JP4383840B2 - 3D shape measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、非接触で計測対象物体の3次元形状を計測する3次元形状計測装置に関し、特に、所定のパターン光像を対象物に照射し、その表面に投影されたパターン光像を撮像し、画像処理することによって対象物表面の3次元形状を計測する形状計測装置に関する。 The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus that measures a three-dimensional shape of a measurement target object in a non-contact manner, and in particular, irradiates a target with a predetermined pattern light image and captures a pattern light image projected on the surface thereof. The present invention relates to a shape measuring apparatus that measures a three-dimensional shape of a surface of an object by performing image processing.
対象物の表面形状を非接触で測定する装置として、物体に照明パターンを投影して、投影画像をカメラで撮像し、画像処理することで形状測定を行う装置が知られている。(例えば、特許文献1、2参照。)
特許文献1、2の技術では、最小分解能が小さく、測定可能な最大値の大きな3次元形状測定装置を提供するために、照明パターンの投影光学系と、投影パターンを撮像する撮像光学系の少なくとも一方を複数備え、投影光学系−撮像光学系間の距離を互いに異ならせることで基線長の異なる複数の測定系を構成し、異なる画像パターンを得ることができるので分解能、測定最大値の向上が図れると記載されている。
In the techniques of
しかしながら、上記技術では、投影光学系または撮像光学系を複数配置するためシステムが複雑化・大型化する。さらに、画像処理の処理量が飛躍的に増大するため、計算機資源を必要とする。また、病室・トイレ等での患者の異変の監視目的に特化されており、汎用的な3次元形状測定に適したものとはいえない。 However, in the above technique, since a plurality of projection optical systems or imaging optical systems are arranged, the system becomes complicated and large. Further, since the amount of image processing increases dramatically, computer resources are required. In addition, it is specialized for the purpose of monitoring patient changes in hospital rooms, toilets, etc., and cannot be said to be suitable for general-purpose three-dimensional shape measurement.
そこで本発明は、汎用的な3次元形状計測に適し、かつ、高分解能を実現することを可能とした3次元形状計測装置を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a three-dimensional shape measuring apparatus that is suitable for general-purpose three-dimensional shape measurement and can realize high resolution.
上記課題を解決するため、本発明に係る3次元形状計測装置は、測定対象物の3次元形状を非接触で測定する3次元形状計測装置であって、(1)光軸に直交する平面上に多数の輝点および/または輝線を所定間隔で配置したパターン光像を測定対象物に照射してその表面に投影する照射光源部と、(2)複数の受光素子から構成され、照射されたパターン光像によって測定対象物表面に投影された投影パターン光像を撮像する撮像部と、(3)撮像部の出力画像から、画像中の投影パターン光像の位置を求める画像位置演算部と、(4)求めた投影パターン光像の位置情報と、撮像時の撮像部と照射光源部との位置関係情報を基にして対象物体の形状を求める形状算出部と、(5)形状算出部の算出結果に応じて照射光源部により次に照射するパターン光の光像内における輝点、輝線の間隔または太さを調整する照射光制御部と、を備えていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention is a three-dimensional shape measuring apparatus that measures a three-dimensional shape of a measurement object in a non-contact manner, and (1) on a plane orthogonal to the optical axis. An irradiation light source unit that irradiates a measurement object with a pattern light image in which a large number of bright spots and / or bright lines are arranged at predetermined intervals, and projects it onto the surface; An imaging unit that captures a projection pattern light image projected onto the surface of the measurement object by the pattern light image; and (3) an image position calculation unit that obtains the position of the projection pattern light image in the image from the output image of the imaging unit; (4) a shape calculation unit for determining the shape of the target object based on the obtained positional information of the projection pattern light image and the positional relationship information between the imaging unit and the irradiation light source unit at the time of imaging; and (5) the shape calculation unit then irradiated by the irradiation light source unit according to the calculated results That bright spot in the pattern light in the optical image, characterized in that it comprises an illumination light control unit for adjusting the distance or thickness of the emission line, a.
照射光源部によって測定対象物表面上に投影されたパターン光像を撮像し、画像位置演算部は画像処理により投影パターン光像の画像内における位置を算出する。形状算出部は、この画像位置を用いて三角測量法により対象物体の形状を求める。このとき、形状算出部の算出結果、つまり、測定対象物の形状に応じて照射光制御部は、照射光光源部により照射するパターン光の光像内における輝点、輝線の間隔または太さを調整する。投影されるパターン光像のパターンを異ならせることで、測定対象物表面の別の照射位置に、または、別の方向から、複数の異なる投影パターン光像を投影し、その投影画像を取得する。投影パターン光像ごとに投影位置情報、つまり、測定対象物の形状情報が得られる。
The pattern light image projected on the surface of the measurement object is picked up by the irradiation light source unit, and the image position calculation unit calculates the position of the projection pattern light image in the image by image processing. The shape calculation unit obtains the shape of the target object by triangulation using this image position. At this time, according to the calculation result of the shape calculation unit, i.e., the shape of the measurement object, the irradiation light control unit calculates the bright spot, the interval or the thickness of the bright line in the light image of the pattern light irradiated by the irradiation light source adjust. By differentiating the patterns of the projected pattern light image, a plurality of different projection pattern light images are projected at different irradiation positions on the surface of the measurement object or from different directions, and the projection images are acquired. Projection position information, that is, shape information of the measurement object is obtained for each projection pattern light image.
この照射光源部によって照射されるパターン光は、複数の輝点を配置した輝点パターンであり、画像位置演算部は、(1)投影パターン光像中の輝点パターンの輝度データに基づいて各輝点の中心位置を演算する輝点位置演算部と、(2)投影パターン光像中の輝点パターンの輝度データに基づいて各輝点の重心位置に関する重心情報を演算する輝点重心情報演算部と、を備えていることが好ましい。 The pattern light irradiated by the irradiation light source unit is a bright spot pattern in which a plurality of bright spots are arranged, and the image position calculation unit (1) is based on the brightness data of the bright spot pattern in the projection pattern light image. A bright spot position calculation unit that calculates the center position of the bright spot, and (2) bright spot barycentric information calculation that calculates the barycentric information regarding the barycentric position of each bright spot based on the brightness data of the bright spot pattern in the projection pattern light image. And a portion.
照射パターン光が複数の輝点を配置した輝点パターンである場合、物体表面に投影された投影パターン光像も複数の輝点からなる輝点パターンとなる。各輝点は有限の大きさを持つが、輝点位置演算部は、最大輝度を持つ位置=輝点中心と仮定することで、輝度データに基づいて輝点の中心位置を算出する。輝点重心情報演算部は、輝点を中心とした領域の重心情報を求める。 When the irradiation pattern light is a bright spot pattern in which a plurality of bright spots are arranged, the projected pattern light image projected on the object surface is also a bright spot pattern composed of a plurality of bright spots. Although each luminescent spot has a finite size, the luminescent spot position calculation unit calculates the center position of the luminescent spot based on the luminance data by assuming that the position having the maximum luminance = the center of the luminescent spot. The bright spot centroid information calculation unit obtains centroid information of an area centered on the bright spot.
投影パターン光像中の輝点パターンの輝度データ中でで輝度が所定の基準値を超えるデータに基づいて演算を行うとよい。輝度が所定の基準値を下回るデータを除去することで、フィルタリングを行う。 The calculation may be performed based on data in which the luminance exceeds a predetermined reference value in the luminance data of the bright spot pattern in the projection pattern light image. Filtering is performed by removing data whose luminance falls below a predetermined reference value.
輝点重心情報演算部が出力する重心情報は、各輝点を中心とした領域についてのモーメント情報であるとよい。例えば、各輝点の中心位置における輝度の0次モーメントと1次モーメントからなるモーメント情報を求める。 The center-of-gravity information output from the bright spot center-of-gravity information calculation unit may be moment information about a region centered on each bright spot. For example, moment information composed of the 0th and 1st moments of luminance at the center position of each bright spot is obtained.
照射光制御部は、(1)照射光源部により照射するパターン光の照射位置を並進移動させる並進移動機構、(2)照射位置を回転移動させる回転移動機構、(3)パターン光中の各輝点の照射位置を独立に調整可能な光制御デバイスのいずれかを備えているとよい。 The irradiation light control unit includes (1) a translational movement mechanism that translates the irradiation position of the pattern light irradiated by the irradiation light source unit, (2) a rotational movement mechanism that rotates and moves the irradiation position, and (3) each brightness in the pattern light. Any one of the light control devices capable of independently adjusting the irradiation position of the point may be provided.
本発明によれば、測定対象物表面上に投影された異なる投影パターン光像を取得できる。そして、この投影パターン光像の違いをフィードバック制御できるので、少ない枚数の投影パターン光像で適切な形状認識を行うことができる。このため、システム構成が単純化され、処理も簡略化できるので、装置が大型化・複雑化することがない。さらに、照射するパターン光を最適化することができるので、複雑な形状を有する対象物やサイズの異なる対象物についても高精度で測定が可能となり、汎用性も向上する。 According to the present invention, it is possible to acquire different projection pattern light images projected on the surface of the measurement object. Since the difference between the projection pattern light images can be feedback-controlled, appropriate shape recognition can be performed with a small number of projection pattern light images. For this reason, the system configuration is simplified and the processing can be simplified, so that the apparatus is not increased in size and complexity. Furthermore, since the pattern light to be irradiated can be optimized, it is possible to measure a target having a complicated shape or a target having a different size with high accuracy, and the versatility is improved.
パターン光は、スリット光、スポット光等の組み合わせが可能であるが、極小スポット光である輝点の組み合わせとすると、輝点の投影位置算出、ひいては、物体の表面形状算出が容易になる。 The pattern light can be a combination of slit light, spot light, and the like, but if it is a combination of bright spots that are extremely small spot lights, it is easy to calculate the projected position of the bright spots and thus the surface shape of the object.
モーメント情報を利用してこの輝点の投影位置(重心位置)を算出するようにすると、算出手順が簡略化されるとともに、モーメント情報の算出部をハード的に撮像装置に一体化することができ、撮像から画像処理までを一体化して高速で処理することが可能となり、画像処理用に高速のプロセッサを別途設ける必要がなくなるので、有効である。 If the projection position (center of gravity position) of this bright spot is calculated using moment information, the calculation procedure can be simplified and the moment information calculator can be integrated into the imaging device in hardware. It is effective because it is possible to integrate from imaging to image processing at high speed, and it is not necessary to separately provide a high-speed processor for image processing.
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in the drawings as much as possible, and duplicate descriptions are omitted.
図1は、本発明に係る3次元形状計測装置の全体構成を示すブロック構成図である。この3次元形状計測装置9は、対象物6の表面形状の3次元位置データを非接触で測定するものであり、支持台7上に置かれた対象物6に所定のパターン光像を照射・投影する照射光源部5と、対象物6の表面上に投影されているパターン光像を撮像する撮像部1と、撮像部1の出力画像中における投影パターン光像の位置を求める画像位置演算部2と、求めた画像位置と照射光源部5、撮像部1の位置関係を基にして対象物6の表面形状を求める形状算出部3と、算出した形状データを基にして照射光源部5による照射位置等を制御する照射光制御部4を備えている。
FIG. 1 is a block configuration diagram showing the overall configuration of a three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention. This three-dimensional
図2は、照射光源部5の一実施例を示す構成図である。この実施例では、光源50と、その光軸上に配置されたコリメートレンズ51と、多数の微細な凸レンズ(マイクロレンズ)からなるマイクロレンズアレイ52を備えている。光源50は、レーザーダイオード等を用いた点光源であり、コリメートレンズ51は、光源50の出射光を平行光に調整する凸レンズであり、マイクロレンズアレイ52の各マイクロレンズは、入射した平行光を集光することにより、光軸に直交する平面上に所定間隔で2次元的に配置される多数のスポット光からなるパターン光像を生成して、投射する。
FIG. 2 is a configuration diagram showing an embodiment of the irradiation
図3は、撮像部1のブロック構成図である。この撮像部1は、汎用ビデオカメラに比べて高速のフレームレートで画像を取得可能な高速視覚センサ装置であり、N1個×N2個の2次元状に配置された多数の受光素子110からなる受光素子アレイ11と、受光素子アレイ11の1列ごとに対応して受光素子110から出力された電荷を電圧信号に変換するN2個のチャージアンプ120からなる並列アンプ12と、チャージアンプ120からの出力信号をA/D変換するN2個のA/D変換器130からなるA/D変換器アレイ13とで構成されている。
FIG. 3 is a block configuration diagram of the
図4は、撮像部1の詳細構成を示している。この撮像部1は、光を検出する受光部(受光素子アレイ11に対応)、と並列アンプ12、A/D変換器アレイ13に対応する信号処理部16と、これらに動作タイミングの指示信号を通知するタイミング制御部14を備えている。
FIG. 4 shows a detailed configuration of the
まず受光部に当たる受光素子アレイ11の構成を説明する。各受光素子110は、入力した光強度に応じて電荷を発生する光電変換素子111と、光電変換素子111の信号出力端子に接続され、垂直走査信号V(i=1〜N1)に応じて光電変換素子111に蓄積された電荷を出力するスイッチ素子112を1組として構成されている。この受光素子110が垂直方向に沿ってN1個配置され、各受光素子110のスイッチ素子112が電気的に接続されて垂直受光部115を構成している。そして、この垂直受光部115を垂直方向に直交する水平方向に沿ってN2個配列することにより受光素子アレイ11が構成されている。
First, the configuration of the light receiving
信号処理部16は、対応する垂直受光部115j(j=1〜N2)から転送されてきた電荷を個別に取り出して、増幅処理し、この電荷強度に対応するデジタル信号を出力する処理回路160jをN2個配置して構成されている。各処理回路160は、A/D変換器130にチャージアンプ120を内蔵した回路構成になっている。具体的には、処理回路160jは、チャージアンプ120jを含む積分回路161jと比較回路162jと容量制御機構163jの3つの回路から構成される。
The signal processing unit 16 individually extracts the charges transferred from the corresponding vertical light receiving units 115 j (j = 1 to N2), performs amplification processing, and outputs a digital signal corresponding to the charge intensity. N2 pieces are arranged. Each
このうち、積分回路161jは、垂直受光部115jからの出力信号を入力として、この入力信号の電荷を増幅するチャージアンプ120jと、チャージアンプ120jの入力端子に一方の端が接続され、出力端子に他方の端が接続された可変容量部164jと、チャージアンプ120jの入力端子に一方の端が接続され、出力端子に他方の端が接続されて、リセット信号Rに応じてON、OFF状態となり、積分回路161jの積分、非積分動作を切り替えるスイッチ素子165jからなる。
Among these, the
図5は、この積分回路161の詳細構成図である。本図は、4ビットつまり16階調の分解能を持つA/D変換機能を備える積分回路の例であり、以下、この回路構成により説明する。可変容量部164は、チャージアンプ120の垂直受光部からの出力信号の入力端子に一方の端子が接続された容量素子C1〜C4と、容量素子C1〜C4の他方の端子とチャージアンプ120の出力端子の間に接続され、容量指示信号C11〜C14に応じて開閉するスイッチ素子SW11〜SW14と、容量素子C1〜C4とスイッチ素子SW11〜SW14の間に一方の端子が接続され、他方の端子がGNDレベルと接続されて、容量指示信号C21〜C24に応じて開閉するスイッチ素子SW21〜SW24により構成されている。なお、容量素子C1〜C4の電気容量C1〜C4は、
C1=2C2=4C3=8C4
C0=C1+C2+C3+C4
の関係を満たす。ここで、C0は積分回路161で必要とする最大電気容量であり、受光素子110の飽和電荷量をQ0、基準電圧をVREFとすると、
C0=Q0/VREF
の関係を満たす。
FIG. 5 is a detailed configuration diagram of the
C 1 = 2C 2 = 4C 3 = 8C 4
C 0 = C 1 + C 2 + C 3 + C 4
Satisfy the relationship. Here, C 0 is the maximum electric capacity required in the
C 0 = Q 0 / V REF
Satisfy the relationship.
再び、図4に戻り、処理回路160jの積分回路161j以外の回路を説明する。比較回路162jは、積分回路161jから出力された積分信号VSの値を基準値VREFと比較して、比較結果信号VCを出力する。容量制御機構163jは、比較結果信号VCの値から積分回路161j内の可変容量部164jに通知する容量指示信号Cを出力すると共に、容量指示信号Cに相当するデジタル信号D1を出力する。
Returning to FIG. 4 again, circuits other than the
続いて、図4に示すタイミング制御部14の構成を説明する。全回路のクロック制御を行う基本タイミングを発生する基本タイミング部141と、基本タイミング部141から通知された垂直走査指示に従って、垂直走査信号Viを発生する垂直シフトレジスタ142と、リセット指示信号Rを発生する制御信号部143により構成されている。
Next, the configuration of the
この撮像部1による画像取得動作について具体的に説明する。まず、リセット信号Rを有為に設定し、図5に示す可変容量部164のSW11〜SW14を全て「ON」、SW21〜SW24を全て「OFF」状態にする。これにより、全チャージアンプ120の入力端子と出力端子間の容量値をC0に設定する。それと同時に、図4に示す全てのスイッチ素子112を「OFF」状態とし、垂直走査信号Viをいずれの受光素子110も選択しない状態に設定する。この状態から、リセット指示信号Rを非有為に設定し、各積分回路161での積分動作を開始させる。
The image acquisition operation by the
積分動作を開始させると、図4に示すN2個の各垂直受光部115jにある第1番目の受光素子1101,jのスイッチ素子112のみを「ON」とする垂直走査信号V1が出力される。スイッチ素子が「ON」になると、それまでの受光によって光電変換素子111に蓄積された電荷Q1は、電流信号として受光素子アレイ11から出力される。つまり、各光電変換素子111の信号を読み出すことができる。電荷Q1は容量値C0に設定された可変容量部164へと流入する。
When the integration operation is started, a vertical scanning signal V 1 for turning on only the
容量制御機構163は、図5に示されるSW12〜SW14を開放した後、SW22〜24を閉じる。この結果、積分信号VSは、
VS=Q/C1
で示す電圧値として出力される。出力された積分信号VSは、比較回路162で基準電圧値VREFと比較される。ここで、VSとVREFの差が、分解能の範囲以下、すなわち±(C4/2)以下の時は、一致したものとみなし、更なる容量制御は行わず、積分動作を終了する。分解能の範囲で一致しないときは、更に容量制御を行い、積分動作を続ける。
The
V S = Q / C 1
Is output as a voltage value indicated by. The output integration signal V S is compared with the reference voltage value V REF by the comparison circuit 162. Here, the difference between V S and V REF is in the range of sub-resolution, i.e. ± (C 4/2) when the following are deemed to have matched, a further capacity control is not performed, and ends the integration operation. If they do not match within the resolution range, the capacity is further controlled and the integration operation is continued.
例えば、VS>VREFであれば、容量制御機構163は、更に、SW22を開放した後に、SW12を閉じる。この結果、積分信号VSは、
VS=Q/(C1+C2)
で示す電圧値となる。この積分信号VSは、後続の比較回路162へと送られ、基準電圧値VREFと比較される。
For example, if V S > V REF , the
V S = Q / (C 1 + C 2 )
It becomes a voltage value shown by. This integration signal V S is sent to the subsequent comparison circuit 162 and compared with the reference voltage value V REF .
また、VS<VREFであれば、容量制御機構163は、SW11及びSW22を開放した後に、SW12及びSW21を閉じる。この結果、積分信号VSは、
VS=Q/C2
で示す電圧値となる。この積分信号VSは、後続の比較回路162に送出され、基準電圧値VREFと比較される。
If V S <V REF , the
V S = Q / C 2
It becomes a voltage value shown by. This integration signal V S is sent to the subsequent comparison circuit 162 and compared with the reference voltage value V REF .
以後、同様にして、積分回路161→比較回路162→容量制御機構163→積分回路161と連なるフィードバックループによって、積分信号VSが基準電圧値VREFと分解能の範囲で一致するまで、比較及び容量設定(SW11〜SW14及びSW21〜SW24のON/OFF制御)を順次繰り返す。積分動作が終了した時点のSW11〜SW14のON/OFF状態を示す容量指示信号C11〜C14の値は、電荷Q1の値に対応したデジタル信号であり、最上位ビット(MSB)の値がC11、最下位ビット(LSB)の値がC14である。こうしてA/D変換が行われ、これらの値をデジタル信号D1として、画像位置演算部2へと出力する。以上述べたように、この装置では、デジタル信号D1の各ビット値は、MSB側からLSB側へ1ビットずつ順に定まる。
Thereafter, in the same manner, by the feedback loop connecting the
第1番目の受光素子1101,jの光電出力に相当するデジタル信号の送出が終了すると、リセット信号Rが有為とされ、再び、非有為にして、可変容量部164jの容量値を初期化した後に、各垂直受光部115jの第2番目の受光素子1102,jのスイッチ素子112のみを「ON」とする垂直走査信号V2を出力し、上述と同様の動作により、第2番目の受光素子1102,jの光電出力を読み出し、これに相当するデジタル信号を送出する。以下、垂直走査信号を切り替えて、全受光素子110の光電出力を読み出し、相当するデジタル信号を画像位置演算部2に出力する。
When the transmission of the digital signal corresponding to the photoelectric output of the first
これにより、画像位置演算部2には、画像を構成するN1×N2画素のデータが列ごとに送り込まれるので、1画素ごとにデータを転送する場合に比較して高速でデータを転送することができ、高速フレームレートで画像を取得することができる。
Thereby, since the data of N1 × N2 pixels constituting the image is sent to the image
次に、画像位置演算部2の構成を説明する。図6は、画像位置演算部2のブロック構成図である。画像位置演算部2は、入力された画像データからノイズを除去する平滑化処理を行う平滑化処理部21と、平滑化処理後のデータを基に、輝点を抽出してその画素位置を求める輝点抽出部(輝点位置演算部に相当する。)22と、輝点の面積を求める輝点面積処理部23と、輝点の重心情報を求める輝点重心情報処理部24を備えている。
Next, the configuration of the image
図7は、平滑化処理部21の回路構成の一例を示す図である。この平滑化処理部21は、受光部1から送られた画素の輝度を表すデジタル出力信号に平滑化処理を施すことで、ノイズを除去するものである。その構成は、順次転送されてくる画素の輝度データd(x,y)を3画素分保持するためのデータバッファ211と、そのデータバッファ211に蓄えられたデータを積算して総和をとるSUM演算器212、及び、総和された値を3で割って規格化するための除算器213から構成される。輝度データ列が入力されると、3画素分の輝度データがデータバッファ211に蓄えられて、SUM演算器212でその総和が計算され、その値を3で割ったもの、つまり、3画素の平均輝度が出力される輝度データとなる。つまり下記の演算がなされる。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the smoothing
ここでは3画素分(左右の2近傍画素)のデータについて平滑化をおこなったが、上下左右の4近傍を用いる方法などがある。この場合の処理アルゴリズムは、以下のとおりである。 Here, smoothing is performed on data for three pixels (two neighboring pixels on the left and right), but there is a method using four neighborhoods on the top, bottom, left, and right. The processing algorithm in this case is as follows.
図8は、輝点抽出部22の回路構成の一例を示す図である。輝点抽出部22は、順次転送されてくる画素の輝度データd(x,y)を3行分(N1×3画素分)保持するためのデータバッファ221と、そのデータバッファ221に蓄えられたデータから読み込んだ3×3画素領域の輝度データについて中心画素と周囲の8画素それぞれとの間で輝度データの比較を行う8つの比較器222と、比較結果の論理積(AND)を求めるAND演算器223と、AND演算器223の計算結果を基にして、輝点データを出力する判定出力部224を備えている。
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the bright
平滑化処理部21で処理された輝度データのデータ列は、データバッファ221へ送られ、3行分の輝度データが蓄積される(以下、平滑化処理部21で処理後の輝度データをd(x,y)で表す)。8つの比較器222は、中心画素(画素位置(x,y))の輝度d(x,y)を周囲の8画素それぞれの輝度d(x-1,y-1)〜d(x+1,y+1)と比較し、中心画素が周囲の画素より大きく、かつ、その輝度が所定のしきい値を超えている場合にのみ比較結果が真であるとし、その他の場合には、偽である旨出力する。AND演算器223は、比較結果の論理積を求める。これにより、中心画素の輝度が周囲の8画素のいずれよりも高い場合(つまり、中心画素が輝度の極大値である場合)のみに出力信号は真となり、それ以外の場合には偽となる。判定出力部224は、AND演算器223の出力が真の場合に、中心画素の画素位置(x,y)とその輝度値d(x,y)を輝点データとして出力する。この輝点中心の算出は、輝度値d(x,y)が所定値を超える(あるいは所定値以上)画素のみを中心画素の対象として行ってもよい。
The data string of the luminance data processed by the smoothing
図9は、輝点面積処理部23の回路構成の一例を示す図である。輝点面積処理部23は、順次転送されてくる画素の輝度データd(x,y)を3行分(N1×3画素分)保持するためのデータバッファ231と、そのデータバッファ231に蓄えられたデータから読み込んだ3×3画素領域の輝度データそれぞれについてしきい値との比較を行う9つの比較器232と、比較結果の総和を求めるSUM演算器233とを備えている。
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the bright spot
平滑化処理部21で処理された輝度データのデータ列は、データバッファ231へ送られ、3行分の輝度データが蓄積される。9つの比較器232は、画素位置(x,y)を中心画素とする9つの画素それぞれの輝度d(x-1,y-1)〜d(x+1,y+1)をしきい値thと比較し、輝度が所定のしきい値を超えている場合に1を出力し、その他の場合には、0を出力する。そして、SUM演算器233は、比較器232の出力の総和をとることで、しきい値thよりも輝度の高い画素の点数を求める。これが輝点面積s(x,y)として出力される。
The data string of luminance data processed by the smoothing
この輝点面積判定処理は、全ての画素を中心画素として行うのではなく、輝点抽出部22で輝点と判定された画素を中心画素としてのみ行うことで、処理対象となる輝点数を削減することができる。この場合、さらに、対象領域をN×M領域へと拡大することで、任意(N×M以内)の大きさの面積を有する輝点の面積を算出することができる。
This bright spot area determination process does not perform all the pixels as the central pixel, but reduces the number of bright spots to be processed by performing only the pixel determined as the bright spot by the bright
図10は、輝点重心情報処理部24の回路構成の一例を示す図である。輝点重心情報処理部24は、順次転送されてくる画素の輝度データd(x,y)を3行分(N1×3画素分)保持するためのデータバッファ241と、そのデータバッファ241に蓄えられたデータから読み込んだ3×3画素領域の輝度データを用いて中心画素回りの0次モーメントとX方向、Y方向それぞれの1次モーメントをそれぞれ求めるモーメント演算器242〜244から構成される。
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the bright spot centroid
平滑化処理部21で処理された輝度データのデータ列は、データバッファ231へ送られ、3行分の輝度データが蓄積される。蓄積されたデータから、ある画素位置(x,y)を中心画素とする9つの画素の輝度データd(x-1,y-1)〜d(x+1,y+1)が各モーメント演算器242〜244により読み出され、重心情報である0次モーメントM0(x,y)、X方向1次モーメントM1x(x,y)、Y方向1次モーメントM1y(x,y))を下記の式に基づいてそれぞれ求める。
The data string of luminance data processed by the smoothing
近年、こうした画像演算処理を行うハードウェアを簡易に開発実装できるデバイスとしてFPGA(Field Programmable Gate Array)などが実用化されており、演算対象に応じた処理をハードウェア化する作業を効率的に行うことが可能となっている。さらに、HDL(Hardware Discription Language:ハードウエア記述言語)を用いることで、ソフトウェア的な処理内容の記述によって回路を設計することが可能となっているため、所望の画像処理を行うハードウェアを容易に作成することができる。このようにして作成したハードウェアによって画像処理を行うことで、汎用的な回路によりソフトウェアによって画像処理を行う場合に比べて高速での画像演算が可能となる。 In recent years, FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) and the like have been put into practical use as devices that can easily develop and implement hardware for performing such image arithmetic processing, and efficiently perform the work of hardware processing according to the operation target. It is possible. Furthermore, by using HDL (Hardware Description Language), it is possible to design a circuit with a description of the processing contents of software, so that hardware for performing desired image processing can be easily performed. Can be created. By performing image processing using the hardware thus created, it is possible to perform image calculation at a higher speed than when image processing is performed by software using a general-purpose circuit.
抽出した輝点に関してのみ、輝点重心情報を出力することで、画像情報を直接出力する場合に比べて出力するデータ量を圧縮して削減することができる。例えば、128×128画素で、各画素が8階調の受光素子アレイ11による場合、画像データをそのまま出力すると、1画面が16kbyteのデータとなる。上述の重心情報は1輝点あたり8byte程度あれば足りるため、画面内に100輝点存在する場合でも、通信データ量は800byteとなり、約1/20にデータ量を削減できる。この圧縮率は、輝点数に対してセンサの解像度を向上させるほど顕著に向上する。
By outputting the bright spot centroid information only for the extracted bright spots, the amount of data to be output can be compressed and reduced compared to the case of directly outputting image information. For example, if the light
次に、形状算出部3の構成を説明する。図11は、形状算出部3の構成を説明するブロック構成図である。形状算出部3は、入力された重心情報から重心位置を求める重心位置演算部30と、求めた重心位置と撮像部1の光軸(主軸)と対象物6表面に照射されるスポット光の光軸とのなす角度である偏角θとから高さ情報を算出する高さ情報算出部31とを備えている。
Next, the configuration of the
重心位置演算部30は、画像位置演算部2から送られてきた輝点重心情報を基にして次式により輝点の重心位置(Px,Py)を求める。
The center-of-gravity
図12は、撮像部1、照射光源部5、対象物6の位置関係と、撮像部1で取得した投影パターン光像の例を示す図である。ここで、撮像部1の主軸は、各スポット光の光軸とともに同一のX平面内に位置するものとする。
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a positional relationship among the
図12に示されるように、対象物6の表面の一部が基準位置Px0から高さΔhだけ高くなっている場合、撮像部1で撮像した対象物6表面上に投影されたスポット光像においては、この高くなっている部分のスポット光像が基準位置に表面が存在する場合よりΔxだけ図の右方向に移動することになる。このずれ量Δxと、Δhとの関係は、Δh=Δx/tanθによって表せる。これにより、スポット光位置に対応する位置の対象物6の表面位置を求めることができる。
As shown in FIG. 12, when a part of the surface of the
例えば、θを10度、画像の倍率を1倍、視野を5×5mm、画素サイズを40μm×40μmとし、重心の演算精度を1/100とすると、高さ精度は0.4/tan10°=2.3μmとなり、十分な高さ精度を実現できる。250μmピッチでスポット光を配置した場合、隣接スポットとの高さの差が2mm以内であれば、スポットが重なることはない。 For example, if θ is 10 degrees, the image magnification is 1 ×, the field of view is 5 × 5 mm, the pixel size is 40 μm × 40 μm, and the calculation accuracy of the center of gravity is 1/100, the height accuracy is 0.4 / tan 10 ° = It becomes 2.3 μm, and sufficient height accuracy can be realized. When spot lights are arranged at a pitch of 250 μm, spots do not overlap as long as the difference in height from adjacent spots is within 2 mm.
照射光制御部4は、形状算出部3から送られた情報を基にして、輝点の変位(基準位置からの位置ずれ)が大きく、高さ変位が大きいためにスポット光が重なるような場合には、スポット光間隔を大きく変更するように照射光源部5に指示する。逆に、輝点の変位が小さすぎ、高さ変位が小さい場合には、より精度を高めるために点間隔を小さくするよう指示する。
The irradiation
具体的には、例えば、マイクロレンズアレイ52の各レンズの間隔を調整する機能を設けたり、コリメートレンズ51の位置を調整することで、マイクロレンズアレイ52に入射させる光の状態を変えてスポット光の位置を調整する。また、照射光源部5と対象物6の位置関係を変更することで投影される位置を変更してもよい。特に、各スポット光の光軸を平行に配置せず、所定の位置から放射状に配置するか、所定の位置に向かって集光するように配置しておくと、照射光源部5と対象物6の距離を変更することでスポット光の間隔を変化させることができる。
Specifically, for example, the function of adjusting the distance between the lenses of the
照射光源部5によるパターン光像のパターン変更手法の具体例のいくつかを図を参照しつつ説明する。図13は、ビームスプリッタを用いた照射光源部5aであって、光源50から出射され、コリメートレンズ51で平行光に調整した光をビームスプリッタ53で複数の向きの異なる平行光に分割し、集光レンズ54によってスポット光に調整する。ビームスプリッタ53の光軸との角度を変えることで、パターン光の位置が調整可能である。ビームスプリッタに代えて、位相板と複屈折結晶とを組み合わせたものを使用してもよい。
Some specific examples of the pattern light image pattern changing method by the irradiation
図14は、DMD(Digital Mirror Device)を用いた照射光源部5bである。DMDは、半導体基板上に微細な可動ミラーを敷きつめたものである。光源5から出射された光は、コリメートレンズ51で平行光に調整されて、ハーフミラー55を通過し、DMD56で反射され、ハーフミラー55でさらに反射されてマイクロレンズアレイ52に導かれ、スポット光に調整される。DMD56の各ミラーの傾きを調整することで、スポット光の位置を調整することができる。
FIG. 14 shows an irradiation
DMD56に代えてSLM(Spatial Light Modulator:空間光変調器)を用いると、入射光の位相を変調して出射される光の波面をマイクロレンズアレイ52のレンズごとに変更することができる。このように出射光の波面を変えることにより、照射位置を移動させることができる。
When an SLM (Spatial Light Modulator) is used instead of the
このように、DMDやSLMを利用した場合は、スポット光それぞれの位置を独立して変更することができるため、特に、複雑な表面形状を有する対象物6の表面形状を測定するのに有効である。
As described above, when DMD or SLM is used, the position of each spot light can be changed independently. Therefore, it is particularly effective for measuring the surface shape of the
図15は、シフト板を利用してスポット光の位置を変更する照射光源部5cである。シフト板57は、入射した光を所定方向にシフトさせて出力するものであり、入射光軸に対して斜めに配置され、かつ、入射光軸を中心に回転可能に配置されている。シフト板57を入射光軸を中心に回転させることで、対象物6表面上でのスポット光の照射位置を移動させることが可能となる。このようなシフト板57を複数組み合わせることで、照射好位置の移動パターンを複雑なものとすることができる。
FIG. 15 shows an irradiation
以上の説明では、投影パターンとしては、輝点を2次元状に配置する例を説明してきたが、複数のスリット光を照射してもよい。スリット光を照射した場合、図16に示されるように、高さ情報がスリット光の位置ずれとして検出できる。図17は、スリット光を用いる場合の画像位置演算部2aの構成を示す図である。この画像位置演算部2aでは、図6に示されるスポット光に対応した画像位置演算部2の輝点面積処理部23に代えて基線幅処理部26を有している。基線幅処理部26では、輝点面積処理部23と同様の手法により、輝線の幅w(x,y)を求める。重心情報処理部24は、輝線重心情報処理部24aは、輝点重心情報処理部24と同様の手法により輝線の重心情報である0次モーメントM0(x,y)、X方向1次モーメントM1x(x,y)をそれぞれ演算する。形状算出部3の重心位置演算部30は、得られたモーメントを基にして輝線の重心位置を求める。
In the above description, an example in which bright spots are two-dimensionally arranged has been described as the projection pattern, but a plurality of slit lights may be irradiated. When the slit light is irradiated, the height information can be detected as the positional deviation of the slit light as shown in FIG. FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration of the image
パターン光像の変更としては、輝線の太さ、間隔等を変化させればよい。ここでは、平面状でスリット光の向きがy方向に沿って延びるように配置しているが、スリット光の向きを変化させてもよい。間隔、向きを変えるためには、上述したスポット光の場合と同様の手段を用いることができる。 The pattern light image may be changed by changing the thickness of the bright line, the interval, and the like. Here, although it arrange | positions so that it may be planar and the direction of slit light may extend along ay direction, you may change the direction of slit light. In order to change the interval and direction, the same means as in the case of the spot light described above can be used.
重心位置を求めた後の処理の概要は、上述のスポット光の場合と同様である。なお、画像処理においては、スリット光を長さ方向に分割してスポット光の場合と同様の取扱をすることもできる。 The outline of the processing after obtaining the position of the center of gravity is the same as that in the case of the above-described spot light. In the image processing, the slit light can be divided in the length direction and can be handled in the same manner as the spot light.
投影パターンは、輝点パターン、スリット光に限られるものではなく、方眼パターン、同心円パターン等各種のパターン光像を採用することができる。 The projection pattern is not limited to the bright spot pattern and the slit light, and various pattern light images such as a grid pattern and a concentric circle pattern can be adopted.
以上説明したように、本発明によれば、対象物の形状に応じて、輝点やスリット等からなる投影パターン光像を変化させることで、対象物の形状を高速で正確に検出することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to accurately detect the shape of an object at high speed by changing a projection pattern light image composed of bright spots, slits, and the like according to the shape of the object. it can.
1…撮像部、2…画像位置演算部、3…形状算出部、4…照射光制御部、5…照射光源部、6…対象物、7…支持台、9…3次元形状計測装置、11…受光素子アレイ、12…並列アンプ、13…変換器アレイ、14…タイミング制御部、16…信号処理部、21…平滑化処理部、22…輝点抽出部、23…輝点面積処理部、24…輝点(輝線)重心情報処理部、26…基線幅処理部、30…重心位置演算部、31…情報算出部、50…光源、51…コリメートレンズ、52…マイクロレンズアレイ、53…ビームスプリッタ、54…集光レンズ、55…ハーフミラー、57…シフト板、110…受光素子、111…光電変換素子、112、165…スイッチ素子、115…垂直受光部、120…チャージアンプ、130…変換器、141…基本タイミング部、142…垂直シフトレジスタ、143…制御信号部、160…処理回路、161…積分回路、162…比較回路、163…容量制御機構、164…可変容量部、211、221、231、241…データバッファ、212、233…SUM演算器、213…除算器、222、232…比較器、223…AND演算器、224…判定出力部。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
光軸に直交する平面上に多数の輝点および/または輝線を所定間隔で配置したパターン光像を測定対象物に照射してその表面に投影する照射光源部と、
複数の受光素子から構成され、照射されたパターン光像によって測定対象物表面に投影された投影パターン光像を撮像する撮像部と、
前記撮像部の出力画像から、画像中の投影パターン光像の位置を求める画像位置演算部と、
求めた投影パターン光像の位置情報と、撮像時の撮像部と照射光源部との位置関係情報を基にして対象物体の形状を求める形状算出部と、
前記形状算出部の算出結果に応じて前記照射光源部により次に照射するパターン光の光像内における輝点、輝線の間隔または太さを調整する照射光制御部と、
を備えていることを特徴とする3次元形状計測装置。 A three-dimensional shape measuring apparatus for measuring a three-dimensional shape of a measurement object in a non-contact manner,
An irradiation light source unit that irradiates a measurement object with a pattern light image in which a large number of bright spots and / or bright lines are arranged at predetermined intervals on a plane orthogonal to the optical axis, and projects it onto the surface;
An imaging unit that includes a plurality of light receiving elements, and that captures a projected pattern light image projected on the surface of the measurement object by the irradiated pattern light image;
An image position calculation unit for obtaining the position of the projection pattern light image in the image from the output image of the imaging unit;
A shape calculation unit for determining the shape of the target object based on the positional information of the obtained projection pattern light image and the positional relationship information between the imaging unit and the irradiation light source unit at the time of imaging;
An irradiation light control unit that adjusts the bright spot, the interval or the thickness of the bright line in the light image of the pattern light to be irradiated next by the irradiation light source unit according to the calculation result of the shape calculation unit,
A three-dimensional shape measuring apparatus comprising:
前記画像位置演算部は、
前記投影パターン光像中の輝点パターンの輝度データに基づいて各輝点の中心位置を演算する輝点位置演算部と、
前記投影パターン光像中の輝点パターンの輝度データに基づいて各輝点の重心位置に関する重心情報を演算する輝点重心情報演算部と、
を備えていることを特徴とする請求項1記載の3次元形状計測装置。 The pattern light irradiated by the irradiation light source unit is a bright spot pattern in which a plurality of bright spots are arranged,
The image position calculator is
A bright spot position calculation unit that calculates the center position of each bright spot based on the brightness data of the bright spot pattern in the projected pattern light image;
A bright spot barycenter information calculation unit that calculates barycentric information related to the barycentric position of each bright spot based on the brightness data of the bright spot pattern in the projection pattern light image;
The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, comprising:
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