JP3973979B2 - 三次元形状計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に光を照射して物体の形状を計測する三次元形状計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、三次元形状計測装置によって物体の表面に光を照射し、三次元的な形状を計測することがなされている。一般的な三次元形状計測装置の構成を図７に示す。
【０００３】
図７に示した三次元形状計測装置は、半導体レーザユニット７１、ミラー７８、シリンドリカルレンズ７２、結像レンズ７５、受光部７７を備えている。半導体レーザユニット７１から放射された光は、ミラー７８で反射された後に光学系（シリンドリカルレンズ７２の平凸レンズ）によって縦（矢線Ａに沿う方向）に長いスリット光７３になる。スリット光７３は、測定される物体７４の表面に照射される。
【０００４】
照射されたスリット光７３は、物体７４の表面を矢線Ｂの方向に走査する。物体７４の表面を走査した光（走査光）が表面で反射された反射光は、結像レンズ７５を通って面状にＣＣＤを配置した受光部７７に受光される。受光部７７は反射光が面に対して斜めに入射する位置に設けられていて、受光部７７の反射光の受光状態から物体の表面の形状に応じたスリット光７３の変形および結像位置の変化が観測される（図中Ｃとして示す）。三次元形状計測装置は、スリット光７３の変形、結像位置の変化に基づき、三角測量の原理を用いて物体７４の表面の形状を測定する。このような物体７４の表面の形状を計測する方法は、光切断法と呼ばれている。
【０００５】
ただし、以上述べた光切断法は、以下の欠点を有している。すなわち、光切断法は、スリット光を物体の表面で走査するために光学走査系が必要である。また、物体の表面に対するレーザ光の投射角度θが所定の角度変化するごとに測定を繰り返す必要があるために物体全体を計測するのに比較的時間がかかる。さらに、受光部で受光される光量が物体表面の反射率に依存するので、受光部のどこに物体の像が結像しているかは、結像光量の最大値などを使って推定しなければならない。
【０００６】
上記した光切断法の欠点を改良するためになされた三次元形状計測方法に、パターン光投影法がある。この方法は、スリット光を走査する代りに複数のスリット光を組み合わせて１つのパターン光を作成し、物体の表面にパターン光を照射するものである。ただし、パターン光投影法は、どの照射角度で物体表面に照射された光が物体表面上のどのパターン光に対応するものか識別するため、各スリット光自体に各光の識別情報を付す必要がある。
【０００７】
また、パターン光投影法の一つに、強度分布が異なる２つのパターン光を照射する強度比法がある。強度比法は、例えば、「B.Carrihill and R.Hummel,"Experiments with the Intensity Ratio Depth Sensor",Computer Vision,Ｇraphics,and ImaＧe ProcessinＧ,vol.32,pp.337-358,1985」または特開平１０−４８３３６号公報などに記載されていて、測定で得られる光量が物体表面の反射率に依存しない点で有利である。
【０００８】
図８は、強度比法について説明するための図である。図示した構成は、光源８１０、パターン光形成部８１２、結像レンズ８１５、受光部８９を備えている。また、図示した構成において、受光部８９と光源８１０とを結ぶ方向（矢線Ｄ）を基線方向というものとする。光源８１０と受光部８９とは基線方向に異なる位置に配置されている。
【０００９】
光源８１０から照射された光は、パターン光形成部８１２によって測定物体８４の表面全体を照射する基線方向の広がりを持つ面状のパターン光になる。図８の構成は、パターン光形成部８１２を切り替えることによって光源８１０が照射した光を強度分布Ｇ1（θ）を持つ第１光パターンとＧ2（θ）を持つ第２光パターンとにすることができる。第１光パターン、第２光パターンがそれぞれ反射率σの物体表面で反射され、受光部８９で受光される光量をＰ1、Ｐ2とすると、Ｐ1、Ｐ2は、以下の式で表される。
【００１０】
Ｐ1＝Ｋ・σ・Ｇ1（θ）・Ｓ
Ｐ2＝Ｋ・σ・Ｇ2（θ）・Ｓ
ただし、上記したＫは光源８１０、パターン光形成部８１２、受光素子８９、物体８４を含む測定面１（測定領域）の位置関係によって決まる係数であり、Ｓは光源８１０の光量を示す。また、強度分布Ｇ1（θ）、Ｇ2（θ）、Ｐ1、Ｐ2の間には、以下の関係がある。
Ｐ2／Ｐ1＝Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）
【００１１】
以上述べた強度比法によれば、パターン光の反射光を一括して観測すればよいので、基線方向にスリット光を走査しながら受光部８９で繰り返し光量を計測する必要がない。このため、物体表面の三次元形状の測定時間を短縮することができる。ただし、強度比法によって正確な計測結果を得るためには、Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）がθの一価の関数でなければならない。一価の関数であれば、例えばＧ1（θ）が０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るとすると、Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）はθに対する単調増加関数となり、Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）、すなわちＰ2／Ｐ1からθを一意に求めることができる。
【００１２】
先に述べた"Experiments with the Intensity Ratio Depth Sensor"ではＧ1（θ）をθによらず一定な分布とし、Ｇ2（θ）を直線的に光量が増加する分布としている。また、特開平１０−４８３３６号公報では、Ｇ1（θ）を直線的に減少する分布、Ｇ2（θ）を直線的に増加する分布としている。この場合にも、Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）、すなわちＰ2／Ｐ1からθを一意に求めることができる。２つのパターン光を用いる強度比法は、１つのパターン光を物体に照射した場合に表面の反射率σが計測条件（レーザ光の照射角度など）によって変動するために受光される光量と投射角度θとの関係を一意的に決められないという欠点を解消することができる。
【００１３】
強度比法は、光切断法と比較して計測結果が物体表面の反射率によらず得られ、短時間で物体表面の三次元的な形状を計測することができる。しかし、強度比法は、２つのパターン光の受光量の比をとる際に測定のＳ／Ｎ比を上げるため、雑音である背景光量に対して充分高い信号光である反射光量を得ることが必要である。つまり、Ｇ1（θ）やＧ2（θ）の最小値が小さいとＳ／Ｎ比が低下し、計測の誤差が生じる。このような強度比法においては、Ｐ2／Ｐ1のダイナミックレンジを大きくすることができない。
【００１４】
前記した"Experiments with the Intensity Ratio Depth Sensor"は、Ｇ1（θ）をθによらない一定の分布とし、Ｇ2（θ）を直線的に光量が増加する分布とした。また、特開平１０−４８３３６号公報では、Ｇ1（θ）をθに対して直線的に減少する分布、Ｇ2（θ）を直線的に増加する分布としている。
【００１５】
図９、図１０は、いずれも縦軸に光強度を、横軸に投射角度をとり、光強度の分布Ｇ1（θ）、Ｇ2（θ）、Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）を示したグラフである。そして、図９は、Ｇ1（θ）をθによらない一定の分布とし、Ｇ2（θ）を投射角度が小さくなるに連れて直線的に光量が増加する分布とした場合のＧ2（θ）／Ｇ1（θ）を示している。また、図１０は、Ｇ1（θ）を投射角度が小さくなるに連れて光強度が直線的に減少する分布、Ｇ2（θ）を直線的に増加する分布とした場合のＧ2（θ）／Ｇ1（θ）を示している。図９、図１０を比較すると、Ｇ1（θ）を投射角度が小さくなるに連れて直線的に減少する分布、Ｇ2（θ）を直線的に増加する分布とする方がＧ2（θ）／Ｇ1（θ）の最大値を大きくでき、Ｐ2／Ｐ1を大きくすることができることが分かる。
【００１６】
また、物体表面に強度が周期的に変化するパターン光を照射し、表面の形状を計測する周期パターン光投影法がある。図１１は、周期パターン光投影法を用いて計測した光強度を縦軸にとり、各光強度に対応する投射角度を横軸にとって示し、Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）を示したグラフである。周期パターン光投影法は、物体の表面（測定領域）を複数の領域に分割し、各領域に光強度が一定に変化するパターン光を照射したものと考えられる。なお、光切断法によって強度が一定の変化量をもって変化する分布のＧ2（θ）／Ｇ1（θ）を図１２に示す。図１２に示したように、強度が一定の変化量をもって変化する場合、光切断法によっても図１０に示すパターン光投影法と同様の特性が得られる。
【００１７】
図１１に示したように光強度分布を周期的に変化させた場合、物体表面全体で光強度が減少または増加する分布の光を物体表面に投射した場合に比べ、物体表面（測定領域）において光強度が変化する周期数倍（ここでは４倍）の大きさのＧ2（θ）／Ｇ1（θ）を得ることができることがわかる。したがって、周期パターン光投影法は、測定される光量の誤差を実質的に周期数倍縮小することができる。そして、１周期で得られた測定データごとに三角測量法を適用して物体の三次元形状を計測することにより、物体の三次元形状の計測精度を高めることができる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、三次元形状計測装置は、パターン光形成部８１２にパターンの原図（フィルタ）をセットし、レーザ光をセットされたフィルタに通すことによってパターン光を形成している。このため、光切断パターン法を用いる場合、１回の計測に強度変化の量あるいは方向が異なる複数のフィルタを用意し、複数のフィルタを機械的に切り換えながら物体の表面に光を照射する必要がある。
【００１９】
より詳述すれば、一般的にフィルタの切り換えは、次のようにして行われる。フィルタは、水平または垂直方向に並列に配置される。そして、配置されたフィルタを水平または垂直の配置方向に移動させ、単一の光源によってフィルタを順次照射する。このとき、光が照射される各フィルタを正確に位置決めしておくことができれば、各フィルタによって適正な投射角度に対応したパターン光が形成される。そして、形成されたパターン光が物体表面で反射した反射光の受光データを合成し、投射角度全域の受光データを得ることができる。
【００２０】
しかし、例えば移動ステージなどを使ってフィルタの照射タイミングを切り換えた場合には、ステージの真直度などによって各フィルタを正確に位置合わせすることが困難になる。図１３は、フィルタの切り換えタイミングがずれた場合に発生する不具合を説明するための図である。図１３に示した例では、光強度分布Ｇ1（θ）のパターン光を形成するフィルタと光強度分布Ｇ2（θ）のパターン光を形成するフィルタとが投射角度が大きい方向に数ピクセルまたは数ｍｍ分ずれる方向にずれた場合に得られる受光部の受光データを示している。フィルタがずれた場合、投射角度の最大、最小の値の近傍でＧ2(θ)／Ｇ1(θ)の値が不適切な方向に変化する、あるいは測定できないという不具合が生じる。
【００２１】
図１４は、物体の表面で光強度が周期的に変化する光切断パターンを形成する際にフィルタがずれた場合に得られる受光データを説明するための図である。また、図１５は、図１４に示した光強度分布Ｇ1（θ）、Ｇ2（θ）を使って得たＧ2（θ）／Ｇ1（θ）を示したグラフであって、縦軸には光強度比Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）を、横軸には投射角度をとっている。図１５に示すように、フィルタの位置が互いにずれると、Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）の値が得られない投射角度の領域が生じることが分かる。Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）が得られない、あるいは不適正な値として得られた場合、三次元形状計測装置は、物体の表面の正確な三次元形状を計測することができない。
【００２２】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、全投射角度で適正な測定データが得られ、より正確に物体の形状を計測できる三次元形状計測装置を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１に記載の発明にかかる三次元形状計測装置は、物体表面で反射した反射光を用いて物体の三次元的な形状を計測する三次元形状計測装置であって、平行光を投射する光源部と、前記光源部が投射する投射光を透過させて光強度の強弱を持つパターン光にするパターン光形成手段と、前記パターン光形成手段を透過した光束を複数の光束に分割する光分割手段と、前記光分割手段によって分割された複数の光束に対し、各光束ごとに異なる特定の波長領域にある光束だけを透過させる特定波長光透過手段と、前記特定波長光透過手段を透過した複数の光束のうち少なくとも一つを偏向し、偏向された光束の光軸の角度と他の光束の角度とを異ならしめる偏向手段と、を有し、前記偏向手段によって偏向された光束を含む前記特定波長光透過手段を透過した複数の光束を物体の表面に投射する投射手段と、前記投射手段によって投射された複数の光束が物体表面で反射した反射光を、各反射光の波長領域ごとに検出する反射光検出手段と、を備えることを特徴とする。
【００２４】
この請求項１に記載の発明によれば、光源部が投射する平行光を透過させて光強度の強弱を持つパターン光にする。そして、パターン光を複数の光束に分割し、分割された複数の光束に対して各光束ごとに異なる特定の波長領域にある光束だけを透過させる。このとき、透過光は、特定の波長領域に対応する色の光になる。この後、複数の光束のうち少なくとも一つを偏向し、偏向された光束の光軸の角度と他の光束の角度とを異ならしめる。さらに、偏向された光束を含む特定波長光透過手段を透過した複数の光束を物体の表面に投射するので、偏向されていない光束が形成するパターンと偏向された光束が形成するパターンとの位相をずらすことができる。また、投射された複数の光束が物体表面で反射した反射光を、各反射光の波長領域ごとに検出するので、位相がずれた同一のパターンを有する複数の反射光のデータをそれぞれ独立に検出することができる。このため、各光束の反射光のデータに三次元形状の測定に使用できない部分が生じたとしても、複数のデータを合成することによって測定に使用できないデータを補い、測定範囲のすべてにわたる適正なデータを得ることができる。
【００２５】
請求項２に記載の発明にかかる三次元形状計測装置は、前記光分割手段が、ハーフミラーであることを特徴とする。
【００２６】
この請求項２に記載の発明によれば、光分割手段として比較的使用しやすいハーフミラーを用い、三次元形状計測装置の構成を簡易化することができる。
【００２７】
請求項３に記載の発明にかかる三次元形状計測装置は、前記光分割手段が、キュービック型ビームスプリッタであることを特徴とする。
【００２８】
この請求項３に記載の発明によれば、光分割手段として比較的使用しやすいキュービック型ビームスプリッタを用い、三次元形状計測装置の構成を簡易化することができる。
【００２９】
請求項４に記載の発明にかかる三次元形状計測装置は、前記偏向手段が複数の光束のうち少なくとも一つの光束を反射する平面ミラーを含み、該平面ミラーは、反射面が該光束の入射方向に対して直交する方向に対して傾いて配置されることを特徴する。
【００３０】
この請求項４に記載の発明によれば、反射面が該光束の入射方向に対して直交する方向に対して傾けて平面ミラーを配置することによって比較的簡易に光束を偏向することができる。このため、三次元形状計測装置の構成を簡易化することができる。
【００３１】
請求項５に記載の発明にかかる三次元形状計測装置は、前記キュービック型ビームスプリッタが、前記光源部に面する面と対向する面が分割された複数の光束のうち少なくとも一つの光束の入射方向と直交する方向に対して傾いた傾斜面を有し、該傾斜面に特定波長光透過手段である光フィルタと該光フィルタを透過した光を反射する平面ミラーとを接着したことを特徴とする。
【００３２】
この請求項５に記載の発明によれば、キュービック型ビームスプリッタに再入射する光束を簡単に偏向することができる上、キュービック型ビームスプリッタ、光フィルタ、平面ミラーをコンパクトに配置して三次元形状計測装置の構成を簡易かつ小型化することができる。
【００３３】
請求項６に記載の発明にかかる三次元形状計測装置は、前記光源部が、ビーム光を発するフラッシュ光源と該フラッシュ光源の光を平行光にするシリンドリカル平凸レンズであることを特徴とする。
【００３４】
この請求項６に記載の発明によれば、平行光を発する光源を比較的簡単に構成することができ、ひいては三次元形状計測装置の構成を簡易化することができる。
【００３５】
請求項７に記載の発明にかかる三次元形状計測装置は、前記光源部が、平行光を投射する面光源であることを特徴とする。
【００３６】
この請求項７に記載の発明によれば、１つの部材単独で平行光を発する光源を構成することができ、三次元形状計測装置の部品点数を抑えることができる。
【００３７】
請求項８に記載の発明にかかる三次元形状計測装置は、前記特定波長光透過手段が、前記光分割手段によって２つに分割された光束の一方を赤色の波長領域にある光束だけを透過させる光フィルタと、分割された光束の他方を青色の波長領域にある光束だけを透過させる光フィルタとを有することを特徴とする。
【００３８】
この請求項８に記載の発明によれば、光を比較的波長領域の離れた赤色光と青色光とに分割するので、光の分割、反射光の検出を高い精度で行うことができ、ひいては三次元形状計測装置の計測精度を高めることができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる三次元形状計測装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００４０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の三次元形状計測装置の構成を説明するための図である。また、図２は、図１に示した構成の要部である光投射部２３を拡大して示す図である。本発明の実施の形態１〜４の三次元形状計測装置は、いずれも物体の表面に光を投射し、投射された光が物体表面で反射した反射光を検出して物体の三次元的な形状を計測するものである。
【００４１】
図１に示すように、実施の形態１の三次元形状計測装置は、光投射部２３を有している。光投射部２３から投射された投射光は、後述するように光軸の異なる２つの光束となり、シリンドリカルレンズ１８によってそれぞれ焦点３１、焦点３３に集光される。そして、物体２０の表面に投射される投射光となる。
【００４２】
さらに、投射光は物体２０の表面で反射されて反射光となり、結像レンズ２５を介して反射光検出手段であるＣＣＤ（Charged Coupled Device)２６で検出される。図中１９で示す領域は、ＣＣＤ２６が受光できる物体表面の範囲（測定領域）１９を示している。
【００４３】
なお、上記した構成において、本明細書では、基線３２を定め、投射光の光軸の基線３２に対する角度を投射角度θと示す。また、ＣＣＤ２６の受光面と反射光２４、２７の光軸とがなす角度をψと示す。また、図１に示した構成における視差方向を、矢線ｖで示す。
【００４４】
光投射部２３は、光源部であるフラッシュ光源１およびシリンドリカル平凸レンズ２、光源部が投射する投射光を透過させて光強度の強弱を持つパターン光にするパターン光形成部３を備えている。フラッシュ光源１は、ビーム状の光を投射する。
【００４５】
また、光投射部２３は、パターン光形成部３を透過した光束を複数の光束に分割する光分割部であるハーフミラー５と、分割された複数の光束に対し、各光束ごとに異なる特定の波長領域にある光束だけを透過させる特定波長光透過手段であるレッドカラーフィルタ７およびブルーカラーフィルタ１３、特定波長光透過手段を透過した複数の光束のうち少なくとも一つの光束を偏向し、他の光束の光軸と角度を異ならしめる偏向手段である平面ミラー１５とを備え、以上の構成を用いて偏向された光束を含むレッドカラーフィルタ７およびブルーカラーフィルタ１３を透過した複数の光束を物体２０の表面に投射する。ＣＣＤ２６は、投射部２３によって投射された複数の光束が物体２０の表面で反射した反射光を、各反射光の波長領域ごとに検出することができる構成であり、レッドカラーフィルタ７を透過した赤色光とブルーカラーフィルタ１３を透過した青色光とを別々に検出することができる。
【００４６】
光分割部に比較的入手しやすい光学素子であるハーフミラー５を用いたことにより、実施の形態１は、三次元形状計測装置を比較的簡易に構成することができる。
【００４７】
パターン光形成部３は、従来技術において図１１に示したように、投射角度に応じて透過した光の強度が周期的に変化する光切断パターンを物体２０の表面に形成するパターン光を生成するフィルタである。また、レッドカラーフィルタ７はパターン光となった光束のうちの波長が６００ｎｍ以上の光（赤色光）を抽出するフィルタであり、ブルーカラーフィルタ１３は波長が５００ｎｍ以下の光（青色光）を抽出するフィルタである。
【００４８】
次に、上記した光投射部２３における投射光の生成について詳細に説明する。フラッシュ光源１はフラッシュ光源であり、パターン光形成部３に光を投射する。フラッシュ光源１とパターン光形成部３との間にはシリンドリカル平凸レンズ２があり、フラッシュ光源１が投射した光はシリンドリカル平凸レンズ２によって平行光になる。平行光は、パターン光形成部３を透過してパターン光をなす光束（パターン光束）４となり、ハーフミラー５に入射する。
【００４９】
ハーフミラー５は、パターン光束４の入射方向に対して受光面が４５度の角度を持つように配置されている。パターン光束４は、ハーフミラー５によってパターン光束６とパターン光束１２とに分割される。パターン光束６は、レッドカラーフィルタ７を透過することによってパターンを持つ赤色光８となり、平面ミラー９に入射する。そして、平面ミラー９によって正反射されて再びレッドカラーフィルタ７を透過してハーフミラー５に向かい、パターン光束１０とパターン光束１１とに分割される。
【００５０】
パターン光束１０は、シリンドリカルレンズ１８を通って物体２０の表面に照射され、表面に光切断線パターン２１を形成する。なお、パターン光束１１は、再びフラッシュ光源１に向かうものの、三次元形状計測装置の測定に影響を与えることはない。
【００５１】
一方、パターン光束１２は、ブルーカラーフィルタ１３を透過することによってパターンを持つ青色光１４となり、平面ミラー１５に入射する。平面ミラー１５は、反射面１４ａがパターン光束１２の入射方向に対して直交する方向１４ｂに対して傾いて配置されている。パターン光束１４は、方向１４ｂと角度をなす反射面１４ａで反射することによって正反射せず、反射光がパターン光束１４と平行でないパターン光束１４’となる。
【００５２】
パターン光束１４’は、再びブルーカラーフィルタ１３を通ってハーフミラー５によってパターン光束１６、パターン光束１７に分割される。なお、パターン光束１７は、再びフラッシュ光源１に向かうものの、三次元形状計測装置の測定に影響を与えることはない。
【００５３】
パターン光束１６は、シリンドリカルレンズ１８を通って物体２０の表面に照射され、表面に通って光切断線パターン２２を形成する。パターン光束１０とパターン光束１６とは、一方（パターン光束１６）が偏向され、パターン光束１０とパターン光束１６とのシリンドリカルレンズ１８に対する入射角度が異なっている。このため、光切断線パターン２１、２２は、パターン光形成部３で形成された同一の光切断線パターンでありながら互いに位相がずれたパターンとなる。なお、実施の形態１では、パターン光形成部３を、光を強度分布Ｇ1（θ）を持つ光切断線パターンを形成するものとする。
【００５４】
光切断線パターン２１、２２を形成したパターン光束１０とパターン光束１６とは、物体２０の表面に投射される。パターン光束１０とパターン光束１６は、物体２０の表面で反射され、反射光２４または２７となってＣＣＤ２６で受光される。
【００５５】
次に、パターン光形成部３を、強度分布Ｇ2（θ）を持つ光切断線パターンを形成するパターン光形成部に切り替える。そして、切り替えられたパターン光形成部を透過したパターン光束を２つに分割し、それぞれを赤色光、青色光にして２つの光切断線パターンを形成する。形成された光切断線パターンは、物体２０の表面に照射され、反射光がＣＣＤ２６に検出される。
【００５６】
図３は、ＣＣＤ２６が検出した強度分布Ｇ1（θ）の光切断線パターンの反射光、強度分布Ｇ2（θ）の光切断線パターンの反射光の強度比を示す図であって、(ａ)は赤色光によって形成された強度分布Ｇ1（θ）の光切断線パターンの反射光と強度分布Ｇ2（θ）の光切断線パターンの反射光との強度比を示す。また、(ｂ)は青色光によって形成された強度分布Ｇ1（θ）の光切断線パターンの反射光と強度分布Ｇ2（θ）の光切断線パターンの反射光との強度比を示している。図３の横線はフラッシュ光源１の投射角度θ、縦線は強度分布Ｇ1（θ）を持つ反射光と強度分布Ｇ2（θ）を持つ反射光との強度比を示している。
【００５７】
図３(ａ)において、強度分布Ｇ1(θ)の光切断線パターンを形成するパターン光形成部３と強度分布Ｇ2(θ)の光切断線パターンを形成するパターン光形成部との位置がずれている。このため、図中に示す投射角度範囲ｄ1で適正な光強度比が得られない。また、図３(ｂ)においては、パターン光形成部３と強度分布Ｇ2(θ)の光切断線パターンを形成するパターン光形成部との位置がずれているため、図中に示す投射角度範囲ｄ2で適正な光強度比が得られない。
【００５８】
赤色光が形成した光切断線パターン２１と青色光が形成した光切断線パターン２２とは位相がずれている。このため、赤色光で得られた光強度比の投射角度範囲ｄ1と青色光で得られた光強度比の投射角度範囲ｄ2とは相違している。実施の形態１では、検出された赤色光の反射光の投射角度範囲ｄ1を除くデータと青色光の反射光の投射角度範囲ｄ2を除くデータとを合成し、投射角度の全範囲（測定領域１９全域）で適正なＧ1（θ）／Ｇ2（θ）を得ることができる。
【００５９】
ところで、反射光のデータを複数取得して合成する他の方法として、例えば、物体の表面に対して光を投光して反射光を検出し、検出したデータを記憶装置に保存する。そして、三次元形状計測装置の測定領域を水平方向に変更して２回目に投光した光の反射光を検出し、１回目に得られた検出光のデータと２回目に得られた検出光のデータとを比較することが考えられる。
【００６０】
しかしながら、このような方法は、測定領域を変更する際に水平方向ばかりでなく垂直方向にも測定領域がずれるおそれがある。また、測定を２回する必要があること、測定領域変更の変更にかかる機械的な構成の動作や調整に時間がかかることなどによって物体の三次元形状を高速度で計測することが難しい。
【００６１】
したがって、実施の形態１の構成は、測定領域を固定したままで２つの反射光のデータを検出することができるために測定精度が高く、しかも高速度で三次元形状を計測することができるものといえる。このような実施の形態１の三次元形状計測装置によれば、静止している物体のみならず、動いている物体の三次元形状をも計測することが可能になる。
【００６２】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２を説明する。図４は、実施の形態２の三次元形状計測装置を説明するための図である。なお、図４に示した部材のうち、図１、図２で示した部材と同一の部材については同一の符号を付して示し、説明を一部略すものとする。
【００６３】
実施の形態１に示した三次元形状計測装置は、実施の形態２の三次元形状計測装置の光源部であるフラッシュ光源１、シリンドリカル平凸レンズ２に代えて平行光を投射する面状の発光部を有する光源３５を用いるものである。実施の形態２の三次元形状計測装置は、光源３５を備えたために光源が発した光を平行光にするレンズを備える必要がなく、三次元形状計測装置の部品点数を実施の形態１の三次元形状計測装置よりも少なくすることができる。
【００６４】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３の三次元形状計測装置を説明する。図５は、実施の形態３の三次元形状計測装置を説明するための図である。なお、図５に示した部材のうち、図１、図２で示した部材と同一の部材については同一の符号を付して示し、説明を一部略すものとする。
【００６５】
実施の形態３は、実施の形態２の三次元形状計測装置の光分割手段であるハーフミラー５に代えてキュービック型ビームスプリッタ３６を用いたものである。キュービックスプリッタも比較的入手しやすい光学素子であるため、実施の形態３は、三次元形状計測装置を比較的簡易に構成することができる。
【００６６】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４を説明する。図６は、実施の形態４の三次元形状計測装置を説明するための図である。なお、図６に示した部材のうち、図１、図２で示した部材と同一の部材については同一の符号を付して示し、説明を一部略すものとする。
【００６７】
実施の形態４は、実施の形態３のキュービック型ビームスプリッタ３６に代えて光源部に面する面３８と対向する面が分割された光束の一つであるパターン光束１２の入射方向と直交する方向に対して傾いた傾斜面３７であり、傾斜面３７にブルーカラーフィルタ４０と平面ミラー４１とを接着したキュービック型ビームスプリッタ３９を用いたものである。また、実施の形態４では、面３８にもレッドカラーフィルタ４２、平面ミラー４３を接着している。
【００６８】
実施の形態４では、パターン光束１２が傾斜面３７に接着されたブルーカラーフィルタ４０を透過して青色光になる。青色光は、ブルーカラーフィルタ４０に接着された平面ミラー４１で反射される。このとき、平面ミラーが傾斜面３７に沿って傾いていることによってパターン光束１２が偏向し、パターン光束１０と光軸が異なるパターン光束１６になってシリンドリカルレンズ１８に向かう。そして、パターン光束１０によって形成される光切断線パターン２１と位相のずれた光切断線パターン２２を形成する。
【００６９】
以上述べた実施の形態４は、傾斜面３７を有するキュービック型ビームスプリッタ３９を備え、さらに傾斜面３７に光フィルタや平面ミラーを接着したため、キュービック型ビームスプリッタとレッドカラーフィルタ、ブルーカラーフィルタ、平面ミラーとの位置合わせが簡易になり、光投射部２３の組みたて精度を高めることができる。また、各光学素子をよりコンパクト化し、ひいては三次元形状計測装置を小型化することができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明は、位相がずれた同一のパターンを有する複数の反射光のデータをそれぞれ独立に検出することができるので、全投射角度で適正な反射光のデータ（光の強度比）が得られ、より正確に物体の形状を計測できる三次元形状計測装置を提供することができるという効果を奏する。
【００７１】
請求項２に記載の発明は、光の分割にハーフミラーを用いるため、三次元形状計測装置の構成を簡易化することができるという効果を奏する。
【００７２】
請求項３に記載の発明は、光の分割にキュービック型ビームスプリッタを用いるため、三次元形状計測装置の構成を簡易化することができるという効果を奏する。
【００７３】
請求項４に記載の発明は、平面ミラーを傾けて配置することによって光束を偏向することができるので、三次元形状計測装置の構成を簡易化することができるという効果を奏する。
【００７４】
請求項５に記載の発明は、光束を簡単に偏向することができる上、光学素子をコンパクトに配置することができるので、三次元形状計測装置の構成を簡易かつ小型にすることができるという効果を奏する。
【００７５】
請求項６に記載の発明は、平行光を発する光源を比較的簡単に構成することができるので、三次元形状計測装置の構成を簡易化することができるという効果を奏する。
【００７６】
請求項７に記載の発明は、１つの部材単独で平行光を発する光源を構成することができるので、三次元形状計測装置の構成を簡易化し、かつ部品点数を抑えることができるという効果を奏する。
【００７７】
請求項８に記載の発明は、光の分割、反射光の検出を高い精度で行うことができるので、三次元形状計測装置の計測精度を高めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の三次元形状計測装置の構成を説明するための図である。
【図２】図１に示した構成のうち、発明の要部にかかる構成を拡大して示す図である。
【図３】図１に示したＣＣＤが検出した反射光の強度比を示す図である。
【図４】実施の形態２の三次元形状計測装置の要部を説明するための図である。
【図５】実施の形態３の三次元形状計測装置の要部を説明するための図である。
【図６】実施の形態４の三次元形状計測装置の要部を説明するための図である。
【図７】一般的な三次元形状計測装置の構成を説明するための図である。
【図８】強度比法について説明するための図である。
【図９】強度比法で用いられる反射光の強度分布と強度比を説明するための図である。
【図１０】強度比法で用いられる反射光の強度分布と強度比を説明するための他の図である。
【図１１】光切断パターン法を用いて計測した光強度を示す図である。
【図１２】光切断パターン法を用いて計測した光強度を示す他の図である。
【図１３】光切断パターン法におけるフィルタの切り換えタイミングがずれた場合に発生する不具合を説明するための図である。
【図１４】光切断パターン法におけるフィルタの切り換えタイミングがずれた場合に発生する不具合を説明するための他の図である。
【図１５】図１４に示した光強度分布Ｇ1（θ）、Ｇ2（θ）を使って得た強度比を示したグラフである。
【符号の説明】
１ フラッシュ光源
２ シリンドリカル平凸レンズ
３ パターン光形成部
５ ハーフミラー
７，４２ レッドカラーフィルタ
９，１５，４１，４３ 平面ミラー
１３，４０ ブルーカラーフィルタ
１８ シリンドリカルレンズ
１９ 測定領域
２０ 物体
２１ 光切断線パターン
２２ 光切断線パターン
２３ 光投射部
２５ 結像レンズ
３５ 光源
３６，３９ キュービック型ビームスプリッタ
３７ 傾斜面
３８ 面
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に光を照射して物体の形状を計測する三次元形状計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、三次元形状計測装置によって物体の表面に光を照射し、三次元的な形状を計測することがなされている。一般的な三次元形状計測装置の構成を図７に示す。
【０００３】
図７に示した三次元形状計測装置は、半導体レーザユニット７１、ミラー７８、シリンドリカルレンズ７２、結像レンズ７５、受光部７７を備えている。半導体レーザユニット７１から放射された光は、ミラー７８で反射された後に光学系（シリンドリカルレンズ７２の平凸レンズ）によって縦（矢線Ａに沿う方向）に長いスリット光７３になる。スリット光７３は、測定される物体７４の表面に照射される。
【０００４】
照射されたスリット光７３は、物体７４の表面を矢線Ｂの方向に走査する。物体７４の表面を走査した光（走査光）が表面で反射された反射光は、結像レンズ７５を通って面状にＣＣＤを配置した受光部７７に受光される。受光部７７は反射光が面に対して斜めに入射する位置に設けられていて、受光部７７の反射光の受光状態から物体の表面の形状に応じたスリット光７３の変形および結像位置の変化が観測される（図中Ｃとして示す）。三次元形状計測装置は、スリット光７３の変形、結像位置の変化に基づき、三角測量の原理を用いて物体７４の表面の形状を測定する。このような物体７４の表面の形状を計測する方法は、光切断法と呼ばれている。
【０００５】
ただし、以上述べた光切断法は、以下の欠点を有している。すなわち、光切断法は、スリット光を物体の表面で走査するために光学走査系が必要である。また、物体の表面に対するレーザ光の投射角度θが所定の角度変化するごとに測定を繰り返す必要があるために物体全体を計測するのに比較的時間がかかる。さらに、受光部で受光される光量が物体表面の反射率に依存するので、受光部のどこに物体の像が結像しているかは、結像光量の最大値などを使って推定しなければならない。
【０００６】
上記した光切断法の欠点を改良するためになされた三次元形状計測方法に、パターン光投影法がある。この方法は、スリット光を走査する代りに複数のスリット光を組み合わせて１つのパターン光を作成し、物体の表面にパターン光を照射するものである。ただし、パターン光投影法は、どの照射角度で物体表面に照射された光が物体表面上のどのパターン光に対応するものか識別するため、各スリット光自体に各光の識別情報を付す必要がある。
【０００７】
また、パターン光投影法の一つに、強度分布が異なる２つのパターン光を照射する強度比法がある。強度比法は、例えば、「B.Carrihill and R.Hummel,"Experiments with the Intensity Ratio Depth Sensor",Computer Vision,Ｇraphics,and ImaＧe ProcessinＧ,vol.32,pp.337-358,1985」または特開平１０−４８３３６号公報などに記載されていて、測定で得られる光量が物体表面の反射率に依存しない点で有利である。
【０００８】
図８は、強度比法について説明するための図である。図示した構成は、光源８１０、パターン光形成部８１２、結像レンズ８１５、受光部８９を備えている。また、図示した構成において、受光部８９と光源８１０とを結ぶ方向（矢線Ｄ）を基線方向というものとする。光源８１０と受光部８９とは基線方向に異なる位置に配置されている。
【０００９】
光源８１０から照射された光は、パターン光形成部８１２によって測定物体８４の表面全体を照射する基線方向の広がりを持つ面状のパターン光になる。図８の構成は、パターン光形成部８１２を切り替えることによって光源８１０が照射した光を強度分布Ｇ1（θ）を持つ第１光パターンとＧ2（θ）を持つ第２光パターンとにすることができる。第１光パターン、第２光パターンがそれぞれ反射率σの物体表面で反射され、受光部８９で受光される光量をＰ1、Ｐ2とすると、Ｐ1、Ｐ2は、以下の式で表される。
【００１０】
Ｐ1＝Ｋ・σ・Ｇ1（θ）・Ｓ
Ｐ2＝Ｋ・σ・Ｇ2（θ）・Ｓ
ただし、上記したＫは光源８１０、パターン光形成部８１２、受光素子８９、物体８４を含む測定面１（測定領域）の位置関係によって決まる係数であり、Ｓは光源８１０の光量を示す。また、強度分布Ｇ1（θ）、Ｇ2（θ）、Ｐ1、Ｐ2の間には、以下の関係がある。
Ｐ2／Ｐ1＝Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）
【００１１】
以上述べた強度比法によれば、パターン光の反射光を一括して観測すればよいので、基線方向にスリット光を走査しながら受光部８９で繰り返し光量を計測する必要がない。このため、物体表面の三次元形状の測定時間を短縮することができる。ただし、強度比法によって正確な計測結果を得るためには、Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）がθの一価の関数でなければならない。一価の関数であれば、例えばＧ1（θ）が０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るとすると、Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）はθに対する単調増加関数となり、Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）、すなわちＰ2／Ｐ1からθを一意に求めることができる。
【００１２】
先に述べた"Experiments with the Intensity Ratio Depth Sensor"ではＧ1（θ）をθによらず一定な分布とし、Ｇ2（θ）を直線的に光量が増加する分布としている。また、特開平１０−４８３３６号公報では、Ｇ1（θ）を直線的に減少する分布、Ｇ2（θ）を直線的に増加する分布としている。この場合にも、Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）、すなわちＰ2／Ｐ1からθを一意に求めることができる。２つのパターン光を用いる強度比法は、１つのパターン光を物体に照射した場合に表面の反射率σが計測条件（レーザ光の照射角度など）によって変動するために受光される光量と投射角度θとの関係を一意的に決められないという欠点を解消することができる。
【００１３】
強度比法は、光切断法と比較して計測結果が物体表面の反射率によらず得られ、短時間で物体表面の三次元的な形状を計測することができる。しかし、強度比法は、２つのパターン光の受光量の比をとる際に測定のＳ／Ｎ比を上げるため、雑音である背景光量に対して充分高い信号光である反射光量を得ることが必要である。つまり、Ｇ1（θ）やＧ2（θ）の最小値が小さいとＳ／Ｎ比が低下し、計測の誤差が生じる。このような強度比法においては、Ｐ2／Ｐ1のダイナミックレンジを大きくすることができない。
【００１４】
前記した"Experiments with the Intensity Ratio Depth Sensor"は、Ｇ1（θ）をθによらない一定の分布とし、Ｇ2（θ）を直線的に光量が増加する分布とした。また、特開平１０−４８３３６号公報では、Ｇ1（θ）をθに対して直線的に減少する分布、Ｇ2（θ）を直線的に増加する分布としている。
【００１５】
図９、図１０は、いずれも縦軸に光強度を、横軸に投射角度をとり、光強度の分布Ｇ1（θ）、Ｇ2（θ）、Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）を示したグラフである。そして、図９は、Ｇ1（θ）をθによらない一定の分布とし、Ｇ2（θ）を投射角度が小さくなるに連れて直線的に光量が増加する分布とした場合のＧ2（θ）／Ｇ1（θ）を示している。また、図１０は、Ｇ1（θ）を投射角度が小さくなるに連れて光強度が直線的に減少する分布、Ｇ2（θ）を直線的に増加する分布とした場合のＧ2（θ）／Ｇ1（θ）を示している。図９、図１０を比較すると、Ｇ1（θ）を投射角度が小さくなるに連れて直線的に減少する分布、Ｇ2（θ）を直線的に増加する分布とする方がＧ2（θ）／Ｇ1（θ）の最大値を大きくでき、Ｐ2／Ｐ1を大きくすることができることが分かる。
【００１６】
また、物体表面に強度が周期的に変化するパターン光を照射し、表面の形状を計測する周期パターン光投影法がある。図１１は、周期パターン光投影法を用いて計測した光強度を縦軸にとり、各光強度に対応する投射角度を横軸にとって示し、Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）を示したグラフである。周期パターン光投影法は、物体の表面（測定領域）を複数の領域に分割し、各領域に光強度が一定に変化するパターン光を照射したものと考えられる。なお、光切断法によって強度が一定の変化量をもって変化する分布のＧ2（θ）／Ｇ1（θ）を図１２に示す。図１２に示したように、強度が一定の変化量をもって変化する場合、光切断法によっても図１０に示すパターン光投影法と同様の特性が得られる。
【００１７】
図１１に示したように光強度分布を周期的に変化させた場合、物体表面全体で光強度が減少または増加する分布の光を物体表面に投射した場合に比べ、物体表面（測定領域）において光強度が変化する周期数倍（ここでは４倍）の大きさのＧ2（θ）／Ｇ1（θ）を得ることができることがわかる。したがって、周期パターン光投影法は、測定される光量の誤差を実質的に周期数倍縮小することができる。そして、１周期で得られた測定データごとに三角測量法を適用して物体の三次元形状を計測することにより、物体の三次元形状の計測精度を高めることができる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、三次元形状計測装置は、パターン光形成部８１２にパターンの原図（フィルタ）をセットし、レーザ光をセットされたフィルタに通すことによってパターン光を形成している。このため、光切断パターン法を用いる場合、１回の計測に強度変化の量あるいは方向が異なる複数のフィルタを用意し、複数のフィルタを機械的に切り換えながら物体の表面に光を照射する必要がある。
【００１９】
より詳述すれば、一般的にフィルタの切り換えは、次のようにして行われる。フィルタは、水平または垂直方向に並列に配置される。そして、配置されたフィルタを水平または垂直の配置方向に移動させ、単一の光源によってフィルタを順次照射する。このとき、光が照射される各フィルタを正確に位置決めしておくことができれば、各フィルタによって適正な投射角度に対応したパターン光が形成される。そして、形成されたパターン光が物体表面で反射した反射光の受光データを合成し、投射角度全域の受光データを得ることができる。
【００２０】
しかし、例えば移動ステージなどを使ってフィルタの照射タイミングを切り換えた場合には、ステージの真直度などによって各フィルタを正確に位置合わせすることが困難になる。図１３は、フィルタの切り換えタイミングがずれた場合に発生する不具合を説明するための図である。図１３に示した例では、光強度分布Ｇ1（θ）のパターン光を形成するフィルタと光強度分布Ｇ2（θ）のパターン光を形成するフィルタとが投射角度が大きい方向に数ピクセルまたは数ｍｍ分ずれる方向にずれた場合に得られる受光部の受光データを示している。フィルタがずれた場合、投射角度の最大、最小の値の近傍でＧ2(θ)／Ｇ1(θ)の値が不適切な方向に変化する、あるいは測定できないという不具合が生じる。
【００２１】
図１４は、物体の表面で光強度が周期的に変化する光切断パターンを形成する際にフィルタがずれた場合に得られる受光データを説明するための図である。また、図１５は、図１４に示した光強度分布Ｇ1（θ）、Ｇ2（θ）を使って得たＧ2（θ）／Ｇ1（θ）を示したグラフであって、縦軸には光強度比Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）を、横軸には投射角度をとっている。図１５に示すように、フィルタの位置が互いにずれると、Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）の値が得られない投射角度の領域が生じることが分かる。Ｇ2（θ）／Ｇ1（θ）が得られない、あるいは不適正な値として得られた場合、三次元形状計測装置は、物体の表面の正確な三次元形状を計測することができない。
【００２２】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、全投射角度で適正な測定データが得られ、より正確に物体の形状を計測できる三次元形状計測装置を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１に記載の発明にかかる三次元形状計測装置は、物体表面で反射した反射光を用いて物体の三次元的な形状を計測する三次元形状計測装置であって、平行光を投射する光源部と、前記光源部が投射する投射光を透過させて光強度の強弱を持つパターン光にするパターン光形成手段と、前記パターン光形成手段を透過した光束を複数の光束に分割する光分割手段と、前記光分割手段によって分割された複数の光束に対し、各光束ごとに異なる特定の波長領域にある光束だけを透過させる特定波長光透過手段と、前記特定波長光透過手段を透過した複数の光束のうち少なくとも一つを偏向し、偏向された光束の光軸の角度と他の光束の角度とを異ならしめる偏向手段と、を有し、前記偏向手段によって偏向された光束を含む前記特定波長光透過手段を透過した複数の光束を物体の表面に投射する投射手段と、前記投射手段によって投射された複数の光束が物体表面で反射した反射光を、各反射光の波長領域ごとに検出する反射光検出手段と、を備えることを特徴とする。
【００２４】
この請求項１に記載の発明によれば、光源部が投射する平行光を透過させて光強度の強弱を持つパターン光にする。そして、パターン光を複数の光束に分割し、分割された複数の光束に対して各光束ごとに異なる特定の波長領域にある光束だけを透過させる。このとき、透過光は、特定の波長領域に対応する色の光になる。この後、複数の光束のうち少なくとも一つを偏向し、偏向された光束の光軸の角度と他の光束の角度とを異ならしめる。さらに、偏向された光束を含む特定波長光透過手段を透過した複数の光束を物体の表面に投射するので、偏向されていない光束が形成するパターンと偏向された光束が形成するパターンとの位相をずらすことができる。また、投射された複数の光束が物体表面で反射した反射光を、各反射光の波長領域ごとに検出するので、位相がずれた同一のパターンを有する複数の反射光のデータをそれぞれ独立に検出することができる。このため、各光束の反射光のデータに三次元形状の測定に使用できない部分が生じたとしても、複数のデータを合成することによって測定に使用できないデータを補い、測定範囲のすべてにわたる適正なデータを得ることができる。
【００２５】
請求項２に記載の発明にかかる三次元形状計測装置は、前記光分割手段が、ハーフミラーであることを特徴とする。
【００２６】
この請求項２に記載の発明によれば、光分割手段として比較的使用しやすいハーフミラーを用い、三次元形状計測装置の構成を簡易化することができる。
【００２７】
請求項３に記載の発明にかかる三次元形状計測装置は、前記光分割手段が、キュービック型ビームスプリッタであることを特徴とする。
【００２８】
この請求項３に記載の発明によれば、光分割手段として比較的使用しやすいキュービック型ビームスプリッタを用い、三次元形状計測装置の構成を簡易化することができる。
【００２９】
請求項４に記載の発明にかかる三次元形状計測装置は、前記偏向手段が複数の光束のうち少なくとも一つの光束を反射する平面ミラーを含み、該平面ミラーは、反射面が該光束の入射方向に対して直交する方向に対して傾いて配置されることを特徴する。
【００３０】
この請求項４に記載の発明によれば、反射面が該光束の入射方向に対して直交する方向に対して傾けて平面ミラーを配置することによって比較的簡易に光束を偏向することができる。このため、三次元形状計測装置の構成を簡易化することができる。
【００３１】
請求項５に記載の発明にかかる三次元形状計測装置は、前記キュービック型ビームスプリッタが、前記光源部に面する面と対向する面が分割された複数の光束のうち少なくとも一つの光束の入射方向と直交する方向に対して傾いた傾斜面を有し、該傾斜面に特定波長光透過手段である光フィルタと該光フィルタを透過した光を反射する平面ミラーとを接着したことを特徴とする。
【００３２】
この請求項５に記載の発明によれば、キュービック型ビームスプリッタに再入射する光束を簡単に偏向することができる上、キュービック型ビームスプリッタ、光フィルタ、平面ミラーをコンパクトに配置して三次元形状計測装置の構成を簡易かつ小型化することができる。
【００３３】
請求項６に記載の発明にかかる三次元形状計測装置は、前記光源部が、ビーム光を発するフラッシュ光源と該フラッシュ光源の光を平行光にするシリンドリカル平凸レンズであることを特徴とする。
【００３４】
この請求項６に記載の発明によれば、平行光を発する光源を比較的簡単に構成することができ、ひいては三次元形状計測装置の構成を簡易化することができる。
【００３５】
請求項７に記載の発明にかかる三次元形状計測装置は、前記光源部が、平行光を投射する面光源であることを特徴とする。
【００３６】
この請求項７に記載の発明によれば、１つの部材単独で平行光を発する光源を構成することができ、三次元形状計測装置の部品点数を抑えることができる。
【００３７】
請求項８に記載の発明にかかる三次元形状計測装置は、前記特定波長光透過手段が、前記光分割手段によって２つに分割された光束の一方を赤色の波長領域にある光束だけを透過させる光フィルタと、分割された光束の他方を青色の波長領域にある光束だけを透過させる光フィルタとを有することを特徴とする。
【００３８】
この請求項８に記載の発明によれば、光を比較的波長領域の離れた赤色光と青色光とに分割するので、光の分割、反射光の検出を高い精度で行うことができ、ひいては三次元形状計測装置の計測精度を高めることができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる三次元形状計測装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００４０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の三次元形状計測装置の構成を説明するための図である。また、図２は、図１に示した構成の要部である光投射部２３を拡大して示す図である。本発明の実施の形態１〜４の三次元形状計測装置は、いずれも物体の表面に光を投射し、投射された光が物体表面で反射した反射光を検出して物体の三次元的な形状を計測するものである。
【００４１】
図１に示すように、実施の形態１の三次元形状計測装置は、光投射部２３を有している。光投射部２３から投射された投射光は、後述するように光軸の異なる２つの光束となり、シリンドリカルレンズ１８によってそれぞれ焦点３１、焦点３３に集光される。そして、物体２０の表面に投射される投射光となる。
【００４２】
さらに、投射光は物体２０の表面で反射されて反射光となり、結像レンズ２５を介して反射光検出手段であるＣＣＤ（Charged Coupled Device)２６で検出される。図中１９で示す領域は、ＣＣＤ２６が受光できる物体表面の範囲（測定領域）１９を示している。
【００４３】
なお、上記した構成において、本明細書では、基線３２を定め、投射光の光軸の基線３２に対する角度を投射角度θと示す。また、ＣＣＤ２６の受光面と反射光２４、２７の光軸とがなす角度をψと示す。また、図１に示した構成における視差方向を、矢線ｖで示す。
【００４４】
光投射部２３は、光源部であるフラッシュ光源１およびシリンドリカル平凸レンズ２、光源部が投射する投射光を透過させて光強度の強弱を持つパターン光にするパターン光形成部３を備えている。フラッシュ光源１は、ビーム状の光を投射する。
【００４５】
また、光投射部２３は、パターン光形成部３を透過した光束を複数の光束に分割する光分割部であるハーフミラー５と、分割された複数の光束に対し、各光束ごとに異なる特定の波長領域にある光束だけを透過させる特定波長光透過手段であるレッドカラーフィルタ７およびブルーカラーフィルタ１３、特定波長光透過手段を透過した複数の光束のうち少なくとも一つの光束を偏向し、他の光束の光軸と角度を異ならしめる偏向手段である平面ミラー１５とを備え、以上の構成を用いて偏向された光束を含むレッドカラーフィルタ７およびブルーカラーフィルタ１３を透過した複数の光束を物体２０の表面に投射する。ＣＣＤ２６は、投射部２３によって投射された複数の光束が物体２０の表面で反射した反射光を、各反射光の波長領域ごとに検出することができる構成であり、レッドカラーフィルタ７を透過した赤色光とブルーカラーフィルタ１３を透過した青色光とを別々に検出することができる。
【００４６】
光分割部に比較的入手しやすい光学素子であるハーフミラー５を用いたことにより、実施の形態１は、三次元形状計測装置を比較的簡易に構成することができる。
【００４７】
パターン光形成部３は、従来技術において図１１に示したように、投射角度に応じて透過した光の強度が周期的に変化する光切断パターンを物体２０の表面に形成するパターン光を生成するフィルタである。また、レッドカラーフィルタ７はパターン光となった光束のうちの波長が６００ｎｍ以上の光（赤色光）を抽出するフィルタであり、ブルーカラーフィルタ１３は波長が５００ｎｍ以下の光（青色光）を抽出するフィルタである。
【００４８】
次に、上記した光投射部２３における投射光の生成について詳細に説明する。フラッシュ光源１はフラッシュ光源であり、パターン光形成部３に光を投射する。フラッシュ光源１とパターン光形成部３との間にはシリンドリカル平凸レンズ２があり、フラッシュ光源１が投射した光はシリンドリカル平凸レンズ２によって平行光になる。平行光は、パターン光形成部３を透過してパターン光をなす光束（パターン光束）４となり、ハーフミラー５に入射する。
【００４９】
ハーフミラー５は、パターン光束４の入射方向に対して受光面が４５度の角度を持つように配置されている。パターン光束４は、ハーフミラー５によってパターン光束６とパターン光束１２とに分割される。パターン光束６は、レッドカラーフィルタ７を透過することによってパターンを持つ赤色光８となり、平面ミラー９に入射する。そして、平面ミラー９によって正反射されて再びレッドカラーフィルタ７を透過してハーフミラー５に向かい、パターン光束１０とパターン光束１１とに分割される。
【００５０】
パターン光束１０は、シリンドリカルレンズ１８を通って物体２０の表面に照射され、表面に光切断線パターン２１を形成する。なお、パターン光束１１は、再びフラッシュ光源１に向かうものの、三次元形状計測装置の測定に影響を与えることはない。
【００５１】
一方、パターン光束１２は、ブルーカラーフィルタ１３を透過することによってパターンを持つ青色光１４となり、平面ミラー１５に入射する。平面ミラー１５は、反射面１４ａがパターン光束１２の入射方向に対して直交する方向１４ｂに対して傾いて配置されている。パターン光束１４は、方向１４ｂと角度をなす反射面１４ａで反射することによって正反射せず、反射光がパターン光束１４と平行でないパターン光束１４’となる。
【００５２】
パターン光束１４’は、再びブルーカラーフィルタ１３を通ってハーフミラー５によってパターン光束１６、パターン光束１７に分割される。なお、パターン光束１７は、再びフラッシュ光源１に向かうものの、三次元形状計測装置の測定に影響を与えることはない。
【００５３】
パターン光束１６は、シリンドリカルレンズ１８を通って物体２０の表面に照射され、表面に通って光切断線パターン２２を形成する。パターン光束１０とパターン光束１６とは、一方（パターン光束１６）が偏向され、パターン光束１０とパターン光束１６とのシリンドリカルレンズ１８に対する入射角度が異なっている。このため、光切断線パターン２１、２２は、パターン光形成部３で形成された同一の光切断線パターンでありながら互いに位相がずれたパターンとなる。なお、実施の形態１では、パターン光形成部３を、光を強度分布Ｇ1（θ）を持つ光切断線パターンを形成するものとする。
【００５４】
光切断線パターン２１、２２を形成したパターン光束１０とパターン光束１６とは、物体２０の表面に投射される。パターン光束１０とパターン光束１６は、物体２０の表面で反射され、反射光２４または２７となってＣＣＤ２６で受光される。
【００５５】
次に、パターン光形成部３を、強度分布Ｇ2（θ）を持つ光切断線パターンを形成するパターン光形成部に切り替える。そして、切り替えられたパターン光形成部を透過したパターン光束を２つに分割し、それぞれを赤色光、青色光にして２つの光切断線パターンを形成する。形成された光切断線パターンは、物体２０の表面に照射され、反射光がＣＣＤ２６に検出される。
【００５６】
図３は、ＣＣＤ２６が検出した強度分布Ｇ1（θ）の光切断線パターンの反射光、強度分布Ｇ2（θ）の光切断線パターンの反射光の強度比を示す図であって、(ａ)は赤色光によって形成された強度分布Ｇ1（θ）の光切断線パターンの反射光と強度分布Ｇ2（θ）の光切断線パターンの反射光との強度比を示す。また、(ｂ)は青色光によって形成された強度分布Ｇ1（θ）の光切断線パターンの反射光と強度分布Ｇ2（θ）の光切断線パターンの反射光との強度比を示している。図３の横線はフラッシュ光源１の投射角度θ、縦線は強度分布Ｇ1（θ）を持つ反射光と強度分布Ｇ2（θ）を持つ反射光との強度比を示している。
【００５７】
図３(ａ)において、強度分布Ｇ1(θ)の光切断線パターンを形成するパターン光形成部３と強度分布Ｇ2(θ)の光切断線パターンを形成するパターン光形成部との位置がずれている。このため、図中に示す投射角度範囲ｄ1で適正な光強度比が得られない。また、図３(ｂ)においては、パターン光形成部３と強度分布Ｇ2(θ)の光切断線パターンを形成するパターン光形成部との位置がずれているため、図中に示す投射角度範囲ｄ2で適正な光強度比が得られない。
【００５８】
赤色光が形成した光切断線パターン２１と青色光が形成した光切断線パターン２２とは位相がずれている。このため、赤色光で得られた光強度比の投射角度範囲ｄ1と青色光で得られた光強度比の投射角度範囲ｄ2とは相違している。実施の形態１では、検出された赤色光の反射光の投射角度範囲ｄ1を除くデータと青色光の反射光の投射角度範囲ｄ2を除くデータとを合成し、投射角度の全範囲（測定領域１９全域）で適正なＧ1（θ）／Ｇ2（θ）を得ることができる。
【００５９】
ところで、反射光のデータを複数取得して合成する他の方法として、例えば、物体の表面に対して光を投光して反射光を検出し、検出したデータを記憶装置に保存する。そして、三次元形状計測装置の測定領域を水平方向に変更して２回目に投光した光の反射光を検出し、１回目に得られた検出光のデータと２回目に得られた検出光のデータとを比較することが考えられる。
【００６０】
しかしながら、このような方法は、測定領域を変更する際に水平方向ばかりでなく垂直方向にも測定領域がずれるおそれがある。また、測定を２回する必要があること、測定領域変更の変更にかかる機械的な構成の動作や調整に時間がかかることなどによって物体の三次元形状を高速度で計測することが難しい。
【００６１】
したがって、実施の形態１の構成は、測定領域を固定したままで２つの反射光のデータを検出することができるために測定精度が高く、しかも高速度で三次元形状を計測することができるものといえる。このような実施の形態１の三次元形状計測装置によれば、静止している物体のみならず、動いている物体の三次元形状をも計測することが可能になる。
【００６２】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２を説明する。図４は、実施の形態２の三次元形状計測装置を説明するための図である。なお、図４に示した部材のうち、図１、図２で示した部材と同一の部材については同一の符号を付して示し、説明を一部略すものとする。
【００６３】
実施の形態１に示した三次元形状計測装置は、実施の形態２の三次元形状計測装置の光源部であるフラッシュ光源１、シリンドリカル平凸レンズ２に代えて平行光を投射する面状の発光部を有する光源３５を用いるものである。実施の形態２の三次元形状計測装置は、光源３５を備えたために光源が発した光を平行光にするレンズを備える必要がなく、三次元形状計測装置の部品点数を実施の形態１の三次元形状計測装置よりも少なくすることができる。
【００６４】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３の三次元形状計測装置を説明する。図５は、実施の形態３の三次元形状計測装置を説明するための図である。なお、図５に示した部材のうち、図１、図２で示した部材と同一の部材については同一の符号を付して示し、説明を一部略すものとする。
【００６５】
実施の形態３は、実施の形態２の三次元形状計測装置の光分割手段であるハーフミラー５に代えてキュービック型ビームスプリッタ３６を用いたものである。キュービックスプリッタも比較的入手しやすい光学素子であるため、実施の形態３は、三次元形状計測装置を比較的簡易に構成することができる。
【００６６】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４を説明する。図６は、実施の形態４の三次元形状計測装置を説明するための図である。なお、図６に示した部材のうち、図１、図２で示した部材と同一の部材については同一の符号を付して示し、説明を一部略すものとする。
【００６７】
実施の形態４は、実施の形態３のキュービック型ビームスプリッタ３６に代えて光源部に面する面３８と対向する面が分割された光束の一つであるパターン光束１２の入射方向と直交する方向に対して傾いた傾斜面３７であり、傾斜面３７にブルーカラーフィルタ４０と平面ミラー４１とを接着したキュービック型ビームスプリッタ３９を用いたものである。また、実施の形態４では、面３８にもレッドカラーフィルタ４２、平面ミラー４３を接着している。
【００６８】
実施の形態４では、パターン光束１２が傾斜面３７に接着されたブルーカラーフィルタ４０を透過して青色光になる。青色光は、ブルーカラーフィルタ４０に接着された平面ミラー４１で反射される。このとき、平面ミラーが傾斜面３７に沿って傾いていることによってパターン光束１２が偏向し、パターン光束１０と光軸が異なるパターン光束１６になってシリンドリカルレンズ１８に向かう。そして、パターン光束１０によって形成される光切断線パターン２１と位相のずれた光切断線パターン２２を形成する。
【００６９】
以上述べた実施の形態４は、傾斜面３７を有するキュービック型ビームスプリッタ３９を備え、さらに傾斜面３７に光フィルタや平面ミラーを接着したため、キュービック型ビームスプリッタとレッドカラーフィルタ、ブルーカラーフィルタ、平面ミラーとの位置合わせが簡易になり、光投射部２３の組みたて精度を高めることができる。また、各光学素子をよりコンパクト化し、ひいては三次元形状計測装置を小型化することができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明は、位相がずれた同一のパターンを有する複数の反射光のデータをそれぞれ独立に検出することができるので、全投射角度で適正な反射光のデータ（光の強度比）が得られ、より正確に物体の形状を計測できる三次元形状計測装置を提供することができるという効果を奏する。
【００７１】
請求項２に記載の発明は、光の分割にハーフミラーを用いるため、三次元形状計測装置の構成を簡易化することができるという効果を奏する。
【００７２】
請求項３に記載の発明は、光の分割にキュービック型ビームスプリッタを用いるため、三次元形状計測装置の構成を簡易化することができるという効果を奏する。
【００７３】
請求項４に記載の発明は、平面ミラーを傾けて配置することによって光束を偏向することができるので、三次元形状計測装置の構成を簡易化することができるという効果を奏する。
【００７４】
請求項５に記載の発明は、光束を簡単に偏向することができる上、光学素子をコンパクトに配置することができるので、三次元形状計測装置の構成を簡易かつ小型にすることができるという効果を奏する。
【００７５】
請求項６に記載の発明は、平行光を発する光源を比較的簡単に構成することができるので、三次元形状計測装置の構成を簡易化することができるという効果を奏する。
【００７６】
請求項７に記載の発明は、１つの部材単独で平行光を発する光源を構成することができるので、三次元形状計測装置の構成を簡易化し、かつ部品点数を抑えることができるという効果を奏する。
【００７７】
請求項８に記載の発明は、光の分割、反射光の検出を高い精度で行うことができるので、三次元形状計測装置の計測精度を高めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の三次元形状計測装置の構成を説明するための図である。
【図２】図１に示した構成のうち、発明の要部にかかる構成を拡大して示す図である。
【図３】図１に示したＣＣＤが検出した反射光の強度比を示す図である。
【図４】実施の形態２の三次元形状計測装置の要部を説明するための図である。
【図５】実施の形態３の三次元形状計測装置の要部を説明するための図である。
【図６】実施の形態４の三次元形状計測装置の要部を説明するための図である。
【図７】一般的な三次元形状計測装置の構成を説明するための図である。
【図８】強度比法について説明するための図である。
【図９】強度比法で用いられる反射光の強度分布と強度比を説明するための図である。
【図１０】強度比法で用いられる反射光の強度分布と強度比を説明するための他の図である。
【図１１】光切断パターン法を用いて計測した光強度を示す図である。
【図１２】光切断パターン法を用いて計測した光強度を示す他の図である。
【図１３】光切断パターン法におけるフィルタの切り換えタイミングがずれた場合に発生する不具合を説明するための図である。
【図１４】光切断パターン法におけるフィルタの切り換えタイミングがずれた場合に発生する不具合を説明するための他の図である。
【図１５】図１４に示した光強度分布Ｇ1（θ）、Ｇ2（θ）を使って得た強度比を示したグラフである。
【符号の説明】
１ フラッシュ光源
２ シリンドリカル平凸レンズ
３ パターン光形成部
５ ハーフミラー
７，４２ レッドカラーフィルタ
９，１５，４１，４３ 平面ミラー
１３，４０ ブルーカラーフィルタ
１８ シリンドリカルレンズ
１９ 測定領域
２０ 物体
２１ 光切断線パターン
２２ 光切断線パターン
２３ 光投射部
２５ 結像レンズ
３５ 光源
３６，３９ キュービック型ビームスプリッタ
３７ 傾斜面
３８ 面
Claims (8)
- 物体表面で反射した反射光を用いて物体の三次元的な形状を計測する三次元形状計測装置であって、
平行光を投射する光源部と、前記光源部が投射する投射光を透過させて光強度の強弱を持つパターン光にするパターン光形成手段と、前記パターン光形成手段を透過した光束を複数の光束に分割する光分割手段と、前記光分割手段によって分割された複数の光束に対し、各光束ごとに異なる特定の波長領域にある光束だけを透過させる特定波長光透過手段と、前記特定波長光透過手段を透過した複数の光束のうち少なくとも一つを偏向し、偏向された光束の光軸の角度と他の光束の角度とを異ならしめる偏向手段と、を有し、前記偏向手段によって偏向された光束を含む前記特定波長光透過手段を透過した複数の光束を物体の表面に投射する投射手段と、
前記投射手段によって投射された複数の光束が物体表面で反射した反射光を、各反射光の波長領域ごとに検出する反射光検出手段と、
を備えることを特徴とする三次元形状計測装置。 - 前記光分割手段は、ハーフミラーであることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
- 前記光分割手段は、キュービック型ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
- 前記偏向手段が複数の光束のうち少なくとも一つの光束を反射する平面ミラーを含み、該平面ミラーは、反射面が該光束の入射方向に対して直交する方向に対して傾いて配置されることを特徴する請求項１または２に記載の三次元形状計測装置。
- 前記キュービック型ビームスプリッタは、前記光源部に面する面と対向する面が分割された複数の光束のうち少なくとも一つの光束の入射方向と直交する方向に対して傾いた傾斜面を有し、該傾斜面に特定波長光透過手段である光フィルタと該光フィルタを透過した光を反射する平面ミラーとを接着したことを特徴とする請求項３に記載の三次元形状計測装置。
- 前記光源部は、ビーム光を発するフラッシュ光源と該フラッシュ光源の光を平行光にするシリンドリカル平凸レンズであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の三次元形状計測装置。
- 前記光源部は、平行光を投射する面光源であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の三次元形状計測装置。
- 前記特定波長光透過手段は、前記光分割手段によって２つに分割された光束の一方を赤色の波長領域にある光束だけを透過させる光フィルタと、分割された光束の他方を青色の波長領域にある光束だけを透過させる光フィルタとを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の三次元形状計測装置。
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