、αは投射光パターンの正弦波の位相（ここでは０，π／２，π，３π／２）である。位相データθを以下の手順で求めることができる。
【００２４】
Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２、Ｉ３はそれぞれ、
Ｉ０＝ａ・ｃｏｓθ＋ｂ
Ｉ１＝ａ・ｃｏｓ（θ＋π／２）＋ｂ＝−ａ・ｓｉｎθ＋ｂ
Ｉ２＝ａ・ｃｏｓ（θ＋π）＋ｂ＝−ａ・ｃｏｓθ＋ｂ
Ｉ３＝ａ・ｃｏｓ（θ＋３π／２）＋ｂ＝ａ・ｓｉｎθ＋ｂ
となる。以上、４式より反射率に依存する係数ａ，ｂは消去でき、次式によってθが求まる。
ｔａｎθ＝−（Ｉ３−Ｉ１）／（Ｉ２−Ｉ０）
【００２５】
まず、基準となる投影面に、何も置かないで上述の通り、α＝０，π／２，π，３π／２のパターンで撮像し、ｘの値ごとに位相データθを求める。この基準面における位相データをθｂ（ｘ）とする。
【００２６】
ついで、投影面上に測定対象物をおいて、α＝０，π／２，π，３π／２のパターンで撮像する。ある点（ｘ，ｙ）についての測定輝度データＩ０，Ｉ１，Ｉ２、Ｉ３より位相データθを求める。この位相データをθｔ（ｘ，ｙ）とする。すると、基準面に対するその点の高さによる位相のずれθｄは
θｄ＝θｔ（ｘ，ｙ）−θｂ（ｘ）
で求められる。このθｄより、点（ｘ，ｙ）の高さを求めることができる。
【００２７】
以上、すべての点について同様の計算を行うことによって、測定対象面全体の三次元形状情報を算出することができる。これをたとえば、等高線によって表示装置に表示することができる。
【００２８】
以上、４回の撮像のみで１回の三次元形状測定を行った。高低差が比較的小さくて投影パターンの繰り返し周期幅以内であれば、これで正確に測定することができる。しかし、高低差による位相θが投影パターンの繰り返し周期幅よりも大きい場合、その高さに対応する位相は
θ＋２ｎπ  （ｎ＝整数）
となり、ｎを求める必要がある。そこで、パターン周期幅として第１の周期λ１で上述の測定を行った後に、別のパターン周期幅である第２の周期λ２で再度測定を行うことができる。
【００２９】
周期λ１により得られた位相をθ１、周期λ２により得られた位相をθ２とすると、それぞれの高さに対応しうる位相は
θ１＋２ｎπ  （ｎ＝整数）
θ２＋２ｍπ  （ｍ＝整数）
であるが、これを満たす唯一のｎまたはｍを決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】三次元形状測定装置の概要を示すブロック図である。
【図２】測定対象面上の投影パターンを模式的に示す平面図である。
【図３】ｘ方向における光量変化を示すグラフである。
【図４】位相シフト法の概要を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１．三次元形状測定装置
２．光投影装置
３．光源（ラインレーザー）
４．鏡
５．駆動装置
６．光源制御装置
７．撮像装置
８．画像処理装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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