JP4186347B2

JP4186347B2 - ３次元入力方法及び装置

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Publication number: JP4186347B2
Application number: JP29245599A
Authority: JP
Inventors: 暁矢橋
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2019-10-14
Also published as: JP2001116524A; US6614537B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検出光としてスポット光を投射して物体の形状を特定するための３次元データを得る３次元入力方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学式の３次元入力装置は、レーザからなるスリット光やスポット光を物体に投光し、撮像素子で得られた反射光からの撮影像（スリット画像又はスポット画像）に基づいて、物体の３次元形状を示す３次元データ又はその基となるデータを出力する装置である。
【０００３】
３次元データの精度は、撮像素子に結像した撮影像の信号強度に依存する。信号強度が適切でない場合、例えば、小さ過ぎて受光信号として認められる値に達していない場合、又は大き過ぎて飽和してしまっている場合には、正確な３次元データは得られない。
【０００４】
撮像素子のある一点、例えば画面中央での信号強度は、撮像距離、露光時間、及び回路の増幅率などの撮像条件などを一定としておけば、投射する検出光の強度にほぼ比例する。そこで、検出光の強度を調整することにより、撮像素子で得られる画像の信号強度を適切な値にすることが可能である。
【０００５】
特開平１０−１２４６４６号公報には、３次元測定前に所定の強度で予備投光を行い、撮像されたスリット像の信号強度に基づいて撮像条件を設定し、その後に、本測定を行う方法が開示されている。また、実開平７−２３２０９号公報には、撮像素子の受光面に結像したスポット画像の総光量の測定結果に基づいて、投射光量を逐次調整する方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の技術では次の問題がある。
すなわち、前者では、例えば画面中央では適切な信号強度の画像を得ることができるが、画面周辺では必ずしも適切でない場合がある。
【０００７】
一般に、受光レンズは、その光学的特性に依存して、例えばコサイン４乗則及び口径触の存在によって、画面内の位置によって像面照度比が異なる。したがって、光が受光レンズを通過して結像する場合には、像面照度比にしたがって受光面の周辺部の像面照度は中央部よりも低下する。つまり、検出光としてスポット光を用いた場合に、受光面の中央部の像面照度が適切であっても、周辺部の像面照度が適切になるとは限らない。その逆に、周辺部の像面照度が適切である場合には、中央部では飽和することもあり得る。このように、画面全体で適切な信号強度を得ることはできない。
【０００８】
後者では、受光量を常にモニタし、その測定結果に基づいてスポット光の光量を制御するため、画画中央部と周辺部の両方で適切な信号強度を得ることが可能である。しかし、常に、高速で受光量を測定する必要があるため、高速のモ二タ素子及び高速のフィードバック制御が必要である。
【０００９】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、受光面のどの部分も適切な像画照度が得られ、しかも高速の受光素子や高速のフィードバック制御系を必要としないで、物体の３次元形状を正確に計測できるようにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る一形態の方法は、投射されるスポット光を偏向して物体Ｑを走査し、前記物体Ｑで反射した前記スポット光を受光レンズ系５１を介してエリアセンサで受光し、得られた受光出力に基づいて前記物体Ｑの形状を特定するためのデータを出力する３次元入力方法であって、前記受光レンズ系５１の光学的特性に依存して生じる前記エリアセンサ上の像面照度分布を示すデータを予め求めておき、前記像面照度分布を示すデータに基づいて、投射時における前記スポット光の強度をその偏向に応じて変化させる。
【００１１】
本発明に係る一形態の装置は、投射されるスポット光を偏向して物体Ｑを走査する走査手段４３と、前記物体Ｑで反射した前記スポット光を受光レンズ系を５１介して受光するエリアセンサ５３とを備え、前記エリアセンサ５３で得られた受光出力に基づいて前記物体Ｑの形状を特定するためのデータを出力する３次元入力装置２であって、前記受光レンズ系５１の光学的特性に依存して生じる前記エリアセンサ５３上の像面照度分布を示すデータを予め記憶する記憶手段７５と、前記像面照度分布を示すデータに基づいて、投射時における前記スポット光の強度をその偏向に応じて変化させるスポット光制御手段６１とを有する。
【００１２】
他の一形態によると、前記スポット光制御手段６１は、連続的に投射される前記スポット光に対して強度変調を行う。請求項４の発明の装置では、前記スポット光制御手段６１は、前記スポット光を断続的に投射するとともに、そのオン時間を制御する。
【００１３】
他の一形態によると、前記像面照度分布を示すデータは、複数の異なる撮像距離に対応して記憶されてなる。さらに他の一形態によると、前記受光レンズ系５１はズームレンズを含んでおり、前記像面照度分布を示すデータは、複数の異なる画角に対応して記憶されてなる。
【００１４】
なお、像面照度分布を示すデータとして、像面照度比データＤ７５、又はその他の種々の形式のデータが用いられる。像面照度分布を示すデータとして像面照度比データＤ７５を用いた場合において、スポット光制御手段６１は、例えばスポット光の強度と像面照度比との積が一定になるような制御を行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る測定システム１の構成図である。
測定システム１は、スリット光投影法によって立体測定（計測）を行う３次元カメラ（レンジファインダ）２と、３次元カメラ２の出力データを処理するホスト３とから構成されている。
【００１６】
３次元カメラ２は、測定対象物である物体Ｑ上のサンプリング点の３次元位置を特定する測定データとともに、物体Ｑのカラー情報を示す２次元画像及びキャリブレーションに必要なデータを出力する。三角測量法を用いてサンプリング点の座標を求める演算処理はホスト３が担う。
【００１７】
ホスト３は、ＣＰＵ３ａ、ディスプレイ３ｂ、キーボード３ｃ、及びマウス３ｄなどから構成されたコンピュータシステムである。ＣＰＵ３ａには測定データ処理のためのソフトウェアが組み込まれている。ホスト３と３次元カメラ２との間では、ケーブル又は赤外線通信によるオンライン及び可搬型の記録メディア４によるオフラインの２形態のデータ受渡しが可能である。記録メディア４としては、光磁気ディスク（ＭＯ）、ミニディスク（ＭＤ）、メモリカードなどがある。
【００１８】
図２は３次元カメラの外観を示す図である。
ハウジング２０の前面に投光窓２０ａ及び受光窓２０ｂが設けられている。投光窓２０ａは受光窓２０ｂに対して上側に位置する。内部の光学ユニットＯＵが射出するスリット光（所定幅ｗの帯状のレーザビーム）Ｕは、投光窓２０ａを通って測定対象の物体（被写体）Ｑに向かう。スリット光Ｕの長さ方向Ｍ１の放射角度φは固定である。スリット光Ｕは、後述するように、半導体レーザ（ＬＤ）４１から射出されたスポット光Ｕ０が、主走査方向Ｘ（長さ方向Ｍ１）に高速に偏向されることによって形成される。物体Ｑの表面で反射したスリット光Ｕの一部が受光窓２０ｂを通って光学ユニットＯＵに入射する。なお、光学ユニットＯＵは、投光軸と受光軸との相対関係を適正化するための２軸調整機構を備えている。
【００１９】
なお、スポット光とは、比較的小領域に投射する参照光を意味し、例えば、主走査方向にやや長いスリット状の参照光などを含む。
ハウジング２０の上面には、ズーミングボタン２５ａ，２５ｂ、手動フォーカシングボタン２６ａ，２６ｂ、及びシャッタボタン２７が設けられている。図２（ｂ）のように、ハウジング２０の背面には、液晶ディスプレイ２１、カーソルボタン２２、セレクトボタン２３、キャンセルボタン２４、アナログ出力端子３２、ディジタル出力端子３３、及び記録メディア４の着脱口３０ａが設けられている。
【００２０】
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）２１は、操作画面の表示手段及び電子ファインダとして用いられる。撮影者は背面の各ボタン２１〜２４によって撮影モードの設定を行うことができる。アナログ出力端子３２からは、カラー画像信号が例えばＮＴＳＣ形式で出力される。ディジタル出力端子３３は例えばＳＣＳＩ端子である。
【００２１】
ユーザー（撮影者）は、ＬＣＤ２１が表示する操作画面の案内に従って所望の動作モードを設定する。その後、カラーモニタ画像を見ながら、カメラの位置と向きを決め、画角を設定する。その際に必要に応じてズーミング操作を行う。
【００２２】
図３は３次元カメラの機能構成を示すブロック図である。図中の実線矢印は電気信号の流れを示し、破線矢印は光の流れを示している。
３次元カメラ２は、上述の光学ユニットＯＵを構成する投光光学系４０及び撮影系５０を有している。
【００２３】
投光光学系４０において、半導体レーザ４１が射出する波長６８５ｎｍのレーザビーム（スポット光Ｕ０）は、投光レンズ系４２を通過した後、走査手段（ガルバノミラー）４３によって偏向されて、スリット光Ｕとなる。半導体レーザ４１のドライバ４４、投光レンズ系４２の駆動系４５、及び走査手段４３の駆動系は、それぞれシステムコントローラ６１から出力されるスポット光制御データＤ４４、投光レンズ制御データＤ４５、及び偏向角制御データＤ４６によって制御される。
【００２４】
特に、システムコントローラ６１は、ドライバ４４に対してスポット光制御データＤ４４を出力することにより、半導体レーザ４１の発光強度を、走査手段４３による偏向に応じ、像面照度比データＤ７５に基づいて変化させる。
【００２５】
すなわち、像面照度比記憶部７５には、像面照度比データＤ７５が記憶されている。像面照度比データＤ７５は、撮影系５０の光学的特性に依存して生じるイメージセンサ５３上の像面照度の違いを表すデータである。像面照度比データＤ７５は、複数の撮影状態のそれぞれについて予め求められ、像面照度比記憶部７５に記憶されている。これは撮影状態によって像面照度比が変化するからである。複数の撮影状態とは、例えば、撮影レンズ５１の異なる複数の画角、異なる複数の撮像距離（フォーカシングレンズ状態）、例えば物体Ｑの代表的な部分と３次元カメラ２との間の距離、及び、異なる複数の絞り状態などである。像面照度比データＤ７５は、画素毎に記憶しておいてもよいが、撮像面を複数のブロックに分けてブロック単位で代表値を記憶しておく方がメモリ容量が少なくて済む。システムコントローラ６１は、撮影時の撮影レンズ５１の画角、撮像距離、及び絞り状態に応じて、それに対応する像面照度比データＤ７５を像面照度比記憶部７５から読み出し、そのデータに基づいて半導体レーザ４１の出力を変調する。これによって、スポット光Ｕ０の強度がその偏向に応じて変化する。詳細は後述する。
【００２６】
撮影系５０において、撮影レンズ５１によって集光された光は、ビームスプリッタ５２で分光される。半導体レーザ４１の発振波長帯域の光は測定用のイメージセンサ５３に入射する。可視帯域の光はモニタ用のカラーイメージセンサ５４に入射する。イメージセンサ５３及びカラーイメージセンサ５４はどちらもＣＣＤ撮像デバイスである。撮影レンズ５１のオートフォーカシング（ＡＦ）を行うため、撮影レンズ５１の近傍に光学的測距を行うＡＦモジュール５７が配置される。ＡＦモジュール５７が出力する距離データに基づいて、レンズコントローラ５８がフォーカシング駆動系５９を制御する。ズーミング駆動系６０は電動ズーミングのために設けられている。
【００２７】
３次元カメラ２における物体情報の流れは次のとおりである。
まず、イメージセンサ５３による撮影情報は、ドライバ５５からのクロックに同期して信号処理回路６２へ転送される。信号処理回路６２は、イメージセンサ５３の出力する各画素の光電変換信号を増幅する増幅器、及び光電変換信号を８ビットの受光データに変換するＡＤ変換器を有している。信号処理回路６２で得られた受光データはメモリ６３によって一時的に記憶された後、重心演算回路７３へ送られる。その際のアドレス指定はメモリコントローラ６５が行う。重心演算回路７３は、入力された受光データに基づいて３次元位置を算出するための基となるデータを算出し、それを出力メモリ６４に出力する。また、重心演算回路７３は、測定対象の物体の形状に対応した濃淡画像（距離画像）を生成し、それを表示コントローラ７４に送る。ＬＣＤ２１は、濃淡画像、カラー画像、及び操作案内画面などを表示する。システムコントローラ６１は、図示しないキャラクタジェネレータに対して、ＬＣＤ２１の画面上に適切な文字や記号を表示するための指示を与える。
【００２８】
一方、カラーイメージセンサ５４による撮像情報は、ドライバ５６からのクロックに同期してカラー処理回路６７へ転送される。カラー処理を受けた撮像情報は、ＮＴＳＣ変換回路７０及びアナログ出力端子３２を経てオンライン出力され、又はディジタル化回路６８で量子化されてカラー画像メモリ６９に格納される。その後、カラー画像メモリ６９からＳＣＳＩコントローラ６６へカラー画像データが転送され、ディジタル出力端子３３からオンライン出力され、又は測定データと対応づけて記録メディア４に格納される。
【００２９】
なお、カラー画像は、イメージセンサ５３による距離画像と同一の画角の像であり、ホスト３におけるアプリケーション処理に際して参考情報として利用される。カラー画像を利用する処理としては、例えばカメラ視点の異なる複数組の測定データを組み合わせて形状モデルを生成する処理、形状モデルの不要の頂点を間引く処理がある。
【００３０】
図４は撮影レンズの構成図である。
撮影レンズ５１は、前側固定レンズ５１５、バリエータレンズ５１４、フォーカシングレンズ５１１、及び後側固定レンズ５１２から構成されている。バリエータレンズ５１４及びフォーカシングレンズ５１１は、光軸に沿って互いに独立に移動可能である。これによってズーミングが可能である。
【００３１】
フォーカシングレンズ５１１の移動はフォーカシング駆動系５９が担う。フォーカシング駆動系５９は、レンズを駆動するパルスモーター５９Ａと、原点位置を検出する原点スイッチ５９Ｂを備えている。フォーカシングレンズ５１１は、原点スイッチ５９Ｂが動作する点を基準として、パルスモーター５９Ａの回転量に応じた距離だけ移動する。バリエータレンズ５１４の移動はズーミング駆動系６０が担う。ズーミング駆動系６０は、レンズを駆動するパルスモーター６０Ａと、原点位置を検出する原点スイッチ６０Ｂとを備えている。バリエータレンズ５１４は、原点スイッチ６０Ｂが動作する点を基準として、パルスモーター６０Ａの回転量に応じた距離だけ移動する。
【００３２】
図５は投光光学系の構成及びスポット光による物体の走査を示す図である。
図５において、Ｘ方向は主走査方向であり、Ｙ方向は副走査方向である。走査手段４３は、主走査手段であるガルバノミラー４３ａ、及び副走査手段であるガルバノミラー４３ｂから構成される。各ガルバノミラー４３ａ，４３ｂは、スポット光Ｕ０を反射するミラー４３ａＭ，４３ｂＭ、及びそれらを回転させる駆動系からなる。
【００３３】
半導体レーザ４１から投射されたスポット光Ｕ０は、投光レンズ系４２を通過することによってそのビームがやや外向きに広がるよう略平行化される。そして、ミラー４３ａＭ，４３ｂＭで反射され、物体Ｑに向かう。物体Ｑの表面には楕円状のスポット光が照射される。
【００３４】
投光レンズ系４２のレンズ４２Ｌは光軸方向に可動であり、レンズ４２Ｌの光軸方向の位置を変化させることにより、スポット光Ｕ０の断面のサイズを調整できる。
【００３５】
ガルバノミラー４３ａは、スポット光Ｕ０を高速でＸ方向に偏向する。これにより、Ｘ方向に伸びたスリット状の軌跡が描かれる。ミラー４３ａＭを撮像時間よりも十分に短い周期で振動させることにより、スリット状のレーザビーム、つまり、スリット光Ｕが形成される。撮影系５０において、撮像する軌跡はスリット光Ｕに見える。
【００３６】
ガルバノミラー４３ｂは、スリット光Ｕをガルバノミラー４３ａによる偏向の速度と比較して遅い速度でＹ方向に偏向する。これにより、物体Ｑの表面がスリット状の軌跡でＹ方向に走査される。撮影系５０において、スリット状の光が物体Ｑの表面を走査したように見える。
【００３７】
なお、ガルバノミラー４３ａ，４３ｂの走査速度は、撮影レンズ５１の画角に応じて、物体Ｑを最適に走査するように調整される。
次に、スポット光Ｕ０の強度を偏向に応じて変化させる制御動作について説明する。
【００３８】
３次元カメラ２においては、測定データを入力するための本測定に先立ち、予備測定（予備計測）が行われる。予備測定では、物体の存在すると考えられる代表位置（例えば中央部）についてのみ計測する。これによって得られる撮影像に基づいて、システムコントローラ６１は、イメージセンサ５３の受光面（撮像面）Ｓ２の中央部が適正な像面照度（露出）となるように、スポット光Ｕ０の強度、イメージセンサ５３の積分時間、及び信号処理回路６２における増幅率を設定する。これにより設定されたスポット光Ｕ０の強度をＶ０とする。また、そのときの撮像距離が測定される。
【００３９】
そして、予備測定時の受光角及び撮像距離に対応する像面照度比データＤ７５が、像面照度比記憶部７５から読み出される。次に本測定が行われる。
システムコントローラ６１は、予備測定時の受光角及び撮像距離に基づいて、スポット光Ｕ０のサイズを最適化するための投光レンズ制御データＤ４５を算出する。また、走査手段４３のＸ方向及びＹ方向の各偏向角を制御するための偏向角制御データＤ４６を算出する。また、読み出した像面照度比データＤ７５に基づいて、走査手段４３のＸ方向及びＹ方向の各偏向角位置におけるスポット光制御データＤ４４を算出する。そして、これら各制御データに基づいて、半導体レーザ４１の発光強度及びスポット光Ｕ０による物体Ｑの走査が制御され、本測定が行われる。
【００４０】
なお、上述したように、スポット光Ｕ０はやや外向きに広がるよう略平行化されているため、撮像距離が遠いほど物体Ｑ上でのスポット光Ｕ０の断面のサイズは大きくなる。しかし、イメージセンサ５３上には遠くなった分だけ小さく結像するので、撮像距離に関係なくほぼ等しい大きさに結像する。つまり、撮像距離が変動しても、常に最適な幅のスリット画像が得られる。なお、スリット画像の幅は、スリット画像の位置計算の精度を良くするために３〜５画素程度となるようにされている。
【００４１】
次に、偏向位置に応じたススポット光Ｕ０の強度の算出方法について説明する。
図６はイメージセンサの中央部からの距離と像面照度比との関係の一例を示す図、図７はイメージセンサ上での像面照度比の一例を示す図である。
【００４２】
図６及び図７においては、予備測定後におけるある１つの画角、撮像距離、及び絞り状態での像面照度比が示されている。像面照度比は、中央部Ｐ０に対する百分率で示される。なお、この例では、撮影レンズ５１の画像フォーマットが１／２インチであり、イメージセンサ５３の受光面Ｓ２の縦横比は３：４である。
【００４３】
図６に示すように、イメージセンサ５３の受光面Ｓ２において、中央部Ｐ０が最も像面照度が高く、中央部Ｐ０からの距離Ｒが大きくなるに従って像面照度が減少する。
【００４４】
図７に示す例では、像面照度比は、上下の周辺部中央が８０％、左右の周辺部中央が７０％、四隅が５０％である。
受光面Ｓ２上の各位置で受光されるスポット光Ｕ０の強度が、それぞれの位置の像面照度比の逆数に比例するように、半導体レーザ４１の発光強度が制御される。
【００４５】
したがって、上の例では、中心Ｐ０でのスポット光Ｕ０の強度に対して、上下の周辺部中央ではその約１．２５倍（＝１００÷８０）、左右の周辺部中央では約１．４３倍（＝１００÷７０）、四隅では約２倍（＝１００÷５０）となる。つまり、各部分の光の強度は、予備測定により設定された中央部の強度Ｖ０に像面照度比の逆数を乗じた値となる。これは、本測定時におけるスポット光Ｕ０の強度と像面照度比との積が一定の値Ｖ０になることに相当する。但し、一定の値になるように制御するが、結果において必ずしも厳密に一定にならなくてもよい。
【００４６】
スポット光Ｕ０の強度の制御は、受光面Ｓ２上のすべてのサンプリング点において行われる。なお、上に述べたように、像面照度比は、撮影レンズ５１の画角、撮像距離、及び絞り状態によって異なるので、それぞれ撮影時の撮影条件に応じた像面照度比データＤ７５が用いられる。
【００４７】
次に、半導体レーザ４１の発光強度の制御方法について説明する。
ここでは、発光強度の制御方法として、スポット光Ｕ０を連続的に投射しつつその強度を変化させる方法（強度変調）と、スポット光Ｕ０を断続的に投射し、そのオン時間を制御する方法（パルス幅変調）とについて説明する。
【００４８】
図８はスポット光の強度を変化させる方法を説明するための図である。図８（ｂ）は強度変調の場合における受光面Ｓ２の上部の１走査ラインの例を、図８（ｃ）はパルス幅変調の場合における受光面Ｓ２の上部の１走査ラインの例を、それぞれ示す。なお、図８（ａ）及び図８（ｂ）において、縦軸は半導体レーザ４１の発光強度を示し、横軸は受光面Ｓ１の主走査方向Ｘに沿った位置を示す。図８（ｃ）において、縦軸は半導体レーザ４１のオンオフ状態を示し、横軸は時間を示す。
【００４９】
図８（ｂ）に示すように、強度変調では、主走査期間において半導体レーザ４１をオンの状態とし、像面照度比の逆数に比例しその出力を可変する。
図８（ｃ）に示すように、パルス幅変調では、半導体レーザ４１を所定の周期で断続するとともに、半導体レーザ４１のオン時間が像面照度比の逆数に比例するように制御する。
【００５０】
また、パルス幅変調を行う際に、パルスの周期を同時に可変して周波数変調の要素を加味してもよい。
このように、スポット光Ｕ０の強度と像面照度比との積が一定となるように、半導体レーザ４１の発光強度がその偏向に応じて変化されるので、イメージセンサ５３の受光面Ｓ２においては受光したすべてのスポット光Ｕ０による像の像面照度が一定の適切な値となる。そのため、受光面Ｓ２における全ての撮影像について、正確な測定データを得ることができる。
【００５１】
しかも、従来のように受光量を常にモニタする必要がないので、高速の受光素子や高速のフィードバック制御系を必要としない。
なお、像面照度比記憶部７５に、像面照度比データＤ７５それ自体を記憶してもよいが、これを加工した状態で記憶しておいてもよい。例えば、像面照度比の逆数をデータとして記憶してもよい。また、物体Ｑの反射率が既知である場合には、中央部に対して与える半導体レーザ４１の強度とを掛け合わせておき、偏向に応じて半導体レーザ４１に与える変調データを直接的に記憶してもよい。
【００５２】
図９は測定システムにおける３次元位置の算出の原理図である。同図では理解を容易にするため、各画素ｇの受光量のサンプリングについて５回分のみが示されている。
【００５３】
３次元入力装置１は、イメージセンサ５３の受光面Ｓ２上でのスリット幅がピッチｐｖで並ぶ画素ｇの複数個分となる比較的に幅の広いスリット光Ｕを物体Ｑに投射する。具体的にはスリット光Ｕの幅を３〜５画素分程度とする。スリット光Ｕは起点Ａを中心に図の上下方向に等角速度で偏向される。物体Ｑで反射したスリット光Ｕは結像の主点Ｂ（ズームの後側主点）を通ってイメージセンサ５３の受光面Ｓ２に入射する。スリット光Ｕの投射中に受光面Ｓ２の各画素ｇの受光量を周期的にサンプリングすることにより、物体Ｑ（厳密には奥行き方向と直交する仮想面）が走査される。サンプリング周期毎にイメージセンサ５３から１フレーム分の光電変換信号が出力される。
【００５４】
受光面Ｓ２の１つの画素ｇに注目すると、本実施形態においては、走査中に行う３２回のサンプリングによって３２回分の受光データが得られる。これら３２回分の受光データに対する重心演算によって時間重心ｉｐを求める。時間重心ｉｐは、物体表面のうちの注目画素ｇがにらむ範囲ａｇの中心をスリット光Ｕの光軸が通過する時点である。
【００５５】
物体Ｑの表面が平面であって光学系の特性によるノイズがないとすると、注目画素ｇの受光量は、図９（ｂ）に示すようにスリット光Ｕが通過する期間において多くなり、通常はほぼ正規分布曲線を描くように推移する。図９（ｂ）の例ではｎ回目のサンプリング時点Ｔ_nとその１つ前の（ｎ−１）回目のサンプリング時点Ｔ_n-1との間で受光量が最大になっており、その時点は演算結果の時間重心ｉｐとほぼ一致する。ここで、主点Ｂと受光面Ｓ２の各画素ｇとの位置関係から、各画素ｇに対するスリット光Ｕの入射角度が一義的に決まる。したがって、時間重心は、「特定の角度でスリット光Ｕが主点Ｂに入射する時刻」ということもできる。
【００５６】
求めた時間重心ｉｐにおけるスリット光の照射方向と、注目画素に対するスリット光の入射方向との関係に基づいて、物体Ｑの位置（座標）を算出する。これにより、受光面の画素ピッチｐｖで規定される分解能よりも高い分解能の測定が可能となる。なお、注目画素ｇの受光量は物体Ｑの反射率に依存する。しかし、サンプリングの各受光量の相対比は受光の絶対量に係わらず一定である。つまり、物体色の濃淡は測定精度に影響しない。
【００５７】
図１０はイメージセンサの受光面におけるラインとフレームとの関係を示す図である。
イメージセンサ５３における１フレームの読出しは、受光面Ｓ２の全体ではなく、高速化を図るために副走査方向の一部である帯状の有効受光領域のみを対象に行われる。有効受光領域は、測定可能な距離範囲内の物体の起伏を示す輝線が結像する領域であり、スリット光Ｕの偏向に伴ってフレーム毎に１画素分ずつシフトする。有効受光領域のシフト方向の画素数は３２に固定されており、長さ方向（水平方向）の画素数は例えば２００に選定されている。
【００５８】
図１０のように、受光面Ｓ２の最初のフレーム１には、先頭ラインであるライン１からライン３２までの３２ライン分の受光データが含まれる。フレーム２はライン２からライン３３まで、フレーム３はライン３からライン３４までというように、フレーム毎に１ライン分だけシフトされる。フレーム３２はライン３２からライン６３までの３２ラインである。
【００５９】
これらフレーム１からフレーム３２までの受光データが、信号処理回路６２を介してメモリ６３に順次転送されて記憶される。つまり、メモリ６３には、フレーム１、２、３…の順に受光データが記憶される。サンプリング範囲の先頭ラインであるライン３２のデータは、フレーム１については３２ライン目、フレーム２については３１ライン目というように、フレーム毎に１ラインずつ上方にシフトされて記憶される。フレーム１からフレーム３２までの受光データがメモリ６３に記憶されると、ライン３２の各画素について、時間重心ｉｐの算出が行われる。ライン３２についての演算が行われている間に、フレーム３３の受光データがメモリ６３に転送されて記憶される。フレーム３３の受光データは、メモリ６３のフレーム３２の次のアドレスに記憶される。フレーム３３のデータがメモリ６３に記憶されると、これらフレーム２からフレーム３３までに含まれるライン３３の各画素について、時間重心ｉｐの算出が行われる。
【００６０】
図１１は時間重心の概念を示す図である。
重心演算回路７３が算出する時間重心ｉｐは、３２回のサンプリングによって得られた３２個の時系列の受光データについての時間軸上の重心である。各画素についての３２個の受光データに、１〜３２のサンプリング番号を付す。ｉ番目の受光データはｘｉで表される。ｉは１〜３２の整数である。このとき、ｉは１つの画素について、その画素が有効受光領域に入ってからのフレーム数を示している。
【００６１】
１〜３２番の受光データｘ１〜ｘ３２についての時間重心ｉｐは、３２個の受光データについて、ｉ・ｘｉの総和Σｉ・ｘｉをｘｉの総和Σｘｉで除すことにより求められる。
【００６２】
重心演算回路７３は、メモリ６３から読み出したデータに基づいて、各画素についての時間重心ｉｐを算出する。ただし、メモリ６３から読み出したデータをそのまま用いるのではなく、各データから定常光データを減算した値（その値が負になるときは０）を用いる。つまり、イメージセンサ５３から出力される受光データに対して、定常光データの分だけ差し引いてオフセットを与える。
【００６３】
算出された時間重心ｉｐは表示コントローラ内のメモリに逐次記憶され、ＬＣＤ２１の画面に表示される。時間重心ｉｐの値は物体Ｑの表面の位置が３次元カメラ２に近い場合に大きく、遠い場合に小さい。したがって、受光面Ｓ２の各画素の時間重心ｉｐを濃度データとして濃淡画像を表示させることによって、測定結果である距離分布を可視化することができる。
【００６４】
重心演算において、イメージセンサ５３の出力が飽和すると、重心位置前後の受光データが一定になってしまい、正確な重心が求まらない。本実施形態では、レーザ光の強度が常に適正に制御されるので、イメージセンサ５３の出力が飽和することなく、このような問題が生じない。
【００６５】
また、本実施形態では、重心演算を行う場合について述べたが、重心演算を行うことなく、単にピークが検出されたタイミング（図９のＴｎ）を通過時点として測定してもよい。この場合に、イメージセンサ５３の出力が飽和すると、Ｔｎ前後の受光データが一定になってしまい、どのタイミングがピークであるのかが判定できなくなるのであるが、本実施形態では、レーザ光の強度が常に適正に制御されるので、イメージセンサ５３の出力が飽和することがなく、この問題が生じない。
【００６６】
また、本実施形態では、スリット光Ｕ像が通過したタイミングを重心演算で求めるよう構成したが、特開平７−１７４５３６号に示されるように、スリット光像の位置を重心演算により求める場合にも本発明を適用することができる。
【００６７】
上述の実施形態においては、撮影系５０の像面照度比特性に応じてスポット光Ｕ０の強度を可変するので、イメージセンサ５３の受光面Ｓ２のどの部分も適切な像面照度が得られ、物体Ｑの３次元形状を正確に測定することができる。また、種々の条件に応じた像面照度比データＤ７５を記憶しておくことによって、撮影レンズ５１の種々の画角に対して、また種々の撮像距離及び絞り状態に対して対応できる。
【００６８】
また、記憶しておくデータは、像面照度比データＤ７５でなくてもよい。像面照度の分布を示すデータであれば、どのような形式のデータであってもよい。本発明は、上に述べたイメージセンサ５３以外の種々のエリア型の受光センサ、例えばエリア型ポジションセンサ（ＰＳＤ）などを使用した３次元入力装置にも適用可能である。
【００６９】
上述の実施形態において、測定システム１、３次元カメラ２の各部又は全体の構成、形状、配置、回路、処理形態などは、本発明の主旨に沿って適宜変更することができる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によると、受光面のどの部分も適切な像面照度が得られ、物体の３次元形状を正確に計測できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る測定システムの構成図である。
【図２】３次元カメラの外観を示す図である。
【図３】３次元カメラの機能構成を示すブロック図である。
【図４】撮影レンズの構成図である。
【図５】走査手段の構成及びスリット光による物体の走査を示す図である。
【図６】イメージセンサの中心からの距離と像面照度比との関係の一例を示す図である。
【図７】イメージセンサ上での像面照度比の一例を示す図である。
【図８】スポット光の強度を変化させる方法を説明するための図である。
【図９】測定システムにおける３次元位置の算出の原理図である。
【図１０】イメージセンサの受光面におけるラインとフレームとの関係を示す図である。
【図１１】時間重心の概念を示す図である。
【符号の説明】
２３次元カメラ（３次元入力装置）
４３走査手段
５１撮影レンズ（受光レンズ系）
５３イメージセンサ（エリアセンサ）
６１システムコントローラ（スポット光制御手段）
７５像面照度比記憶部（記憶手段）
Ｑ物体
Ｕ０スポット光
Ｄ７５像面照度比データ（像面照度分布を示すデータ）

Claims

投射されるスポット光を偏向して物体を走査し、前記物体で反射した前記スポット光を受光レンズ系を介してエリアセンサで受光し、得られた受光出力に基づいて前記物体の形状を特定するためのデータを出力する３次元入力方法であって、
前記受光レンズ系の光学的特性に依存して生じる前記エリアセンサ上の像面照度分布を示すデータを予め求めておき、
前記像面照度分布を示すデータに基づいて、投射時における前記スポット光の強度をその偏向に応じて変化させる、
ことを特徴とする３次元入力方法。
投射されるスポット光を偏向して物体を走査する走査手段と、前記物体で反射した前記スポット光を受光レンズ系を介して受光するエリアセンサとを備え、前記エリアセンサで得られた受光出力に基づいて前記物体の形状を特定するためのデータを出力する３次元入力装置であって、
前記受光レンズ系の光学的特性に依存して生じる前記エリアセンサ上の像面照度分布を示すデータを予め記憶する記憶手段と、
前記像面照度分布を示すデータに基づいて、投射時における前記スポット光の強度をその偏向に応じて変化させるスポット光制御手段と、
を有することを特徴とする３次元入力装置。
投射されるスポット光を偏向して物体を走査する走査手段と、前記物体で反射した前記スポット光を受光レンズ系を介して受光するエリアセンサとを備え、前記エリアセンサで得られた受光出力に基づいて前記物体の形状を特定するためのデータを出力する３次元入力装置であって、
前記受光レンズ系の光学的特性に依存して生じる前記エリアセンサ上の像面照度分布を示すデータを予め記憶する記憶手段と、
前記像面照度分布を示すデータに基づいて、投射時における前記スポット光の強度をその偏向に応じて変化させるスポット光制御手段と、を有し、
前記像面照度分布を示すデータは、複数の異なる撮像距離に対応して記憶されてなる、
ことを特徴とする３次元入力装置。
投射されるスポット光を偏向して物体を走査する走査手段と、前記物体で反射した前記スポット光を受光レンズ系を介して受光するエリアセンサとを備え、前記エリアセンサで得られた受光出力に基づいて前記物体の形状を特定するためのデータを出力する３次元入力装置であって、
前記受光レンズ系の光学的特性に依存して生じる前記エリアセンサ上の像面照度分布を示すデータを予め記憶する記憶手段と、
前記像面照度分布を示すデータに基づいて、投射時における前記スポット光の強度をその偏向に応じて変化させるスポット光制御手段と、を有し、
前記受光レンズ系はズームレンズを含んでおり、前記像面照度分布を示すデータは、複数の異なる画角に対応して記憶されてなる、
ことを特徴とする３次元入力装置。
前記スポット光制御手段は、連続的に投射される前記スポット光に対して強度変調を行う、
請求項２ないし４のいずれかに記載の３次元入力装置。
前記スポット光制御手段は、前記スポット光を断続的に投射するとともに、そのオン時間を制御する、
請求項２ないし４のいずれかに記載の３次元入力装置。