三次元形状測定装置
【課題】光パルスの検出タイミングにかかわらず、奥行き方向の空間分解能及び測定精度を向上可能である三次元形状測定装置を提供する。
【解決手段】色が規則的に経時変化する光パルスを生成するチャープ導入装置と、前記光パルスをワークに照射し切り出すことで該光パルスの反射光像を取得する反射光像取得部と、反射光像を分光し複数のカラーチャンネルでの各色情報を二次元位置毎に取得する色情報取得部とを備える。前記各色情報に対応する分光特性は、前記光パルスの波長範囲において少なくとも２つが交差する。
【解決手段】色が規則的に経時変化する光パルスを生成するチャープ導入装置と、前記光パルスをワークに照射し切り出すことで該光パルスの反射光像を取得する反射光像取得部と、反射光像を分光し複数のカラーチャンネルでの各色情報を二次元位置毎に取得する色情報取得部とを備える。前記各色情報に対応する分光特性は、前記光パルスの波長範囲において少なくとも２つが交差する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の三次元形状、例えばワークの塗装面等の表面欠陥やその平滑さを測定する方法の一つとして、パルス光を用いたＴＯＦ（Time of Flight）法が挙げられる。
【０００３】
パルス光を用いたＴＯＦ法とは、パルス光源から照射されたパルス光が、被測定物の表面の照射領域で反射され、検出器により検出されるまでの飛行時間（ＴＯＦ）と光速度とから、奥行き方向の距離差として換算し、被測定物の三次元形状を測定するものである。
【０００４】
例えば、特許文献１には、色が規則的に経時変化する光パルス（いわゆるチャープ光パルス）を用い、三次元情報を二次元画像である色付き等高線マップに変換して検出する技術が開示されている。このように構成すれば、被測定物の三次元形状を高精度且つ高速で測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２５００３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、本発明者の研究によれば、普及品である撮像ユニットを搭載した装置を用いて上記測定を行ったところ、ワークの奥行き方向の測定範囲に応じて空間分解能が著しく変動することを見出した。特に、光パルスの色分解能が低い波長範囲（例えば、ＲＧＢ３原色のうち、Ｂ原色のピーク周辺である４２０〜４７０ｎｍの範囲）で検出されると、奥行き方向の空間分解能及び測定精度が著しく低下するという問題が顕在化した。
【０００７】
本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、光パルスの検出タイミングにかかわらず、奥行き方向の空間分解能及び測定精度を向上可能である三次元形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る三次元形状測定装置は、色が規則的に経時変化する光パルスを生成する光パルス生成手段と、前記光パルス生成手段により生成された前記光パルスを被測定物に照射し、前記被測定物で反射された前記光パルスを切り出すことで、前記光パルスの反射光像を取得する反射光像取得手段と、前記反射光像取得手段により取得された前記反射光像を分光し、複数のカラーチャンネルでの各色情報を二次元位置毎に取得する色情報取得手段と、前記色情報取得手段により取得された二次元位置毎の前記各色情報に基づいて前記被測定物の三次元情報を取得する三次元情報取得手段と、を備え、前記各色情報に対応する分光特性は、前記光パルスの波長範囲において少なくとも２つが交差することを特徴とする。
【０００９】
複数のカラーチャンネルでの各色情報に対応する分光特性が、光パルスの波長範囲において少なくとも２つが交差するようにしたので、検出された前記光パルスを複数の原色の組合せに変換して色情報を取得可能であり、前記光パルスの波長範囲にわたって色分解能を確保できる。これにより、光パルスの検出タイミングにかかわらず、奥行き方向の空間分解能及び測定精度を向上できる。
【００１０】
また、前記色情報取得手段は、着脱自在に配置された光学補正フィルタを備えることが好ましい。これにより、他の装置構成を変更することなく、光パルスを用いた撮像以外の撮像モード（例えば、自然光を用いた通常の撮像モード）へ容易に変更できる。
【００１１】
さらに、前記三次元情報取得手段により取得された前記被測定物の三次元情報を可視化して表示するとともに、前記三次元情報の表示色と奥行き位置との関係を表すカラーバーを併せて表示する表示手段をさらに備えることが好ましい。これにより、ユーザは、前記三次元情報及び前記カラーバーを併せて視認することで、三次元形状を感覚的且つ容易に把握できる。
【００１２】
さらに、前記各色情報に対応する各分光特性に基づいて、該各色情報を、前記反射光像の光波長に応じた各色情報に変換する色情報変換手段をさらに備えることが好ましい。これにより、ユーザは、光パルスが有する実際の色と対応させて視認できる。
【００１３】
さらに、前記各色情報に対応する各分光特性は、少なくとも１つのピークをそれぞれ有しており、各前記ピークに対応する光波長がそれぞれ異なることが好ましい。これにより、各カラーチャンネルでの色情報の分離性能が向上する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る三次元形状測定装置によれば、複数のカラーチャンネルでの各色情報に対応する分光特性が、光パルスの波長範囲において少なくとも２つが交差するようにしたので、検出された前記光パルスを複数の原色の組合せに変換して色情報を取得可能であり、前記光パルスの波長範囲にわたって色分解能を確保できる。これにより、光パルスの検出タイミングにかかわらず、奥行き方向の空間分解能及び測定精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施の形態に係る三次元形状測定装置が組み込まれた三次元形状測定システムの概略説明図である。
【図２】図１に示す三次元形状測定装置の電気的・光学的な機能ブロック図である。
【図３】図２に示す色情報取得部の具体的構成を表す概略説明図である。
【図４】典型的なカメラユニットの分光感度特性を表すグラフである。
【図５】光学補正フィルタを取り外した状態下でワークの形状を測定した場合における、実際値と測定値との相関関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る色情報取得部の分光感度特性の一例を示すグラフである。
【図７】光学補正フィルタを装着した状態下でワークの形状を測定した場合における、実際値と測定値との相関関係を示すグラフである。
【図８】ワークの三次元形状の表示例を示す画面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る三次元形状測定装置について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
先ず、本実施の形態に係る三次元形状測定装置１２が組み込まれた三次元形状測定システムについて図１を参照しながら説明する。三次元形状測定システム１０は、三次元形状測定装置１２と、上位制御装置１４と、ロボット制御装置１６とを基本的に備えている。
【００１８】
三次元形状測定装置１２は、装置本体１８と、撮像部２０と、表示部２２とから構成されている。撮像部２０のレンズ面２４は、被測定物としてのワーク２６の表面２８側を指向する。また、撮像部２０は、図示しないロボットのアームに装着されているので、ロボット制御装置１６による制御下に前記ロボットのアームの駆動に従って上下・左右方向に移動が自在である。なお、撮像部２０は、装置本体１８にケーブル３０を介して電気的に接続されている。
【００１９】
表示部２２は、装置本体１８に接続されており、装置本体１８から供給された画像情報、撮像部２０の設定条件等の各種情報を可視化して表示する。表示部２２は、複数のカラー素子（例えば、ＲＧＢ）で構成された表示画素を多数備えている。
【００２０】
装置本体１８は、撮像部２０から供給される撮像信号に対して種々の画像処理を行う。装置本体１８は、表示制御信号を表示部２２側に送信する。
【００２１】
上位制御装置１４は、例えばＰＬＣ（Programmable Logic Controller）で構成され、図示しないロボットの駆動制御を行うロボット制御装置１６、及び装置本体１８に対して各種の指令信号を送信する。
【００２２】
図２は、本実施の形態に係る三次元形状測定装置１２の電気的・光学的な構成ブロック図である。
【００２３】
撮像部２０は、パルス光を射出するパルス光源３２と、該パルス光源３２により射出されたパルス光をチャープすることでチャープ光パルスを生成するチャープ導入装置３４（光パルス生成手段）と、該チャープ導入装置３４により生成されたチャープ光パルスのビーム径を拡大する拡大光学系３６とを備えている。拡大光学系３６から供給されたチャープ光パルスをワーク２６側に向けて照射することで、表面２８上に焦点像（以下、照射領域４４という。）が形成される。
【００２４】
さらに、撮像部２０は、チャープ光パルスを集光する集光光学系４６と、該集光光学系４６により集光されたチャープ光パルスを所定の角度方向に反射する反射ミラー４８と、図示しない遮光性のシャッタ幕の開閉が自在であって前記反射ミラー４８からの反射光を切り出し可能なシャッタ５０と、該シャッタ５０により切り出されたチャープ光パルス（以下、反射光像５４という。）を適切に分光・結像する分光結像光学系５２と、該分光結像光学系５２により分光・結像された反射光像５４をチャンネル毎の撮像信号（色情報）に変換する３つの撮像素子アレイ５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂ（複数の光検出器）と、該撮像素子アレイ５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂにより変換された撮像信号に対して適切な信号処理を行い、カラー撮像データ（以下、単に撮像データという。）を得る信号処理部５８（三次元情報取得手段）と、を備えている。
【００２５】
ここで、シャッタ５０は、機械式、電子式又は光学式のいずれの方式をも採り得る。特に、非線形光学効果の一種である光カー効果を利用する光学的シャッタ（カーシャッタ）の場合、超高速のシャッタ速度を実現可能である。
【００２６】
また、撮像素子アレイ５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂは、受光感度特性がそれぞれ同一又は異なる光検出器である。具体的には、撮像素子アレイ５６Ｒは、Ｒ原色（赤色のカラーチャンネル）を取得するための光検出器であり、受光した赤色成分５４ｒを二次元位置毎の電気信号（Ｒ信号値）に変換する。撮像素子アレイ５６Ｇは、Ｇ原色（緑色のカラーチャンネル）を取得するための光検出器であり、受光した緑色成分５４ｇを二次元位置毎の電気信号（Ｇ信号値）に変換する。撮像素子アレイ５６Ｂは、Ｂ原色（青色のカラーチャンネル）を取得するための光検出器であり、受光した青色成分５４ｂを二次元位置毎の電気信号（Ｂ信号値）に変換する。撮像素子アレイ５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂを構成する各撮像素子として、例えば、フォトダイオード、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等を用いてもよい。
【００２７】
なお、ワーク２６の表面２８で反射された光路Ｌ上のチャープ光パルスを切り出すことで、該チャープ光パルスの反射光像５４を取得する反射光像取得部６０（反射光像取得手段）は、集光光学系４６と、反射ミラー４８と、シャッタ５０とから構成される。反射光像５４を分光し、複数のカラーチャンネルでの各色情報を二次元位置毎に取得する色情報取得部６２（色情報取得手段）は、分光結像光学系５２と、３つの撮像素子アレイ５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂとから構成される。
【００２８】
また、撮像部２０は、パルス光源３２によるパルス光の射出動作を制御するパルス光射出制御部６４と、シャッタ５０による図示しないシャッタ幕の開閉動作を制御するシャッタ開閉制御部６６と、パルス光源３２の射出動作とシャッタ５０の開閉動作とのタイミングを制御するタイミング制御部６８とを備える。
【００２９】
さらに、撮像部２０は、取得した撮像データや測定条件等を記録するメモリ７０と、装置本体１８との電気通信を可能とするＩ／Ｆ７２と、色情報取得部６２、タイミング制御部６８、メモリ７０等の各部を相互に接続するバス７４とを備えている。
【００３０】
撮像部２０の接続元である装置本体１８は、撮像部２０から受信した撮像データをチャープ光パルスの色に応じた撮像データに変換する色情報変換部７６と、ワーク２６の三次元形状を表す画像等を表示部２２に表示させる表示制御部７８と、取得した撮像データや測定条件等を記録するメモリ８０とを備えている。
【００３１】
図３は、図２に示す色情報取得部６２の具体的構成を表す概略説明図である。分光結像光学系５２は、入射された反射光像５４（赤色成分５４Ｒ、緑色成分５４Ｇ及び青色成分５４Ｂを含む。）を各色成分に分光する光学ユニット１００と、該光学ユニット１００により分光された各色成分を所望の分光特性となるように補正する光学補正フィルタ１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂとを備えている。
【００３２】
光学ユニット１００は、例えば、プロジェクタやビデオカメラ等に使用される普及品であってもよい。この場合、光学ユニット１００は、外部から入射された反射光像５４を分光し、撮像素子アレイ５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂ側にそれぞれ導光する合成プリズム１０４で構成される。なお、人間の視感度に近づけるため赤外線を遮断する図示しない赤外線遮断フィルタを、合成プリズム１０４の直前の位置に着脱自在に配置してもよい。
【００３３】
合成プリズム１０４は、それぞれ多面体の第１プリズム１０６、第２プリズム１０８及び第３プリズム１１０を有する。各プリズムの所定の面（光路上の面）には、ダイクロイック膜が設けられている。ダイクロイック膜の光学特性を種々変更することで、各プリズムの界面での反射率・透過率を光波長に応じて変調できる。これにより、合成プリズム１０４は、入射光を赤色成分５４ｒ、緑色成分５４ｇ、及び青色成分５４ｂにそれぞれ分光して出射するダイクロイックプリズムとして機能する。
【００３４】
反射光像５４の入射側から順に、第１プリズム１０６、第２プリズム１０８及び第３プリズム１１０の順番で配置されている。第１プリズム１０６の一面と第２プリズム１０８の一面とが接合されることで、第１界面１１２が形成されている。第２プリズム１０８の別の一面と第３プリズム１１０の一面とが接合されることで、第２界面１１３が形成されている。
【００３５】
光学補正フィルタ１０２Ｒは、第１プリズム１０６と撮像素子アレイ５６Ｒとの間に着脱自在に配置されている。光学補正フィルタ１０２Ｇは、第３プリズム１１０と撮像素子アレイ５６Ｇとの間に着脱自在に配置されている。光学補正フィルタ１０２Ｂは、第２プリズム１０８と撮像素子アレイ５６Ｂとの間に着脱自在に配置されている。
【００３６】
本実施の形態に係る三次元形状測定装置１２は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作について説明する。
【００３７】
先ず、ユーザである作業者は、三次元形状測定システム１０によるワーク２６の表面２８の三次元形状を測定する準備を行う。
【００３８】
図１に示すように、作業者は、上位制御装置１４の図示しない操作部を介して三次元形状測定装置１２の各種測定条件を入力・設定する。測定条件には、レンズ面２４とワーク２６との離間距離、照射領域４４（図２参照）の位置、大きさ等が含まれる。入力された前記設定条件は、装置本体１８側に供給され、Ｉ／Ｆ７２（同参照）を介して撮像部２０に入力される。
【００３９】
次いで、上位制御装置１４からの指令信号を受けたロボット制御装置１６は、撮像部２０が装着されている図示しないロボットのアームを所定の位置・姿勢になるように駆動する。これにより、撮像部２０のレンズ面２４がワーク２６の表面２８側に指向し、表面２８上の所定の測定箇所に照射領域４４（同参照）が設定される。
【００４０】
ここで、入力された測定条件に基づいて、図示しないレンズの位置をＺ軸方向に沿って移動させ、焦点位置を補正してもよい。例えば、レンズ面２４とワーク２６との離間距離、及び／又は照射領域４４の大きさに応じた前記レンズのＺ軸位置を、ＬＵＴ（Look Up Table）としてメモリ７０に予め記憶させておいてもよい。
【００４１】
このようにして、三次元形状測定システム１０によるワーク２６の表面２８の三次元形状を測定する準備が完了する。
【００４２】
続いて、上位制御装置１４からの測定開始指示に応じて、表面２８上の三次元形状の測定が開始される。
【００４３】
図２に示すように、パルス光射出制御部６４によるパルス射出指示を受信したパルス光源３２からパルス光が射出されると、該パルス光は、チャープ導入装置３４によりチャープされ、チャープ光パルスが生成される。該チャープ光パルスは、拡大光学系３６によりビーム径が拡大された後、ワーク２６の表面２８上の照射領域４４に照射される。
【００４４】
そして、前記照射領域４４で反射したチャープ光パルスは、集光光学系４６により集光され、反射ミラー４８により所定の角度方向に反射され、シャッタ５０により所定のタイミングで所定の光量だけ切り出される。
【００４５】
なお、シャッタ５０（図示しない遮光性のシャッタ幕）の開閉動作は、シャッタ開閉制御部６６により制御される。そして、タイミング制御部６８は、パルス光射出制御部６４とシャッタ開閉制御部６６とを同期制御することで、チャープ光パルス（反射光像５４）は、適切なタイミングで且つ適切な光量だけ切り出される。例えば、レンズ面２４とワーク２６との離間距離、及び／又は照射領域４４の大きさに応じたシャッタ５０の開放時間を、ＬＵＴとしてメモリ７０に予め記憶させておいてもよい。
【００４６】
図３に示すように、反射光像取得部６０により取得された反射光像５４は、合成プリズム１０４の面１１４に入射される。
【００４７】
反射光像５４のうちの赤色成分５４Ｒは、第１プリズム１０６の面１１４を透過され、第１界面１１２上で所定の角度に反射され、前記面１１４上で所定の角度に反射され、撮像素子アレイ５６Ｒ側に導光され、光学補正フィルタ１０２Ｒにより特定の波長のみが透過される。そして、赤色成分５４Ｒに対して光強度が減衰された赤色成分５４ｒは、撮像素子アレイ５６Ｒに受光されることで、二次元位置毎の撮像信号（Ｒ信号値）に変換される。
【００４８】
反射光像５４のうちの緑色成分５４Ｇは、第１プリズム１０６の面１１４を透過され、第２界面１１３を透過され、第３プリズム１１０の面１１６を透過され、撮像素子アレイ５６Ｇ側に導光され、光学補正フィルタ１０２Ｇにより特定の波長のみが透過される。そして、緑色成分５４Ｇに対して光強度が減衰された緑色成分５４ｇは、撮像素子アレイ５６Ｇに受光されることで、二次元位置毎の撮像信号（Ｇ信号値）に変換される。
【００４９】
反射光像５４のうちの青色成分５４Ｂは、第１プリズム１０６の面１１４を透過され、第２界面１１３上で所定の角度に反射され、第２プリズム１０８の面１１８を透過され、撮像素子アレイ５６Ｂ側に導光され、光学補正フィルタ１０２Ｂにより特定の波長のみが透過される。そして、青色成分５４Ｂに対して光強度が減衰された青色成分５４ｂは、撮像素子アレイ５６Ｂに受光されることで、二次元位置毎の撮像信号（Ｂ信号値）に変換される。
【００５０】
撮像素子アレイ５６Ｒ、５６Ｇ及び５６Ｂから供給された撮像信号は、信号処理部５８より、所望の信号処理が施され、所定のフォーマットに従った撮像データに変換され、バス７４側に供給され、メモリ７０に一旦記録される。
【００５１】
そして、撮像データは、バス７４、Ｉ／Ｆ７２及びケーブル３０を介して、装置本体１８側に送信され、表示制御部７８による制御下、ワーク２６の形状を可視化したカラー画像として表示部２２（図８の表示画面２００）に表示される。
【００５２】
以上のように、ワーク２６の形状を可視化した撮像データを取得することができる。すなわち、Ｘ−Ｙ軸平面上の各位置におけるチャープ光パルスの飛行時間の差（Ｚ軸方向の奥行き）が、シャッタ５０の開閉動作により同時に切り出された光色（波長）によって画像の階調が表現される。
【００５３】
前縁である短波長側（紫色）から後縁である長波長側（赤色）まで色が連続的に変化するチャープ光パルスを用いた場合を例に、具体的に説明する。Ｚ方向の奥行きが大きくなるほど、チャープ光パルスの飛行距離が長くなるので、それだけシャッタ５０に到達する時間が遅延する。すなわち、Ｚ方向の奥行きが大きい場合は、チャープ光パルスの前縁の方である長波長側の光色（赤色側）が検出される。一方、Ｚ方向の奥行きが小さい場合は、チャープ光パルスの後縁の方である短波長側の光色（紫色側）が検出される。
【００５４】
ところで、図３に示す光学補正フィルタ１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂによる作用効果について、図４〜図７を参照しながら詳細に説明する。
【００５５】
入出力デバイス間での色再現性の互換性を確保するため、色空間に関する標準規格が種々規定されている。標準規格として、ＩＥＣ（International Electrotechnical Commission）による国際標準規格であるｓＲＧＢや、事実上の標準規格であるＡｄｏｂｅＲＧＢ等が挙げられる。そのため、普及品であるカメラユニット（光学ユニット及び撮像素子アレイ）は、ほぼ同様の分光感度特性を有している。
【００５６】
図４は、典型的なカメラユニットの分光感度特性を表すグラフである。グラフの横軸は光波長（単位はｎｍ）であり、縦軸はＲＧＢ各原色での感度である。ここで感度とは、複数のカラーチャンネルの各撮像信号（色情報）に対応する分光感度特性を意味する。すなわち、感度は、分光された赤色成分５４ｒ（緑色成分５４ｇ、青色成分５４ｂ）の分光特性と、撮像素子アレイ５６Ｒ（撮像素子アレイ５６Ｇ、撮像素子アレイ５６Ｂ）の受光感度特性との乗算値である。なお、本図では、撮像素子アレイ５６Ｂ（約５５０ｎｍ）での感度が１になるように、各値を規格化している。
【００５７】
Ｂ原色の分光感度特性は、波長４００〜５２０ｎｍの範囲に及ぶとともに、４５０ｎｍ付近に急峻なピークを１つ有している。Ｇ原色の分光感度特性は、波長４７０〜６００ｎｍの範囲に及ぶとともに、５５０ｎｍ付近に幅広なピークを１つ有している。Ｂ原色の分光感度特性は、波長５７０〜７５０ｎｍの範囲に及ぶとともに、６００ｎｍ付近に幅広なピークを１つ有している。
【００５８】
図５は、光学補正フィルタ１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂを取り外した状態下でワーク２６の形状を測定した場合における、実際値と測定値との相関関係を表すグラフである。グラフの横軸は、ワーク２６のＺ方向での実際値（単位はｍｍ）である。グラフの縦軸は、撮像部２０を用いてワーク２６を撮像し得られた測定値（単位はｍｍ）である。理想的には、実際値に対する測定値の各プロットが直線上（ｙ＝ｘ）に存在することが望ましい。
【００５９】
ところが、概ね２〜４ｍｍの範囲（不変範囲Ｒ１）では、実際値の変化にかかわらず測定値が略一定となる。同様に、概ね４〜５ｍｍの範囲（不変範囲Ｒ２）では、実際値の変化にかかわらず測定値が略一定となる。このような不変範囲Ｒ１及びＲ２では、実際値との対応が適切でないため、正確な測定精度が得られない。
【００６０】
図４に戻って、不変範囲Ｒ１に相当する波長４２０〜４７０ｎｍの範囲では、Ｂ原色の感度値のみが非０であり、Ｒ原色及びＧ原色の感度値はいずれも０である（単色範囲Ｒ１）。そして、単色範囲Ｒ１では、Ｂ原色が分布する他の範囲と比べて、光波長１ｎｍ当りの出力値の変化量（以下、勾配絶対値という。）が緩やかである。
【００６１】
また、不変範囲Ｒ２に相当する波長５２０〜５７０ｎｍの範囲では、Ｇ原色の感度値のみが非０であり、Ｒ原色及びＢ原色の感度値はいずれも０である（単色範囲Ｒ２）。そして、単色範囲Ｒ２では、Ｇ原色が分布する他の範囲と比べて、勾配絶対値が緩やかである。
【００６２】
すなわち、単色範囲Ｒ１及びＲ２は、検出された反射光像５４（チャープ光パルス）の色分解能が低い波長範囲に相当する。ここで、「色分解能が低い」とは、光波長１ｎｍ当りの色（明度及び彩度）の変化量が小さいことを意味する。これにより、反射光像５４の切り出し位置の識別性能が低下するため、奥行き方向の空間分解能及び測定精度が低下する。
【００６３】
図６は、これに対し、本発明に係る色情報取得部６２の分光感度特性（分光特性）の一例を示すグラフであって、理想的な分光感度特性を表している。グラフの定義は、図４と同様であるので、説明を省略する。
【００６４】
Ｂ原色の分光感度特性は、波長４００ｎｍ付近を最大値（ピーク）とし、４００〜６００ｎｍの範囲では光波長が長くなるにつれて線形的に減少する。Ｇ原色の分光感度特性は、波長５５０ｎｍ付近を最大値（ピーク）とし、４００〜５５０ｎｍの範囲では光波長が短くなるにつれて線形的に減少するとともに、５５０〜７００ｎｍの範囲では光波長が長くなるにつれて線形的に減少する。Ｒ原色の分光感度特性は、波長７００ｎｍ付近を最大値（ピーク）とし、５００〜７００ｎｍの範囲では波長が短くなるにつれて線形的に減少する。すなわち、ＲＧＢ原色の分光感度特性は、チャープ光パルスの波長範囲において少なくとも２つが交差している。また、ＲＧＢ原色の分光感度特性は、少なくとも１つのピークをそれぞれ有しており、各ピークに対応する光波長がそれぞれ異なっている。
【００６５】
図７は、光学補正フィルタ１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂ（図３参照）を装着した状態下でワーク２６の形状を測定した場合における、実際値と測定値との相関関係を示すグラフである。本グラフ上に、各測定値をプロットするとともに、許容される測定値の範囲の上限及び下限（破線で示した２本の直線）を表記した。図７例では、実際値に対して±０．１ｍｍ以内の誤差を許容している。本図に示すように、図５（特に不変範囲Ｒ２）と比べて、４〜６ｍｍの範囲で直線性が大幅に向上し、且つ測定精度も向上した。
【００６６】
色情報取得部６２（図２参照）は、図６に示す分光感度特性を有することで、反射光像５４を、原色Ｒ、Ｇ、Ｂのうち複数の原色の組合せに変換して撮像信号（色情報）を取得できる。そのため、チャープ光パルスの波長範囲にわたって色分解能を確保できる。これにより、チャープ光パルスの検出タイミングにかかわらず、Ｚ軸方向（奥行き方向）の空間分解能及び測定精度を向上できる。
【００６７】
また、原色Ｒ、Ｇ、Ｂの各分光感度特性は、チャープ光パルスの波長範囲において勾配絶対値の総和が所定の値以上であるので、前記波長範囲において単位長さ当りの色の変化（色差）が十分確保される。
【００６８】
さらに、原色Ｒ、Ｇ、Ｂの各分光感度特性は、少なくとも１つのピークをそれぞれ有しており、各ピークに対応する光波長がそれぞれ異なるので、各カラーチャンネルでの色情報の分解性能が向上する。
【００６９】
なお、色情報取得部６２により取得される各分光感度特性は、図６例に限定されることなく、チャープ光パルスの波長範囲において少なくとも２つが交差する関係にあれば、他の特性であってもよい。
【００７０】
図３に戻って、光学補正フィルタ１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂを着脱自在に設けることで、色情報取得部６２の分光感度特性を自由に変更できる。これにより、他の装置構成を変更することなく、チャープ光パルスを用いた撮像以外の撮像モードへ容易に変更できる。例えば、普及品である光学ユニット１００を用いている場合、光学補正フィルタ１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂを取り外すことで、自然光を利用した通常の撮像装置としても使用できる。
【００７１】
また、光学ユニット１００の構成を種々変更することで、図６に例示する分光感度特性を実現してもよい。例えば、光学補正フィルタ１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂの分光透過特性はいうまでもなく、他に、合成プリズム１０４のダイクロイック膜の物性、各プリズムのサイズ・角度・配置等をも変更してもよい。また、合成プリズム１０４に代替して、他の構成に変更してもよい。例えば、部分透過（反射）ミラー、ビームスプリッタ等を含む各種光学素子を適宜組み合わせて構成してもよい。さらに、撮像素子アレイ５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂの受光感度特性を種々変更してもよく、カラーチャンネル毎に異なる受光感度特性を有するようにしてもよい。
【００７２】
さらに、撮像部２０から取得した撮像データを、種々の方法を用いて表示部２２に表示させてもよい。図８は、ワーク２６の三次元形状の表示例を示す画面図である。
【００７３】
表示画面２００には、ワーク２６（照射領域４４の近傍）の三次元形状を表すカラー画像２０２と、カラー画像２０２の表示色と奥行き位置との関係を表すカラーバー２０４と、カラー画像２０２及びカラーバー２０４の表示色を切り替える切替操作部２０６とが表示されている。
【００７４】
カラーバー２０４の上端部２０８（目盛０ｍｍ位置）は、反射光像５４の後縁側（青色側）成分に相当する。つまり、ワーク２６上では、Ｚ方向の奥行きが小さい部位に対応する。カラーバー２０４の下端部２１０（目盛１０ｍｍ位置）は、反射光像５４の前縁側（赤色側）成分に相当する。つまり、ワーク２６上では、Ｚ方向の奥行きが大きい部位に対応する。なお、本図では、説明の便宜上、反射光像５４の青色側から赤色側にかけて徐々に薄くなるような、モノクロ濃淡のグラデーションで表記している。
【００７５】
カラー画像２０２の描画内容から諒解されるように、照射領域４４内のワーク２６は、平坦な表面２８の一部が略半球状に凹んだ三次元形状を有する。このように、作業者は、カラー画像２０２の色の二次元分布に基づいて、ワーク２６の微視的形状を把握できる。特に、カラーバー２０４を併せて表示することで、作業者は、ワーク２６の三次元形状を感覚的且つ容易に把握できる。
【００７６】
作業者による切替操作部２０６の操作に応じて、カラー画像２０２の階調特性を変更させてもよい。例えば、「チャープ色変換：なし」の入力指示がなされると、表示制御部７８は、撮像部２０で取得した撮像データをカラー画像２０２としてそのままの色で表示部２２に表示させる。
【００７７】
一方、「チャープ色変換：あり」の入力指示がなされると、装置本体１８のメモリ８０に記録された撮像データは、色情報変換部７６により色変換され、表示制御部７８の制御下で、カラー画像２０２として表示画面２００に表示される。このとき、色情報変換部７６は、色情報取得部６２の分光特性に基づいて、反射光像５４が有する実際の光波長に応じた撮像データに変換する。
【００７８】
これにより、作業者は、チャープ光パルスが有する実際の色と対応させてカラー画像２０２を視認できる。また、シャッタ５０の開閉タイミングや、拡大光学系３６又は集光光学系４６の位置等の調整作業の際に便宜である。
【００７９】
なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。
【００８０】
例えば、本実施の形態ではＲＧＢ原色について主に説明したが、これらの組み合わせに限られることなく、任意の原色の組合せに対して本発明を適用できることはいうまでもない。すなわち、図３では、ＲＧＢの３色のカラーチャンネルを形成しているが、これに限定されることなく、２色でも、４色以上であってもよい。また、撮像素子の数は、計測精度に応じて適宜変更してもよい。
【００８１】
また、本実施の形態では、光源部（パルス光源３２及びチャープ導入装置３４）と、検出部としての色情報取得部６２とが撮像部２０に一体的に組み込まれている構成を採っているが、光源部及び検出部を別々のユニットとして構成してもよい。
【００８２】
さらに、三次元形状の測定に用いられるチャープ光パルスは、可視領域の光波長に限定されることなく、紫外線や赤外線等を用いてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１０…三次元形状測定システム １２…三次元形状測定装置
１８…装置本体 ２０…撮像部
２２…表示部 ２６…ワーク
２８…表面 ３４…チャープ導入装置
５０…シャッタ ５２…分光結像光学系
５４…反射光像 ５６Ｒ（Ｇ、Ｂ）…撮像素子アレイ
５８…信号処理部 ６０…反射光像取得部
６２…色情報取得部 ７６…色情報変換部
７８…表示制御部 １００…光学ユニット
１０２Ｒ（Ｇ、Ｂ）…光学補正フィルタ １０４…合成プリズム
２００…表示画面 ２０４…カラーバー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の三次元形状、例えばワークの塗装面等の表面欠陥やその平滑さを測定する方法の一つとして、パルス光を用いたＴＯＦ（Time of Flight）法が挙げられる。
【０００３】
パルス光を用いたＴＯＦ法とは、パルス光源から照射されたパルス光が、被測定物の表面の照射領域で反射され、検出器により検出されるまでの飛行時間（ＴＯＦ）と光速度とから、奥行き方向の距離差として換算し、被測定物の三次元形状を測定するものである。
【０００４】
例えば、特許文献１には、色が規則的に経時変化する光パルス（いわゆるチャープ光パルス）を用い、三次元情報を二次元画像である色付き等高線マップに変換して検出する技術が開示されている。このように構成すれば、被測定物の三次元形状を高精度且つ高速で測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２５００３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、本発明者の研究によれば、普及品である撮像ユニットを搭載した装置を用いて上記測定を行ったところ、ワークの奥行き方向の測定範囲に応じて空間分解能が著しく変動することを見出した。特に、光パルスの色分解能が低い波長範囲（例えば、ＲＧＢ３原色のうち、Ｂ原色のピーク周辺である４２０〜４７０ｎｍの範囲）で検出されると、奥行き方向の空間分解能及び測定精度が著しく低下するという問題が顕在化した。
【０００７】
本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、光パルスの検出タイミングにかかわらず、奥行き方向の空間分解能及び測定精度を向上可能である三次元形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る三次元形状測定装置は、色が規則的に経時変化する光パルスを生成する光パルス生成手段と、前記光パルス生成手段により生成された前記光パルスを被測定物に照射し、前記被測定物で反射された前記光パルスを切り出すことで、前記光パルスの反射光像を取得する反射光像取得手段と、前記反射光像取得手段により取得された前記反射光像を分光し、複数のカラーチャンネルでの各色情報を二次元位置毎に取得する色情報取得手段と、前記色情報取得手段により取得された二次元位置毎の前記各色情報に基づいて前記被測定物の三次元情報を取得する三次元情報取得手段と、を備え、前記各色情報に対応する分光特性は、前記光パルスの波長範囲において少なくとも２つが交差することを特徴とする。
【０００９】
複数のカラーチャンネルでの各色情報に対応する分光特性が、光パルスの波長範囲において少なくとも２つが交差するようにしたので、検出された前記光パルスを複数の原色の組合せに変換して色情報を取得可能であり、前記光パルスの波長範囲にわたって色分解能を確保できる。これにより、光パルスの検出タイミングにかかわらず、奥行き方向の空間分解能及び測定精度を向上できる。
【００１０】
また、前記色情報取得手段は、着脱自在に配置された光学補正フィルタを備えることが好ましい。これにより、他の装置構成を変更することなく、光パルスを用いた撮像以外の撮像モード（例えば、自然光を用いた通常の撮像モード）へ容易に変更できる。
【００１１】
さらに、前記三次元情報取得手段により取得された前記被測定物の三次元情報を可視化して表示するとともに、前記三次元情報の表示色と奥行き位置との関係を表すカラーバーを併せて表示する表示手段をさらに備えることが好ましい。これにより、ユーザは、前記三次元情報及び前記カラーバーを併せて視認することで、三次元形状を感覚的且つ容易に把握できる。
【００１２】
さらに、前記各色情報に対応する各分光特性に基づいて、該各色情報を、前記反射光像の光波長に応じた各色情報に変換する色情報変換手段をさらに備えることが好ましい。これにより、ユーザは、光パルスが有する実際の色と対応させて視認できる。
【００１３】
さらに、前記各色情報に対応する各分光特性は、少なくとも１つのピークをそれぞれ有しており、各前記ピークに対応する光波長がそれぞれ異なることが好ましい。これにより、各カラーチャンネルでの色情報の分離性能が向上する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る三次元形状測定装置によれば、複数のカラーチャンネルでの各色情報に対応する分光特性が、光パルスの波長範囲において少なくとも２つが交差するようにしたので、検出された前記光パルスを複数の原色の組合せに変換して色情報を取得可能であり、前記光パルスの波長範囲にわたって色分解能を確保できる。これにより、光パルスの検出タイミングにかかわらず、奥行き方向の空間分解能及び測定精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施の形態に係る三次元形状測定装置が組み込まれた三次元形状測定システムの概略説明図である。
【図２】図１に示す三次元形状測定装置の電気的・光学的な機能ブロック図である。
【図３】図２に示す色情報取得部の具体的構成を表す概略説明図である。
【図４】典型的なカメラユニットの分光感度特性を表すグラフである。
【図５】光学補正フィルタを取り外した状態下でワークの形状を測定した場合における、実際値と測定値との相関関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る色情報取得部の分光感度特性の一例を示すグラフである。
【図７】光学補正フィルタを装着した状態下でワークの形状を測定した場合における、実際値と測定値との相関関係を示すグラフである。
【図８】ワークの三次元形状の表示例を示す画面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る三次元形状測定装置について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
先ず、本実施の形態に係る三次元形状測定装置１２が組み込まれた三次元形状測定システムについて図１を参照しながら説明する。三次元形状測定システム１０は、三次元形状測定装置１２と、上位制御装置１４と、ロボット制御装置１６とを基本的に備えている。
【００１８】
三次元形状測定装置１２は、装置本体１８と、撮像部２０と、表示部２２とから構成されている。撮像部２０のレンズ面２４は、被測定物としてのワーク２６の表面２８側を指向する。また、撮像部２０は、図示しないロボットのアームに装着されているので、ロボット制御装置１６による制御下に前記ロボットのアームの駆動に従って上下・左右方向に移動が自在である。なお、撮像部２０は、装置本体１８にケーブル３０を介して電気的に接続されている。
【００１９】
表示部２２は、装置本体１８に接続されており、装置本体１８から供給された画像情報、撮像部２０の設定条件等の各種情報を可視化して表示する。表示部２２は、複数のカラー素子（例えば、ＲＧＢ）で構成された表示画素を多数備えている。
【００２０】
装置本体１８は、撮像部２０から供給される撮像信号に対して種々の画像処理を行う。装置本体１８は、表示制御信号を表示部２２側に送信する。
【００２１】
上位制御装置１４は、例えばＰＬＣ（Programmable Logic Controller）で構成され、図示しないロボットの駆動制御を行うロボット制御装置１６、及び装置本体１８に対して各種の指令信号を送信する。
【００２２】
図２は、本実施の形態に係る三次元形状測定装置１２の電気的・光学的な構成ブロック図である。
【００２３】
撮像部２０は、パルス光を射出するパルス光源３２と、該パルス光源３２により射出されたパルス光をチャープすることでチャープ光パルスを生成するチャープ導入装置３４（光パルス生成手段）と、該チャープ導入装置３４により生成されたチャープ光パルスのビーム径を拡大する拡大光学系３６とを備えている。拡大光学系３６から供給されたチャープ光パルスをワーク２６側に向けて照射することで、表面２８上に焦点像（以下、照射領域４４という。）が形成される。
【００２４】
さらに、撮像部２０は、チャープ光パルスを集光する集光光学系４６と、該集光光学系４６により集光されたチャープ光パルスを所定の角度方向に反射する反射ミラー４８と、図示しない遮光性のシャッタ幕の開閉が自在であって前記反射ミラー４８からの反射光を切り出し可能なシャッタ５０と、該シャッタ５０により切り出されたチャープ光パルス（以下、反射光像５４という。）を適切に分光・結像する分光結像光学系５２と、該分光結像光学系５２により分光・結像された反射光像５４をチャンネル毎の撮像信号（色情報）に変換する３つの撮像素子アレイ５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂ（複数の光検出器）と、該撮像素子アレイ５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂにより変換された撮像信号に対して適切な信号処理を行い、カラー撮像データ（以下、単に撮像データという。）を得る信号処理部５８（三次元情報取得手段）と、を備えている。
【００２５】
ここで、シャッタ５０は、機械式、電子式又は光学式のいずれの方式をも採り得る。特に、非線形光学効果の一種である光カー効果を利用する光学的シャッタ（カーシャッタ）の場合、超高速のシャッタ速度を実現可能である。
【００２６】
また、撮像素子アレイ５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂは、受光感度特性がそれぞれ同一又は異なる光検出器である。具体的には、撮像素子アレイ５６Ｒは、Ｒ原色（赤色のカラーチャンネル）を取得するための光検出器であり、受光した赤色成分５４ｒを二次元位置毎の電気信号（Ｒ信号値）に変換する。撮像素子アレイ５６Ｇは、Ｇ原色（緑色のカラーチャンネル）を取得するための光検出器であり、受光した緑色成分５４ｇを二次元位置毎の電気信号（Ｇ信号値）に変換する。撮像素子アレイ５６Ｂは、Ｂ原色（青色のカラーチャンネル）を取得するための光検出器であり、受光した青色成分５４ｂを二次元位置毎の電気信号（Ｂ信号値）に変換する。撮像素子アレイ５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂを構成する各撮像素子として、例えば、フォトダイオード、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等を用いてもよい。
【００２７】
なお、ワーク２６の表面２８で反射された光路Ｌ上のチャープ光パルスを切り出すことで、該チャープ光パルスの反射光像５４を取得する反射光像取得部６０（反射光像取得手段）は、集光光学系４６と、反射ミラー４８と、シャッタ５０とから構成される。反射光像５４を分光し、複数のカラーチャンネルでの各色情報を二次元位置毎に取得する色情報取得部６２（色情報取得手段）は、分光結像光学系５２と、３つの撮像素子アレイ５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂとから構成される。
【００２８】
また、撮像部２０は、パルス光源３２によるパルス光の射出動作を制御するパルス光射出制御部６４と、シャッタ５０による図示しないシャッタ幕の開閉動作を制御するシャッタ開閉制御部６６と、パルス光源３２の射出動作とシャッタ５０の開閉動作とのタイミングを制御するタイミング制御部６８とを備える。
【００２９】
さらに、撮像部２０は、取得した撮像データや測定条件等を記録するメモリ７０と、装置本体１８との電気通信を可能とするＩ／Ｆ７２と、色情報取得部６２、タイミング制御部６８、メモリ７０等の各部を相互に接続するバス７４とを備えている。
【００３０】
撮像部２０の接続元である装置本体１８は、撮像部２０から受信した撮像データをチャープ光パルスの色に応じた撮像データに変換する色情報変換部７６と、ワーク２６の三次元形状を表す画像等を表示部２２に表示させる表示制御部７８と、取得した撮像データや測定条件等を記録するメモリ８０とを備えている。
【００３１】
図３は、図２に示す色情報取得部６２の具体的構成を表す概略説明図である。分光結像光学系５２は、入射された反射光像５４（赤色成分５４Ｒ、緑色成分５４Ｇ及び青色成分５４Ｂを含む。）を各色成分に分光する光学ユニット１００と、該光学ユニット１００により分光された各色成分を所望の分光特性となるように補正する光学補正フィルタ１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂとを備えている。
【００３２】
光学ユニット１００は、例えば、プロジェクタやビデオカメラ等に使用される普及品であってもよい。この場合、光学ユニット１００は、外部から入射された反射光像５４を分光し、撮像素子アレイ５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂ側にそれぞれ導光する合成プリズム１０４で構成される。なお、人間の視感度に近づけるため赤外線を遮断する図示しない赤外線遮断フィルタを、合成プリズム１０４の直前の位置に着脱自在に配置してもよい。
【００３３】
合成プリズム１０４は、それぞれ多面体の第１プリズム１０６、第２プリズム１０８及び第３プリズム１１０を有する。各プリズムの所定の面（光路上の面）には、ダイクロイック膜が設けられている。ダイクロイック膜の光学特性を種々変更することで、各プリズムの界面での反射率・透過率を光波長に応じて変調できる。これにより、合成プリズム１０４は、入射光を赤色成分５４ｒ、緑色成分５４ｇ、及び青色成分５４ｂにそれぞれ分光して出射するダイクロイックプリズムとして機能する。
【００３４】
反射光像５４の入射側から順に、第１プリズム１０６、第２プリズム１０８及び第３プリズム１１０の順番で配置されている。第１プリズム１０６の一面と第２プリズム１０８の一面とが接合されることで、第１界面１１２が形成されている。第２プリズム１０８の別の一面と第３プリズム１１０の一面とが接合されることで、第２界面１１３が形成されている。
【００３５】
光学補正フィルタ１０２Ｒは、第１プリズム１０６と撮像素子アレイ５６Ｒとの間に着脱自在に配置されている。光学補正フィルタ１０２Ｇは、第３プリズム１１０と撮像素子アレイ５６Ｇとの間に着脱自在に配置されている。光学補正フィルタ１０２Ｂは、第２プリズム１０８と撮像素子アレイ５６Ｂとの間に着脱自在に配置されている。
【００３６】
本実施の形態に係る三次元形状測定装置１２は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作について説明する。
【００３７】
先ず、ユーザである作業者は、三次元形状測定システム１０によるワーク２６の表面２８の三次元形状を測定する準備を行う。
【００３８】
図１に示すように、作業者は、上位制御装置１４の図示しない操作部を介して三次元形状測定装置１２の各種測定条件を入力・設定する。測定条件には、レンズ面２４とワーク２６との離間距離、照射領域４４（図２参照）の位置、大きさ等が含まれる。入力された前記設定条件は、装置本体１８側に供給され、Ｉ／Ｆ７２（同参照）を介して撮像部２０に入力される。
【００３９】
次いで、上位制御装置１４からの指令信号を受けたロボット制御装置１６は、撮像部２０が装着されている図示しないロボットのアームを所定の位置・姿勢になるように駆動する。これにより、撮像部２０のレンズ面２４がワーク２６の表面２８側に指向し、表面２８上の所定の測定箇所に照射領域４４（同参照）が設定される。
【００４０】
ここで、入力された測定条件に基づいて、図示しないレンズの位置をＺ軸方向に沿って移動させ、焦点位置を補正してもよい。例えば、レンズ面２４とワーク２６との離間距離、及び／又は照射領域４４の大きさに応じた前記レンズのＺ軸位置を、ＬＵＴ（Look Up Table）としてメモリ７０に予め記憶させておいてもよい。
【００４１】
このようにして、三次元形状測定システム１０によるワーク２６の表面２８の三次元形状を測定する準備が完了する。
【００４２】
続いて、上位制御装置１４からの測定開始指示に応じて、表面２８上の三次元形状の測定が開始される。
【００４３】
図２に示すように、パルス光射出制御部６４によるパルス射出指示を受信したパルス光源３２からパルス光が射出されると、該パルス光は、チャープ導入装置３４によりチャープされ、チャープ光パルスが生成される。該チャープ光パルスは、拡大光学系３６によりビーム径が拡大された後、ワーク２６の表面２８上の照射領域４４に照射される。
【００４４】
そして、前記照射領域４４で反射したチャープ光パルスは、集光光学系４６により集光され、反射ミラー４８により所定の角度方向に反射され、シャッタ５０により所定のタイミングで所定の光量だけ切り出される。
【００４５】
なお、シャッタ５０（図示しない遮光性のシャッタ幕）の開閉動作は、シャッタ開閉制御部６６により制御される。そして、タイミング制御部６８は、パルス光射出制御部６４とシャッタ開閉制御部６６とを同期制御することで、チャープ光パルス（反射光像５４）は、適切なタイミングで且つ適切な光量だけ切り出される。例えば、レンズ面２４とワーク２６との離間距離、及び／又は照射領域４４の大きさに応じたシャッタ５０の開放時間を、ＬＵＴとしてメモリ７０に予め記憶させておいてもよい。
【００４６】
図３に示すように、反射光像取得部６０により取得された反射光像５４は、合成プリズム１０４の面１１４に入射される。
【００４７】
反射光像５４のうちの赤色成分５４Ｒは、第１プリズム１０６の面１１４を透過され、第１界面１１２上で所定の角度に反射され、前記面１１４上で所定の角度に反射され、撮像素子アレイ５６Ｒ側に導光され、光学補正フィルタ１０２Ｒにより特定の波長のみが透過される。そして、赤色成分５４Ｒに対して光強度が減衰された赤色成分５４ｒは、撮像素子アレイ５６Ｒに受光されることで、二次元位置毎の撮像信号（Ｒ信号値）に変換される。
【００４８】
反射光像５４のうちの緑色成分５４Ｇは、第１プリズム１０６の面１１４を透過され、第２界面１１３を透過され、第３プリズム１１０の面１１６を透過され、撮像素子アレイ５６Ｇ側に導光され、光学補正フィルタ１０２Ｇにより特定の波長のみが透過される。そして、緑色成分５４Ｇに対して光強度が減衰された緑色成分５４ｇは、撮像素子アレイ５６Ｇに受光されることで、二次元位置毎の撮像信号（Ｇ信号値）に変換される。
【００４９】
反射光像５４のうちの青色成分５４Ｂは、第１プリズム１０６の面１１４を透過され、第２界面１１３上で所定の角度に反射され、第２プリズム１０８の面１１８を透過され、撮像素子アレイ５６Ｂ側に導光され、光学補正フィルタ１０２Ｂにより特定の波長のみが透過される。そして、青色成分５４Ｂに対して光強度が減衰された青色成分５４ｂは、撮像素子アレイ５６Ｂに受光されることで、二次元位置毎の撮像信号（Ｂ信号値）に変換される。
【００５０】
撮像素子アレイ５６Ｒ、５６Ｇ及び５６Ｂから供給された撮像信号は、信号処理部５８より、所望の信号処理が施され、所定のフォーマットに従った撮像データに変換され、バス７４側に供給され、メモリ７０に一旦記録される。
【００５１】
そして、撮像データは、バス７４、Ｉ／Ｆ７２及びケーブル３０を介して、装置本体１８側に送信され、表示制御部７８による制御下、ワーク２６の形状を可視化したカラー画像として表示部２２（図８の表示画面２００）に表示される。
【００５２】
以上のように、ワーク２６の形状を可視化した撮像データを取得することができる。すなわち、Ｘ−Ｙ軸平面上の各位置におけるチャープ光パルスの飛行時間の差（Ｚ軸方向の奥行き）が、シャッタ５０の開閉動作により同時に切り出された光色（波長）によって画像の階調が表現される。
【００５３】
前縁である短波長側（紫色）から後縁である長波長側（赤色）まで色が連続的に変化するチャープ光パルスを用いた場合を例に、具体的に説明する。Ｚ方向の奥行きが大きくなるほど、チャープ光パルスの飛行距離が長くなるので、それだけシャッタ５０に到達する時間が遅延する。すなわち、Ｚ方向の奥行きが大きい場合は、チャープ光パルスの前縁の方である長波長側の光色（赤色側）が検出される。一方、Ｚ方向の奥行きが小さい場合は、チャープ光パルスの後縁の方である短波長側の光色（紫色側）が検出される。
【００５４】
ところで、図３に示す光学補正フィルタ１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂによる作用効果について、図４〜図７を参照しながら詳細に説明する。
【００５５】
入出力デバイス間での色再現性の互換性を確保するため、色空間に関する標準規格が種々規定されている。標準規格として、ＩＥＣ（International Electrotechnical Commission）による国際標準規格であるｓＲＧＢや、事実上の標準規格であるＡｄｏｂｅＲＧＢ等が挙げられる。そのため、普及品であるカメラユニット（光学ユニット及び撮像素子アレイ）は、ほぼ同様の分光感度特性を有している。
【００５６】
図４は、典型的なカメラユニットの分光感度特性を表すグラフである。グラフの横軸は光波長（単位はｎｍ）であり、縦軸はＲＧＢ各原色での感度である。ここで感度とは、複数のカラーチャンネルの各撮像信号（色情報）に対応する分光感度特性を意味する。すなわち、感度は、分光された赤色成分５４ｒ（緑色成分５４ｇ、青色成分５４ｂ）の分光特性と、撮像素子アレイ５６Ｒ（撮像素子アレイ５６Ｇ、撮像素子アレイ５６Ｂ）の受光感度特性との乗算値である。なお、本図では、撮像素子アレイ５６Ｂ（約５５０ｎｍ）での感度が１になるように、各値を規格化している。
【００５７】
Ｂ原色の分光感度特性は、波長４００〜５２０ｎｍの範囲に及ぶとともに、４５０ｎｍ付近に急峻なピークを１つ有している。Ｇ原色の分光感度特性は、波長４７０〜６００ｎｍの範囲に及ぶとともに、５５０ｎｍ付近に幅広なピークを１つ有している。Ｂ原色の分光感度特性は、波長５７０〜７５０ｎｍの範囲に及ぶとともに、６００ｎｍ付近に幅広なピークを１つ有している。
【００５８】
図５は、光学補正フィルタ１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂを取り外した状態下でワーク２６の形状を測定した場合における、実際値と測定値との相関関係を表すグラフである。グラフの横軸は、ワーク２６のＺ方向での実際値（単位はｍｍ）である。グラフの縦軸は、撮像部２０を用いてワーク２６を撮像し得られた測定値（単位はｍｍ）である。理想的には、実際値に対する測定値の各プロットが直線上（ｙ＝ｘ）に存在することが望ましい。
【００５９】
ところが、概ね２〜４ｍｍの範囲（不変範囲Ｒ１）では、実際値の変化にかかわらず測定値が略一定となる。同様に、概ね４〜５ｍｍの範囲（不変範囲Ｒ２）では、実際値の変化にかかわらず測定値が略一定となる。このような不変範囲Ｒ１及びＲ２では、実際値との対応が適切でないため、正確な測定精度が得られない。
【００６０】
図４に戻って、不変範囲Ｒ１に相当する波長４２０〜４７０ｎｍの範囲では、Ｂ原色の感度値のみが非０であり、Ｒ原色及びＧ原色の感度値はいずれも０である（単色範囲Ｒ１）。そして、単色範囲Ｒ１では、Ｂ原色が分布する他の範囲と比べて、光波長１ｎｍ当りの出力値の変化量（以下、勾配絶対値という。）が緩やかである。
【００６１】
また、不変範囲Ｒ２に相当する波長５２０〜５７０ｎｍの範囲では、Ｇ原色の感度値のみが非０であり、Ｒ原色及びＢ原色の感度値はいずれも０である（単色範囲Ｒ２）。そして、単色範囲Ｒ２では、Ｇ原色が分布する他の範囲と比べて、勾配絶対値が緩やかである。
【００６２】
すなわち、単色範囲Ｒ１及びＲ２は、検出された反射光像５４（チャープ光パルス）の色分解能が低い波長範囲に相当する。ここで、「色分解能が低い」とは、光波長１ｎｍ当りの色（明度及び彩度）の変化量が小さいことを意味する。これにより、反射光像５４の切り出し位置の識別性能が低下するため、奥行き方向の空間分解能及び測定精度が低下する。
【００６３】
図６は、これに対し、本発明に係る色情報取得部６２の分光感度特性（分光特性）の一例を示すグラフであって、理想的な分光感度特性を表している。グラフの定義は、図４と同様であるので、説明を省略する。
【００６４】
Ｂ原色の分光感度特性は、波長４００ｎｍ付近を最大値（ピーク）とし、４００〜６００ｎｍの範囲では光波長が長くなるにつれて線形的に減少する。Ｇ原色の分光感度特性は、波長５５０ｎｍ付近を最大値（ピーク）とし、４００〜５５０ｎｍの範囲では光波長が短くなるにつれて線形的に減少するとともに、５５０〜７００ｎｍの範囲では光波長が長くなるにつれて線形的に減少する。Ｒ原色の分光感度特性は、波長７００ｎｍ付近を最大値（ピーク）とし、５００〜７００ｎｍの範囲では波長が短くなるにつれて線形的に減少する。すなわち、ＲＧＢ原色の分光感度特性は、チャープ光パルスの波長範囲において少なくとも２つが交差している。また、ＲＧＢ原色の分光感度特性は、少なくとも１つのピークをそれぞれ有しており、各ピークに対応する光波長がそれぞれ異なっている。
【００６５】
図７は、光学補正フィルタ１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂ（図３参照）を装着した状態下でワーク２６の形状を測定した場合における、実際値と測定値との相関関係を示すグラフである。本グラフ上に、各測定値をプロットするとともに、許容される測定値の範囲の上限及び下限（破線で示した２本の直線）を表記した。図７例では、実際値に対して±０．１ｍｍ以内の誤差を許容している。本図に示すように、図５（特に不変範囲Ｒ２）と比べて、４〜６ｍｍの範囲で直線性が大幅に向上し、且つ測定精度も向上した。
【００６６】
色情報取得部６２（図２参照）は、図６に示す分光感度特性を有することで、反射光像５４を、原色Ｒ、Ｇ、Ｂのうち複数の原色の組合せに変換して撮像信号（色情報）を取得できる。そのため、チャープ光パルスの波長範囲にわたって色分解能を確保できる。これにより、チャープ光パルスの検出タイミングにかかわらず、Ｚ軸方向（奥行き方向）の空間分解能及び測定精度を向上できる。
【００６７】
また、原色Ｒ、Ｇ、Ｂの各分光感度特性は、チャープ光パルスの波長範囲において勾配絶対値の総和が所定の値以上であるので、前記波長範囲において単位長さ当りの色の変化（色差）が十分確保される。
【００６８】
さらに、原色Ｒ、Ｇ、Ｂの各分光感度特性は、少なくとも１つのピークをそれぞれ有しており、各ピークに対応する光波長がそれぞれ異なるので、各カラーチャンネルでの色情報の分解性能が向上する。
【００６９】
なお、色情報取得部６２により取得される各分光感度特性は、図６例に限定されることなく、チャープ光パルスの波長範囲において少なくとも２つが交差する関係にあれば、他の特性であってもよい。
【００７０】
図３に戻って、光学補正フィルタ１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂを着脱自在に設けることで、色情報取得部６２の分光感度特性を自由に変更できる。これにより、他の装置構成を変更することなく、チャープ光パルスを用いた撮像以外の撮像モードへ容易に変更できる。例えば、普及品である光学ユニット１００を用いている場合、光学補正フィルタ１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂを取り外すことで、自然光を利用した通常の撮像装置としても使用できる。
【００７１】
また、光学ユニット１００の構成を種々変更することで、図６に例示する分光感度特性を実現してもよい。例えば、光学補正フィルタ１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂの分光透過特性はいうまでもなく、他に、合成プリズム１０４のダイクロイック膜の物性、各プリズムのサイズ・角度・配置等をも変更してもよい。また、合成プリズム１０４に代替して、他の構成に変更してもよい。例えば、部分透過（反射）ミラー、ビームスプリッタ等を含む各種光学素子を適宜組み合わせて構成してもよい。さらに、撮像素子アレイ５６Ｒ、５６Ｇ、５６Ｂの受光感度特性を種々変更してもよく、カラーチャンネル毎に異なる受光感度特性を有するようにしてもよい。
【００７２】
さらに、撮像部２０から取得した撮像データを、種々の方法を用いて表示部２２に表示させてもよい。図８は、ワーク２６の三次元形状の表示例を示す画面図である。
【００７３】
表示画面２００には、ワーク２６（照射領域４４の近傍）の三次元形状を表すカラー画像２０２と、カラー画像２０２の表示色と奥行き位置との関係を表すカラーバー２０４と、カラー画像２０２及びカラーバー２０４の表示色を切り替える切替操作部２０６とが表示されている。
【００７４】
カラーバー２０４の上端部２０８（目盛０ｍｍ位置）は、反射光像５４の後縁側（青色側）成分に相当する。つまり、ワーク２６上では、Ｚ方向の奥行きが小さい部位に対応する。カラーバー２０４の下端部２１０（目盛１０ｍｍ位置）は、反射光像５４の前縁側（赤色側）成分に相当する。つまり、ワーク２６上では、Ｚ方向の奥行きが大きい部位に対応する。なお、本図では、説明の便宜上、反射光像５４の青色側から赤色側にかけて徐々に薄くなるような、モノクロ濃淡のグラデーションで表記している。
【００７５】
カラー画像２０２の描画内容から諒解されるように、照射領域４４内のワーク２６は、平坦な表面２８の一部が略半球状に凹んだ三次元形状を有する。このように、作業者は、カラー画像２０２の色の二次元分布に基づいて、ワーク２６の微視的形状を把握できる。特に、カラーバー２０４を併せて表示することで、作業者は、ワーク２６の三次元形状を感覚的且つ容易に把握できる。
【００７６】
作業者による切替操作部２０６の操作に応じて、カラー画像２０２の階調特性を変更させてもよい。例えば、「チャープ色変換：なし」の入力指示がなされると、表示制御部７８は、撮像部２０で取得した撮像データをカラー画像２０２としてそのままの色で表示部２２に表示させる。
【００７７】
一方、「チャープ色変換：あり」の入力指示がなされると、装置本体１８のメモリ８０に記録された撮像データは、色情報変換部７６により色変換され、表示制御部７８の制御下で、カラー画像２０２として表示画面２００に表示される。このとき、色情報変換部７６は、色情報取得部６２の分光特性に基づいて、反射光像５４が有する実際の光波長に応じた撮像データに変換する。
【００７８】
これにより、作業者は、チャープ光パルスが有する実際の色と対応させてカラー画像２０２を視認できる。また、シャッタ５０の開閉タイミングや、拡大光学系３６又は集光光学系４６の位置等の調整作業の際に便宜である。
【００７９】
なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。
【００８０】
例えば、本実施の形態ではＲＧＢ原色について主に説明したが、これらの組み合わせに限られることなく、任意の原色の組合せに対して本発明を適用できることはいうまでもない。すなわち、図３では、ＲＧＢの３色のカラーチャンネルを形成しているが、これに限定されることなく、２色でも、４色以上であってもよい。また、撮像素子の数は、計測精度に応じて適宜変更してもよい。
【００８１】
また、本実施の形態では、光源部（パルス光源３２及びチャープ導入装置３４）と、検出部としての色情報取得部６２とが撮像部２０に一体的に組み込まれている構成を採っているが、光源部及び検出部を別々のユニットとして構成してもよい。
【００８２】
さらに、三次元形状の測定に用いられるチャープ光パルスは、可視領域の光波長に限定されることなく、紫外線や赤外線等を用いてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１０…三次元形状測定システム １２…三次元形状測定装置
１８…装置本体 ２０…撮像部
２２…表示部 ２６…ワーク
２８…表面 ３４…チャープ導入装置
５０…シャッタ ５２…分光結像光学系
５４…反射光像 ５６Ｒ（Ｇ、Ｂ）…撮像素子アレイ
５８…信号処理部 ６０…反射光像取得部
６２…色情報取得部 ７６…色情報変換部
７８…表示制御部 １００…光学ユニット
１０２Ｒ（Ｇ、Ｂ）…光学補正フィルタ １０４…合成プリズム
２００…表示画面 ２０４…カラーバー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
色が規則的に経時変化する光パルスを生成する光パルス生成手段と、
前記光パルス生成手段により生成された前記光パルスを被測定物に照射し、前記被測定物で反射された前記光パルスを切り出すことで、前記光パルスの反射光像を取得する反射光像取得手段と、
前記反射光像取得手段により取得された前記反射光像を分光し、複数のカラーチャンネルでの各色情報を二次元位置毎に取得する色情報取得手段と、
前記色情報取得手段により取得された二次元位置毎の前記各色情報に基づいて前記被測定物の三次元情報を取得する三次元情報取得手段と、を備え、
前記各色情報に対応する分光特性は、前記光パルスの波長範囲において少なくとも２つが交差する
ことを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の三次元形状測定装置において、
前記色情報取得手段は、着脱自在に配置された光学補正フィルタを備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の三次元形状測定装置において、
前記三次元情報取得手段により取得された前記被測定物の三次元情報を可視化して表示するとともに、前記三次元情報の表示色と奥行き位置との関係を表すカラーバーを併せて表示する表示手段をさらに備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置において、
前記各色情報に対応する各分光特性に基づいて、該各色情報を、前記反射光像の光波長に応じた各色情報に変換する色情報変換手段をさらに備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置において、
前記各色情報に対応する各分光特性は、少なくとも１つのピークをそれぞれ有しており、各前記ピークに対応する光波長がそれぞれ異なることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項１】
色が規則的に経時変化する光パルスを生成する光パルス生成手段と、
前記光パルス生成手段により生成された前記光パルスを被測定物に照射し、前記被測定物で反射された前記光パルスを切り出すことで、前記光パルスの反射光像を取得する反射光像取得手段と、
前記反射光像取得手段により取得された前記反射光像を分光し、複数のカラーチャンネルでの各色情報を二次元位置毎に取得する色情報取得手段と、
前記色情報取得手段により取得された二次元位置毎の前記各色情報に基づいて前記被測定物の三次元情報を取得する三次元情報取得手段と、を備え、
前記各色情報に対応する分光特性は、前記光パルスの波長範囲において少なくとも２つが交差する
ことを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の三次元形状測定装置において、
前記色情報取得手段は、着脱自在に配置された光学補正フィルタを備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の三次元形状測定装置において、
前記三次元情報取得手段により取得された前記被測定物の三次元情報を可視化して表示するとともに、前記三次元情報の表示色と奥行き位置との関係を表すカラーバーを併せて表示する表示手段をさらに備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置において、
前記各色情報に対応する各分光特性に基づいて、該各色情報を、前記反射光像の光波長に応じた各色情報に変換する色情報変換手段をさらに備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置において、
前記各色情報に対応する各分光特性は、少なくとも１つのピークをそれぞれ有しており、各前記ピークに対応する光波長がそれぞれ異なることを特徴とする三次元形状測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１３７３９４（Ｐ２０１２−１３７３９４Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９０２８７（Ｐ２０１０−２９０２８７）
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]