JP6193609B2 - 三次元形状計測装置、三次元形状計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元形状計測装置、三次元形状計測方法に関する。

三次元形状計測装置で用いられる三次元形状計測法として、いくつかの手法が提案されている。投影装置を用いずに撮影装置だけで形状計測を行うパッシプ方式と、投影装置と撮影装置とを組み合わせて用いるアクティブ方式と、が知られている。アクティブ方式では、投影された対象物体を撮影した画像から対象物体の三次元形状を計測する。対象物体は三次元形状を有していることから、三次元形状計測装置には、奥行方向に関しても形状計測に必要な精度を満たすことが求められる。

このような、アクティブ方式の三次元形状計測装置の例として、特許文献１および特許文献２が開示されている。特許文献１では、スリット状の投影を対象物体に照射して、積算照射強度分布が三角波状になるように光源を制御し、位相シフト法の原理を用いて三次元形状計測を行う技術が開示されている。特許文献２では、デジタル階調値の投影パターンをデフォーカスさせることで、正弦波パターンにし、特許文献１と同様に位相シフト法の原理を用いて三次元形状計測を行う技術が開示されている。

特開平１１−１１８４４３号公報 特開２００７−８５８６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の三次元形状計測装置では、対象物体の奥行方向の全域において、必要な精度を満たすことが難しい。また、特許文献２に記載の三次元形状計測装置でも、同様に、対象物体の奥行方向の全域において必要な精度を満たすことが難しい。なぜならば、撮影装置から離れると撮影装置で取込む光量が低下するため、撮影した画像は暗くなる。対象物体を撮影した画像が暗いと撮影装置のＳＮ（信号とノイズとの比）が悪化するため、三次元形状の精度は悪化する。また、投影光学系のフォーカス面からのデフォーカスに伴いコントラストが悪化し、コントラストが悪化した画像から算出された三次元形状の精度は悪化するからである。

具体的には、特許文献１のように奥行のある対象物体の場合、撮影装置の手前の面に対して奥の面では撮影装置で取込む光量が低下し、撮影画像が暗くなる。それに伴い、撮影装置のＳＮが悪化するため、計測精度が悪化する。そのため、撮影装置に最も近い面での計測精度に対して遠い面での計測精度の悪化が大きく、奥行方向の全域において必要な精度を満たすことが難しいという課題がある。

また特許文献２のように、投影パターンのフォーカス面が、対象物体が存在する領域の外にある場合、投影パターンのコントラストは、投影パターンのフォーカス面に近い対象物体の面から遠い面に向かって低下する。それに伴い撮影画像のコントラストが低下するため、計測精度が悪化し、特許文献１と同様に奥行方向の全域において必要な精度を満たすことが難しいという課題がある。

上記の課題に鑑み、本発明は、奥行方向に対する計測精度の低下を抑制し、計測空間全域において良好な計測精度を得ることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る三次元形状計測装置は、対象物体に、明部と暗部を有するパターン光を投影する投影手段と、前記パターン光が投影された対象物体を撮影する撮影手段と、前記撮影された画像に基づいて前記対象物体の三次元形状を計測する計測手段とを備え、前記投影手段の投影光学系の焦点位置は、前記投影手段に対して、前記投影手段の投影軸と前記撮影手段の撮影軸との交点よりも奥、または前記投影手段の投影軸と前記撮影手段の撮影軸とが最も近接する前記投影軸上の点よりも奥に設定されており、前記撮影手段により撮影される画像における前記明部と前記暗部とのコントラスト値は、前記交点又は前記投影手段の投影軸と前記撮影手段の撮影軸とが最も近接する前記撮影軸上の点よりも前記撮影手段に対して奥の領域で最大値をもつことを特徴とする。

本発明によれば、奥行方向に対する計測精度の低下を抑制し、計測空間全域において良好な計測精度を得ることができる。

第１実施形態に係る三次元形状計測装置の構成図。 第１実施形態に係る計測空間を示す図。 第１実施形態に係る投影パターンを示す図。 第１実施形態に係る光学系の模式図。 第１実施形態に係る光学系の模式図。 第２実施形態に係る三次元形状計測装置の構成図。 第２実施形態に係る計測空間を示す図。 第２実施形態に係る光学系の模式図。 第２実施形態に係る光学系の模式図。 第３実施形態に係る三次元形状計測装置の構成図。 第３実施形態に係る計測空間を示す図。 第３実施形態に係る光学系の模式図。 第４実施形態に係る三次元形状計測装置の構成図。 第４実施形態に係る計測空間を示す図。 第４実施形態に係る光学系の模式図。 第１実施形態に係る撮影距離とコントラストとの関係、または、撮影距離と撮影画像の明るさとの関係を示す図。 第１実施形態に係る撮影距離と計測誤差との関係を示す図。 第４実施形態に係る三次元形状計測装置の配置図。 第５実施形態に係る三次元形状計測装置の構成図。 第５実施形態に係る計測空間を示す図。 第５実施形態に係る光学系の模式図。

（第１実施形態）
図１を参照して、第１実施形態に係る三次元形状計測装置の構成を説明する。三次元形状計測装置は、投影部１０１と、撮影部１０２と、制御部１０３とを備える。

投影部１０１は、所定の投影パターンを投影するパターン光を対象物体１０４へ投影する投影動作を実行するプロジェクタである。投影部１０１は、投影範囲１０５で示される空間へ投影可能である。投影部１０１は、会議室等で上方投影用に使用されるプロジェクタと同様に、光軸と投影画像中心とが一致していないものとする。

撮影部１０２は、パターン光が投影された対象物体１０４を撮影するカメラである。撮影部１０２は、撮影範囲１０６で示される空間を撮影可能である。制御部１０３は、例えばパーソナル・コンピュータであり、投影部１０１および撮影部１０２の動作を制御する。制御部１０３は、対象物体１０４の三次元形状を計測する処理も実行する。

次に、図２を参照して、第１実施形態に係る計測空間を説明する。投影軸１０７は、投影部１０１から投影画像中心へ向かう軸であり、光軸と一致していない。光軸１０８は、撮影部１０２の光軸（撮影中心へ向かう撮影軸）である。交点１０９は、投影軸１０７と光軸１０８とが交差する点である。計測空間１１０は、投影範囲１０５と撮影範囲１０６との両方に含まれ、当該投影範囲１０５と撮影範囲１０６とにより規定される空間である。本実施形態では、交点１０９は、計測空間中に含まれ、投影部１０１から観察した場合に計測空間１１０の奥行方向距離を二等分するように配置されている。計測面１１６は、計測空間１１０の中で、投影部１０１および撮影部１０２から最も近い計測面である。計測面１１７は、計測空間１１０の中で、投影部１０１および撮影部１０２から最も遠い計測面である。本実施形態では、交点１０９は、計測空間１１０の内部に設定されているが、必ずしも当該内部に限定されず外部であってもよい。

本実施形態に係る三次元形状計測装置は、空間符号化法による形状計測を行う。まず投影部１０１が、図３に示されるような明暗パターン１１１を対象物体１０４へ投影する。そして、撮影部１０２は、明暗パターン１１１が投影された対象物体１０４を撮影する。制御部１０３は、撮影部１０２により撮影された画像を処理して、対象物体１０４の三次元形状を計測する。より具体的には、明暗パターン１１１の明暗のエッジ位置を検出し、エッジ位置に対応する投影部１０１の投影軸と撮影部１０２の撮影軸とのなす角度に基づいて、三角測量の原理で投影部１０１および撮影部１０２から対象物体１０４までの距離を算出する。

本実施形態では、明暗パターン１１１のエッジ位置の検出方法として、ネガポジ交点検出法を用いる。ネガポジ交点検出法は、投影部１０１が明暗パターン１１１の明暗位置を切り替えたパターンを連続して投影し、撮影部１０２が撮影した画像の強度分布の交点をエッジ位置とする方法である。

ネガポジ交点検出法では、一般的に撮影部１０２により撮影される明暗パターンのコントラストが高い方がエッジ位置の検出精度が高いことが知られている。また、撮影部１０２により撮影された画像の明度が高い方が撮影部１０２のＳＮ（信号とノイズとの比）が向上する。そのため、投影部１０１からの投影は明度が高い方がエッジ位置の検出精度が高くなる。

本実施形態に係る三次元形状計測装置では、計測空間１１０の全域において必要な精度以上で形状計測する必要がある。しかしながら、撮影部１０２により撮影された画像は、図１６（ａ）に示されるように、フォーカス位置（焦点位置）ではコントラストが高いが、フォーカス位置からずれるとコントラストが低下する。また、図１６（ｂ）に示されるように、撮影部１０２からの距離が近いと取込角度が大きくなり画像は明るくなるが、撮影部１０２からの距離が遠いと取込角度が小さくなり画像は暗くなる。

そのため、投影部１０１のフォーカス位置を交点１０９に合わせた場合、計測面１１６では、デフォーカスによりコントラストが低下するが、計測面１１６が撮影部１０２に近いため撮影画像は明るい。一方、計測面１１７では、デフォーカスによりコントラストが低下し、計測面１１７が撮影部１０２から遠いため撮影画像も暗くなる。したがって、撮影距離と計測誤差との関係は、図１７（ａ）に示されるような関係になり、計測面１１６に比べて計測面１１７では計測精度は低下する。そこで本実施形態では、投影部１０１のフォーカス位置を交点１０９よりも投影部１０１からみて奥に合わせる。

図４は、撮影部１０２のフォーカス位置の様子を示している。レンズ１１４は、撮影部１０２の撮影光学系を模式的に１枚のレンズとして表したものであり、撮影素子１１５は、レンズ１１４から入ってきた光を電気信号に変換する。図４に示されるように、撮影部１０２のフォーカス位置は、交点１０９に合わせている。

一方、図５は、投影部１０１のフォーカス位置の様子を示している。レンズ１１２は、投影部１０１の投影光学系を模式的に１枚のレンズとして表したものであり、表示素子１１３は、明暗パターンを表示する。図５に示されるように、投影部１０１のフォーカス位置１１８は、交点１０９よりも奥に合わせている。

図４および図５に示されるような構成にすることにより、図１６（ｃ）に示されるように、計測面１１６での投影部１０１のデフォーカスによるコントラスト低下は、計測面１１７でのコントラスト低下よりも大きくなる。したがって、撮影距離と計測誤差との関係は、図１７（ｂ）に示されるような関係になり、撮影部１０２からの距離による撮影画像の明るさの変化と合わせると、計測面１１６の計測精度と計測面１１７の計測精度とは同程度となる。また、投影部１０１のフォーカス位置が交点１０９よりも奥にあるため、フォーカス位置が交点１０９にある場合に比べて、計測面１１７でのコントラストの低下は小さい。そのため、フォーカス位置が交点１０９にある場合に比べると計測面１１７での計測精度は向上する。すなわち、撮影距離全体に渡って計測誤差が一定の範囲に収まり精度の極端な低下が生じず、全体として一定の計測精度を得ることができる。

以上説明したように、投影部１０２のフォーカス位置を交点１０９よりも奥に設定することにより、計測空間１１０全域において一定の計測精度を得ることができる。投影部１０２のフォーカス位置を交点１０９に合わせた場合、計測空間１１０全域で本実施形態と同程度の計測精度を得るためには、投影部１０１もしくは撮影部１０２の結像性能を上げて撮影画像のコントラストを向上させるか、投影部１０１から投影される光量を上げる必要がある。しかし、本実施形態ではその必要がないため、投影部１０１、撮影部１０２の結像性能を必要以上に上げる必要がなく、投影部１０１、撮影部１０２を構成するレンズ枚数を削減することができ、全体としてコスト削減につながる。また、投影部１０１の光源の出力を小さくすることで低消費電力化や、光源から発生する熱が少なくなるため冷却系を小さくすることができ、小型化につながる。

ここで、計測空間の奥行が大きく、計測面１１６と計測面１１７との距離がより離れている場合、計測面１１６の撮影画像の明るさと計測面１１７の撮影画像の明るさとの差がより大きくなるため、投影部１０１のフォーカス位置を計測面１１７により近い位置に設定する。これにより、計測面１１７でのデフォーカスによるコントラスト低下が小さくなり、計測面１１７での精度低下をより軽減できる。

また、投影部１０１のレンズ１１２のデフォーカスによるコントラスト低下が大きい場合、投影部１０１のフォーカス位置を交点１０９に近い位置に設定する。これにより、計測面１１６でのデフォーカスによるコントラスト低下が小さくなり、計測面１１６での精度低下をより軽減できる。

なお、投影部１０１のフォーカス位置を交点１０９よりも奥に合わせる方法としては、投影部１０１の投影光学系を設計する際にフォーカス位置を交点１０９よりも奥にしてもよい。また、投影部１０１がオートフォーカス機能を有する場合には、フォーカスを合わせるべき位置にフォーカス合わせ用のチャートを配置してフォーカスを合わせる方法、もしくは、交点１０９でフォーカスを合わせた後に、フォーカス調整用のレンズを用いて奥側にフォーカスを合わせる方法を取ってもよい。また、フォーカス位置が奥になりすぎると計測精度が低くなる箇所が表れてくるため、フォーカス位置は、コントラストと画像の明るさとの関係によって適切な位置に設定するとよい。

また、交点１０９の検出方法としては、投影部１０１にて投影画像の中心のみ画像を投影し、計測面１１６に配置したスクリーンを奥に移動させながら撮影部１０２にて観察した際に、撮影画像の中心に投影画像の中心がきた位置を交点１０９とする方法がある。

本実施形態では、空間符号化法による三次元形状計測を行っており、エッジ位置の検出方法としてはネガポジ交点検出法を用いている。しかしながら、ネガポジ交点検出法に限定されず、微分フィルタによるエッジ位置の検出や強度分布の重心検出を行う方法を用いてもよい。また、三次元形状計測の方法も空間符号化法だけでなく、正弦波パターンを投影する位相シフト法や光切断法を用いてもよい。

（第２実施形態）
図６を参照して、第２実施形態に係る三次元形状計測装置の構成を説明する。三次元形状計測装置は、投影部２０１と、撮影部２０２と、制御部２０３とを備える。

投影部２０１は、パターン光を対象物体２０４へ投影する投影動作を実行するプロジェクタである。投影部２０１は、投影範囲２０５で示される空間へ投影可能である。投影部２０１は、第１実施形態とは異なり、光軸と投影画像中心とが一致しているものとする。

撮影部２０２は、パターン光が投影された対象物体２０４を撮影するカメラである。撮影部２０２は、撮影範囲２０６で示される空間を撮影可能である。制御部２０３は、例えばパーソナル・コンピュータであり、投影部２０１および撮影部２０２の動作を制御する。制御部２０３は、対象物体２０４の三次元形状を計測する処理も実行する。

次に、図７を参照して、第２実施形態に係る計測空間を説明する。光軸２０７は、投影部２０１から投影画像中心へ向かう軸であり、投影軸と一致している。光軸２０８は、撮影部２０２の光軸（撮影中心へ向かう撮影軸）である。交点２０９は、光軸２０７と光軸２０８とが交差する点である。計測空間２１０は、投影範囲２０５と撮影範囲２０６との両方に含まれ、当該投影範囲２０５と撮影範囲２０６とにより規定される空間である。本実施形態では、交点２０９は、計測空間中に含まれ、投影部２０１から観察した場合に計測空間２１０の奥行方向距離を二等分するように配置されている。計測面２１６は、計測空間２１０の中で、投影部２０１および撮影部２０２から最も近い計測面である。計測面２１７は、計測空間２１０の中で、投影部２０１および撮影部２０２から最も遠い計測面である。本実施形態では、交点２０９は、計測空間２１０の内部に設定されているが、必ずしも当該内部に限定されず外部であってもよい。

第１実施形態と同様に、本実施形態に係る三次元形状計測装置は、空間符号化法による形状計測を行い、エッジ位置の検出方法としてネガポジ交点検出法を用いる。

本実施形態においても、撮影部２０２のフォーカス位置を交点２０９に合わせ、投影部２０１のフォーカス位置を交点２０９よりも遠くに合わせる。

図８は、撮影部２０２のフォーカス位置の様子を示している。レンズ２１４は、撮影部２０２の撮影光学系を模式的に１枚のレンズとして表したものであり、撮影素子２１５は、レンズ２１４から入ってきた光を電気信号に変換する。図８に示されるように、撮影部２０２のフォーカス位置は、交点２０９に合わせている。

一方、図９は、投影部２０１のフォーカス位置の様子を示している。レンズ２１２は、投影部２０１の投影光学系を模式的に１枚のレンズとして表したものであり、表示素子２１３は、明暗パターンを表示する。図９に示されるように、投影部２０１のフォーカス位置は、交点２０９よりも遠くに合わせている。

図８および図９に示されるような構成にすることにより、計測面２１６での投影部２０１のデフォーカスによるコントラスト低下は、計測面２１７でのコントラスト低下よりも大きくなる。したがって、撮影部２０２からの距離による撮影画像の明るさの変化と合わせると、計測面２１６の計測精度と計測面２１７の計測精度とは同程度となる。また、投影部２０１のフォーカス位置が交点２０９よりも遠くにあるため、フォーカス位置が交点２０９にある場合に比べて、計測面２１７でのコントラストの低下は小さい。そのため、フォーカス位置が交点２０９にある場合に比べると計測面２１７での計測精度は向上する。すなわち、撮影距離全体に渡って計測誤差が一定の範囲に収まり精度の極端な低下が生じず、全体として一定の計測精度を得ることができる。

以上説明したように、投影部２０１のフォーカス位置を交点２０９よりも遠くに設定することにより、計測空間２１０全域において一定の計測精度を得ることができる。投影部２０１のフォーカス位置を交点２０９に合わせた場合、計測空間２１０全域で本実施形態と同程度の計測精度を得るためには、投影部２０１もしくは撮影部２０２の結像性能を上げて撮影画像のコントラストを向上させるか、投影部２０１から投影される光量を上げる必要がある。しかし、本実施形態ではその必要がないため、投影部２０１、撮影部２０２の結像性能を必要以上に上げる必要がなく、投影部２０１、撮影部２０２を構成するレンズ枚数を削減することができ、全体としてコスト削減につながる。また、投影部２０１の光源の出力を小さくすることで低消費電力化や、光源から発生する熱が少なくなるため冷却系を小さくすることができ、小型化につながる。

（第３実施形態）
図１０を参照して、第３実施形態に係る三次元形状計測装置の構成を説明する。三次元形状計測装置は、投影部３０１と、撮影部３０２と、制御部３０３とを備える。

投影部３０１は、パターン光を対象物体３０４へ投影する投影動作を実行するプロジェクタである。投影部３０１は、投影範囲３０５で示される空間へ投影可能である。投影部３０１は、第１実施形態とは異なり、光軸と投影画像中心とが一致しているものとする。

撮影部３０２は、パターン光が投影された対象物体３０４を撮影するカメラである。撮影部３０２は、撮影範囲３０６で示される空間を撮影可能である。制御部３０３は、例えばパーソナル・コンピュータであり、投影部３０１および撮影部３０２の動作を制御する。制御部３０３は、対象物体３０４の三次元形状を計測する処理も実行する。

次に、図１１を参照して、第３実施形態に係る計測空間を説明する。光軸３０７は、投影部３０１から投影画像中心へ向かう軸であり、投影軸と一致している。光軸３０８は、撮影部３０２の光軸（撮影中心へ向かう撮影軸）である。交点３０９は、光軸３０７と光軸３０８とが交差する点である。計測空間３１０は、投影範囲３０５と撮影範囲３０６との両方に含まれ、当該投影範囲３０５と撮影範囲３０６とにより規定される空間である。本実施形態では、交点３０９は、計測空間中に含まれている。計測面３１６は、計測空間３１０の中で、投影部３０１および撮影部３０２から最も近い計測面である。計測面３１７は、計測空間３１０の中で、投影部３０１および撮影部３０２から最も遠い計測面である。本実施形態では、交点３０９は、計測空間３１０の内部に設定されているが、必ずしも当該内部に限定されず外部であってもよい。

第１実施形態と同様に、本実施形態に係る三次元形状計測装置は、空間符号化法による形状計測を行い、エッジ位置の検出方法としてネガポジ交点検出法を用いる。

本実施形態では、投影部３０１のフォーカス位置及び撮影部３０２のフォーカス位置を交点３０９よりも奥に合わせる。

図１２は、投影部３０１と撮影部３０２のフォーカス位置の様子を示している。レンズ３１２は、投影部３０１の投影光学系を模式的に１枚のレンズとして表したものであり、表示素子３１３は、明暗パターンを表示する。レンズ３１４は、撮影部３０２の撮影光学系を模式的に１枚のレンズとして表したものであり、撮影素子３１５は、レンズ３１４から入ってきた光を電気信号に変換する。図１２に示されるように、投影部３０１のフォーカス位置３１９と撮影部３０２のフォーカス位置３２０は、交点３０９よりも遠くに合わせている。更に、投影部３０１のフォーカス位置３１９と撮影部３０２のフォーカス位置３２０は、光軸３０７と垂直な平面上にある。

図１２に示されるような構成にすることにより、計測面３１６での投影部３０１及び撮影部３０２のデフォーカスによるコントラスト低下は、計測面３１７でのコントラスト低下よりも大きくなる。したがって、撮影部３０２からの距離による撮影画像の明るさの変化と合わせると、計測面３１６の計測精度と計測面３１７の計測精度とは同程度となる。また、投影部３０１及び撮影部３０２のフォーカス位置が交点３０９よりも遠くにあるため、フォーカス位置が交点３０９にある場合に比べて、計測面３１７でのコントラストの低下は小さい。そのため、フォーカス位置が交点３０９にある場合に比べると計測面３１７での計測精度は向上する。すなわち、撮影距離全体に渡って計測誤差が一定の範囲に収まり精度の極端な低下が生じず、全体として一定の計測精度を得ることができる。

また、投影部３０１の投影光学系のデフォーカスによるコントラスト低下の影響が小さい場合、投影部３０１のフォーカス位置を交点３０９よりも奥にしても、投影と撮影の全系を通した画像のコントラストは撮影部３０２のフォーカス位置である交点３０９付近で最も良好になり、投影部３０１のフォーカス位置を交点３０９よりも奥にした効果が小さくなる。そのため、投影部３０１と撮影部３０２のフォーカス位置を共に交点３０９よりも奥にすることで、投影と撮影の全系を通した画像のコントラストは確実に交点３０９よりも奥で最も良好になり、本発明の効果がより大きくなる。

以上説明したように、投影部３０１のフォーカス位置を交点３０９よりも遠くに設定することにより、計測空間３１０全域において一定の計測精度を得ることができる。投影部３０１及び撮影部３０２のフォーカス位置を交点３０９に合わせた場合、計測空間３１０全域で本実施形態と同程度の計測精度を得るためには、投影部３０１もしくは撮影部３０２の結像性能を上げて撮影画像のコントラストを向上させるか、投影部３０１から投影される光量を上げる必要がある。しかし、本実施形態ではその必要がないため、投影部３０１、撮影部３０２の結像性能を必要以上に上げる必要がなく、投影部３０１、撮影部３０２を構成するレンズ枚数を削減することができ、全体としてコスト削減につながる。また、投影部３０１の光源の出力を小さくすることで低消費電力化や、光源から発生する熱が少なくなるため冷却系を小さくすることができ、小型化につながる。

本実施形態のように、投影部３０１と撮影部３０２のフォーカス位置が、投影部３０１の光軸３０７と垂直な平面上にあることで、投影部３０１と撮影部３０２のフォーカス調整時に投影部３０１から同じ距離にチャートを置いてフォーカス調整ができる。そのため、チャートを移動させずに投影部３０１と撮影部３０２のフォーカス調整ができるので、フォーカス調整時の工数を削減できる。

（第４実施形態）
図１３を参照して、第４実施形態に係る三次元形状計測装置の構成を説明する。三次元形状計測装置は、投影部４０１と、撮影部４０２と、制御部４０３とを備える。

投影部４０１は、パターン光を対象物体４０４へ投影する投影動作を実行するプロジェクタである。投影部４０１は、投影範囲４０５で示される空間へ投影可能である。投影部４０１は、第１実施形態とは異なり、光軸と投影画像中心とが一致しているものとする。

撮影部４０２は、パターン光が投影された対象物体４０４を撮影するカメラである。撮影部４０２は、撮影範囲４０６で示される空間を撮影可能である。制御部４０３は、例えばパーソナル・コンピュータであり、投影部４０１および撮影部４０２の動作を制御する。制御部４０３は、対象物体４０４の三次元形状を計測する処理も実行する。

次に、図１４を参照して、第４実施形態に係る計測空間を説明する。光軸４０７は、投影部４０１から投影画像中心へ向かう軸であり、投影軸と一致している。光軸４０８は、撮影部４０２の光軸（撮影中心へ向かう撮影軸）である。図１８に示すように光軸４０７と光軸４０８とは交点を持たないが、光軸４０７と光軸４０８との距離が最も短くなるときの光軸４０７上（投影軸上）の近接点を４０９とする。これは、計測空間をシフトさせるためにわざと光軸に交点がない場合も考えられるし、投影部４０１と撮影部４０２の取り付け誤差による生じることも考えられる。計測空間４１０は、投影範囲４０５と撮影範囲４０６との両方に含まれ、当該投影範囲４０５と撮影範囲４０６とにより規定される空間である。本実施形態では、近接点４０９は、計測空間中に含まれている。計測面４１６は、計測空間４１０の中で、投影部４０１および撮影部４０２から最も近い計測面である。計測面４１７は、計測空間４１０の中で、投影部４０１および撮影部４０２から最も遠い計測面である。本実施形態では、近接点４０９は、計測空間４１０の内部に設定されているが、必ずしも当該内部に限定されず外部であってもよい。

第１実施形態と同様に、本実施形態に係る三次元形状計測装置は、空間符号化法による形状計測を行い、エッジ位置の検出方法としてネガポジ交点検出法を用いる。

本実施形態では、投影部４０１のフォーカス位置及び撮影部４０２のフォーカス位置は近接点４０９よりも奥に合わせる。

図１５は、投影部４０１と撮影部４０２のフォーカス位置の様子を示している。レンズ４１２は、投影部４０１の投影光学系を模式的に１枚のレンズとして表したものであり、表示素子４１３は、明暗パターンを表示する。レンズ４１４は、撮影部４０２の撮影光学系を模式的に１枚のレンズとして表したものであり、撮影素子４１５は、レンズ４１４から入ってきた光を電気信号に変換する。図１５に示されるように、投影部４０１のフォーカス位置４１９と撮影部４０２のフォーカス位置４２０は近接点４０９よりも奥に合わせている。

図１５に示されるような構成にすることにより、投影部４０１及び撮影部４０２のフォーカス位置が近接点４０９よりも遠くにあるため、フォーカス位置が近接点４０９にある場合に比べて、計測面４１７でのコントラストの低下は小さい。そのため、フォーカス位置が近接点４０９にある場合に比べると計測面４１７での計測精度は向上する。すなわち、撮影距離全体に渡って計測誤差が一定の範囲に収まり精度の極端な低下が生じず、全体として一定の計測精度を得ることができる。

以上説明したように、投影部４０１のフォーカス位置を近接点４０９よりも遠くに設定することにより、計測空間４１０全域において一定の計測精度を得ることができる。投影部４０１及び撮影部４０２のフォーカス位置を近接点４０９に合わせた場合、計測空間４１０全域で本実施形態と同程度の計測精度を得るためには、投影部４０１もしくは撮影部４０２の結像性能を上げて撮影画像のコントラストを向上させるか、投影部４０１から投影される光量を上げる必要がある。しかし、本実施形態ではその必要がないため、投影部４０１、撮影部４０２の結像性能を必要以上に上げる必要がなく、投影部４０１、撮影部４０２を構成するレンズ枚数を削減することができ、全体としてコスト削減につながる。また、投影部４０１の光源の出力を小さくすることで低消費電力化や、光源から発生する熱が少なくなるため冷却系を小さくすることができ、小型化につながる。

近接点４０９の検出方法としては、投影部４０１にて投影画像の中心のみ画像を投影し、計測面４１６に配置したスクリーンを奥に移動させながら撮影部４０２にて観察した際に、撮影画像の中心と投影画像の中心が最も近い位置を近接点４０９とする方法がある。

（第５実施形態）
図１９を参照して、第５実施形態に係る三次元形状計測装置の構成を説明する。三次元形状計測装置は、投影部５０１と、撮影部５０２と、撮影部５０３（第２の撮影部）と、制御部５０４とを備える。

投影部５０１は、パターン光を対象物体５０５へ投影する投影動作を実行するプロジェクタである。投影部５０１は、投影範囲５０６で示される空間へ投影可能である。投影部５０１は、第１実施形態とは異なり、光軸と投影画像中心とが一致しているものとする。

撮影部５０２および撮影部５０３は、パターン光が投影された対象物体５０４を撮影するカメラである。撮影部５０２は、撮影範囲５０７で示される空間を撮影可能である。撮影部５０３は、撮影範囲５０８で示される空間を撮影可能である。制御部５０４は、例えばパーソナル・コンピュータであり、投影部５０１、撮影部５０２および撮影部５０３の動作を制御する。制御部５０４は、対象物体５０５の三次元形状を計測する処理も実行する。

次に、図２０を参照して、第５実施形態に係る計測空間を説明する。光軸５０９は、投影部５０１から投影画像中心へ向かう軸であり、投影軸と一致している。光軸５１０は、撮影部５０２の光軸（撮影中心へ向かう撮影軸）である。光軸５１１は、撮影部５０３の光軸（撮影中心へ向かう撮影軸）である。交点５１２は、光軸５０９と光軸５１０、光軸５１１とが交差する点である。計測空間５１３は、投影範囲５０６と撮影範囲５０７、撮影範囲５０８との両方に含まれ、当該投影範囲５０６と撮影範囲５０７、撮影範囲５０８とにより規定される空間である。本実施形態では、交点５１２は計測空間中に含まれている。計測面５１４は、計測空間５１３の中で、投影部５０１、撮影部５０２および撮影部５０３から最も近い計測面である。計測面５１５は、計測空間５１３の中で、投影部５０１、撮影部５０２および撮影部５０３から最も遠い計測面である。本実施形態では、交点５１２は、計測空間５１３の内部に設定されているが、必ずしも当該内部に限定されず外部であってもよい。また、光軸５０９と光軸５１０、光軸５１１は必ずしも１つの点で交点を持つ必要はない。

本実施形態に係る三次元形状計測装置では、第１から第４実施形態とは異なり、投影部５０１により投影された対象物体５０５を、撮影部５０２と、撮影部５０３とにより撮影した各画像から三角測量の原理を用いて対象物体５０５までの距離を算出する、アクティブステレオ方式（ステレオ法）を採用している。

アクティブステレオ方式では、撮影画像から投影部５０１で対象物体５０５に投影したパターンのエッジなどの特徴量を検出し、撮影部５０２および撮影部５０３により撮影された画像を対応付けて三角測量を行う。そのため、撮影部５０２および撮影部５０３により撮影された対象物体５０５の投影パターンのコントラストが高い程、エッジ位置の検出精度が高くなる。また、撮影部５０２および撮影部５０３により撮影された画像の明度が高い方が、撮影部５０２および撮影部５０３のＳＮが向上する。そのため、投影部５０１からの投影は明度が高い方がエッジ位置の検出精度が高くなる。

そこで、本実施形態でも、投影部５０１および撮影部５０２、撮影部５０３のフォーカス位置を交点５１２よりも奥側に合わせる。

図２１は、投影部５０１および撮影部５０２、撮影部５０３のフォーカス位置の様子を示している。レンズ５１６は、投影部５０１の投影光学系を模式的に１枚のレンズとして表したものであり、表示素子５１７は、明暗パターンを表示する。レンズ５１８は、撮影部５０２の撮影光学系を模式的に１枚のレンズとして表したものであり、撮影素子５１９は、レンズ５１８から入ってきた光を電気信号に変換する。レンズ５２０は、撮影部５０３の撮影光学系を模式的に１枚のレンズとして表したものであり、撮影素子５２１は、レンズ５２０から入ってきた光を電気信号に変換する。図２１に示されるように、投影部５０１のフォーカス位置５２２と撮影部５０２のフォーカス位置５２３、撮影部５０３のフォーカス位置５２４は、交点５１２よりも遠くに合わせている。更に、影部５０１のフォーカス位置５２２と撮影部５０２のフォーカス位置５２３、撮影部５０３のフォーカス位置５２４は、光軸５０９と垂直な平面上にある。

図２１に示されるような構成にすることにより、計測面５１４での投影部５０１と撮影部５０２、撮影部５０３のデフォーカスによるコントラスト低下は、計測面５１５でのコントラスト低下よりも大きくなる。したがって、撮影部５０２と撮影部５０３からの距離による撮影画像の明るさの変化と合わせると、計測面５１４の計測精度と計測面５１５の計測精度とは同程度となる。また、投影部５０１と撮影部５０２、撮影部５０３のフォーカス位置が交点５１２よりも遠くにあるため、フォーカス位置が交点５１２にある場合に比べて、計測面５１５でのコントラストの低下は小さい。そのため、フォーカス位置が交点５１２にある場合に比べると計測面５１５での計測精度は向上する。すなわち、撮影距離全体に渡って計測誤差が一定の範囲に収まり精度の極端な低下が生じず、全体として一定の計測精度を得ることができる。

以上説明したように、投影部５０１と撮影部５０２、撮影部５０３のフォーカス位置を交点５１２よりも遠くに設定することにより、計測空間５１３全域において一定の計測精度を得ることができる。投影部５０１と撮影部５０２、撮影部５０３のフォーカス位置を交点５１２に合わせた場合、計測空間５１３全域で本実施形態と同程度の計測精度を得るためには、投影部５０１もしくは撮影部５０２、撮影部５０３の結像性能を上げて撮影画像のコントラストを向上させるか、投影部５０１から投影される光量を上げる必要がある。しかし、本実施形態ではその必要がないため、投影部５０１と撮影部５０２、撮影部５０３の結像性能を必要以上に上げる必要がなく、投影部５０１と撮影部５０２、撮影部５０３を構成するレンズ枚数を削減することができ、全体としてコスト削減につながる。また、投影部５０１の光源の出力を小さくすることで低消費電力化や、光源から発生する熱が少なくなるため冷却系を小さくすることができ、小型化につながる。

本実施形態のように、投影部５０１と撮影部５０２、撮影部５０３のフォーカス位置が、投影部５０１の光軸５０９と垂直な平面上にあることで、投影部５０１と撮影部５０２、撮影部５０３のフォーカス調整時に投影部５０１から同じ距離にチャートを置いてフォーカス調整ができる。そのため、チャートを移動させずに投影部５０１と撮影部５０２、撮影部５０３のフォーカス調整ができるので、フォーカス調整時の工数を削減できる。

（その他の実施形態）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

Claims (5)

1. 対象物体に、明部と暗部を有するパターン光を投影する投影手段と、
   前記パターン光が投影された対象物体を撮影する撮影手段と、
   前記撮影された画像に基づいて前記対象物体の三次元形状を計測する計測手段とを備え、
   前記投影手段の投影光学系の焦点位置は、前記投影手段に対して、前記投影手段の投影軸と前記撮影手段の撮影軸との交点よりも奥、または前記投影手段の投影軸と前記撮影手段の撮影軸とが最も近接する前記投影軸上の点よりも奥に設定されており、
   前記撮影手段により撮影される画像における前記明部と前記暗部とのコントラスト値は、前記交点又は前記投影手段の投影軸と前記撮影手段の撮影軸とが最も近接する前記撮影軸上の点よりも前記撮影手段に対して奥の領域で最大値をもつことを特徴とする三次元形状計測装置。
2. 対象物体にパターン光を投影する投影手段と、
   前記パターン光が投影された対象物体を撮影する撮影手段と、
   前記撮影された画像に基づいて前記対象物体の三次元形状を計測する計測手段とを備え、
   前記投影手段の投影光学系の焦点位置は、前記投影手段に対して、前記投影手段の投影軸と前記撮影手段の撮影軸との交点よりも奥、または前記投影手段の投影軸と前記撮影手段の撮影軸とが最も近接する前記投影軸上の点よりも奥に設定されており、
   前記撮影手段の撮影光学系の焦点位置は、前記撮影手段に対して、前記投影手段の投影軸と前記撮影手段の撮影軸との交点よりも奥、または前記投影軸と前記撮影軸とが最も近接する前記撮像軸上の点よりも奥に設定されていることを特徴とする三次元形状計測装置。
3. 前記投影手段の投影光学系の焦点位置と前記撮影手段の撮影光学系の焦点位置とが、前記投影軸、または前記撮影軸と垂直な平面上にあることを特徴とする請求項２に記載の三次元形状計測装置。
4. 前記投影手段は、明暗パターンを前記対象物体へ投影し、
   前記計測手段は、空間符号化法により前記対象物体の形状を計測することを特徴とする請求項２又３に記載の三次元形状計測装置。
5. 前記投影手段は、正弦波パターンを前記対象物体へ投影し、
   前記計測手段は、位相シフト法により前記対象物体の形状を計測することを特徴とする請求項２又は３に記載の三次元形状計測装置。

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