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JP3871115B2 - Shape measuring device, document scanner and projector - Google Patents

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JP3871115B2 JP2001347192A JP2001347192A JP3871115B2 JP 3871115 B2 JP3871115 B2 JP 3871115B2 JP 2001347192 A JP2001347192 A JP 2001347192A JP 2001347192 A JP2001347192 A JP 2001347192A JP 3871115 B2 JP3871115 B2 JP 3871115B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の形状及び距離計測を行うための光学式の形状計測装置、文書スキャナ及びプロジェクタに関する。
【0002】
【従来の技術】
物体の3次元の形状測定を行なう形状測定装置には、スリット状のレーザ光を測定物体に照射し、スリットの長手方向と垂直に走査しながら、スリット光の照射方向と異なる視野から観察することで生じる物体形状に応じたスリット光の変形を、三角測量の原理を用いて形状として測定するものがある(以下、「光切断法」と呼ぶ)。
【0003】
例えば、図16に示すように、半導体レーザユニット101、ガルバノミラー102及びシリンドリカルレンズ103による照射光学系と、結像レンズ104及び受光素子であるCCD105による検知光学系とからなる、光切断法を用いた形状測定装置が産業用によく用いられている。
【0004】
半導体レーザユニット101からビーム状に放射された光がガルバノミラー102で図面左右方向に走査され、シリンドリカルレンズ103で上下方向に拡大されて、縦に長いスリット光106となって測定物体107に照射される。このとき、スリット光106が走査される方向、即ち、基線方向にずれた位置から、結像レンズ104を通して測定物体107から反射される反射光108をCCD105で観察すると、測定物体107の奥行き方向の凹凸に応じてCCD105上で直線状のスリット光106の変形と結像位置の移動が生じる。CCD105で反射光108の像を観察することは、反射光108が結像レンズ104に入射する測定物体107の各点の位置を三角測量していることになり、スリット光106を照射する位置とCCD105の基線方向の位置の差(基線長)が予め分かれば、この変形からスリット光106が照射されている部分の測定物体107の形状を測定することができる。ガルバノミラー102を矢印で示す方向に振動さることで、スリット光106を測定物体107全面に走査しながら形状測定を繰り返せば、測定物体107全体の形状を得ることができる。
【0005】
図17を用いて三角測量の原理をさらに詳細に説明する(例えば、吉澤徹著, “光三次元計測”,pp.29-30,新技術コミュニケーションズ,1993年を参照)。スリット光源111(図16のガルバノミラー102のビーム光の反射位置に相当)と受光器112(図16のCCD105に相当)が基線長Lだけ離れているとする。スリット光源111から角度θで放射された光が113aの位置にある測定物体113の表面で反射され、受光器112のある位置に角度φで入射し結像するなら、(1)式の関係
Za={tanθ*tanφ/(tanθ+tanφ)}*L …………(1)
が成り立つ。結像レンズ114と受光器112との距離dと、基線長Lから垂直方向への測定物体の距離Zaが予め分かっていると、入射角φが求まる。もし、測定物体113が113bの位置にある場合に、受光器112での結像位置に対してxだけずれて結像したとして、Ψ=arctan(x/d)の関係からΨが分かるので、(2)式の関係
Za={tanθ*tan(φ+Ψ)/(tanθ+tan(φ+Ψ))}*L ………(2)
から距離Zbが求まる。スリット光を測定物体113全面を照射するように放射角θで走査し、各放射角θ毎に上述の手順を繰り返せば、測定物体113の各反射点と基線との距離Z、即ち、形状が求められる。
【0006】
このようにスリット光を測定物体に順次走査する光切断法の欠点は、各スリット光を走査する光走査光学系が必要であり、通常、図16のガルバノミラー102のような可動部品が用いられるため装置の振動に弱くなることと、放射角θ毎に形状測定を繰り返す必要があるため、計測時間が長いことである。また、測定物体113の表面の反射率に依存して受光器112で観測される光量に変動が生じ、受光器112のどこに測定物体113の像が結像しているかは、結像光量の最大値等から推定することが必要になることである。
【0007】
スリット光を順次に走査する必要があるという光切断法の欠点を改良した形状計測方法にパターン光投影法がある。これは、スリット光を走査する代わりに、スリット光の全体を面上に並べて、測定物体に1つのパターン光として一括に照射する方法である。ただし、そのままではパターン光のどの位置がどのスリット光に相当するか分からないため、予め何らかの方法でスリット光との対応、つまり、どの照射角度で照射されたかを照射されたパターン光自体に情報を付加(インデクス付け)しておく。
【0008】
このようなパターン光投影法の一種に、測定物体に分光スペクトルパターンを一括に投影する方法(以下では「レインボー法」と称する)がある。この方法は、例えば特開昭61−75210号公報により開示されており、図18を参照して説明する。
【0009】
光源121からスリット122を透過した光は、プリズム123で分光されて物体124面を覆うように、虹のような光パターンが照射される。プリズム123とスリット122との配置によって放射角αに依存した色の分布が決まるので、物体124の表面で反射された光を、レンズ125で結像面126に結像させた像をカメラ127で観察された色から、入射光βが判断できる。つまりパターン光の色でインデクス付けしている。
【0010】
光源121とカメラ127とが距離Dだけ離れているので、放射角αが分かれば、その情報から三角測量法により物体124の表面形状が求まる。色の同定はフィルタ128の透過波長を変えることで、物体124の表面の各点での反射光のうち、2種類の波長の光量比率を求めることで行なう。つまり、次の例に示す強度比法の2つのパターンを、波長を変えて重ね合わせたものと考えることができるので、強度比法の仲間である。
【0011】
この方式では、光切断法のようにスリット光を順次走査する必要がなく、虹状の光を一括で測定物体に投影し、カラーカメラで一括に反射パターンを取り込めるため、スリット光の走査を行なう機械的に脆弱な可動部がなく、形状測定時間を短くできる特徴がある。
【0012】
その一方で、フィルタ128により2つの波長の反射光の比率をとることで照射光の放射方向βを決めるので、この精度が低いと形状データの奥行き方向の精度を下げることになる。反射光の測定精度を向上させるために、信号光である反射光量を雑音である背景光量に対してS/Nを十分高くすることが必要であることである。フィルタ128の透過波長幅を狭くすれば、それは背景光の影響を除くことは可能であるが、同時に信号光も減少するので、S/Nに限界が生じ、即ち、分解能に限界が生じることになる。さらに、測定物体に色がついている場合、その色以外の光が反射しにくく、形状を計測できない場合が生じる問題もある。
【0013】
別なパターン光投影法として、強度比法(Intensity Ratio method)がある(B.Carrihill and R.Hummel,“Experiments with the Intensity Ratio Depth Sensor”,Computer Vision,Graphics, and Image Processing, vol. 32, pp. 337-358, 1985年,或いは、特開平10−48336号公報等参照)。
【0014】
図19を参照してこの強度比法を説明する。図19の左右方向が基線方向であり、図17の場合と同様にパターン光源131(図17のスリット光源111に相当)と受光器132(図17の受光器112に相当)が基線方向に対して異なる位置にある。パターン光源131からは基線方向に対して光量分布を持つ測定面133全体を同時に照射する面状の光パターンを照射する。放射角θに対する2つの光パターンの強度分布をG1(θ),G2(θ)とすると、各々の強度分布G1(θ),G2(θ)に対して測定面133のある反射率σを持つ点で反射され、受光器132で受光された光量をP1,P2、パターン光源131の光量をSとすると、(3a)(3b)式の関係
P1=K*σ*G1(θ)*S ……………………(3a)
P2=K*σ*G2(θ)*S ……………………(3b)
が成り立つ。ここで、Kはパターン光源131と受光器132、測定面133の位置関係から決まる係数である。測定面133の反射率σは測定面133の表面の特性に依存するため、予め決めることができないが、(3a)(3b)式の比をとると、(4)式の関係
P2/P1=G2(θ)/G1(θ) ………………(4)
となり、P2とP1の比は放射角θだけに依存することが分かる。即ち、2つのパターン光の光強度の比でインデクス付けされている。2つの強度分布光G1(θ),G2(θ)を持つ光パターンで測定面133を照射し、P2/P1を測定することで、放射角θに対して一意にθを求めることができるので、図16のようにスリット光を基線方向に対して走査しながら順次にCCDで光量を検知する必要がなく、2つのパターン光に対してCCDの像を観測すればよいため、非常に計測時間が短縮される利点がある。ただし、G2(θ)/G1(θ)がθに対して一価関数であることが必要である。例えば、G1(θ)がθに対して単調減少関数、G2(θ)がθに対して単調増加関数であれば、G2(θ)/G1(θ)はθに対して単調増加関数となり、P2/P1からθが一意に求まる。
【0015】
ちなみに、前述のB.Carrihillの論文例では、G1(θ)をθに依らず一定な一様分布とし、G2(θ)を直線的に光量が増加する分布としているのに対し、特開平10−48336号公報例では、G1(θ)が直線的に減少する分布、G2(θ)が直線的に増加する分布を採用している違いがあるが、2つの放射パターンは単調であればよいので、両者に本質的な差があるわけではない。
【0016】
このように強度比法は光切断法と比較して、測定面の反射率に依存せず、2つのパターンを各々一括に照射して測れるという利点を持つが、一方で欠点もある。強度比法の問題は、2つの光パターンを受光素子で受光した光量の比率をとる時に、測定のS/Nを上げるために、信号光である反射光量を雑音である背景光量に対して十分高くすることが必要であることである。つまり、G1(θ)やG2(θ)の最小値が小さすぎるとS/Nが低下し、その影響が形状誤差となって現れることである。即ち、P2/P1のダイナミックレンジが大きくならない。一方、CCDの光量分解能には下限があるため、測定できる放射角θの分解能に下限が生じて、結局測定された形状の分解能が下がるという問題がある。
【0017】
また、反射光の測定光量のS/Nに依存して形状の奥行き精度が決まるのは、先の例に示したレインボー法と同じである。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来例の問題点を整理すると、以下のようになる。
【0019】
3次元形状計測に一般的に用いられている光切断法は、光走査光学系が必要であり、計測時間が長いなどの問題がある。
【0020】
その問題点を改善したパターン光投影法の一種であるレインボー法では、2つの波長のパターン光の反射光の比率をとることで照射光の放射方向θを決めるので、受光素子の光量分解能により形状測定精度が制限され、精度があまり高くない。
【0021】
同じくパターン光投影法の一種である強度比法では、波長は同じであるが2つの異なる反射光の比率をとることで照射光の放射方向θを決めるので、同じく受光素子の光量分解能が原因で精度があまり高くない。
【0022】
ところで、別のパターン光投影法として、測定領域を分割してパターン光を照射する領域分割強度比法なる提案例がある。この方式を図20及び図21を参照して説明する。
【0023】
照明装置141に組み込まれた光源142a,142b,142cから放射される光はフィルタ143a,143b,143cを透過し、プリズム144で合成され、測定物体145上に照射光147として照射される。測定物体145からの反射光148はカメラ149中に組み込まれた結像レンズ150で集光され、カラーCCD151で受光される。
【0024】
フィルタ143の視差方向の透過率分布特性を図21に示す。図21(b),(c)の場合は測定物体145の測定領域Aを6つの部分領域A1,A2,…,A6に分割して同じパターン光を照射している。
【0025】
光源142aとフィルタ143aとの組合せでは図21(a)、光源142bとフィルタ143bとの組合せでは図21(b)、光源142cとフィルタ143cとの組合せでは図21(c)、光源142b,142cとフィルタ143b,143cとの組合せでは図21(d)であり、これに比例した光量で測定領域Aを照射する。図21(a)(d)の放射パターンを用いると、その時の反射光量分布を入力とし、上記の強度比法の原理でカラーCCD151から得られる光量データを概略形状推定装置152で概略形状データが生成できる。このデータは通常の強度比法で得られたものでので、あまり精度が高くない。
【0026】
次に、図21(b)(c)の放射パターンを用いると、測定領域Aの6つの部分領域A1,A2,…,A6に対して強度比法を適用することで各々の部分領域A1,A2,…,A6での形状データを求められるが、普通の強度比法では、強度比を計測しても6つのうちどの部分領域A1,A2,…,A6からの反射光で得られたのか判断できず部分領域の曖昧性が生じるが、ここでは概略形状データが得られているので、カラーCCD151の各画素に対して、おおまかな領域判定ができる。形状推定装置153では、図21(b)(c)と概略形状データとから、領域の曖昧さをなくして測定領域E全体の形状を計算できる。
【0027】
この領域分割強度比法のよい点は、図21(b)(c)の放射パターンが、視差方向に対して急激に変化する光量分布で照射するため、カラーCCD151での光量の検知精度が高くなり、その結果として形状測定精度が向上することである。視差方向に対して光量分布の変化を大きくすることで、カラーCCD151の光量分解能が高くなったのと同じ効果が得られる。逆に、通常の強度比法で精度がなぜ低いかというと、測定領域全体に光量変化が連続したパターン光を照射しているので、視差方向に隣接する計測点の間で光量変化が小さいことが原因となっている。ただし、測定領域Aを部分領域A1,A2,…,A6に分割しているため、部分領域A1,A2,…,A6の判定を行わなくてはならないので、この例では通常の強度比法を併用して部分領域判定の曖昧さの除去を行っており、通常の強度比法だけの場合に比べて、光源数とフィルタ数、撮影回数が増える点が問題になる。また、部分領域A1,A2,…,A6間の境界部では、照射する光パターンのぼけが生じ、境界部がどちらに属すのかの判定が難しい問題もある。
【0028】
このように強度比法の分解能を改善した領域分割強度比法では、複数の部分領域に強度比法を適用することで測定精度を改善しているが、その代わり、部分領域判定を行う必要があり、装置構成が多少複雑になりやすい問題がある。
【0029】
本発明の目的は、領域分割強度比法(この強度比法には、レインボー法を含む)等のように、複数に分割された部分領域に光パターンを照射するパターン光投影法を用いる上で、部分領域同士の分離を明確にし、部分領域判定の曖昧さを除去できるようにすることである。
【0030】
加えて、本発明の目的は、部分領域の特定を確実に行えるようにすることである。
【0031】
さらには、本発明の目的は、上記目的を簡便に実現する手法を提供することである。
【0032】
また、本発明の目的は、ブック形状などの凹凸のある文書を読み込む文書スキャナの形状補正を簡便で確実に行えるようにすることである。
【0033】
また、本発明の目的は、プロジェクタの投影スクリーンの倒れを補正し、斜めに配置したスクリーンでも矩形に投影できる補正を簡便に行えるようにすることである。
【0034】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明の形状測定装置は、視差方向に対して垂直に分割され、分離領域Wiを間に挟んで互いに重なりのないn個のスリット状の部分領域Ai(i:1〜nなる部分領域番号を意味する自然数)からなる測定領域Aに対して、各々の部分領域Aiと分離領域Wiとで対をなす領域毎に以上の光パターンPiを照明する照明手段と、この照明手段に対する視差が特定されて前記測定領域Aに照明された光パターンPiの反射光を受光する受光手段と、この受光手段で受光した反射光の光量Riの情報に基づき、前記部分領域Aiに関する部分領域番号iの曖昧さを残したまま前記照明手段と前記受光手段との前記視差を用いて前記部分領域Aiの形状データSiを推定する形状推定手段と、前記反射光の光量Riの情報に基づきそれぞれの分離領域Wiの位置を特定し、特定された分離領域Wiに隣接する部分領域Aiの位置を特定してそれぞれの部分領域Aiに対して推定された形状データSiにおける部分領域番号iの曖昧さを除去して前記部分領域Ai毎に部分領域番号iの曖昧さのない形状データZiを求める形状補正手段と、を備える。
【0035】
従って、領域分割法の部分領域Ai間に分離領域Wiを設けることで、部分領域Ai相互を明確に分離することができ、部分領域Aiの境界で生ずる形状の異常値を取り除くことができるため、部分領域Aiの境界がなくなってしまうことで、誤った形状を与えることがない。
【0036】
請求項2記載の発明の形状測定装置は、視差方向に対して垂直に分割され、分離領域Wiを間に挟んで互いに重なりのないn個のスリット状の部分領域Ai(i:1〜nなる部分領域番号を意味する自然数)からなる測定領域Aに対して、各々の部分領域Aiと分離領域Wiとで対をなす領域毎に以上の光パターンPiを照明する照明手段と、この照明手段に対する視差が特定されて前記測定領域Aに照明された光パターンPiの反射光を受光する受光手段と、この受光手段で受光した反射光の光量Riの情報のうちで前記分離領域Wiからの反射光の光量Riの情報を用いて対応する部分領域aIを特定し、前記照明手段と前記受光手段との前記視差を用いた三角測量の原理に基づき前記部分領域Ai毎の形状データZiを求める形状計算手段と、を備える。
【0037】
従って、領域分割法の部分領域Ai間に分離領域Wiを設け、同時にその分離領域Wiの光パターンの情報から隣接する部分領域Aiを特定することで、領域分割法の部分領域Aiの判定を簡単化することができるので、高精度で簡便に形状測定を行える。
【0038】
請求項3記載の発明は、請求項2記載の形状測定装置において、前記分離領域Wiの幅が各々異なる。
【0039】
従って、請求項2記載の形状測定装置において、分離領域Wiの幅を分離領域Wi毎に変えているので、簡便に分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを判定できる。
【0040】
請求項4記載の発明は、請求項2記載の形状測定装置において、前記分離領域Wi内の光パターンが各分離領域Wi毎に光量の異なる光ストライプを含む。
【0041】
従って、請求項2記載の形状測定装置において、分離領域Wi内の光パターンが分離領域Wi毎に光量の異なる光ストライプを含むので、簡便に分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを判定できる。
【0042】
請求項5記載の発明は、請求項4記載の形状測定装置において、前記光パターンPiが2種類あり、2種類の光パターンPi間で分離領域Wi内の光ストライプの光量比率が各分離領域Wi毎に異なるように設定されている。
【0043】
従って、請求項4記載の形状測定装置において、パターンPiが2種類あり、分離領域Wi内部の光ストライプの光量比率が分離領域Wi毎に異なるので、簡便に分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを判定できる。
【0044】
請求項6記載の発明は、請求項2記載の形状測定装置において、前記分離領域Wi内の光ストライプの波長毎の光量が各分離領域Wi毎に異なる。
【0045】
従って、請求項2記載の形状測定装置において、分離領域Wi内部の光ストライプの波長毎の光量が分離領域Wi毎に異なるので、簡便に分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを判定できる。
【0046】
請求項7記載の発明は、請求項2記載の形状測定装置において、前記分離領域Wi内の光パターンが各分離領域Wi毎に符号化された光ストライプを含む。
【0047】
従って、請求項2記載の形状測定装置において、分離領域Wi毎に符号化された光ストライプを含む光パターンを用いているので、簡便に分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを判定できる。
【0048】
請求項8記載の発明は、請求項2記載の形状測定装置において、前記分離領域Wi内の光パターンが各分離領域Wi毎に光量の異なる一定光量分布のパターンである。
【0049】
従って、請求項2記載の形状測定装置において、分離領域Wi毎に光量が異なる一定な光パターンを用いているので、簡便に分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを判定できる。
【0050】
請求項9記載の発明は、請求項8記載の形状測定装置において、前記光パターンPiが2種類あり、2種類の光パターンPiの前記分離領域Wi内で一定な光量比率が各分離領域Wi毎に異なるように設定されている。
【0051】
従って、請求項8記載の形状測定装置において、分離領域Wi毎に光量比率が異なる一定な光パターンを用いているので、簡便に分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを判定できる。
【0052】
請求項10記載の発明は、請求項8記載の形状測定装置において、前記分離領域Wi内で波長毎に一定な光量比率が各分離領域Wi毎に異なる。
【0053】
従って、請求項8記載の形状測定装置において、分離領域Wi毎に波長毎の光量比率が異なる一定な光パターンを用いているので、簡便に分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを判定できる。
【0054】
請求項11記載の発明の文書スキャナは、文書原稿を測定物体として測定領域が設定される請求項1ないし10の何れか一記載の形状測定装置を備える。
【0055】
従って、測定精度の高く構成の簡単な請求項1ないし10の何れか一記載の形状測定装置を備えているため、ブック形状などの凹凸のある文書を読み込む文書スキャナの形状補正を簡便で確実に行える。
【0056】
請求項12記載の発明のプロジェクタは、投影スクリーンを測定物体として測定領域が設定される請求項1ないし10の何れか一記載の形状測定装置を備える。
【0057】
従って、測定精度の高く構成の簡単な請求項1ないし10の何れか一記載の形状測定装置を備えているため、プロジェクタの投影スクリーンの倒れを補正し、斜めに配置した投影スクリーンでも矩形に投影できる補正を簡便に行える。
【0058】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図1ないし図4に基づいて説明する。
【0059】
まず、本実施の形態の原理及び概要について図1を参照して説明する。
【0060】
一般に、領域分割強度比法では、測定領域Aを複数の部分領域Aiに分割し、各々の部分領域Aiに対して別々の光パターンPiを照射する。部分領域Aiの境界では、照射光学系の位置ずれや光パターンの測定領域でのパターンの滲みで本来照射したい光パターンとは異なる。そのため、部分領域Aiの境界周辺で得られた光量Riに基づいて形状推定手段や形状補正手段を経た結果は異常値となる。
【0061】
そこで、本実施の形態では、図1に示すように、照明手段Lと受光手段Dとを結ぶ視差方向に対して垂直に分割され、分離領域Wi(i=1〜n−1)を間に挟んで互いに重なりのないn個のスリット状の部分領域Ai(i:1〜nなる部分領域番号を意味する自然数)からなる測定領域Aに対して、各々の部分領域Aiと分離領域Wiとで対をなす領域毎に1種類以上の光パターンPiを照明する照明手段Lと、測定領域Aに照明された光パターンPiの反射光を受光する受光手段Dと、この受光手段Dで受光した反射光の光量Riの情報に基づき、部分領域Aiに関する部分領域番号iの曖昧さを残したまま照明手段Lと受光手段Dとの視差を用いて部分領域Aiの形状データSiを推定する形状推定手段Gと、推定された形状データSiにおける部分領域番号iの曖昧さを除去して部分領域Ai毎に曖昧さのない形状データを求める形状補正手段Cと、を備える構成とされている。
【0062】
即ち、照明手段Lから照射される光パターンPiを照明光として測定領域Aを照射する。光パターンは測定領域Aをn分割して照明するが、測定領域Aをn分割した部分領域Ai(A1,A2,…,An)の間に分離領域Wi(W1,W2,…,Wn−1)を設けることで、分離領域Wiに当たる部分のデータは形状回復に使えないデータであることを明確にする。つまり、部分領域Aiの反射光は受光手段Dで検知されて測定領域A内の形状を得るために使われるが、分離領域Wiでの反射光は受光手段Dで検知されても、形状を求めるためには用いられない。分離領域Wiを設けることで、部分領域Ai端で生じる形状の異常値を取り除くことができる。
【0063】
ここに、分離領域Wiは何らかの方法で部分領域Aiと区別する必要がある。色々な方法が考えられるが、例えば、分離領域Wi全体に渡って光を照射しなければ、受光手段Dで検知された光量Riの値から容易に判別できる。受光手段Dで得られた光量Riの情報から、形状推定手段Gでは光量が極端に小さい領域を分離領域Wiであると検知でき、どこまでが形状計測が可能な部分領域Aiであるかを判断できる。例えば、受光手段DがCCDであれば、CCDの受光セルに対応して分離領域Wiと部分領域Aiとが基線方向に対して順に並ぶことになる。CCDのセルを基線方向に検索すれば、分離領域Wiの範囲を特定できるので、残った部分領域Aiに対して形状推定手段Gで部分領域Wiの曖昧さを残した推定形状Siを求め、形状補正手段Cで最終的な形状データZiを求めることができる。
【0064】
部分領域Aiと分離領域Wiとを分離する方法としては、この他にも分離領域Wi全体を一定の光量で照射する、分離領域Wiだけ照射波長を変える、分離領域Wiの光量分布を変える、などが考えられるが、部分領域Aiと区別がつけば手法は問わない。特に、領域分割強度比法で部分領域Ai毎に基線方向に単調に増加する(或いは、減少する)光パターンを照射する場合に、これと逆の基線方向に単調に減少する(或いは、増加する)光パターンを照射する構成は、基線方向の強度比の変化が分離領域Wiだけ逆転するので検知が簡単であり、光パターンの設計上も簡単に実現できる。
【0065】
このような方式によれば、測定領域Aに照射する光パターンPiを設計するだけで分離領域Wiに照射する光量を制御できるので、照明手段Lによる照射光学系自体は領域分割強度比法と同じもので済む利点がある。
【0066】
分離領域Wiを設けることで、測定領域Aを部分領域Aiと分離領域Wiとで分け合うため、実際には形状測定が可能な部分領域Aiの広さが減少するため、分離領域Wiの幅は必要最小限にするのが望ましい。例えば、照射する光パターンの領域境界周辺の、実際には形状測定に利用できない幅より広い幅に設定すればよい。
【0067】
本実施の形態を含め、何れの実施の形態でも、分離領域Wiが受光手段Dで検知されることを前提としているので、測定領域A内におかれた測定物体としては、滑らかな形状で物体上のどの場所でも反射光が得られるものが望ましい。また、部分領域Ai間に分離領域Wiを設ける構成は、複数の領域に分割された光パターンを照射するパターン光投影法であれば適用可能であり、応用が強度比法だけを限るわけではない。
【0068】
つづいて、このような原理及び概要に基づく、本実施の形態のより実際的な構成例を図2ないし図4に基づいて説明する。
【0069】
まず、図2において、照明手段Lが照明装置1、受光手段Dがカメラ2、視差方向が図面左右方向、反射光の光量Riはカメラ2中のCCD3で受光された光量値、形状推定手段Gが形状推定装置4、形状補正手段Cが形状補正装置5に対応する。照明装置1はフラッシュ光源6とフィルタ7とを備えている。カメラ2は結像レンズ8とCCD3とを備えている。また、ここではn=4とされ、測定領域Aは部分領域A1,A2,A3,A4に4分割され、3つの分離領域W1,W2,W3が介在されている。
【0070】
フラッシュ光源6で裏面から照明したフィルタ7を透過した照明光9は、測定領域Aにある測定物体10で反射され、反射光11としてカメラ2の結像レンズ8で集光され、CCD3で検知される。フラッシュ光源6とCCD3の距離である基線長Lが分かり、CCD3上での結像位置から受光角ψが分かるので、照射角θを何らかの方法で得ることができれば、三角測量の原理で測定物体10の距離が分かる。また、本実施の形態では、フィルタ7が入れ替えられるようにしており、2種類の光パターンを投射することができる。各々の光パターンに対して、CCD3で受光された光量が光量データとなる。形状推定装置4では、光量データと基線長Lと照射角θと受光角ψとから三角測量の原理と強度比法の原理とを用いて、領域が不定(属する部分領域Aiがまだ決まらない)なる曖昧さを残したままの形状データSiを計算する。これは最終的に形状補正装置5で補正され、曖昧さのない形状データZiが得られる。
【0071】
フィルタ7は、図3に示すように、図面左右方向の視差方向に対して照射強度を制御するよう4分割された基線方向に透過率が単調に増加する(或いは、単調に減少する)濃度勾配付きフィルタを、長手方向を視差方向と垂直に配置した細いフラッシュ光源6で照明する。フィルタ7を交換することで2つの光ストライプパターンを照射する。フィルタ7は簡単に作成できるので、大量に作成する場合にコストを下げることができる。また、視差方向に対してほぼ点光源とみなせるフラッシュ光源6で照明することで照明装置1部分の結像レンズが不要になり、小型化と低コスト化の点で有利である。
【0072】
次に、測定領域Aに照射される光パターン例を図4に示す。例えば、図4(a)(b)に示すような2種類の光パターンa,bを用いると、各部分領域Aiで光パターンa,bの比から照射角θが特定されるので、強度比法の原理から部分領域Ai毎に形状が計算できる。一方、部分領域Aiの端にはフィルタ7の透過率がゼロ、つまり測定領域A面で光量がゼロになる分離領域Wiが設けてある。分離領域Wiがなければ光パターンa,bの光量変化がジャンプするところで光パターンのぼけが生じ、そこでの形状データが誤ったものになるが、本実施の形態のように、受光光量がゼロになる分離領域Wiを設けることで分離領域Wiでは誤った形状を計算しないで済む。必要なら、部分領域Aiであっても分離領域Wiの端に近い場合は形状誤りが生じやすいので、分離領域Aiからある距離以内では安全のために形状を計算しないという処理も可能である。
【0073】
また、図4(c)(d)に示すような2種類の光パターンc,dを用いると、分離領域Wiでの光量変化に不連続点が生じないので、光パターンのぼけがあった場合でも、急峻に光量変化があった場合でも暗い部分に明るい部分の光が回り込む影響を低減することができる。但し、光パターンc,dの組合せでは光量だけではどこが分離領域Wiか判定できないが、基線方向に光パターンc,dの強度比を走査すると、部分領域Aiと分離領域Wiとでは強度比の変化が逆になるので、これを利用して分離領域Wiを判断することができる。
【0074】
本発明の第二の実施の形態を図5及び図6に基づいて説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し説明も省略する(以降の各実施の形態でも順次同様とする)。
【0075】
本実施の形態では、第一の実施の形態の領域分割強度比法に対して、部分領域Aiの判定の曖昧さを除去する改良を加えたものであり、受光手段Dで受光した反射光の光量Riの情報のうちで分離領域Wiからの反射光の光量Riの情報を用いて対応する部分領域Aiを特定し、照明手段Lと受光手段Dとの視差(基線長)を用いた三角測量の原理に基づき部分領域Ai毎の形状データZiを求める形状計算手段G(形状計算装置21)を備えるようにしたものである。
【0076】
即ち、第一の実施の形態の場合と同じく、領域分割強度比法の光パターンの部分領域Ai間に分離領域Wiを配設させるが、分離領域Wiの各々の光パターンPiに何らかの異なる情報を載せることにより、反射光Riの情報に基づきどの分離領域Wiであるかを特定し、その分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを特定するものである。
【0077】
受光手段Dでは光量Riの情報に基づき分離領域Wiであることを検知できれば、どこまでがどの分離領域Wiであるかを判断できる。受光手段DがCCDであれば、CCDの受光セルに対応して分離領域Wiと部分領域Aiとが基線方向に対して順に並ぶことになる。CCDセルを基線方向に検索すれば、分離領域Wiの範囲と分離領域Aiの種類とが特定できるので、特定された分離領域Wiに挟まれた部分領域Aiがどの部分領域Aiであるかを決定できる(部分領域番号iを特定できる)ので、後は特定された部分領域Aiに対して、光量Riの情報に強度比法を適用することで、形状計算手段G(形状計算装置21)によって部分領域Ai毎に曖昧さのない形状Ziを求めることができる。
【0078】
本実施の形態の場合、光学系構成は、第一の実施の形態の場合とは光パターンPiの設計が違うだけで、照射光学系自体は領域分割強度比法と同じもので済む利点がある。
【0079】
図5を参照すれば、フラッシュ光源6で裏面から照明したフィルタ7を透過した照明光9は、測定領域Aにある測定物体10で反射され、反射光11として、カメラ2の結像レンズ8で集光されCCD3で検知される。フラッシュ光源6とCCD3との距離である基線長が分かり、CCD3上での結像位置から受光角ψが分かるので、照射角θを何らかの方法で得ることができれば、三角測量の原理で測定物体10の距離が分かる。フィルタ7が入れ替えられるようにしており、2種類の光パターンを投射することができる。各々の光パターンに対して、CCD3で受光された光量が光量データとなる。
【0080】
本実施の形態では、図6に示すように分離領域W1,W2,W3の照射角の幅が各々の領域毎に異なっているため、形状計算装置21においてCCD3で受光された光量データを基線方向に走査すれば、分離領域W1,W2,W3を相互に区別できる。その結果、分離領域Wiの位置から部分領域A1,A2,A3,A4を各々特定することができ、光量データから得られた強度比と、光量データが属する部分領域Aiから曖昧さのない形状データを得ることができる。
【0081】
この結果、領域分割強度比法で問題だった属する部分領域Aiが曖昧である問題が解決されている。部分領域Aiを推定する必要がないので、光量データから形状データを求めるのは形状計算装置21だけに簡単化されている。
【0082】
特に本実施の形態によれば、分離領域Wiの幅が分離領域Wi毎に異なるようにしているので、単純な構成により、分離領域Wiに隣接する部分領域WIを判定することができる。例えば、分離領域Wiの光量をゼロにすれば、照明装置1の光射出側に、ストライプ毎に遮光幅を変えた黒いストライプ状の遮光マスクを置けばよい。
【0083】
なお、受光手段Dから観察した分離領域Wiの幅は、測定領域A内の測定物体10の3次元形状に依存するので、分離領域Wi幅に応じた幅で受光手段Dで観察されるわけではない。本実施の形態における分離領域Wi毎の幅の変化を、基線方向に対して3次元形状の起伏の変化から生じる幅の変化よりも大きくすれば、この問題は回避できる。
【0084】
本発明の第三の実施の形態を図7に基づいて説明する。本実施の形態は、基本的な構成は第二の実施の形態に準ずるが、光パターンを変更(フィルタ7の設計を変更)し、分離領域Wi内の光パターンが分離領域Wi毎に光量の異なる光ストライプを含むようにしたものである。
【0085】
即ち、分離領域Wi内に光ストライプを設け、光ストライプの光量の絶対値から複数ある分離領域Wiの特定を行う。例えば、分離領域Wiが遮光され、分離領域Wi中央に光ストライプを配した光パターンを用意する。この光ストライプの絶対値を分離領域Wi毎に変える。受光手段Dで得られた光量Riの分布を基線方向に走査すれば、光量がゼロになる部分が分離領域Wiであり、その内部で光量が局所的に高くなる部分が分離領域Wiを特定するための光ストライプである。この光量は光量Riから分かるので、光ストライプの両脇にある分離領域Wiを特定することができる。分離領域Wiを全面的に明るくし、光ストライプ部だけ光量を下げても同様に光ストライプの特定ができる。第二の実施の形態の場合と異なり、光ストライプだけで分離領域Wiを特定するので、分離領域Wi幅を必要最小限にすることができる。
【0086】
光ストライプの反射光量は測定物体10の反射率で変化するが、測定物体10の反射率の変化より大きな変化を、分離領域Wiの光ストライプの光量値に設定すればよい。
【0087】
図7に本実施の形態のフィルタ7の透過率分布特性例を示す。図7(a)に示す光パターンaには分離領域Wi毎に光量が異なる光ストライプが設けられ、CCD3で受光された光量データを基線方向に走査することで、分離領域Wi及び光量の異なる光ストライプを検知できるので、光ストライプの受光光量の差から分離領域W1,W2,W3及び対応する各部分領域AI,A2,A3,A4を特定でき、曖昧性のない形状を計算できる。光ストライプの光量で分離領域Wiを判別するので、光パターンbには図7(b)に示すように光ストライプを含まなくてよい。
【0088】
本発明の第四の実施の形態を図8に基づいて説明する。本実施の形態では、測定領域Aに照明される光パターンPiが2種類であって、2つの光パターンPiの分離領域Wi内部の光ストライプの光量比率が各分離領域Wi毎に異なるようにしたものである。
【0089】
即ち、照射する光パターンPiが2種類以上ある場合(強度比法では必ずこの条件が満たされる)、2つの光パターンに対して光ストライプの位置は同じであるが、2つの光ストライプの強度比を分離領域Wi毎に変える。強度比は測定物体10の反射率に依らないので、測定物体10の反射率の影響を除去することができ、測定物体10の反射率に依存しない形状測定を行える。
【0090】
つまり、分離領域Wiの特定は第三の実施の形態と同様であるが、光ストライプの光量の絶対値ではなく2つの光ストライプから得られた強度比から領域判定を行う点が異なる。
【0091】
図8に本実施の形態のフィルタ7の透過率分布特性例を示す。本実施の形態では、図8(a)(b)に示す光パターンa,bには、照射角度の同じ位置に分離領域Wi毎に光量比が異なる光ストライプが各々設けられている。CCD3で受光された光量データを基線方向に走査することで、分離領域Wiと光ストライプを検知できるので、2つの光ストライプの受光光量の強度比から分離領域WI,W2,W3及び対応する各部分領域AI,A2,A3,A4を特定でき、曖昧性のない形状を計算できる。
【0092】
本発明の第五の実施の形態を図9に基づいて説明する。本実施の形態では、分離領域Wi内部の光ストライプの波長毎の光量が分離領域Wi毎に異なる構成とされている。
【0093】
即ち、第四の実施の形態に類似する構成であるが、2つの光ストライプの単純な強度比でなく、波長の異なる2つの光の強度比を用いる点が異なる。例えば、分離領域Wi毎に赤と青の混合比率を変え、基線方向左端から右端まで青から赤に順次変化する光ストライプを用いる。複数の波長の情報を用いることで、第四の実施の形態の場合のように光パターンが複数という条件は不要になる。
【0094】
測定物体10に色がついている場合、ある波長の反射率が他の波長に比べて低ければ、本実施の形態で用いる光を、反射率の低くない波長に設定すればよい。
【0095】
図9に本実施の形態のフィルタ7の透過率分布特性例を示す。本実施の形態では、図9(a)(b)に示す光パターンa,bには、照射角度の同じ位置に分離領域Wi毎に波長が異なる光ストライプが各々設けられている。光パターンaでは分離領域W1,W2,W3の順番に赤(red),緑(green),青(blue)の順で光ストライプが並び、光パターンbでは、緑(green),青(blue),赤(red)の順に並んでいる。2つの光パターンa,bで光ストライプの波長が異なるのは、もし測定物体10で特定の波長の反射率が低い場合、どちらかの光ストライプで光量が検知されるようにするためである。CCD3で受光された光量データを基線方向に走査することで、分離領域Wiと光ストライプとを検知できるので、対になる光ストライプの強度比から分離領域W1,W2,W3及び対応する各部分領域A1,A2,A3,A4を特定でき、曖昧性のない形状を計算できる。
【0096】
本発明の第六の実施の形態を図10に基いて説明する。本実施の形態では、分離領域Wi内の光パターンが分離領域Wi毎に符号化された複数の光ストライプを含む構成とされている。
【0097】
即ち、第三の実施の形態に類似の構成例であるが光ストライプが1本だけでなく複数であり、光ストライプの本数や間隔などを利用して分離領域Wiを符号化する点が異なる。光ストライプの本数による符号化は光ストライプが受光手段Dで観察される限り確実に分離領域Wiを判別できるが、分離領域Wiの数が多い場合は分離領域Wi内に配する光ストライプの本数が増える。その場合は光ストライプ同士の間隔を変えることで光ストライプの本数を減らすことができる。
【0098】
ただし、第二の実施の形態の場合と同じく、受光手段Dで観察される光ストライプの間隔は、測定物体10の3次元形状に依存するので、光ストライプ間の間隔としては測定物体10の形状変化から生じる光ストライプ幅の変動より大きな幅を与える。さらには、第四、第五の実施の形態のように、2つの光ストライプの強度比を利用してもよいし、色を変えた光ストライプを用いて符号化してもよい。
【0099】
図10に本実施の形態のフィルタ7の透過率分布特性例を示す。本実施の形態では、図10(a)(b)に示す光パターンa,bには、分離領域Wi毎に異なる数の光ストライプが各々設けられている。例えば、分離領域W1では光パターンa,bに光ストライプが各々1,0本、分離領域W2では各々0,1本、分離領域W3では各々1,1本設けられている。CCD3で受光された光量データを基線方向に走査することで、分離領域Wiと光ストライプを検知できるので、2つの光パターンの光ストライプの本数から分離領域W1,W2,W3及び対応する部分領域A1,A2,A3,A4を特定でき、曖昧性のない形状を計算できる。
【0100】
本発明の第七の実施の形態を図11に基づいて説明する。本実施の形態では、分離領域Wi内の光パターンが分離領域Wi毎に光量が異なる一定な光量分布である構成をとっている。
【0101】
即ち、第二の実施の形態に類似な構成であるが、第二の実施の形態では分離領域Wiの幅で分離領域Wiを特定するのに対して、分離領域Wi内を一定の光量で照射し、その光量が分離領域Wi毎に異なる点が異なる。分離領域Wiの光量Riの絶対値変化から、分離領域Wiの特定が行える。分離領域Wi内に光ストライプを設ける必要がないので、分離領域Wi幅を狭くできる利点がある。
【0102】
この場合、第三の実施の形態の場合と同様に、分離領域Wiでの反射光量は測定物体10の反射率で変化するが、測定物体10の反射率の変化より大きな変化を、分離領域Wiの光量値に設定すればよい。
【0103】
さらに、本実施の形態では、2つの光パターンPiの分離領域Wi内で一定な光量比率が分離領域Wi毎に異なる構成ともされている。即ち、2つの光パターンで分離領域Wiの強度を変え、その強度比が分離領域Wi毎に異なる。強度比は測定物体10の反射率に依らないので、測定物体10の反射率の影響を除去することができ、測定物体10の反射率に依存しない形状測定を行える。
【0104】
図11に本実施の形態のフィルタ7の透過率分布特性例を示す。本実施の形態では、図11(a)(b)に示す光パターンa,bは、部分領域Ai毎に光量の比を取ると強度比が各々異なるように設定されている。CCD3で受光された光量データを基線方向に走査することで、分離領域W1,W2,W3を検知できるので、光パターンa,bの分離領域W1,W2,W3毎の強度比から分離領域W1,W2,W3及び対応する各部分領域A1,A2,A3,A4を特定でき、曖昧性のない形状を計算できる。
【0105】
本発明の第八の実施の形態を図12に基づいて説明する。本実施の形態では、分離領域Wi内で波長毎に一定な光量比率が分離領域Wi毎に異なる構成とされている。
【0106】
即ち、第七の実施の形態に準ずる構成であるが、2つの光ストライプの単純な強度比で比較するのではなく、波長の異なる2つの光の強度比を用いる点で異なる。例えば、第四の実施の形態の場合と同様に、分離領域Wi毎に赤と青の混合比率を変え、基線方向左端から右端まで青から赤に順次変化する光パターンを分離領域Wiに用いる。複数の波長の情報を用いることで、光パターンが複数必要という条件がなくなる。
【0107】
また、第四の実施の形態の場合と同じく、測定物体10に色がついている場合、ある波長の反射率が他の波長に比べて低ければ、本実施の形態で用いる光を、反射率の低くない波長に設定すればよい。
【0108】
図12に本実施の形態のフィルタ7の透過率分布特性例を示す。本実施の形態では、図12(a)(b)に示す光パターンa,bは、部分領域Ai毎に照射する波長が異なっている。光パターンaでは、分離領域W1,W2,W3の順に赤(red),緑(green),青(blue)の波長であり、光パターンbでは緑(green),青(blue),赤(red)の順で並んでいる。CCD3で受光された光量データを基線方向に走査することで、分離領域W1,W2,W3を検知できるので、光パターンa,bの分離領域W1,W2,W3の波長から分離領域W1,W2,W3及び対応する各部分領域A1,A2,A3,A4を特定でき、曖昧性のない形状を計算できる。
【0109】
本発明の第九の実施の形態を図13に基づいて説明する。本実施の形態は、前述した何れかの実施の形態による形状測定装置31を文書スキャナ32に備えることで、形状補正機能を持たせるようにしたものである。
【0110】
文書スキャナ32は、概略的には、例えばフラットベッド33上に搭載された原稿34の原稿読取面34aに対して、上部から照明装置35により照明しその反射光に基づく像を撮像装置36で取り込むことにより原稿画像を読取るものである。
【0111】
ここに、原稿34が厚い辞書や電話帳のようなブック原稿のページの綴じ目34b周辺で、撮像装置36から見た原稿34の奥行きが変わって文字のぼけが生じるため、原稿34の形状を読み込んで焦点ずれの補正を行う必要がある。通常は奥行き情報のない2次元の画像から適当な仮定の下で立体形状を推定するが、本実施の形態のように、前述した各実施の形態に準ずる形状測定装置31を形状補正に併用することで奥行きデータを精密に得ることができ、焦点ずれ補正を正確に行えることとなる。
【0112】
また、焦点ぼけがなくても、原稿34が奥行き方向に斜めに置かれた場合にも形状補正を行う必要がある。例を挙げると、長方形の紙を撮像装置36の光軸方向に斜めに置くと、近いほうの辺が長く、遠いほうの辺が短い台形に見える。撮像装置36自体は原稿34の距離情報を持っていないので、台形の原稿なのか、長方形が光軸方向に斜めにおかれている原稿なのかか判断できない。本実施の形態のように、前述した各実施の形態に準ずる形状測定装置31を併用することで、原稿34の立体形状の情報から原稿34の奥行き情報を求めて、本来の長方形に読み込んだ撮像データを補正することができる。
【0113】
特に、分離領域を設けることで部分領域間の分離を改善した領域分割強度比法を用いた光学的な形状測定装置31を用いているので、測定された形状の確実さが増しており、その結果、立体的な原稿の補正をより確実に行うことができる。
【0114】
図13を参照すれば、まず、照明装置35は形状計算装置37から与えられた、2種類の光ストライプパターンの照明データを原稿34側に向けて照射し、各々のパターンに対して撮像装置36(ここでは、照明装置35を照明手段Lに兼用させ、撮像装置36に受光手段Dを兼用させている)から画像データを形状計算装置37に取り込み、ストライプ化した強度比法の原理に基づき原稿34の形状情報を計算し、原稿形状補正装置38に形状データを送る。次に、撮像装置36で、立体的な原稿34の像を読み込み、原稿34の画像データを原稿形状補正装置38に送る。原稿形状補正装置38では、凹凸の形状データを元に、立体的な原稿34の画像データを平面の画像データに補正し、補正された原稿データとして、パソコンやプリンタ、記憶装置などに出力する。
【0115】
本実施の形態では、従来の2次元の情報しか持たない原稿34の画像を、像の変形の具合から立体形状を推定して原稿の画像データを補正していたのと比較して、3次元情報を実際に計測した誤りのない3次元形状から、正しく立体的な原稿の形状補正を行うことができる。
【0116】
本発明の第十の実施の形態を図14及び図15に基づいて説明する。本実施の形態は、前述した何れかの実施の形態による形状測定装置51をプロジェクタ52に備えることで、投影スクリーン53の倒れ補正機能を持たせるようにしたものである。
【0117】
プロジェクタ52は、概略的には、支持脚54等により支持された投影スクリーン53に対して、パーソナルコンピュータ(PC)55等に接続されて投影装置56から画像情報に応じた投影光を投影することにより画像を投影表示させるものである。
【0118】
ここに、プロジェクタ52の光軸に対して投影スクリーン53が例えば図15に示すように斜めに配置されると、距離の違いにより、本来なら長方形に投影されるはずの像が台形に変形してしまう。この点、本実施の形態のように、形状測定装置51を用いて投影スクリーン53の奥行きを測定すれば、プロジェクタ52側に通常のカメラのような撮像装置57を設けて(照明手段Lとしては、例えば投影装置56を利用することができる)、形状の変形から投影スクリーン53の倒れを求めるより精度良く倒れ補正を行うことができる。
【0119】
特に、前述の如く、分離領域を設けることで部分領域間の分離を改善した領域分割強度比法を用いた光学的な形状測定装置51を用いているので、測定された形状の確実さが増しており、その結果、投影スクリーン53の倒れ補正をより確実に行うことができる。
【0120】
図15を参照すれば、プロジェクタ52中の投影装置56は、形状計算装置58から与えられた、2種類の光ストライプパターンの照明データを投影スクリーン53に照射し、各々の光パターンに対して撮像装置57から画像データを形状計算装置58に取り込み、ストライプ化した強度比法の原理に基づき投影スクリーン53の形状情報を計算し、投影補正装置59に得られた形状データを送る。次に、PC55から送られた画像データが投影補正装置59に送られ、形状データから得られた投影スクリーン53の倒れを補正した補正画像データとして投影装置56で投影スクリーン53上に照射する。
【0121】
このように、本実施の形態のプロジェクタ52によれば、投影スクリーン53の倒れを形状測定することによって投影画像を補正し、図15に示すように、投影スクリーン53がプロジェクタ52に対して斜めに配置されていても、投影された画面が台形に変形することなく、矩形として投影できる。また、実際の投影スクリーン53の形状を測っているので、投影スクリーン53が単純に倒れている場合だけでなく波打っている場合でも、投影スクリーン53上での変形を補正することが可能である。
【0122】
【発明の効果】
請求項1記載の発明によれば、領域分割法の部分領域Ai間に分離領域Wiを設けることで、部分領域Ai相互を明確に分離することができ、部分領域Aiの境界で生ずる形状の異常値を取り除くことができるため、部分領域Aiの境界がなくなってしまうことにより誤った形状を与えることがない。
【0123】
請求項2記載の発明によれば、領域分割法の部分領域Ai間に分離領域Wiを設け、同時にその分離領域Wiの光パターンの情報から隣接する部分領域Aiを特定することで、領域分割法の部分領域Aiの判定を簡単化することができるので、高精度で簡便に形状測定を行うことができる。
【0124】
請求項3記載の発明によれば、請求項2記載の形状測定装置において、分離領域Wiの幅を分離領域Wi毎に変えているので、簡便に分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを判定することができる。
【0125】
請求項4記載の発明によれば、請求項2記載の形状測定装置において、分離領域Wi内の光パターンが分離領域Wi毎に光量の異なる光ストライプを含むので、簡便に分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを判定することができる。
【0126】
請求項5記載の発明によれば、請求項4記載の形状測定装置において、パターンPiが2種類あり、分離領域Wi内部の光ストライプの光量比率が分離領域Wi毎に異なるので、簡便に分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを判定することができる。
【0127】
請求項6記載の発明によれば、請求項2記載の形状測定装置において、分離領域Wi内部の光ストライプの波長毎の光量が分離領域Wi毎に異なるので、簡便に分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを判定することができる。
【0128】
請求項7記載の発明によれば、請求項2記載の形状測定装置において、分離領域Wi毎に符号化された光ストライプを含む光パターンを用いているので、簡便に分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを判定することができる。
【0129】
請求項8記載の発明によれば、請求項2記載の形状測定装置において、分離領域Wi毎に光量が異なる一定な光パターンを用いているので、簡便に分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを判定することができる。
【0130】
請求項9記載の発明によれば、請求項8記載の形状測定装置において、分離領域Wi毎に光量比率が異なる一定な光パターンを用いているので、簡便に分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを判定することができる。
【0131】
請求項10記載の発明によれば、請求項8記載の形状測定装置において、分離領域Wi毎に波長毎の光量比率が異なる一定な光パターンを用いているので、簡便に分離領域Wiに隣接する部分領域Aiを判定することができる。
【0132】
請求項11記載の発明の文書スキャナによれば、測定精度の高く構成の簡単な請求項1ないし10の何れか一記載の形状測定装置を備えているので、ブック形状などの凹凸のある文書を読み込む文書スキャナの形状補正を簡便で確実に行うことができる。
【0133】
請求項12記載の発明のプロジェクタによれば、測定精度の高く構成の簡単な請求項1ないし10の何れか一記載の形状測定装置を備えているので、プロジェクタの投影スクリーンの倒れを補正し、斜めに配置したスクリーンでも矩形に投影できる補正を簡便に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施の形態の形状測定装置を示す原理的な斜視図である。
【図2】より実際的な構成例を示す概略平面図である。
【図3】フィルタを示す概略斜視図である。
【図4】光パターン構成例を示すフィルタの透過率分布特性図である。
【図5】本発明の第二の実施の形態の形状測定装置の構成例を示す概略平面図である。
【図6】光パターン構成例を示す特性図である。
【図7】本発明の第三の実施の形態の光パターン構成例を示すフィルタの透過率分布特性図である。
【図8】本発明の第四の実施の形態の光パターン構成例を示すフィルタの透過率分布特性図である。
【図9】本発明の第五の実施の形態の光パターン構成例を示すフィルタの透過率分布特性図である。
【図10】本発明の第六の実施の形態の光パターン構成例を示すフィルタの透過率分布特性図である。
【図11】本発明の第七の実施の形態の光パターン構成例を示すフィルタの透過率分布特性図である。
【図12】本発明の第八の実施の形態の光パターン構成例を示すフィルタの透過率分布特性図である。
【図13】本発明の第九の実施の形態の原稿スキャナの構成例を示す概略斜視図である。
【図14】本発明の第十の実施の形態のプロジェクタの構成例を示す概略平面図である。
【図15】その概略斜視図である。
【図16】光切断法について説明するための斜視図である。
【図17】三角測量の原理を説明するための概略平面図である。
【図18】レインボー法について説明するための概略平面図である。
【図19】強度比法について説明するための斜視図である。
【図20】領域分割強度比法について説明するための概略平面図である。
【図21】光パターン構成例を示すフィルタの透過率分布特性図である。
【符号の説明】
L 照明手段
D 受光手段
A 測定領域
Ai 部分領域
Wi 分離領域
1 照明手段
2 受光手段
4 形状推定手段
5 形状補正手段
21 形状計算手段
31 形状測定装置
34 文書原稿
51 形状測定装置
53 投影スクリーン
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical shape measuring device, a document scanner, and a projector for measuring the shape and distance of an object.
[0002]
[Prior art]
In a shape measuring device that measures the three-dimensional shape of an object, the object to be measured is irradiated with a slit-shaped laser beam, and the object is observed from a different field of view from the irradiation direction of the slit light while scanning perpendicularly to the longitudinal direction of the slit. There is one that measures the deformation of the slit light according to the object shape generated as described above as a shape using the principle of triangulation (hereinafter referred to as “light cutting method”).
[0003]
For example, as shown in FIG. 16, a light cutting method using an irradiation optical system by a semiconductor laser unit 101, a galvanometer mirror 102 and a cylindrical lens 103, and a detection optical system by an imaging lens 104 and a CCD 105 as a light receiving element is used. The shape measuring apparatus used is often used for industrial purposes.
[0004]
The light emitted from the semiconductor laser unit 101 in the form of a beam is scanned by the galvanometer mirror 102 in the horizontal direction of the drawing, is enlarged in the vertical direction by the cylindrical lens 103, and is irradiated to the measurement object 107 as a vertically long slit light 106. The At this time, when the reflected light 108 reflected from the measurement object 107 through the imaging lens 104 is observed by the CCD 105 from the direction in which the slit light 106 is scanned, that is, shifted from the base line direction, the depth of the measurement object 107 is measured. The linear slit light 106 is deformed and the imaging position is moved on the CCD 105 according to the unevenness. Observing the image of the reflected light 108 with the CCD 105 means that the position of each point of the measurement object 107 where the reflected light 108 enters the imaging lens 104 is triangulated, and the position where the slit light 106 is irradiated. If the position difference (baseline length) in the baseline direction of the CCD 105 is known in advance, the shape of the measurement object 107 in the portion irradiated with the slit light 106 can be measured from this deformation. By vibrating the galvanometer mirror 102 in the direction indicated by the arrow, the shape of the entire measurement object 107 can be obtained by repeating the shape measurement while scanning the slit light 106 over the entire surface of the measurement object 107.
[0005]
The principle of triangulation will be described in more detail with reference to FIG. 17 (see, for example, Toru Yoshizawa, “Optical three-dimensional measurement”, pp. 29-30, New Technology Communications, 1993). Assume that the slit light source 111 (corresponding to the reflection position of the beam light of the galvano mirror 102 in FIG. 16) and the light receiver 112 (corresponding to the CCD 105 in FIG. 16) are separated by the base line length L. If the light emitted from the slit light source 111 at an angle θ is reflected by the surface of the measurement object 113 at the position 113a and is incident at an angle φ on the position of the light receiver 112 to form an image, the relationship of equation (1)
Za = {tanθ * tanφ / (tanθ + tanφ)} * L (1)
Holds. If the distance d between the imaging lens 114 and the light receiver 112 and the distance Za of the measurement object in the vertical direction from the baseline length L are known in advance, the incident angle φ can be obtained. If the measurement object 113 is at the position 113b, assuming that the image is shifted by x with respect to the image formation position at the light receiver 112, Ψ can be found from the relationship of Ψ = arctan (x / d). (2) Relation of formula
Za = {tanθ * tan (φ + Ψ) / (tanθ + tan (φ + Ψ))} * L (2)
To obtain the distance Zb. If the slit light is scanned at the radiation angle θ so as to irradiate the entire surface of the measurement object 113 and the above procedure is repeated for each radiation angle θ, the distance Z between the reflection point and the base line of the measurement object 113, that is, the shape is Desired.
[0006]
As described above, the disadvantage of the light cutting method that sequentially scans the slit light on the measurement object requires an optical scanning optical system that scans each slit light, and usually a movable part such as the galvanometer mirror 102 in FIG. 16 is used. Therefore, it becomes weak to the vibration of the apparatus and it is necessary to repeat the shape measurement for each radiation angle θ, so that the measurement time is long. In addition, the amount of light observed by the light receiver 112 varies depending on the reflectance of the surface of the measurement object 113, and where the image of the measurement object 113 is formed in the light receiver 112 is the maximum of the amount of image formation light. It is necessary to estimate from the value or the like.
[0007]
There is a pattern light projection method as a shape measurement method that improves the disadvantage of the light cutting method that it is necessary to sequentially scan the slit light. In this method, instead of scanning the slit light, the entire slit light is arranged on the surface, and the measurement object is collectively irradiated as one pattern light. However, since it is not known which position of the pattern light corresponds to which slit light as it is, information about the correspondence with the slit light by some method in advance, that is, at which irradiation angle was irradiated, is used for information on the pattern light itself. Add (index).
[0008]
As one type of such pattern light projection method, there is a method (hereinafter referred to as “rainbow method”) in which a spectral spectrum pattern is collectively projected onto a measurement object. This method is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 61-75210, and will be described with reference to FIG.
[0009]
The light transmitted from the light source 121 through the slit 122 is irradiated with a rainbow-like light pattern so as to be dispersed by the prism 123 and cover the surface of the object 124. Since the distribution of the color depending on the radiation angle α is determined by the arrangement of the prism 123 and the slit 122, an image in which the light reflected from the surface of the object 124 is imaged on the imaging surface 126 by the lens 125 is captured by the camera 127. The incident light β can be determined from the observed color. In other words, it is indexed with the color of the pattern light.
[0010]
Since the light source 121 and the camera 127 are separated by a distance D, if the radiation angle α is known, the surface shape of the object 124 can be obtained from the information by triangulation. The color is identified by changing the transmission wavelength of the filter 128 to obtain the light quantity ratio of two kinds of wavelengths of the reflected light at each point on the surface of the object 124. In other words, it can be considered that the two patterns of the intensity ratio method shown in the following example are superposed at different wavelengths, so they are members of the intensity ratio method.
[0011]
In this method, it is not necessary to sequentially scan the slit light unlike the light cutting method, and the rainbow-like light is projected onto the measurement object at once, and the reflection pattern is taken in with the color camera, so the slit light is scanned. There is no mechanically fragile movable part, and the shape measurement time can be shortened.
[0012]
On the other hand, since the radiation direction β of the irradiation light is determined by taking the ratio of the reflected light of the two wavelengths by the filter 128, the accuracy in the depth direction of the shape data is lowered if this accuracy is low. In order to improve the measurement accuracy of reflected light, it is necessary to make the S / N sufficiently high with respect to the amount of reflected light as signal light with respect to the amount of background light as noise. If the transmission wavelength width of the filter 128 is narrowed, it is possible to eliminate the influence of background light, but the signal light is also reduced at the same time, so that the S / N is limited, that is, the resolution is limited. Become. Furthermore, when the measurement object is colored, there is a problem that light other than the color is not easily reflected and the shape cannot be measured.
[0013]
As another pattern light projection method, there is an intensity ratio method (B. Carrihill and R. Hummel, “Experiments with the Intensity Ratio Depth Sensor”, Computer Vision, Graphics, and Image Processing, vol. 32, pp. 337-358, 1985 or Japanese Patent Laid-Open No. 10-48336).
[0014]
This intensity ratio method will be described with reference to FIG. The left-right direction in FIG. 19 is the baseline direction, and the pattern light source 131 (corresponding to the slit light source 111 in FIG. 17) and the light receiver 132 (corresponding to the light receiver 112 in FIG. 17) are the same as in the case of FIG. Are in different positions. The pattern light source 131 emits a planar light pattern that simultaneously irradiates the entire measurement surface 133 having a light quantity distribution with respect to the baseline direction. Assuming that the intensity distributions of the two light patterns with respect to the radiation angle θ are G1 (θ) and G2 (θ), each of the intensity distributions G1 (θ) and G2 (θ) has a reflectance σ having a measurement surface 133. When the light amounts reflected by the points and received by the light receiver 132 are P1 and P2, and the light amount of the pattern light source 131 is S, the relationship of equations (3a) and (3b)
P1 = K * σ * G1 (θ) * S (3a)
P2 = K * σ * G2 (θ) * S (3b)
Holds. Here, K is a coefficient determined from the positional relationship between the pattern light source 131, the light receiver 132, and the measurement surface 133. The reflectance σ of the measurement surface 133 depends on the characteristics of the surface of the measurement surface 133 and cannot be determined in advance. However, when the ratio of the equations (3a) and (3b) is taken, the relationship of the equation (4)
P2 / P1 = G2 (θ) / G1 (θ) (4)
Thus, it can be seen that the ratio of P2 and P1 depends only on the radiation angle θ. That is, the indexing is performed by the ratio of the light intensity of the two pattern lights. By irradiating the measurement surface 133 with an optical pattern having two intensity distribution lights G1 (θ) and G2 (θ) and measuring P2 / P1, θ can be uniquely obtained with respect to the radiation angle θ. As shown in FIG. 16, it is not necessary to sequentially detect the amount of light by the CCD while scanning the slit light with respect to the base line direction, and it is sufficient to observe the image of the CCD with respect to the two pattern lights. There is an advantage that is shortened. However, G2 (θ) / G1 (θ) needs to be a monovalent function with respect to θ. For example, if G1 (θ) is a monotone decreasing function with respect to θ and G2 (θ) is a monotone increasing function with respect to θ, G2 (θ) / G1 (θ) is a monotonically increasing function with respect to θ. Θ is uniquely obtained from P2 / P1.
[0015]
Incidentally, the above-mentioned B.I. In Carrihill's paper example, G1 (θ) has a uniform distribution regardless of θ, and G2 (θ) has a distribution in which the amount of light increases linearly, whereas in the example of Japanese Patent Laid-Open No. 10-48336, , G1 (θ) is a linearly decreasing distribution and G2 (θ) is a linearly increasing distribution, but the two radiation patterns only need to be monotonous. There is no significant difference.
[0016]
As described above, the intensity ratio method has an advantage in that it can be measured by irradiating two patterns at a time without depending on the reflectance of the measurement surface, but has a drawback as well. The problem with the intensity ratio method is that the reflected light amount, which is signal light, is sufficient with respect to the background light amount, which is noise, in order to increase the S / N of the measurement when taking the ratio of the light amount received by the light receiving element of the two light patterns. It is necessary to make it high. That is, if the minimum value of G1 (θ) or G2 (θ) is too small, the S / N is lowered, and the influence appears as a shape error. That is, the dynamic range of P2 / P1 does not increase. On the other hand, since there is a lower limit in the light amount resolution of the CCD, there is a lower limit in the resolution of the radiation angle θ that can be measured, resulting in a problem that the resolution of the measured shape is lowered.
[0017]
Further, the depth accuracy of the shape is determined depending on the S / N of the measured light quantity of the reflected light, as in the rainbow method shown in the previous example.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
The problems of the conventional example are summarized as follows.
[0019]
The light cutting method generally used for three-dimensional shape measurement requires an optical scanning optical system and has a problem that the measurement time is long.
[0020]
In the rainbow method, which is a type of pattern light projection method that has improved the problem, the radiation direction θ of the irradiated light is determined by taking the ratio of the reflected light of the pattern light of the two wavelengths. The measurement accuracy is limited and the accuracy is not so high.
[0021]
Similarly, in the intensity ratio method, which is a kind of pattern light projection method, the radiation direction θ of the irradiation light is determined by taking the ratio of two different reflected lights although the wavelength is the same. The accuracy is not so high.
[0022]
By the way, as another pattern light projection method, there is a proposal example of a region division intensity ratio method in which a measurement region is divided and pattern light is irradiated. This method will be described with reference to FIGS.
[0023]
Light emitted from the light sources 142a, 142b, and 142c incorporated in the illumination device 141 passes through the filters 143a, 143b, and 143c, is synthesized by the prism 144, and is irradiated onto the measurement object 145 as irradiation light 147. The reflected light 148 from the measurement object 145 is collected by the imaging lens 150 incorporated in the camera 149 and received by the color CCD 151.
[0024]
The transmittance distribution characteristics in the parallax direction of the filter 143 are shown in FIG. 21B and 21C, the measurement area A of the measurement object 145 is divided into six partial areas A1, A2,...
[0025]
21 (a) for the combination of the light source 142a and the filter 143a, FIG. 21 (b) for the combination of the light source 142b and the filter 143b, FIG. 21 (c) for the combination of the light source 142c and the filter 143c, and the light sources 142b and 142c. The combination with the filters 143b and 143c is shown in FIG. 21D, and the measurement area A is irradiated with a light amount proportional to this. When the radiation patterns of FIGS. 21A and 21D are used, the light quantity data obtained from the color CCD 151 based on the principle of the intensity ratio method described above is input to the rough shape estimation device 152 using the reflected light quantity distribution at that time as input. Can be generated. Since this data was obtained by a normal intensity ratio method, the accuracy is not so high.
[0026]
Next, using the radiation patterns shown in FIGS. 21B and 21C, the intensity ratio method is applied to the six partial areas A1, A2,... Shape data at A2,..., A6 can be obtained. In the normal intensity ratio method, which of the six partial areas A1, A2,. Although it cannot be determined and the ambiguity of the partial area is generated, the rough shape determination can be performed for each pixel of the color CCD 151 because the approximate shape data is obtained here. The shape estimation device 153 can calculate the shape of the entire measurement region E without ambiguity of the region from FIGS. 21B and 21C and the schematic shape data.
[0027]
The good point of this area division intensity ratio method is that the radiation pattern shown in FIGS. 21B and 21C irradiates with a light amount distribution that changes abruptly with respect to the parallax direction, so that the detection accuracy of the light amount in the color CCD 151 is high. As a result, the shape measurement accuracy is improved. By increasing the change in the light quantity distribution with respect to the parallax direction, the same effect as that obtained by increasing the light quantity resolution of the color CCD 151 can be obtained. On the other hand, the reason why the accuracy is low in the normal intensity ratio method is that the light intensity change between the measurement points adjacent in the parallax direction is small because the entire measurement area is irradiated with pattern light with continuous light intensity change. Is the cause. However, since the measurement area A is divided into partial areas A1, A2,..., A6, the partial areas A1, A2,..., A6 must be determined. In combination, the ambiguity of the partial region determination is removed, and the number of light sources, the number of filters, and the number of photographing increases as compared with the case of only the normal intensity ratio method. In addition, there is a problem that it is difficult to determine which boundary part belongs to the boundary part between the partial areas A1, A2,.
[0028]
As described above, in the area division intensity ratio method with improved resolution of the intensity ratio method, the measurement accuracy is improved by applying the intensity ratio method to a plurality of partial areas. Instead, it is necessary to perform partial area determination. There is a problem that the device configuration tends to be somewhat complicated.
[0029]
An object of the present invention is to use a pattern light projection method that irradiates a light pattern onto a plurality of partial regions such as a region division intensity ratio method (this intensity ratio method includes a rainbow method). It is to clarify the separation between the partial areas and to remove the ambiguity of the partial area determination.
[0030]
In addition, an object of the present invention is to ensure that the partial area can be specified.
[0031]
Furthermore, the objective of this invention is providing the method of implement | achieving the said objective simply.
[0032]
Another object of the present invention is to make it possible to simply and reliably perform shape correction of a document scanner that reads a document with unevenness such as a book shape.
[0033]
It is another object of the present invention to correct the tilt of the projection screen of the projector so that correction can be easily performed so that the screen can be projected in a rectangular shape even on an obliquely arranged screen.
[0034]
[Means for Solving the Problems]
The shape measuring apparatus according to the first aspect of the present invention is divided into n slit-shaped partial areas Ai (i: 1 to n) which are divided perpendicularly to the parallax direction and do not overlap each other with the separation area Wi interposed therebetween. For each measurement area A consisting of a partial area number), for each area paired with each partial area Ai and separation area Wi 2 Illuminating means for illuminating the light pattern Pi described above, light receiving means for receiving the reflected light of the light pattern Pi illuminated on the measurement area A with a parallax to the illumination means specified, and reflected light received by the light receiving means The shape for estimating the shape data Si of the partial area Ai using the parallax between the illumination means and the light receiving means while leaving the ambiguity of the partial area number i regarding the partial area Ai based on the information of the light quantity Ri of An estimation means; Based on the information on the light amount Ri of the reflected light, the position of each separation area Wi is specified, and the position of the partial area Ai adjacent to the specified separation area Wi is specified. , For each partial area Ai The ambiguity of the partial area number i in the estimated shape data Si is removed for each partial area Ai. Of partial area number i Shape correction means for obtaining shape data Zi without ambiguity.
[0035]
Therefore, by providing the separation regions Wi between the partial regions Ai of the region division method, the partial regions Ai can be clearly separated from each other, and the abnormal value of the shape generated at the boundary of the partial regions Ai can be removed. Since the boundary of the partial area Ai disappears, an incorrect shape is not given.
[0036]
The shape measuring apparatus according to a second aspect of the present invention is divided into n pieces of slit-shaped partial areas Ai (i: 1 to n) which are divided perpendicularly to the parallax direction and do not overlap each other with the separation area Wi interposed therebetween. For each measurement area A consisting of a partial area number), for each area paired with each partial area Ai and separation area Wi 2 Illuminating means for illuminating the light pattern Pi described above, light receiving means for receiving the reflected light of the light pattern Pi illuminated on the measurement area A with a parallax to the illumination means specified, and reflected light received by the light receiving means The corresponding partial region aI is identified using the information on the light amount Ri of the reflected light from the separation region Wi in the information on the light amount Ri, and triangulation using the parallax between the illumination unit and the light receiving unit is performed. Shape calculation means for obtaining shape data Zi for each partial area Ai based on the principle.
[0037]
Therefore, by providing the separation areas Wi between the partial areas Ai of the area division method and simultaneously identifying the adjacent partial areas Ai from the information of the light pattern of the separation area Wi, the determination of the partial areas Ai of the area division method is simplified. Therefore, the shape can be measured easily with high accuracy.
[0038]
According to a third aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the second aspect, the width of the separation region Wi is different.
[0039]
Therefore, in the shape measuring apparatus according to the second aspect, since the width of the separation region Wi is changed for each separation region Wi, the partial region Ai adjacent to the separation region Wi can be easily determined.
[0040]
According to a fourth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the second aspect, the light pattern in the separation region Wi includes a light stripe having a different amount of light for each separation region Wi.
[0041]
Accordingly, in the shape measuring apparatus according to the second aspect, since the light pattern in the separation region Wi includes light stripes having different light amounts for each separation region Wi, the partial region Ai adjacent to the separation region Wi can be easily determined.
[0042]
According to a fifth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the fourth aspect, there are two types of the light patterns Pi, and the light quantity ratio of the light stripes in the separation region Wi between the two types of light patterns Pi is equal to each separation region Wi. It is set to be different for each.
[0043]
Therefore, in the shape measuring apparatus according to claim 4, since there are two types of patterns Pi and the light quantity ratio of the light stripes in the separation region Wi is different for each separation region Wi, the partial region Ai adjacent to the separation region Wi can be easily determined. Can be judged.
[0044]
According to a sixth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the second aspect, the amount of light for each wavelength of the light stripe in the separation region Wi is different for each separation region Wi.
[0045]
Therefore, in the shape measuring apparatus according to the second aspect, the amount of light for each wavelength of the light stripe inside the separation region Wi is different for each separation region Wi, so that the partial region Ai adjacent to the separation region Wi can be easily determined.
[0046]
A seventh aspect of the present invention is the shape measuring apparatus according to the second aspect, wherein the light pattern in the separation region Wi includes a light stripe encoded for each separation region Wi.
[0047]
Therefore, in the shape measuring apparatus according to the second aspect, since the optical pattern including the optical stripe encoded for each separation region Wi is used, the partial region Ai adjacent to the separation region Wi can be easily determined.
[0048]
According to an eighth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the second aspect, the light pattern in the separation region Wi is a pattern of a constant light amount distribution in which the light amount is different for each separation region Wi.
[0049]
Therefore, in the shape measuring apparatus according to the second aspect, since a constant light pattern having a different amount of light is used for each separation region Wi, the partial region Ai adjacent to the separation region Wi can be easily determined.
[0050]
According to a ninth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the eighth aspect, there are two types of the light patterns Pi, and a constant light quantity ratio in the separation regions Wi of the two types of light patterns Pi is provided for each separation region Wi. Are set to be different.
[0051]
Therefore, in the shape measuring apparatus according to the eighth aspect, since a constant light pattern having a different light quantity ratio is used for each separation region Wi, the partial region Ai adjacent to the separation region Wi can be easily determined.
[0052]
According to a tenth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the eighth aspect, a constant light amount ratio for each wavelength in the separation region Wi is different for each separation region Wi.
[0053]
Therefore, in the shape measuring apparatus according to the eighth aspect, since the constant light pattern in which the light amount ratio for each wavelength is different for each separation region Wi is used, the partial region Ai adjacent to the separation region Wi can be easily determined.
[0054]
A document scanner according to an eleventh aspect of the invention includes the shape measuring apparatus according to any one of the first to tenth aspects, wherein a measurement region is set using a document original as a measurement object.
[0055]
Accordingly, since the shape measuring apparatus according to any one of claims 1 to 10 having a high measurement accuracy and a simple configuration is provided, the shape correction of the document scanner for reading a document with unevenness such as a book shape can be simply and reliably performed. Yes.
[0056]
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a projector according to any one of the first to tenth aspects, wherein a measurement region is set with a projection screen as a measurement object.
[0057]
Accordingly, since the shape measuring device according to any one of claims 1 to 10 having a high measurement accuracy and a simple configuration is provided, the tilt of the projection screen of the projector is corrected, and the projection screen arranged obliquely is projected into a rectangle. Correction that can be performed can be performed easily.
[0058]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0059]
First, the principle and outline of the present embodiment will be described with reference to FIG.
[0060]
In general, in the area division intensity ratio method, the measurement area A is divided into a plurality of partial areas Ai, and each partial area Ai is irradiated with a separate light pattern Pi. The boundary of the partial area Ai differs from the light pattern that is originally intended to be irradiated due to the positional deviation of the irradiation optical system and the bleeding of the pattern in the measurement area of the light pattern. Therefore, the result of passing through the shape estimation means and the shape correction means based on the light amount Ri obtained around the boundary of the partial area Ai becomes an abnormal value.
[0061]
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, it is divided perpendicularly to the parallax direction connecting the illumination means L and the light receiving means D, and the separation area Wi (i = 1 to n−1) is interposed between them. With respect to the measurement area A composed of n slit-shaped partial areas Ai (i: a natural number indicating a partial area number of 1 to n) that are not overlapped with each other, each partial area Ai and separation area Wi Illumination means L for illuminating one or more types of light patterns Pi for each paired area, light receiving means D for receiving reflected light of the light pattern Pi illuminated on the measurement area A, and reflection received by the light receiving means D Shape estimation means for estimating the shape data Si of the partial area Ai using the parallax between the illumination means L and the light receiving means D while leaving the ambiguity of the partial area number i regarding the partial area Ai based on the information on the light quantity Ri of the light G and estimated shape data S Is a shape correction unit C for the ambiguity is removed obtaining the shape data unambiguous for each partial area Ai of the partial area number i, the configuration with the.
[0062]
That is, the measurement area A is irradiated with the light pattern Pi irradiated from the illumination unit L as illumination light. The light pattern illuminates the measurement area A by dividing it into n parts, but the separation areas Wi (W1, W2,..., Wn−1) are arranged between the partial areas Ai (A1, A2,..., An) obtained by dividing the measurement area A into n parts. ) Makes it clear that the data corresponding to the separation area Wi is data that cannot be used for shape recovery. In other words, the reflected light of the partial area Ai is detected by the light receiving means D and used to obtain the shape in the measurement area A, but the shape is obtained even if the reflected light in the separation area Wi is detected by the light receiving means D. Not used for that. By providing the separation region Wi, an abnormal value of the shape generated at the end of the partial region Ai can be removed.
[0063]
Here, the separation region Wi needs to be distinguished from the partial region Ai by some method. Various methods are conceivable. For example, if light is not irradiated over the entire separation region Wi, it can be easily determined from the value of the light amount Ri detected by the light receiving means D. From the information on the light quantity Ri obtained by the light receiving means D, the shape estimating means G can detect an extremely small area as the separation area Wi and determine how far the partial area Ai can be measured for the shape. . For example, if the light receiving means D is a CCD, the separation area Wi and the partial area Ai are arranged in order with respect to the base line direction corresponding to the light receiving cells of the CCD. If the cell of the CCD is searched in the baseline direction, the range of the separation area Wi can be specified. Therefore, an estimated shape Si in which the ambiguity of the partial area Wi is left is obtained by the shape estimation means G for the remaining partial area Ai. The final shape data Zi can be obtained by the correction means C.
[0064]
Other methods for separating the partial region Ai and the separation region Wi include irradiating the entire separation region Wi with a constant light amount, changing the irradiation wavelength only in the separation region Wi, changing the light amount distribution in the separation region Wi, etc. However, the method is not limited as long as it can be distinguished from the partial region Ai. In particular, when a light pattern that monotonously increases (or decreases) in the base line direction is irradiated for each partial area Ai by the region division intensity ratio method, it decreases monotonously (or increases) in the reverse base line direction. ) The configuration of irradiating the light pattern is easy to detect because the change in the intensity ratio in the baseline direction is reversed only by the separation region Wi, and can be easily realized in designing the light pattern.
[0065]
According to such a method, the amount of light applied to the separation region Wi can be controlled simply by designing the light pattern Pi applied to the measurement region A. Therefore, the irradiation optical system itself by the illumination means L is the same as the region division intensity ratio method. There is an advantage that you can do with things.
[0066]
By providing the separation region Wi, the measurement region A is divided into the partial region Ai and the separation region Wi. Therefore, the width of the partial region Ai in which shape measurement is actually possible is reduced, so the width of the separation region Wi is necessary. It is desirable to minimize it. For example, the width around the boundary of the region of the light pattern to be irradiated may be set wider than a width that cannot actually be used for shape measurement.
[0067]
In any of the embodiments including the present embodiment, since it is assumed that the separation region Wi is detected by the light receiving means D, the measurement object placed in the measurement region A is an object having a smooth shape. It is desirable that the reflected light can be obtained anywhere. In addition, the configuration in which the separation region Wi is provided between the partial regions Ai can be applied as long as it is a pattern light projection method that irradiates a light pattern divided into a plurality of regions, and the application is not limited to the intensity ratio method. .
[0068]
Next, a more practical configuration example of the present embodiment based on such a principle and outline will be described with reference to FIGS.
[0069]
First, in FIG. 2, the illumination means L is the illumination device 1, the light receiving means D is the camera 2, the parallax direction is the horizontal direction of the drawing, the reflected light amount Ri is the light amount value received by the CCD 3 in the camera 2, and the shape estimating means G Corresponds to the shape estimation device 4, and the shape correction means C corresponds to the shape correction device 5. The illumination device 1 includes a flash light source 6 and a filter 7. The camera 2 includes an imaging lens 8 and a CCD 3. Here, n = 4, and the measurement area A is divided into four partial areas A1, A2, A3, and A4, and three separation areas W1, W2, and W3 are interposed.
[0070]
Illumination light 9 transmitted through the filter 7 illuminated from the back surface by the flash light source 6 is reflected by the measurement object 10 in the measurement area A, collected as reflected light 11 by the imaging lens 8 of the camera 2, and detected by the CCD 3. The Since the base line length L which is the distance between the flash light source 6 and the CCD 3 is known, and the light receiving angle ψ is known from the image formation position on the CCD 3, if the irradiation angle θ can be obtained by any method, the measurement object 10 can be obtained by the principle of triangulation. You can see the distance. In the present embodiment, the filter 7 is replaced, and two types of light patterns can be projected. For each light pattern, the amount of light received by the CCD 3 is light amount data. In the shape estimation device 4, the region is indefinite (the subregion Ai to which it belongs is not yet determined) from the light amount data, the base length L, the irradiation angle θ, and the light receiving angle ψ using the principle of triangulation and the principle of the intensity ratio method. The shape data Si with the ambiguity left is calculated. This is finally corrected by the shape correction device 5, and unambiguous shape data Zi is obtained.
[0071]
As shown in FIG. 3, the filter 7 has a concentration gradient in which the transmittance monotonously increases (or monotonously decreases) in the baseline direction divided into four so as to control the irradiation intensity with respect to the parallax direction in the horizontal direction of the drawing. The attached filter is illuminated by a thin flash light source 6 whose longitudinal direction is perpendicular to the parallax direction. By exchanging the filter 7, two light stripe patterns are irradiated. Since the filter 7 can be easily created, the cost can be reduced when a large amount is created. Further, illumination with the flash light source 6 that can be regarded as a point light source with respect to the parallax direction eliminates the need for the imaging lens of the illumination device 1 and is advantageous in terms of downsizing and cost reduction.
[0072]
Next, FIG. 4 shows an example of a light pattern irradiated on the measurement region A. For example, when two types of light patterns a and b as shown in FIGS. 4A and 4B are used, the irradiation angle θ is specified from the ratio of the light patterns a and b in each partial region Ai. From the principle of the law, the shape can be calculated for each partial area Ai. On the other hand, a separation region Wi where the transmittance of the filter 7 is zero, that is, the amount of light is zero on the measurement region A surface, is provided at the end of the partial region Ai. If there is no separation area Wi, the light pattern blur occurs when the light quantity changes of the light patterns a and b jump, and the shape data there is incorrect, but the received light quantity becomes zero as in this embodiment. By providing the separation region Wi, it is not necessary to calculate an incorrect shape in the separation region Wi. If necessary, even if the partial area Ai is close to the end of the separation area Wi, a shape error is likely to occur. Therefore, it is possible to perform processing in which the shape is not calculated for safety within a certain distance from the separation area Ai.
[0073]
In addition, when two types of light patterns c and d as shown in FIGS. 4C and 4D are used, no discontinuity occurs in the light amount change in the separation region Wi, and thus there is a blur of the light pattern. However, even when there is a sudden change in the amount of light, it is possible to reduce the influence of the light in the bright part around the dark part. However, in the combination of the light patterns c and d, it is impossible to determine where the separation area Wi is based on the light amount alone, but when the intensity ratio of the light patterns c and d is scanned in the baseline direction, the change in the intensity ratio between the partial area Ai and the separation area Wi. Therefore, the separation area Wi can be determined using this.
[0074]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The same parts as those shown in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted (the same applies to the following embodiments in order).
[0075]
In the present embodiment, the area division intensity ratio method of the first embodiment is improved by removing the ambiguity of the determination of the partial area Ai, and the reflected light received by the light receiving means D is reduced. Triangulation using the parallax (baseline length) between the illumination means L and the light receiving means D by identifying the corresponding partial area Ai using the information on the light quantity Ri of the reflected light from the separation area Wi among the information on the light quantity Ri. On the basis of the above principle, shape calculation means G (shape calculation device 21) for obtaining shape data Zi for each partial area Ai is provided.
[0076]
That is, as in the case of the first embodiment, the separation regions Wi are arranged between the partial regions Ai of the light pattern of the region division intensity ratio method, but some different information is given to each light pattern Pi of the separation region Wi. By mounting, the separation area Wi is identified based on the information of the reflected light Ri, and the partial area Ai adjacent to the separation area Wi is identified.
[0077]
If the light receiving means D can detect the separation area Wi based on the information of the light amount Ri, it can be determined to what extent the separation area Wi is. If the light receiving means D is a CCD, the separation region Wi and the partial region Ai are arranged in order with respect to the base line direction corresponding to the light receiving cells of the CCD. If the CCD cell is searched in the base line direction, the range of the separation area Wi and the type of the separation area Ai can be specified, so the partial area Ai sandwiched between the specified separation areas Wi is determined. Since the partial area number i can be specified, the shape calculation means G (shape calculation apparatus 21) can apply the intensity ratio method to the information on the light amount Ri for the specified partial area Ai. An unambiguous shape Zi can be obtained for each region Ai.
[0078]
In the case of the present embodiment, the optical system configuration is advantageous in that the design of the light pattern Pi is different from that in the case of the first embodiment, and the irradiation optical system itself can be the same as the area division intensity ratio method. .
[0079]
Referring to FIG. 5, the illumination light 9 transmitted through the filter 7 illuminated from the back surface by the flash light source 6 is reflected by the measurement object 10 in the measurement region A and is reflected by the imaging lens 8 of the camera 2 as the reflected light 11. The light is collected and detected by the CCD 3. Since the base line length which is the distance between the flash light source 6 and the CCD 3 is known, and the light receiving angle ψ is known from the imaging position on the CCD 3, if the irradiation angle θ can be obtained by any method, the measurement object 10 can be obtained by the principle of triangulation. You can see the distance. The filter 7 is replaced, and two types of light patterns can be projected. For each light pattern, the amount of light received by the CCD 3 is light amount data.
[0080]
In the present embodiment, as shown in FIG. 6, since the widths of the irradiation angles of the separation regions W1, W2, and W3 are different for each region, the light amount data received by the CCD 3 in the shape calculation device 21 is the baseline direction. If the scanning is performed, the separation regions W1, W2, and W3 can be distinguished from each other. As a result, the partial areas A1, A2, A3, and A4 can be identified from the position of the separation area Wi, and the intensity ratio obtained from the light quantity data and the shape data without ambiguity from the partial area Ai to which the light quantity data belongs. Can be obtained.
[0081]
As a result, the problem that the partial region Ai to which the region division intensity ratio method belongs is ambiguous is solved. Since there is no need to estimate the partial area Ai, it is only the shape calculation device 21 that obtains shape data from the light amount data.
[0082]
In particular, according to the present embodiment, since the width of the separation region Wi is different for each separation region Wi, the partial region WI adjacent to the separation region Wi can be determined with a simple configuration. For example, if the amount of light in the separation region Wi is set to zero, a black stripe-shaped light shielding mask having a different light shielding width for each stripe may be placed on the light emission side of the illumination device 1.
[0083]
The width of the separation area Wi observed from the light receiving means D depends on the three-dimensional shape of the measurement object 10 in the measurement area A, so that the width of the separation area Wi is not observed by the light receiving means D according to the width of the separation area Wi. Absent. This problem can be avoided if the width change for each separation region Wi in the present embodiment is made larger than the width change resulting from the change in the undulation of the three-dimensional shape with respect to the baseline direction.
[0084]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the basic configuration is the same as in the second embodiment, but the light pattern is changed (the design of the filter 7 is changed), and the light pattern in the separation region Wi has a light amount for each separation region Wi. Different light stripes are included.
[0085]
That is, an optical stripe is provided in the separation region Wi, and a plurality of separation regions Wi are specified from the absolute value of the light amount of the light stripe. For example, an optical pattern is prepared in which the isolation region Wi is shielded from light and an optical stripe is arranged in the center of the isolation region Wi. The absolute value of the light stripe is changed for each separation region Wi. If the distribution of the light amount Ri obtained by the light receiving means D is scanned in the baseline direction, the portion where the light amount becomes zero is the separation region Wi, and the portion where the light amount locally increases inside it specifies the separation region Wi. For light stripes. Since this light quantity is known from the light quantity Ri, it is possible to specify the separation regions Wi on both sides of the light stripe. Even if the separation region Wi is brightened over the entire surface and the amount of light is reduced only in the light stripe portion, the light stripe can be similarly identified. Unlike the case of the second embodiment, since the isolation region Wi is specified only by the optical stripe, the width of the isolation region Wi can be minimized.
[0086]
The amount of light reflected by the light stripe changes depending on the reflectance of the measurement object 10, but a larger change than the change of the reflectance of the measurement object 10 may be set to the light amount value of the light stripe in the separation region Wi.
[0087]
FIG. 7 shows an example of transmittance distribution characteristics of the filter 7 of the present embodiment. The light pattern a shown in FIG. 7A is provided with light stripes having different amounts of light for each separation region Wi, and the light amount data received by the CCD 3 is scanned in the baseline direction, thereby allowing the light having different separation regions Wi and light amounts. Since the stripe can be detected, the separation regions W1, W2, and W3 and the corresponding partial regions AI, A2, A3, and A4 can be specified from the difference in the amount of light received by the light stripe, and an unambiguous shape can be calculated. Since the separation region Wi is determined based on the light amount of the light stripe, the light pattern b may not include the light stripe as shown in FIG.
[0088]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, there are two types of light patterns Pi that illuminate the measurement area A, and the light quantity ratios of the light stripes inside the separation areas Wi of the two light patterns Pi are made different for each separation area Wi. Is.
[0089]
That is, when there are two or more light patterns Pi to be irradiated (this condition is always satisfied in the intensity ratio method), the position of the light stripe is the same for the two light patterns, but the intensity ratio of the two light stripes Is changed for each separation region Wi. Since the intensity ratio does not depend on the reflectance of the measurement object 10, the influence of the reflectance of the measurement object 10 can be removed, and shape measurement independent of the reflectance of the measurement object 10 can be performed.
[0090]
In other words, the separation region Wi is specified in the same manner as in the third embodiment, except that the region determination is performed based on the intensity ratio obtained from the two light stripes rather than the absolute value of the light amount of the light stripe.
[0091]
FIG. 8 shows an example of the transmittance distribution characteristic of the filter 7 of the present embodiment. In the present embodiment, the light patterns a and b shown in FIGS. 8A and 8B are provided with light stripes having different light quantity ratios for each separation region Wi at the same irradiation angle. Since the separation area Wi and the light stripe can be detected by scanning the light quantity data received by the CCD 3 in the baseline direction, the separation areas WI, W2, W3 and the corresponding parts are determined from the intensity ratio of the received light quantity of the two light stripes. Regions AI, A2, A3, and A4 can be specified, and an unambiguous shape can be calculated.
[0092]
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the amount of light for each wavelength of the light stripe inside the separation region Wi is different for each separation region Wi.
[0093]
That is, the configuration is similar to that of the fourth embodiment except that the intensity ratio of two lights having different wavelengths is used instead of a simple intensity ratio of two light stripes. For example, a light stripe is used in which the mixing ratio of red and blue is changed for each separation region Wi and the color is sequentially changed from blue to red from the left end to the right end in the baseline direction. By using information of a plurality of wavelengths, the condition that there are a plurality of light patterns as in the case of the fourth embodiment becomes unnecessary.
[0094]
When the measurement object 10 is colored, if the reflectance at a certain wavelength is lower than the other wavelengths, the light used in the present embodiment may be set to a wavelength that is not low in reflectance.
[0095]
FIG. 9 shows an example of the transmittance distribution characteristic of the filter 7 of the present embodiment. In the present embodiment, the light patterns a and b shown in FIGS. 9A and 9B are provided with light stripes having different wavelengths for each separation region Wi at the same irradiation angle. In the light pattern a, light stripes are arranged in the order of the separation regions W1, W2, and W3 in the order of red, green, and blue, and in the light pattern b, green and blue. , Red (red). The reason why the wavelengths of the light stripes are different between the two light patterns a and b is that if the reflectance of a specific wavelength is low in the measurement object 10, the light quantity is detected by either of the light stripes. By scanning the light amount data received by the CCD 3 in the base line direction, the separation area Wi and the light stripe can be detected, so that the separation areas W1, W2, W3 and the corresponding partial areas are determined from the intensity ratio of the paired light stripes. A1, A2, A3, and A4 can be specified, and an unambiguous shape can be calculated.
[0096]
A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the light pattern in the separation region Wi includes a plurality of light stripes encoded for each separation region Wi.
[0097]
In other words, the configuration example is similar to that of the third embodiment, except that there are a plurality of optical stripes instead of one, and the separation region Wi is encoded using the number of optical stripes, the interval, and the like. Encoding by the number of light stripes can reliably determine the separation region Wi as long as the light stripe is observed by the light receiving means D. However, when the number of separation regions Wi is large, the number of light stripes arranged in the separation region Wi is Increase. In that case, the number of light stripes can be reduced by changing the interval between the light stripes.
[0098]
However, as in the case of the second embodiment, the interval between the light stripes observed by the light receiving means D depends on the three-dimensional shape of the measurement object 10, and therefore the interval between the light stripes is the shape of the measurement object 10. A width larger than the fluctuation of the optical stripe width resulting from the change is given. Furthermore, as in the fourth and fifth embodiments, the intensity ratio of two optical stripes may be used, or encoding may be performed using optical stripes having different colors.
[0099]
FIG. 10 shows an example of the transmittance distribution characteristic of the filter 7 of the present embodiment. In the present embodiment, the light patterns a and b shown in FIGS. 10A and 10B are provided with different numbers of light stripes for each separation region Wi. For example, in the isolation region W1, the optical patterns a and b are each provided with 1 and 0 optical stripes, the isolation region W2 is 0 and 1 respectively, and the isolation region W3 is 1 and 1 respectively. Since the separation area Wi and the light stripe can be detected by scanning the light amount data received by the CCD 3 in the base line direction, the separation areas W1, W2, W3 and the corresponding partial area A1 are determined from the number of light stripes of the two light patterns. , A2, A3, A4 can be specified, and an unambiguous shape can be calculated.
[0100]
A seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the light pattern in the separation region Wi is configured to have a constant light amount distribution in which the light amount is different for each separation region Wi.
[0101]
That is, the configuration is similar to that of the second embodiment, but in the second embodiment, the separation area Wi is specified by the width of the separation area Wi, while the separation area Wi is irradiated with a constant light amount. However, the difference is that the amount of light differs for each separation region Wi. The separation area Wi can be specified from the change in the absolute value of the light amount Ri of the separation area Wi. Since it is not necessary to provide an optical stripe in the isolation region Wi, there is an advantage that the width of the isolation region Wi can be reduced.
[0102]
In this case, as in the case of the third embodiment, the amount of reflected light in the separation area Wi changes depending on the reflectance of the measurement object 10, but a change larger than the change in the reflectance of the measurement object 10 is changed. The light quantity value may be set to.
[0103]
Furthermore, in the present embodiment, a constant light amount ratio is different for each separation region Wi in the separation region Wi of the two light patterns Pi. That is, the intensity of the separation region Wi is changed by two light patterns, and the intensity ratio is different for each separation region Wi. Since the intensity ratio does not depend on the reflectance of the measurement object 10, the influence of the reflectance of the measurement object 10 can be removed, and shape measurement independent of the reflectance of the measurement object 10 can be performed.
[0104]
FIG. 11 shows an example of transmittance distribution characteristics of the filter 7 of the present embodiment. In the present embodiment, the light patterns a and b shown in FIGS. 11A and 11B are set so that the intensity ratios are different when the ratio of the light amounts is taken for each partial area Ai. Since the separation areas W1, W2, and W3 can be detected by scanning the light amount data received by the CCD 3 in the baseline direction, the separation areas W1, W2, and W3 can be detected from the intensity ratios of the separation areas W1, W2, and W3 of the light patterns a and b. W2, W3 and the corresponding partial areas A1, A2, A3, A4 can be specified, and an unambiguous shape can be calculated.
[0105]
An eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the constant light amount ratio for each wavelength in the separation region Wi is different for each separation region Wi.
[0106]
That is, the configuration is the same as in the seventh embodiment, but the difference is that the intensity ratio of two lights having different wavelengths is used instead of comparing them with a simple intensity ratio of two light stripes. For example, as in the case of the fourth embodiment, the mixing ratio of red and blue is changed for each separation region Wi, and a light pattern that sequentially changes from blue to red from the left end to the right end in the baseline direction is used for the separation region Wi. By using information of a plurality of wavelengths, the condition that a plurality of light patterns are necessary is eliminated.
[0107]
Similarly to the case of the fourth embodiment, when the measurement object 10 is colored, if the reflectance of a certain wavelength is lower than the other wavelengths, the light used in this embodiment is reflected in the reflectance. What is necessary is just to set to the wavelength which is not low.
[0108]
FIG. 12 shows an example of the transmittance distribution characteristic of the filter 7 of the present embodiment. In the present embodiment, the light patterns a and b shown in FIGS. 12A and 12B have different wavelengths to be irradiated for each partial region Ai. In the light pattern a, the wavelengths are red, green, and blue in the order of the separation regions W1, W2, and W3, and in the light pattern b, green, blue, and red (red). ) In order. By scanning the light amount data received by the CCD 3 in the baseline direction, the separation regions W1, W2, and W3 can be detected, so that the separation regions W1, W2, and W3 can be detected from the wavelengths of the separation regions W1, W2, and W3 of the light patterns a and b. W3 and the corresponding partial areas A1, A2, A3, A4 can be specified, and an unambiguous shape can be calculated.
[0109]
A ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, a shape correction function is provided by providing the document scanner 32 with the shape measuring device 31 according to any one of the embodiments described above.
[0110]
For example, the document scanner 32 schematically illuminates the original reading surface 34a of the original 34 mounted on the flat bed 33 with an illuminating device 35 from above and captures an image based on the reflected light with the imaging device 36. Thus, the original image is read.
[0111]
Here, since the depth of the document 34 viewed from the image pickup device 36 is changed around the binding 34b of a page of a book document such as a dictionary or a telephone book where the document 34 is thick, the shape of the document 34 is changed. It is necessary to read and correct the defocus. Normally, a three-dimensional shape is estimated from a two-dimensional image without depth information under an appropriate assumption. As in the present embodiment, the shape measuring device 31 according to each of the above-described embodiments is also used for shape correction. As a result, depth data can be obtained precisely and defocus correction can be performed accurately.
[0112]
Even if there is no defocusing, it is necessary to correct the shape even when the document 34 is placed obliquely in the depth direction. For example, when a rectangular paper is placed obliquely in the optical axis direction of the image pickup device 36, the closer side looks long and the far side looks like a trapezoid. Since the imaging device 36 itself does not have the distance information of the document 34, it cannot be determined whether the document is a trapezoidal document or a document whose rectangle is inclined in the optical axis direction. As in the present embodiment, by using the shape measuring device 31 according to each of the above-described embodiments in combination, the depth information of the document 34 is obtained from the solid shape information of the document 34, and the image is read into the original rectangle. Data can be corrected.
[0113]
In particular, since the optical shape measuring device 31 using the region division intensity ratio method in which the separation between the partial regions is improved by providing the separation region, the certainty of the measured shape is increased. As a result, a three-dimensional original can be corrected more reliably.
[0114]
Referring to FIG. 13, first, the illumination device 35 irradiates the illumination data of two types of light stripe patterns given from the shape calculation device 37 toward the document 34, and the imaging device 36 applies to each pattern. (Here, the illuminating device 35 is also used as the illuminating means L, and the imaging device 36 is also used as the light receiving means D). The shape information 34 is calculated, and the shape data is sent to the document shape correcting device 38. Next, the image pickup device 36 reads a three-dimensional image of the document 34 and sends the image data of the document 34 to the document shape correction device 38. The original shape correcting device 38 corrects the image data of the three-dimensional original 34 to flat image data based on the uneven shape data, and outputs the corrected original data to a personal computer, a printer, a storage device, or the like.
[0115]
In the present embodiment, the image of the original 34 having only two-dimensional information is compared with the three-dimensional comparison of the original image data corrected by estimating the three-dimensional shape from the deformation of the image. It is possible to correct the shape of a three-dimensional original correctly from an error-free three-dimensional shape obtained by actually measuring information.
[0116]
A tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, the projector 52 is provided with the shape measuring device 51 according to any one of the above-described embodiments, so that the tilt correction function of the projection screen 53 is provided.
[0117]
In general, the projector 52 is connected to a personal computer (PC) 55 or the like on the projection screen 53 supported by the support legs 54 or the like, and projects projection light according to image information from the projection device 56. Thus, an image is projected and displayed.
[0118]
Here, when the projection screen 53 is arranged obliquely with respect to the optical axis of the projector 52, for example, as shown in FIG. 15, the image that should have been projected in a rectangular shape is transformed into a trapezoid due to the difference in distance. End up. In this regard, if the depth of the projection screen 53 is measured using the shape measuring device 51 as in this embodiment, an imaging device 57 such as a normal camera is provided on the projector 52 side (as the illumination means L). For example, the projection device 56 can be used), and the tilt correction can be performed with higher accuracy than the determination of the tilt of the projection screen 53 from the deformation of the shape.
[0119]
In particular, as described above, since the optical shape measuring device 51 using the area division intensity ratio method in which the separation between the partial areas is improved by providing the separation area, the certainty of the measured shape is increased. As a result, the tilt correction of the projection screen 53 can be more reliably performed.
[0120]
Referring to FIG. 15, the projection device 56 in the projector 52 irradiates the projection screen 53 with illumination data of two types of light stripe patterns given from the shape calculation device 58 and images each of the light patterns. The image data is fetched from the device 57 to the shape calculation device 58, the shape information of the projection screen 53 is calculated based on the principle of the striped intensity ratio method, and the obtained shape data is sent to the projection correction device 59. Next, the image data sent from the PC 55 is sent to the projection correction device 59, and irradiated onto the projection screen 53 by the projection device 56 as corrected image data obtained by correcting the tilt of the projection screen 53 obtained from the shape data.
[0121]
Thus, according to the projector 52 of the present embodiment, the projection image is corrected by measuring the shape of the tilt of the projection screen 53, and the projection screen 53 is inclined with respect to the projector 52 as shown in FIG. Even if it is arranged, the projected screen can be projected as a rectangle without being transformed into a trapezoid. Further, since the actual shape of the projection screen 53 is measured, the deformation on the projection screen 53 can be corrected not only when the projection screen 53 is simply tilted but also when it is wavy. .
[0122]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, by providing the separation regions Wi between the partial regions Ai of the region division method, the partial regions Ai can be clearly separated from each other, and the shape abnormality that occurs at the boundary of the partial regions Ai Since the value can be removed, there is no possibility of giving an incorrect shape because the boundary of the partial area Ai disappears.
[0123]
According to the second aspect of the present invention, the separation region Wi is provided between the partial regions Ai of the region division method, and at the same time, the adjacent partial region Ai is specified from the information of the optical pattern of the separation region Wi, thereby the region division method. Since the determination of the partial area Ai can be simplified, the shape can be measured easily with high accuracy.
[0124]
According to the invention described in claim 3, in the shape measuring apparatus according to claim 2, since the width of the separation region Wi is changed for each separation region Wi, the partial region Ai adjacent to the separation region Wi is easily determined. be able to.
[0125]
According to a fourth aspect of the invention, in the shape measuring apparatus according to the second aspect, since the light pattern in the separation region Wi includes the light stripes having different light amounts for each separation region Wi, it is easily adjacent to the separation region Wi. The partial area Ai can be determined.
[0126]
According to the fifth aspect of the invention, in the shape measuring apparatus according to the fourth aspect, there are two types of patterns Pi, and the light quantity ratio of the light stripes in the separation area Wi is different for each separation area Wi. The partial area Ai adjacent to Wi can be determined.
[0127]
According to the sixth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the second aspect, the amount of light for each wavelength of the light stripe inside the separation region Wi is different for each separation region Wi. The area Ai can be determined.
[0128]
According to the seventh aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the second aspect, since the optical pattern including the optical stripe encoded for each separation region Wi is used, the portion adjacent to the separation region Wi is easily provided. The area Ai can be determined.
[0129]
According to the eighth aspect of the invention, in the shape measuring apparatus according to the second aspect, since a constant light pattern having a different amount of light is used for each separation region Wi, the partial region Ai adjacent to the separation region Wi can be easily obtained. Can be determined.
[0130]
According to the ninth aspect of the invention, in the shape measuring apparatus according to the eighth aspect, since the constant light pattern having a different light quantity ratio is used for each separation region Wi, the partial region Ai adjacent to the separation region Wi can be easily used. Can be determined.
[0131]
According to the tenth aspect of the present invention, in the shape measuring apparatus according to the eighth aspect, since the constant light pattern in which the light amount ratio for each wavelength is different for each separation region Wi is used, it is adjacent to the separation region Wi easily. The partial area Ai can be determined.
[0132]
According to the document scanner of the eleventh aspect of the present invention, since the shape measuring apparatus according to any one of the first to tenth aspects of the present invention is provided with a high measurement accuracy and a simple configuration, a document having irregularities such as a book shape can be obtained. The shape of the document scanner to be read can be corrected simply and reliably.
[0133]
According to the projector of the twelfth aspect of the present invention, since the shape measuring device according to any one of the first to tenth aspects having a high measurement accuracy and a simple configuration is provided, the tilt of the projection screen of the projector is corrected, Correction that can be projected onto a rectangle even on an obliquely arranged screen can be easily performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a principle perspective view showing a shape measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view showing a more practical configuration example.
FIG. 3 is a schematic perspective view showing a filter.
FIG. 4 is a transmittance distribution characteristic diagram of a filter showing a configuration example of an optical pattern.
FIG. 5 is a schematic plan view showing a configuration example of a shape measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a configuration example of an optical pattern.
FIG. 7 is a transmittance distribution characteristic diagram of a filter showing a configuration example of an optical pattern according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a transmittance distribution characteristic diagram of a filter showing a configuration example of an optical pattern according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a transmittance distribution characteristic diagram of a filter showing a configuration example of an optical pattern according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a transmittance distribution characteristic diagram of a filter showing a configuration example of an optical pattern according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a transmittance distribution characteristic diagram of a filter showing a configuration example of an optical pattern according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a transmittance distribution characteristic diagram of a filter showing a configuration example of an optical pattern according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic perspective view illustrating a configuration example of a document scanner according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a schematic plan view showing a configuration example of a projector according to a tenth embodiment of the invention.
FIG. 15 is a schematic perspective view thereof.
FIG. 16 is a perspective view for explaining an optical cutting method.
FIG. 17 is a schematic plan view for explaining the principle of triangulation.
FIG. 18 is a schematic plan view for explaining a rainbow method.
FIG. 19 is a perspective view for explaining an intensity ratio method.
FIG. 20 is a schematic plan view for explaining a region division intensity ratio method.
FIG. 21 is a transmittance distribution characteristic diagram of a filter showing a configuration example of an optical pattern.
[Explanation of symbols]
L Illumination means
D Light receiving means
A Measurement area
Ai partial area
Wi separation area
1 Illumination means
2 Light receiving means
4 Shape estimation means
5 Shape correction means
21 Shape calculation means
31 Shape measuring device
34 Document Manuscript
51 Shape measuring device
53 Projection screen

Claims (12)

視差方向に対して垂直に分割され、分離領域Wi(i=1〜n−1)を間に挟んで互いに重なりのないn個のスリット状の部分領域Ai(i:1〜nなる部分領域番号を意味する自然数)からなる測定領域Aに対して、各々の部分領域Aiと分離領域Wiとで対をなす領域毎に以上の光パターンPiを照明する照明手段と、
この照明手段に対する視差が予め特定されて前記測定領域Aに照明された光パターンPiの反射光を受光する受光手段と、
この受光手段で受光した反射光の光量Riの情報に基づき、前記部分領域Aiに関する部分領域番号iの曖昧さを残したまま前記照明手段と前記受光手段との前記視差を用いて前記部分領域Aiの形状データSiを推定する形状推定手段と、
前記反射光の光量Riの情報に基づきそれぞれの分離領域Wiの位置を特定し、特定された分離領域Wiに隣接する部分領域Aiの位置を特定して、それぞれの部分領域Aiに対して推定された形状データSiにおける部分領域番号iの曖昧さを除去して前記部分領域Ai毎に部分領域番号iの曖昧さのない形状データZiを求める形状補正手段と、を備える形状測定装置。
Partial region numbers consisting of n slit-shaped partial regions Ai (i: 1 to n) that are divided perpendicularly to the parallax direction and do not overlap each other with the separation region Wi (i = 1 to n−1) therebetween. Illuminating means for illuminating two or more light patterns Pi for each paired region of the partial region Ai and the separation region Wi with respect to the measurement region A consisting of
A light receiving means for receiving the reflected light of the light pattern Pi with the parallax for the illumination means specified in advance and illuminated on the measurement area A;
Based on the information on the light amount Ri of the reflected light received by the light receiving means, the partial area Ai is used by using the parallax between the illumination means and the light receiving means while leaving the ambiguity of the partial area number i regarding the partial area Ai. Shape estimation means for estimating the shape data Si of
Based on the information on the light amount Ri of the reflected light, the position of each separation area Wi is specified, the position of the partial area Ai adjacent to the specified separation area Wi is specified, and the estimation is performed for each partial area Ai. A shape measuring device comprising: shape correcting means for removing the ambiguity of the partial area number i in the obtained shape data Si and obtaining the unambiguous shape data Zi of the partial area number i for each partial area Ai.
視差方向に対して垂直に分割され、分離領域Wi(i=1〜n−1)を間に挟んで互いに重なりのないn個のスリット状の部分領域Ai(i:1〜nなる部分領域番号を意味する自然数)からなる測定領域Aに対して、各々の部分領域Aiと分離領域Wiとで対をなす領域毎に以上の光パターンPiを照明する照明手段と、
この照明手段に対する視差が予め特定されて前記測定領域Aに照明された光パターンPiの反射光を受光する受光手段と、
この受光手段で受光した反射光の光量Riの情報のうちで前記分離領域Wiからの反射光の光量Riの情報を用いて対応する部分領域Aiを特定し、前記照明手段と前記受光手段との前記視差を用いた三角測量の原理に基づき前記部分領域Ai毎の形状データZiを求める形状計算手段と、を備える形状測定装置。
Partial region numbers consisting of n slit-shaped partial regions Ai (i: 1 to n) that are divided perpendicularly to the parallax direction and do not overlap each other with the separation region Wi (i = 1 to n−1) therebetween. Illuminating means for illuminating two or more light patterns Pi for each paired region of the partial region Ai and the separation region Wi with respect to the measurement region A consisting of
A light receiving means for receiving the reflected light of the light pattern Pi with the parallax for the illumination means specified in advance and illuminated on the measurement area A;
Among the information of the light quantity Ri of the reflected light received by the light receiving means, the corresponding partial area Ai is specified using the information of the light quantity Ri of the reflected light from the separation area Wi, and the illumination means and the light receiving means A shape measuring device comprising: shape calculating means for obtaining shape data Zi for each partial area Ai based on the principle of triangulation using the parallax.
前記分離領域Wiの幅が各々異なる請求項2記載の形状測定装置。  The shape measuring apparatus according to claim 2, wherein the widths of the separation regions Wi are different from each other. 前記分離領域Wi内の光パターンが各分離領域Wi毎に光量の異なる光ストライプを含む請求項2記載の形状測定装置。  The shape measuring apparatus according to claim 2, wherein the light pattern in the separation region Wi includes a light stripe having a different amount of light for each separation region Wi. 前記光パターンPiが2種類あり、2種類の光パターンPi間で分離領域Wi内の光ストライプの光量比率が各分離領域Wi毎に異なるように設定されている請求項4記載の形状測定装置。  5. The shape measuring apparatus according to claim 4, wherein there are two types of the light patterns Pi, and the light quantity ratio of the light stripe in the separation region Wi is set to be different for each separation region Wi between the two types of light patterns Pi. 前記分離領域Wi内の光ストライプの波長毎の光量が各分離領域Wi毎に異なる請求項2記載の形状測定装置。  The shape measuring apparatus according to claim 2, wherein the amount of light for each wavelength of the light stripe in the separation region Wi is different for each separation region Wi. 前記分離領域Wi内の光パターンが各分離領域Wi毎に符号化された光ストライプを含む請求項2記載の形状測定装置。  The shape measuring apparatus according to claim 2, wherein the light pattern in the separation region Wi includes a light stripe encoded for each separation region Wi. 前記分離領域Wi内の光パターンが各分離領域Wi毎に光量の異なる一定光量分布のパターンである請求項2記載の形状測定装置。  The shape measuring apparatus according to claim 2, wherein the light pattern in the separation region Wi is a pattern having a constant light amount distribution in which the light amount is different for each separation region Wi. 前記光パターンPiが2種類あり、2種類の光パターンPiの前記分離領域Wi内で一定な光量比率が各分離領域Wi毎に異なるように設定されている請求項8記載の形状測定装置。  9. The shape measuring apparatus according to claim 8, wherein there are two types of the light patterns Pi, and a constant light amount ratio is set to be different for each separation region Wi in the separation regions Wi of the two types of light patterns Pi. 前記分離領域Wi内で波長毎に一定な光量比率が各分離領域Wi毎に異なる請求項8記載の形状測定装置。  The shape measuring apparatus according to claim 8, wherein a constant light amount ratio for each wavelength in the separation region Wi is different for each separation region Wi. 文書原稿を測定物体として測定領域が設定される請求項1ないし10の何れか一記載の形状測定装置を備える文書スキャナ。  A document scanner comprising the shape measuring apparatus according to claim 1, wherein a measurement region is set with a document original as a measurement object. 投影スクリーンを測定物体として測定領域が設定される請求項1ないし10の何れか一記載の形状測定装置を備えるプロジェクタ。  A projector comprising the shape measuring device according to claim 1, wherein a measurement area is set using a projection screen as a measurement object.
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