三次元形状計測装置
【課題】反射画像の輝度を適切な輝度に調整することができ、被計測物の三次元形状を正確に計測することが可能な三次元形状計測装置を提供すること。
【解決手段】三次元形状計測装置１００は、輝度が正弦波状に変化する縞状の光パターンを異なる位相で複数回、被計測物に投影する投影手段１０と、光パターンが投影された被計測物の反射画像を撮像する撮像手段２０と、被計測物の反射画像を基に、被計測物の三次元座標を計測する計測手段３１と、を有し、光パターンを被計測物に投影する前に、投影手段１０より所定の光を被計測物に投影し、所定の光が投影された被計測物の反射画像における各画素の輝度階調値と、所定の光の輝度階調値と、を基に、被計測物の光の最大反射率を算出する反射率算出手段３２と、最大反射率に応じて、撮像手段２０が受光する受光量を調整する調整手段３３と、を備える。
【解決手段】三次元形状計測装置１００は、輝度が正弦波状に変化する縞状の光パターンを異なる位相で複数回、被計測物に投影する投影手段１０と、光パターンが投影された被計測物の反射画像を撮像する撮像手段２０と、被計測物の反射画像を基に、被計測物の三次元座標を計測する計測手段３１と、を有し、光パターンを被計測物に投影する前に、投影手段１０より所定の光を被計測物に投影し、所定の光が投影された被計測物の反射画像における各画素の輝度階調値と、所定の光の輝度階調値と、を基に、被計測物の光の最大反射率を算出する反射率算出手段３２と、最大反射率に応じて、撮像手段２０が受光する受光量を調整する調整手段３３と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、例えば機械部品などの被計測物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特開２００５−２１４６５３号公報（特許文献１）に示されるように、被計測物の物体表面の三次元形状を測定する方法の１つとして、位相シフト法が知られている。位相シフト法では、投影装置により被計測物に縞状の光パターンを投影し、被計測物の表面で乱反射された反射画像を投影装置の投影光軸と異なる方向から撮像装置で撮像する。そして、この撮像装置で撮像した濃淡画像を画像処理することで被計測物の３次元形状が計測される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２１４６５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、投影装置より投影される光の階調値と、撮像装置で撮像される反射画像の階調値とでは、単位階調値当たりの輝度のスケールが異なるため、同じ階調値であっても、実際に同じ輝度になるとは限らない。そのため、場合によっては、反射画像の一部の輝度が、撮像装置で階調値として検出可能な輝度を超えてしまい、被計測物の三次元形状が正確に計測されなくなる恐れがあった。
【０００５】
本願発明は、上記背景技術に鑑みて発明されたもので、その目的は、反射画像の輝度を適切な輝度に調整することができ、被計測物の三次元形状を正確に計測することが可能な三次元形状計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本願発明の三次元形状計測装置は、輝度が正弦波状に変化する縞状の光パターンを異なる位相で複数回、被計測物に投影する投影手段と、前記光パターンが投影された前記被計測物の反射画像を撮像する撮像手段と、前記被計測物の反射画像を基に、前記被計測物の三次元座標を計測する計測手段と、を有し、前記光パターンを前記被計測物に投影する前に、前記投影手段より所定の光を前記被計測物に投影し、前記所定の光が投影された前記被計測物の反射画像における各画素の輝度階調値と、前記所定の光の輝度階調値と、を基に、前記被計測物の光の最大反射率を算出する反射率算出手段と、前記最大反射率に応じて、前記撮像手段が受光する受光量を調整する調整手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この三次元形状計測装置において、前記投影手段は、光を投光する投光手段と、前記投光手段より投光される投光量を変化させる投光量変化手段と、前記投光手段により投光された光を基に、前記光パターンを形成する光パターン形成手段と、を有し、前記調整手段は、前記最大反射率を基に、前記投光量変化手段を用いて、前記投光手段により投光される投光量を調整することにより、前記撮像手段が受光する受光量を調整することが好ましい。
【０００８】
この三次元形状計測装置において、前記撮像手段に対する露光量を変化させる露光量変化手段を有し、前記調整手段は、前記最大反射率を基に、前記露光量を調整することにより、前記撮像手段が受光する受光量を調整することが好ましい。
【０００９】
この三次元形状計測装置において、前記撮像手段は、半導体撮像素子を含み、前記調整手段は、前記最大反射率を基に、前記半導体撮像素子から出力される画素信号の増幅率を調整することが好ましい。
【００１０】
この三次元形状計測装置において、前記露光量変化手段は、前記撮像手段と前記被計測物との間に設けられ、前記被計測物からの反射光が透過するように設置された液晶パネルであり、前記調整手段は、当該液晶パネルの液晶配向を調整することにより前記露光量を変化させることが好ましい。
【００１１】
この三次元形状計測装置において、この前記反射率算出手段は、輝度が均一な均一光を前記被計測物に投影し、当該均一光が投影された前記被計測物の反射画像における各画素の輝度階調値のうち、最も高い輝度階調値と、前記均一光の輝度階調値と、を基に、前記最大反射率を算出することが好ましい。
【００１２】
この三次元形状計測装置において、前記反射率算出手段は、互いに輝度の異なる均一光を前記被計測物にそれぞれ投影した場合における前記被計測物の反射画像の各画素の輝度階調値を基に、前記最大反射率を算出することが好ましい。
【００１３】
この三次元形状計測装置において、前記反射率算出手段は、所定の周期で明暗が反転する光パターンを前記被計測物に投影し、当該光パターンが投影された前記被計測物の反射画像における各画素の輝度階調値のうち、最も高い輝度階調値と、前記光パターンの明領域の輝度階調値と、を基に、前記最大反射率を算出することが好ましい。
【００１４】
この三次元形状計測装置において、前記反射率算出手段は、輝度が正弦波状に変化する縞状の光パターンを前記被計測物に投影し、当該光パターンが投影された前記被計測物の反射画像における任意の画素の輝度階調値の変化を基に、当該光パターンの振幅と中心値とを算出し、当該光パターンの振幅と中心値とを基に、前記最大反射率を算出することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本願発明の三次元形状計測装置においては、被計測物の三次元形状の計測の際に、撮像手段で撮像可能な輝度を反射画像の輝度が超えるのを防ぐことができ、被計測物の三次元形状を正確に計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本願発明の第１実施形態に係る三次元形状計測装置のブロック図である。
【図２】投影装置より投光された均一光の輝度と反射画像の最大輝度との関係を示すグラフの一例である。
【図３】投影装置より投光された均一光の輝度と反射画像の最大輝度との関係を示すグラフの一例である。
【図４】本願発明の第２実施形態に係る三次元形状計測装置のブロック図である。
【図５】本願発明の第３実施形態に係る三次元形状計測装置のブロック図である。
【図６】本願発明の第４実施形態に係る三次元形状計測装置のブロック図である。
【図７】所定の周期で明暗が反転する複数の光パターンの一例である。
【図８】縞状の光パターンの位相情報を示すグラフの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、各実施形態について説明する。
【００１８】
（第1実施形態）
まず、本願発明の第1実施形態について説明する。
【００１９】
まず、第１実施形態に係る三次元形状計測装置１００の構成の一例について図１を用いて説明する。図１は、第1実施形態に係る三次元形状計測装置１００の一例を示すブロック図である。図１において、矢印は信号の流れを示し、破線Ｌｐ１は投影光軸を示し、破線Ｌｐ２は反射光軸を示す。
【００２０】
三次元形状計測装置１００は、投影装置１０と、撮像装置２０と、処理装置３０と、を備える。三次元形状計測装置１００は、位相シフト法を用いて、被計測物Ｍの三次元形状を測定する装置である。具体的には、三次元形状計測装置１００は、輝度が正弦波状に変化する縞状の光パターンを異なる位相で複数回、被計測物Ｍに投影し、それぞれの反射画像を撮像することで、被計測物Ｍの三次元形状を測定する。
【００２１】
投影装置１０は、縞状の光パターンを被計測物Ｍに投影する装置であり、主に、光源１１と、当該光源１１の光の投光方向に配置された透過型の液晶パネル１２と、液晶パネル１２を透過した光を被計測物Ｍに投影するレンズ１３と、を備える。また、投影装置１０は、光源１１より投光される投光量を変化させる光源制御装置１４を備える。撮像装置２０は、光パターンが投影された被計測物Ｍの反射画像を撮像する装置であり、主に、半導体撮像素子２２と、当該半導体撮像素子２２の出力を信号処理して画素毎の輝度を得る信号処理回路２１と、を備える。半導体撮像素子２２としては、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）が挙げられる。なお、ここで、投影装置１０は投影手段として機能する。具体的には、光源１１が投光手段、光源制御装置１４が投光量変化手段、液晶パネル１２が光パターン形成手段としてそれぞれ機能する。また、撮像装置２０が撮像手段として機能する。
【００２２】
処理装置３０は、例えばＰＣ（Personal Computer）などのコンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリやハードディスクを備え、投影装置１０及び撮像装置２０と通信インターフェースを介して接続されている。処理装置３０は、メモリに記憶されたプログラムをＣＰＵが実行することにより、計測手段３１、反射率算出手段３２及び調整手段３３として機能する。以下、これらの手段について、具体的に説明する。
【００２３】
計測手段３１は、位相シフト法を用いて、被計測物Ｍの三次元形状を計測する。具体的には、計測手段３１は、液晶パネル１２を透過した光が縞状の光パターンを形成するように、投影装置１０を制御して、液晶パネル１２の液晶配向を変化させる。また、計測手段３１は、撮像装置２０の信号処理回路２１から出力される画素信号を基に、縞状の光パターンが投影された被計測物Ｍの反射画像を取得する。計測手段３１は、縞状の光パターンを異なる位相で複数回、被計測物Ｍに投影し、その度に反射画像を取得する。そして、計測手段３１は、これら複数の反射画像を基に、被計測物Ｍの三次元形状を算出する。より詳細には、計測手段３１は、位相を異ならせて光パターンを被計測物Ｍに投影したときの各画素の輝度階調値の変化を基に、各画素毎に、被計測物Ｍで反射された光パターンの位相変化を算出し、当該位相変化を基に、被計測物Ｍの三次元形状を算出する。
【００２４】
反射率算出手段３２及び調整手段３３は、被計測物Ｍの光の最大反射率に応じて、撮像装置２０が受光する受光量を調整する。具体的には、反射率算出手段３２は、投影装置１０を制御して、投影装置１０より所定の光、例えば、輝度が均一な均一光を被計測物Ｍに投影するとともに、当該均一光が投影された被計測物Ｍの反射画像を取得する。そして、反射率算出手段３２は、当該反射画像における各画素の輝度階調値を基に、被計測物Ｍの最大反射率を算出する。ここで、最大反射率とは、当該反射画像の最大輝度階調値と、当該所定の光（ここでは均一光）の輝度階調値との比率である。調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、撮像装置２０が受光する受光量を調整する。
【００２５】
このように、第1実施形態に係る三次元形状計測装置１００は、被計測物Ｍの三次元形状の測定を行う計測手段３１に加え、受光量調整制御を行う反射率算出手段３２及び調整手段３３を有する。
【００２６】
次に、反射率算出手段３２及び調整手段３３による受光量調整制御について具体的に説明する。先にも述べたように、位相シフト法では、縞状の光パターンが投影された被計測物Ｍの反射画像が撮像装置２０により撮像される。ここで、投影装置１０より投影される光の輝度階調値は、投影装置１０の液晶パネル１２の設定に応じて決定され、撮像装置２０にて撮像される反射画像の輝度階調値は、撮像装置２０の信号処理回路２１の設定に応じて決定される。つまり、投影装置１０より投影される光の輝度階調値と、当該反射画像における各画素の輝度階調値とでは、単位階調値当たりの輝度のスケールが異なることがあり、同じ輝度階調値であっても、実際に同じ輝度になるとは限らない。そのため、場合によっては、反射画像の一部の輝度が、撮像装置２０で撮像可能な輝度を超えて飽和してしまい、被計測物Ｍの三次元形状が正確に計測されなくなる可能性がある。
【００２７】
そこで、第1実施形態では、位相シフト法を用いた被計測物Ｍの三次元形状の計測が行われる前に、撮像装置２０が受光する受光量を調整する受光量調整制御が行われる。
【００２８】
第1実施形態に係る受光量調整制御の具体的な方法について説明する。
【００２９】
まず、反射率算出手段３２は、投影装置１０を制御して、被計測物Ｍに均一光を投影するとともに、当該均一光が投影された被計測物Ｍの反射画像を撮像装置２０より取得する。反射率算出手段３２は、当該均一光が投影された被計測物Ｍの反射画像を取得すると、当該反射画像の最大輝度階調値を算出する。具体的には、反射率算出手段３２は、当該反射画像における各画素の輝度階調値のうち、最も大きな輝度階調値を最大輝度階調値として算出する。反射率算出手段３２は、当該反射画像の最大輝度階調値と当該均一光の輝度階調値との比率を最大反射率として算出する。調整手段３３は、算出された最大反射率を基に、撮像装置２０が受光する受光量を調整する。例えば、撮像装置２０にて検出可能な輝度階調値の範囲が１〜２５５の間にある場合には、調整手段３３は、当該反射画像の最大輝度階調値が「２５５」よりも小さくなるように、撮像装置２０が受光する受光量を調整する。なお、以下では、撮像装置２０が検出可能な輝度階調値の最大値（上述の例でいうと「２５５」）を「階調限界値」と称する。第１実施形態に係る三次元形状計測装置１００では、調整手段３３は、光源制御装置１４を用いて、光源１１より投光される投光量を調整することにより、撮像装置２０で受光される受光量を調整する。
【００３０】
最大反射率の算出方法について図２、図３を用いて具体的に説明する。図２、図３は、投影装置１０より投影された均一光の輝度階調値と反射画像の最大輝度階調値との関係を示すグラフの一例である。なお、以下では、投影装置１０より投影される光の輝度階調値を「Ｌ」を付けて示し、撮像装置２０にて受光される光の輝度階調値を「Ｒ」を付けて示すこととする。
【００３１】
図２は、三次元形状計測装置１００を暗室に置いて計測を行うことを想定したときのグラフの一例である。図２に示すように、均一光の輝度と反射画像の最大輝度との関係は、線形グラフで示される。即ち、均一光の輝度が大きくなるほど、反射画像の最大輝度は大きくなる。図２に示す例では、三次元形状計測装置１００を暗室に置いて計測を行うことを想定しているので、均一光の輝度が０Ｌとなる場合には、反射画像の最大輝度も０Ｒとなる。ここで、図２に示すグラフの傾きが最大反射率として算出される。
【００３２】
例えば、図２のグラフ上の点Ｐａに示すように、均一光の輝度が１００Ｌに設定された場合において、当該均一光が投影されたときの被計測物Ｍの反射画像の最大輝度が１２０Ｒと算出されたとする。このとき、最大反射率は１２０Ｒ／１００Ｌ＝１．２Ｒ／Ｌと算出される。調整手段３３は、当該最大反射率を基に、光源制御装置１４を制御して、光源１１より投光される投光量を調整する。例えば、撮像装置２０の最大階調値が２５５Ｒの場合には、調整手段３３は、光源１１より投光される光の輝度階調値が２５５Ｒ／（１．２Ｒ／Ｌ）＝２１２Ｌよりも小さくなるように光源１１より投光される投光量を調整する。このようにすることで、反射画像の最大輝度階調値が２５５Ｒを超えるのを防ぐことができる。これにより、反射画像の輝度が、撮像装置２０で階調値として検出可能な最大輝度を超えるのを防ぐことができ、被計測物Ｍの三次元形状を正確に計測することが可能となる。
【００３３】
上述の例では、三次元形状計測装置１００を暗室に置いて計測を行うとしているが、このようにする代わりに、環境光の存在する部屋に置いて計測を行うとしてもよい。
【００３４】
図３は、三次元形状計測装置１００を環境光の存在する部屋に置いて計測を行うことを想定したときのグラフの一例である。図２に示した例と同様、図３に示す例においても、均一光の輝度階調値と反射画像の最大輝度階調値との関係は、線形グラフで示され、グラフの傾きが最大反射率として算出される。ただし、図２に示した例と異なり、図３に示す例では、均一光の輝度階調値が０Ｌとなる場合であっても、環境光の影響により、反射画像の最大輝度階調値は０Ｒとならない。従って、図３に示すグラフの傾きを算出するためには、グラフ上の任意の2点の位置を知る必要がある。そこで、反射率算出手段３２は、互いに輝度の異なる均一光を被計測物Ｍに投影したときの反射画像の最大輝度階調値をそれぞれ算出して、最大反射率を算出する。例えば、点Ｐｃに示すように、均一光の輝度階調値が８０Ｌのときに反射画像の最大輝度階調値が９６Ｒとなり、点Ｐｂに示すように、均一光の輝度階調値が１３０Ｌのときに反射画像の最大輝度階調値が１５６Ｒとなったとする。この場合、最大反射率は、（１５６Ｒ−９６Ｒ）／（１３０Ｌ−８０Ｌ）＝１．２Ｒ／Ｌと算出される。このようにすることで、環境光の存在する状況下であっても、当該環境光の影響を除去しつつ、最大反射率を算出することができる。
【００３５】
以上に述べたことから分かるように、第1実施形態では、反射率算出手段３２は、投影装置１０より均一光を被計測物Ｍに投影する。そして、反射率算出手段３２は、当該均一光が投影された被計測物Ｍの反射画像の最大輝度階調値と、当該均一光の輝度階調値と、を基に、被計測物Ｍの最大反射率を算出する。調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、撮像装置２０が受光する受光量を調整する。例えば、第1実施形態では、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、光源１１より投光される投光量を調整する。このようにすることで、被計測物Ｍの三次元形状の計測の際に、撮像装置２０で階調値として検出可能な輝度を反射画像の輝度が超えるのを防ぐことができ、被計測物Ｍの三次元形状を正確に計測することが可能となる。
【００３６】
（第２実施形態）
次に、本願発明の第２実施形態について図４を用いて説明する。図４は、第２実施形態に係る三次元形状計測装置１００ａのブロック図である。図４に示す三次元形状計測装置１００ａにおいて、図１に示した三次元形状計測装置１００と同じ構成要素については、同じ符号が付されている。ここで、第1実施形態に係る三次元形状計測装置１００と異なり、第２実施形態に係る三次元形状計測装置１００ａは、撮像装置２０に対する露光量を変化させることが可能な露光量変化手段の一例として、シャッター２３を有する。
【００３７】
先に述べた第1実施形態では、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、光源制御装置１４を制御して、光源１１より投光される投光量を調整するとしていた。これに対し、第２実施形態では、調整手段３３は、光源制御装置１４を用いる代わりに、シャッター２３を用いて、撮像装置２０の露光量を調整することとする。これによっても、撮像装置２０が受光する受光量を調整することができる。以下、第２実施形態に係る受光量調整制御について具体的に説明する。
【００３８】
第1実施形態で述べたのと同様の方法によって、反射率算出手段３２は、投影装置１０より均一光を被計測物Ｍに投影し、当該均一光が投影された被計測物Ｍの反射画像における最大輝度階調値と、当該均一光の輝度階調値と、を基に、被計測物Ｍの光の最大反射率を算出する。そして、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、撮像装置２０のシャッター２３を用いて、例えば露光時間を調整することで、撮像装置２０に対する露光量を調整する。具体的には、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、被計測物Ｍの反射画像の最大輝度階調値が階調限界値よりも小さくなるように、撮像装置２０に対する露光量を調整する。このようにしても、被計測物Ｍの三次元形状の計測の際に、撮像装置２０で階調値として検出可能な輝度を反射画像の輝度が超えるのを防ぐことができ、被計測物Ｍの三次元形状を正確に計測することが可能となる。
【００３９】
なお、ここで、撮像装置２０に対する露光量を調整する方法として、調整手段３３は、シャッター２３を用いる代わりに、又は、加えて、信号処理回路２１を制御して、撮像装置２０の半導体撮像素子２２の各画素から出力される画素信号の増幅率を各画素毎に調整するとしてもよい。つまり、半導体撮像素子２２の各画素から出力される画素信号の増幅率を互いに異ならせるとしてもよい。この場合、信号処理回路２１が露光量変化手段として機能する。例えば、反射画像の一部の画素の輝度階調値が階調限界値を超えており、当該一部の画素以外の画素の輝度階調値が階調限界値を超えていない場合には、調整手段３３は、当該一部の画素から出力される画素信号の増幅率のみを低下させるとすればよい。これにより、反射画像における輝度階調値の差が極端に異なる画素を一度に計測することが可能となる。また、これによれば、受光量調整制御のために新たに装置を設けることなく、上述したのと同様の効果、即ち、撮像装置２０で階調値として検出可能な輝度を反射画像の輝度が超えるのを防いで、被計測物Ｍの三次元形状を正確に計測することが可能となる。
【００４０】
（第3実施形態）
次に、本願発明の第３実施形態について図５を用いて説明する。図５は、第３実施形態に係る三次元形状計測装置１００ｂのブロック図である。図５に示す三次元形状計測装置１００ｂにおいて、図４に示した三次元形状計測装置１００ａと同じ構成要素については、同じ符号が付されている。ここで、第２実施形態に係る三次元形状計測装置１００ａと異なり、第３実施形態に係る三次元形状計測装置１００ｂは、透過型の液晶パネル２３ａを有する。
【００４１】
先に述べた第２実施形態では、調整手段３３は、シャッター２３を用いて、撮像装置２０に対する露光量を調整するとしていた。これに対し、第３実施形態では、調整手段３３は、露光量変化手段として、シャッター２３を用いる代わりに、液晶パネル２３ａを用いて、撮像装置２０に対する露光量を調整することとする。ここで、図５に示すように、液晶パネル２３ａは、撮像装置２０と被計測物Ｍとの間に設けられ、被計測物Ｍからの反射光が透過するように設置されている。以下、第３実施形態に係る受光量調整制御について具体的に説明する。
【００４２】
第1実施形態で述べたのと同様の方法によって、反射率算出手段３２は、投影装置１０より均一光を被計測物Ｍに投影し、当該均一光が投影された被計測物Ｍの反射画像における各画素の輝度を基に、被計測物Ｍの光の最大反射率を算出する。そして、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、液晶パネル２３ａの液晶配向を制御して、撮像装置２０に対する露光量を調整する。具体的には、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、被計測物Ｍの反射画像の最大輝度階調値が階調限界値よりも小さくなるように、撮像装置２０に対する露光量を調整する。このようにしても、被計測物Ｍの三次元形状の計測の際に、撮像装置２０で階調値として検出可能な輝度を反射画像の輝度が超えるのを防ぐことができ、被計測物Ｍの三次元形状を正確に計測することが可能となる。また、液晶パネル２３ａでは、パネル上の領域に応じて、透過率を異ならせることができる。従って、この方法によれば、半導体撮像素子２２の各画素毎に、露光量を異ならせることができる。例えば、反射画像の一部の画素の輝度階調値が階調限界値を超えている場合には、当該一部の画素に対応する液晶パネル２３ａ上の領域の透過率を低下させればよい。これによっても、反射画像における各画素の輝度階調値の差が極端に異なる場合において、各画素を一度に計測することが可能となる。また、この方法によれば、撮像装置２０の半導体撮像素子２２の各画素から出力される画素信号の増幅率を調整する方法と比較して、画素信号に発生するノイズの発生を抑えることができる。
【００４３】
（第4実施形態）
次に、本願発明の第４実施形態について図６を用いて説明する。図６は、第４実施形態に係る三次元形状計測装置１００ｃのブロック図である。図６に示す三次元形状計測装置１００ｃにおいて、図１に示した三次元形状計測装置１００と同じ構成要素については、同じ符号が付されている。
【００４４】
第4実施形態に係る受光輝度調整制御について説明する。上述したように、位相シフト法では、輝度が正弦波状に変化する縞状の光パターンを異なる位相で複数回、被計測物に投影し、それぞれの反射画像を撮像することで、被計測物の三次元形状が測定される。しかしながら、位相シフト法では、被計測物Ｍで反射された光パターンの位相変化を知る事ができるものの、光パターンの一端から他端に向かって数えて何周期目の縞が反射画像上でどの位置にあるかを推定することは難しい。そこで、第４実施形態では、空間コード化法を用いて、半導体撮像素子２２の各画素について、光パターンの一端から他端に向かって数えて何周期目の縞（以下、「縞次数」と称する）が来るかが推定される。ここで、空間コード法を用いた縞次数の計算は空間コード算出手段３２ａによって行われる。
【００４５】
具体的には、位相シフト法を用いた被計測物の三次元形状の測定が計測手段３１により行われる前に、空間コード算出手段３２ａは、投影装置１０を制御して、所定の周期で明暗が反転する複数の光パターンを被計測物Ｍに投影する。光パターンの具体例としては、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、明領域Ａｒ１と暗領域Ａｒ２とが交互に並んだ光パターンが挙げられる。そして、空間コード算出手段３２ａは、光パターンが投影された被計測物Ｍの反射画像を基に、縞次数を算出する。
【００４６】
ここで、第4実施形態では、空間コード算出手段３２ａは、図７（ａ）〜（ｃ）に示す光パターンが投影された被計測物Ｍの反射画像における各画素の輝度階調値のうち、最も高い輝度階調値を最大輝度階調値として算出する。そして、空間コード算出手段３２ａは、当該最大輝度階調値と、当該光パターンの明領域の輝度階調値と、を基に、最大反射率を算出する。従って、空間コード算出手段３２ａは、反射率算出手段としても機能する。そして、第１実施形態で述べたのと同様にして、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、光源１１より投光される投光量を調整する。このようにしても、被計測物Ｍの三次元形状の計測の際に、撮像装置２０で撮像可能な輝度を反射画像の輝度が超えるのを防ぐことができ、被計測物Ｍの三次元形状を正確に計測することが可能となる。
【００４７】
なお、第４実施形態では、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、投影装置１０の投光より投光される光の輝度を調整するとしているが、これに限られるものではない。このようにする代わりに、又は、加えて、第２又は第３実施形態で述べた方法を用いて、撮像装置２０に対する露光量を調整するとしてもよい。
【００４８】
（第５実施形態）
次に、本願発明の第５実施形態について説明する。第５実施形態に係る三次元形状計測装置の構成は、第1実施形態に係る三次元形状計測装置１００と同様の構成である。
【００４９】
第５実施形態では、位相シフト法を用いた被計測物Ｍの三次元形状の計測が行われる前に、反射率算出手段３２は、輝度が正弦波状に変化する縞状の光パターンを異なる位相で複数回、被計測物Ｍに投影し、当該縞状の光パターンが投影された被計測物Ｍの反射画像を取得する。そして、反射率算出手段３２は、当該反射画像における任意の１つの画素の輝度階調値の変化を基に、当該光パターンの振幅と中心値とを算出し、当該光パターンの振幅と中心値と、を基に、最大反射率を算出する。以下、図８を用いて具体的に説明する。
【００５０】
図８は、被計測物Ｍで反射された光パターンの位相情報を示すグラフの一例である。図８に示す例では、反射率算出手段３２は、縞状の光パターンを異なる位相で３回、被計測物Ｍに投影している。図８において、点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３はそれぞれ、縞状の光パターンが位相を変えて被計測物Ｍに投影されたときの、任意の画素での位相と輝度階調値との関係を示している。反射率算出手段３２は、点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を基に、最小二乗法などを用いて、正弦波を当てはめ、当該正弦波の中心値及び振幅を求める。これにより、被計測物Ｍで反射された光パターンの位相情報が得られる。反射率算出手段３２は、中心値に振幅を足した値Ｌ１を、反射画像の最大輝度階調値として算出する。なお、ここで、値Ｌ２は階調限界値を示している。そして、反射率算出手段３２は、反射画像の最大輝度階調値Ｌ１と、投影装置１０より投影される光パターンの輝度階調値の最大値との比率を最大反射率として算出する。調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、光源１１より投光される投光量を調整する。このようにしても、被計測物Ｍの三次元形状の計測の際に、撮像装置２０で階調値として検出可能な輝度を反射画像の輝度が超えるのを防ぐことができ、被計測物Ｍの三次元形状を正確に計測することが可能となる。
【００５１】
なお、第５実施形態では、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、投影装置１０より投光される投光量を調整するとしているが、これに限られるものではない。このようにする代わりに、又は、加えて、第２又は第３実施形態で述べた方法を用いて、撮像装置２０に対する露光量を調整するとしてもよいのは言うまでもない。
【００５２】
（変形例）
本願発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う三次元計測装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。例えば、上記では、第１乃至第５実施形態を別個に説明したが、第１乃至第５実施形態における制御及び構成要素を適宜組み合わせてもよいのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５３】
１０ 投影装置（投影手段）
２０ 撮像装置（撮像手段）
２３、２３ａ 露光量変化手段
３０ 処理装置
３１ 計測手段
３２ 反射率算出手段
３３ 調整手段
１００ 三次元形状計測装置
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、例えば機械部品などの被計測物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特開２００５−２１４６５３号公報（特許文献１）に示されるように、被計測物の物体表面の三次元形状を測定する方法の１つとして、位相シフト法が知られている。位相シフト法では、投影装置により被計測物に縞状の光パターンを投影し、被計測物の表面で乱反射された反射画像を投影装置の投影光軸と異なる方向から撮像装置で撮像する。そして、この撮像装置で撮像した濃淡画像を画像処理することで被計測物の３次元形状が計測される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２１４６５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、投影装置より投影される光の階調値と、撮像装置で撮像される反射画像の階調値とでは、単位階調値当たりの輝度のスケールが異なるため、同じ階調値であっても、実際に同じ輝度になるとは限らない。そのため、場合によっては、反射画像の一部の輝度が、撮像装置で階調値として検出可能な輝度を超えてしまい、被計測物の三次元形状が正確に計測されなくなる恐れがあった。
【０００５】
本願発明は、上記背景技術に鑑みて発明されたもので、その目的は、反射画像の輝度を適切な輝度に調整することができ、被計測物の三次元形状を正確に計測することが可能な三次元形状計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本願発明の三次元形状計測装置は、輝度が正弦波状に変化する縞状の光パターンを異なる位相で複数回、被計測物に投影する投影手段と、前記光パターンが投影された前記被計測物の反射画像を撮像する撮像手段と、前記被計測物の反射画像を基に、前記被計測物の三次元座標を計測する計測手段と、を有し、前記光パターンを前記被計測物に投影する前に、前記投影手段より所定の光を前記被計測物に投影し、前記所定の光が投影された前記被計測物の反射画像における各画素の輝度階調値と、前記所定の光の輝度階調値と、を基に、前記被計測物の光の最大反射率を算出する反射率算出手段と、前記最大反射率に応じて、前記撮像手段が受光する受光量を調整する調整手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この三次元形状計測装置において、前記投影手段は、光を投光する投光手段と、前記投光手段より投光される投光量を変化させる投光量変化手段と、前記投光手段により投光された光を基に、前記光パターンを形成する光パターン形成手段と、を有し、前記調整手段は、前記最大反射率を基に、前記投光量変化手段を用いて、前記投光手段により投光される投光量を調整することにより、前記撮像手段が受光する受光量を調整することが好ましい。
【０００８】
この三次元形状計測装置において、前記撮像手段に対する露光量を変化させる露光量変化手段を有し、前記調整手段は、前記最大反射率を基に、前記露光量を調整することにより、前記撮像手段が受光する受光量を調整することが好ましい。
【０００９】
この三次元形状計測装置において、前記撮像手段は、半導体撮像素子を含み、前記調整手段は、前記最大反射率を基に、前記半導体撮像素子から出力される画素信号の増幅率を調整することが好ましい。
【００１０】
この三次元形状計測装置において、前記露光量変化手段は、前記撮像手段と前記被計測物との間に設けられ、前記被計測物からの反射光が透過するように設置された液晶パネルであり、前記調整手段は、当該液晶パネルの液晶配向を調整することにより前記露光量を変化させることが好ましい。
【００１１】
この三次元形状計測装置において、この前記反射率算出手段は、輝度が均一な均一光を前記被計測物に投影し、当該均一光が投影された前記被計測物の反射画像における各画素の輝度階調値のうち、最も高い輝度階調値と、前記均一光の輝度階調値と、を基に、前記最大反射率を算出することが好ましい。
【００１２】
この三次元形状計測装置において、前記反射率算出手段は、互いに輝度の異なる均一光を前記被計測物にそれぞれ投影した場合における前記被計測物の反射画像の各画素の輝度階調値を基に、前記最大反射率を算出することが好ましい。
【００１３】
この三次元形状計測装置において、前記反射率算出手段は、所定の周期で明暗が反転する光パターンを前記被計測物に投影し、当該光パターンが投影された前記被計測物の反射画像における各画素の輝度階調値のうち、最も高い輝度階調値と、前記光パターンの明領域の輝度階調値と、を基に、前記最大反射率を算出することが好ましい。
【００１４】
この三次元形状計測装置において、前記反射率算出手段は、輝度が正弦波状に変化する縞状の光パターンを前記被計測物に投影し、当該光パターンが投影された前記被計測物の反射画像における任意の画素の輝度階調値の変化を基に、当該光パターンの振幅と中心値とを算出し、当該光パターンの振幅と中心値とを基に、前記最大反射率を算出することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本願発明の三次元形状計測装置においては、被計測物の三次元形状の計測の際に、撮像手段で撮像可能な輝度を反射画像の輝度が超えるのを防ぐことができ、被計測物の三次元形状を正確に計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本願発明の第１実施形態に係る三次元形状計測装置のブロック図である。
【図２】投影装置より投光された均一光の輝度と反射画像の最大輝度との関係を示すグラフの一例である。
【図３】投影装置より投光された均一光の輝度と反射画像の最大輝度との関係を示すグラフの一例である。
【図４】本願発明の第２実施形態に係る三次元形状計測装置のブロック図である。
【図５】本願発明の第３実施形態に係る三次元形状計測装置のブロック図である。
【図６】本願発明の第４実施形態に係る三次元形状計測装置のブロック図である。
【図７】所定の周期で明暗が反転する複数の光パターンの一例である。
【図８】縞状の光パターンの位相情報を示すグラフの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、各実施形態について説明する。
【００１８】
（第1実施形態）
まず、本願発明の第1実施形態について説明する。
【００１９】
まず、第１実施形態に係る三次元形状計測装置１００の構成の一例について図１を用いて説明する。図１は、第1実施形態に係る三次元形状計測装置１００の一例を示すブロック図である。図１において、矢印は信号の流れを示し、破線Ｌｐ１は投影光軸を示し、破線Ｌｐ２は反射光軸を示す。
【００２０】
三次元形状計測装置１００は、投影装置１０と、撮像装置２０と、処理装置３０と、を備える。三次元形状計測装置１００は、位相シフト法を用いて、被計測物Ｍの三次元形状を測定する装置である。具体的には、三次元形状計測装置１００は、輝度が正弦波状に変化する縞状の光パターンを異なる位相で複数回、被計測物Ｍに投影し、それぞれの反射画像を撮像することで、被計測物Ｍの三次元形状を測定する。
【００２１】
投影装置１０は、縞状の光パターンを被計測物Ｍに投影する装置であり、主に、光源１１と、当該光源１１の光の投光方向に配置された透過型の液晶パネル１２と、液晶パネル１２を透過した光を被計測物Ｍに投影するレンズ１３と、を備える。また、投影装置１０は、光源１１より投光される投光量を変化させる光源制御装置１４を備える。撮像装置２０は、光パターンが投影された被計測物Ｍの反射画像を撮像する装置であり、主に、半導体撮像素子２２と、当該半導体撮像素子２２の出力を信号処理して画素毎の輝度を得る信号処理回路２１と、を備える。半導体撮像素子２２としては、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）が挙げられる。なお、ここで、投影装置１０は投影手段として機能する。具体的には、光源１１が投光手段、光源制御装置１４が投光量変化手段、液晶パネル１２が光パターン形成手段としてそれぞれ機能する。また、撮像装置２０が撮像手段として機能する。
【００２２】
処理装置３０は、例えばＰＣ（Personal Computer）などのコンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリやハードディスクを備え、投影装置１０及び撮像装置２０と通信インターフェースを介して接続されている。処理装置３０は、メモリに記憶されたプログラムをＣＰＵが実行することにより、計測手段３１、反射率算出手段３２及び調整手段３３として機能する。以下、これらの手段について、具体的に説明する。
【００２３】
計測手段３１は、位相シフト法を用いて、被計測物Ｍの三次元形状を計測する。具体的には、計測手段３１は、液晶パネル１２を透過した光が縞状の光パターンを形成するように、投影装置１０を制御して、液晶パネル１２の液晶配向を変化させる。また、計測手段３１は、撮像装置２０の信号処理回路２１から出力される画素信号を基に、縞状の光パターンが投影された被計測物Ｍの反射画像を取得する。計測手段３１は、縞状の光パターンを異なる位相で複数回、被計測物Ｍに投影し、その度に反射画像を取得する。そして、計測手段３１は、これら複数の反射画像を基に、被計測物Ｍの三次元形状を算出する。より詳細には、計測手段３１は、位相を異ならせて光パターンを被計測物Ｍに投影したときの各画素の輝度階調値の変化を基に、各画素毎に、被計測物Ｍで反射された光パターンの位相変化を算出し、当該位相変化を基に、被計測物Ｍの三次元形状を算出する。
【００２４】
反射率算出手段３２及び調整手段３３は、被計測物Ｍの光の最大反射率に応じて、撮像装置２０が受光する受光量を調整する。具体的には、反射率算出手段３２は、投影装置１０を制御して、投影装置１０より所定の光、例えば、輝度が均一な均一光を被計測物Ｍに投影するとともに、当該均一光が投影された被計測物Ｍの反射画像を取得する。そして、反射率算出手段３２は、当該反射画像における各画素の輝度階調値を基に、被計測物Ｍの最大反射率を算出する。ここで、最大反射率とは、当該反射画像の最大輝度階調値と、当該所定の光（ここでは均一光）の輝度階調値との比率である。調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、撮像装置２０が受光する受光量を調整する。
【００２５】
このように、第1実施形態に係る三次元形状計測装置１００は、被計測物Ｍの三次元形状の測定を行う計測手段３１に加え、受光量調整制御を行う反射率算出手段３２及び調整手段３３を有する。
【００２６】
次に、反射率算出手段３２及び調整手段３３による受光量調整制御について具体的に説明する。先にも述べたように、位相シフト法では、縞状の光パターンが投影された被計測物Ｍの反射画像が撮像装置２０により撮像される。ここで、投影装置１０より投影される光の輝度階調値は、投影装置１０の液晶パネル１２の設定に応じて決定され、撮像装置２０にて撮像される反射画像の輝度階調値は、撮像装置２０の信号処理回路２１の設定に応じて決定される。つまり、投影装置１０より投影される光の輝度階調値と、当該反射画像における各画素の輝度階調値とでは、単位階調値当たりの輝度のスケールが異なることがあり、同じ輝度階調値であっても、実際に同じ輝度になるとは限らない。そのため、場合によっては、反射画像の一部の輝度が、撮像装置２０で撮像可能な輝度を超えて飽和してしまい、被計測物Ｍの三次元形状が正確に計測されなくなる可能性がある。
【００２７】
そこで、第1実施形態では、位相シフト法を用いた被計測物Ｍの三次元形状の計測が行われる前に、撮像装置２０が受光する受光量を調整する受光量調整制御が行われる。
【００２８】
第1実施形態に係る受光量調整制御の具体的な方法について説明する。
【００２９】
まず、反射率算出手段３２は、投影装置１０を制御して、被計測物Ｍに均一光を投影するとともに、当該均一光が投影された被計測物Ｍの反射画像を撮像装置２０より取得する。反射率算出手段３２は、当該均一光が投影された被計測物Ｍの反射画像を取得すると、当該反射画像の最大輝度階調値を算出する。具体的には、反射率算出手段３２は、当該反射画像における各画素の輝度階調値のうち、最も大きな輝度階調値を最大輝度階調値として算出する。反射率算出手段３２は、当該反射画像の最大輝度階調値と当該均一光の輝度階調値との比率を最大反射率として算出する。調整手段３３は、算出された最大反射率を基に、撮像装置２０が受光する受光量を調整する。例えば、撮像装置２０にて検出可能な輝度階調値の範囲が１〜２５５の間にある場合には、調整手段３３は、当該反射画像の最大輝度階調値が「２５５」よりも小さくなるように、撮像装置２０が受光する受光量を調整する。なお、以下では、撮像装置２０が検出可能な輝度階調値の最大値（上述の例でいうと「２５５」）を「階調限界値」と称する。第１実施形態に係る三次元形状計測装置１００では、調整手段３３は、光源制御装置１４を用いて、光源１１より投光される投光量を調整することにより、撮像装置２０で受光される受光量を調整する。
【００３０】
最大反射率の算出方法について図２、図３を用いて具体的に説明する。図２、図３は、投影装置１０より投影された均一光の輝度階調値と反射画像の最大輝度階調値との関係を示すグラフの一例である。なお、以下では、投影装置１０より投影される光の輝度階調値を「Ｌ」を付けて示し、撮像装置２０にて受光される光の輝度階調値を「Ｒ」を付けて示すこととする。
【００３１】
図２は、三次元形状計測装置１００を暗室に置いて計測を行うことを想定したときのグラフの一例である。図２に示すように、均一光の輝度と反射画像の最大輝度との関係は、線形グラフで示される。即ち、均一光の輝度が大きくなるほど、反射画像の最大輝度は大きくなる。図２に示す例では、三次元形状計測装置１００を暗室に置いて計測を行うことを想定しているので、均一光の輝度が０Ｌとなる場合には、反射画像の最大輝度も０Ｒとなる。ここで、図２に示すグラフの傾きが最大反射率として算出される。
【００３２】
例えば、図２のグラフ上の点Ｐａに示すように、均一光の輝度が１００Ｌに設定された場合において、当該均一光が投影されたときの被計測物Ｍの反射画像の最大輝度が１２０Ｒと算出されたとする。このとき、最大反射率は１２０Ｒ／１００Ｌ＝１．２Ｒ／Ｌと算出される。調整手段３３は、当該最大反射率を基に、光源制御装置１４を制御して、光源１１より投光される投光量を調整する。例えば、撮像装置２０の最大階調値が２５５Ｒの場合には、調整手段３３は、光源１１より投光される光の輝度階調値が２５５Ｒ／（１．２Ｒ／Ｌ）＝２１２Ｌよりも小さくなるように光源１１より投光される投光量を調整する。このようにすることで、反射画像の最大輝度階調値が２５５Ｒを超えるのを防ぐことができる。これにより、反射画像の輝度が、撮像装置２０で階調値として検出可能な最大輝度を超えるのを防ぐことができ、被計測物Ｍの三次元形状を正確に計測することが可能となる。
【００３３】
上述の例では、三次元形状計測装置１００を暗室に置いて計測を行うとしているが、このようにする代わりに、環境光の存在する部屋に置いて計測を行うとしてもよい。
【００３４】
図３は、三次元形状計測装置１００を環境光の存在する部屋に置いて計測を行うことを想定したときのグラフの一例である。図２に示した例と同様、図３に示す例においても、均一光の輝度階調値と反射画像の最大輝度階調値との関係は、線形グラフで示され、グラフの傾きが最大反射率として算出される。ただし、図２に示した例と異なり、図３に示す例では、均一光の輝度階調値が０Ｌとなる場合であっても、環境光の影響により、反射画像の最大輝度階調値は０Ｒとならない。従って、図３に示すグラフの傾きを算出するためには、グラフ上の任意の2点の位置を知る必要がある。そこで、反射率算出手段３２は、互いに輝度の異なる均一光を被計測物Ｍに投影したときの反射画像の最大輝度階調値をそれぞれ算出して、最大反射率を算出する。例えば、点Ｐｃに示すように、均一光の輝度階調値が８０Ｌのときに反射画像の最大輝度階調値が９６Ｒとなり、点Ｐｂに示すように、均一光の輝度階調値が１３０Ｌのときに反射画像の最大輝度階調値が１５６Ｒとなったとする。この場合、最大反射率は、（１５６Ｒ−９６Ｒ）／（１３０Ｌ−８０Ｌ）＝１．２Ｒ／Ｌと算出される。このようにすることで、環境光の存在する状況下であっても、当該環境光の影響を除去しつつ、最大反射率を算出することができる。
【００３５】
以上に述べたことから分かるように、第1実施形態では、反射率算出手段３２は、投影装置１０より均一光を被計測物Ｍに投影する。そして、反射率算出手段３２は、当該均一光が投影された被計測物Ｍの反射画像の最大輝度階調値と、当該均一光の輝度階調値と、を基に、被計測物Ｍの最大反射率を算出する。調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、撮像装置２０が受光する受光量を調整する。例えば、第1実施形態では、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、光源１１より投光される投光量を調整する。このようにすることで、被計測物Ｍの三次元形状の計測の際に、撮像装置２０で階調値として検出可能な輝度を反射画像の輝度が超えるのを防ぐことができ、被計測物Ｍの三次元形状を正確に計測することが可能となる。
【００３６】
（第２実施形態）
次に、本願発明の第２実施形態について図４を用いて説明する。図４は、第２実施形態に係る三次元形状計測装置１００ａのブロック図である。図４に示す三次元形状計測装置１００ａにおいて、図１に示した三次元形状計測装置１００と同じ構成要素については、同じ符号が付されている。ここで、第1実施形態に係る三次元形状計測装置１００と異なり、第２実施形態に係る三次元形状計測装置１００ａは、撮像装置２０に対する露光量を変化させることが可能な露光量変化手段の一例として、シャッター２３を有する。
【００３７】
先に述べた第1実施形態では、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、光源制御装置１４を制御して、光源１１より投光される投光量を調整するとしていた。これに対し、第２実施形態では、調整手段３３は、光源制御装置１４を用いる代わりに、シャッター２３を用いて、撮像装置２０の露光量を調整することとする。これによっても、撮像装置２０が受光する受光量を調整することができる。以下、第２実施形態に係る受光量調整制御について具体的に説明する。
【００３８】
第1実施形態で述べたのと同様の方法によって、反射率算出手段３２は、投影装置１０より均一光を被計測物Ｍに投影し、当該均一光が投影された被計測物Ｍの反射画像における最大輝度階調値と、当該均一光の輝度階調値と、を基に、被計測物Ｍの光の最大反射率を算出する。そして、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、撮像装置２０のシャッター２３を用いて、例えば露光時間を調整することで、撮像装置２０に対する露光量を調整する。具体的には、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、被計測物Ｍの反射画像の最大輝度階調値が階調限界値よりも小さくなるように、撮像装置２０に対する露光量を調整する。このようにしても、被計測物Ｍの三次元形状の計測の際に、撮像装置２０で階調値として検出可能な輝度を反射画像の輝度が超えるのを防ぐことができ、被計測物Ｍの三次元形状を正確に計測することが可能となる。
【００３９】
なお、ここで、撮像装置２０に対する露光量を調整する方法として、調整手段３３は、シャッター２３を用いる代わりに、又は、加えて、信号処理回路２１を制御して、撮像装置２０の半導体撮像素子２２の各画素から出力される画素信号の増幅率を各画素毎に調整するとしてもよい。つまり、半導体撮像素子２２の各画素から出力される画素信号の増幅率を互いに異ならせるとしてもよい。この場合、信号処理回路２１が露光量変化手段として機能する。例えば、反射画像の一部の画素の輝度階調値が階調限界値を超えており、当該一部の画素以外の画素の輝度階調値が階調限界値を超えていない場合には、調整手段３３は、当該一部の画素から出力される画素信号の増幅率のみを低下させるとすればよい。これにより、反射画像における輝度階調値の差が極端に異なる画素を一度に計測することが可能となる。また、これによれば、受光量調整制御のために新たに装置を設けることなく、上述したのと同様の効果、即ち、撮像装置２０で階調値として検出可能な輝度を反射画像の輝度が超えるのを防いで、被計測物Ｍの三次元形状を正確に計測することが可能となる。
【００４０】
（第3実施形態）
次に、本願発明の第３実施形態について図５を用いて説明する。図５は、第３実施形態に係る三次元形状計測装置１００ｂのブロック図である。図５に示す三次元形状計測装置１００ｂにおいて、図４に示した三次元形状計測装置１００ａと同じ構成要素については、同じ符号が付されている。ここで、第２実施形態に係る三次元形状計測装置１００ａと異なり、第３実施形態に係る三次元形状計測装置１００ｂは、透過型の液晶パネル２３ａを有する。
【００４１】
先に述べた第２実施形態では、調整手段３３は、シャッター２３を用いて、撮像装置２０に対する露光量を調整するとしていた。これに対し、第３実施形態では、調整手段３３は、露光量変化手段として、シャッター２３を用いる代わりに、液晶パネル２３ａを用いて、撮像装置２０に対する露光量を調整することとする。ここで、図５に示すように、液晶パネル２３ａは、撮像装置２０と被計測物Ｍとの間に設けられ、被計測物Ｍからの反射光が透過するように設置されている。以下、第３実施形態に係る受光量調整制御について具体的に説明する。
【００４２】
第1実施形態で述べたのと同様の方法によって、反射率算出手段３２は、投影装置１０より均一光を被計測物Ｍに投影し、当該均一光が投影された被計測物Ｍの反射画像における各画素の輝度を基に、被計測物Ｍの光の最大反射率を算出する。そして、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、液晶パネル２３ａの液晶配向を制御して、撮像装置２０に対する露光量を調整する。具体的には、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、被計測物Ｍの反射画像の最大輝度階調値が階調限界値よりも小さくなるように、撮像装置２０に対する露光量を調整する。このようにしても、被計測物Ｍの三次元形状の計測の際に、撮像装置２０で階調値として検出可能な輝度を反射画像の輝度が超えるのを防ぐことができ、被計測物Ｍの三次元形状を正確に計測することが可能となる。また、液晶パネル２３ａでは、パネル上の領域に応じて、透過率を異ならせることができる。従って、この方法によれば、半導体撮像素子２２の各画素毎に、露光量を異ならせることができる。例えば、反射画像の一部の画素の輝度階調値が階調限界値を超えている場合には、当該一部の画素に対応する液晶パネル２３ａ上の領域の透過率を低下させればよい。これによっても、反射画像における各画素の輝度階調値の差が極端に異なる場合において、各画素を一度に計測することが可能となる。また、この方法によれば、撮像装置２０の半導体撮像素子２２の各画素から出力される画素信号の増幅率を調整する方法と比較して、画素信号に発生するノイズの発生を抑えることができる。
【００４３】
（第4実施形態）
次に、本願発明の第４実施形態について図６を用いて説明する。図６は、第４実施形態に係る三次元形状計測装置１００ｃのブロック図である。図６に示す三次元形状計測装置１００ｃにおいて、図１に示した三次元形状計測装置１００と同じ構成要素については、同じ符号が付されている。
【００４４】
第4実施形態に係る受光輝度調整制御について説明する。上述したように、位相シフト法では、輝度が正弦波状に変化する縞状の光パターンを異なる位相で複数回、被計測物に投影し、それぞれの反射画像を撮像することで、被計測物の三次元形状が測定される。しかしながら、位相シフト法では、被計測物Ｍで反射された光パターンの位相変化を知る事ができるものの、光パターンの一端から他端に向かって数えて何周期目の縞が反射画像上でどの位置にあるかを推定することは難しい。そこで、第４実施形態では、空間コード化法を用いて、半導体撮像素子２２の各画素について、光パターンの一端から他端に向かって数えて何周期目の縞（以下、「縞次数」と称する）が来るかが推定される。ここで、空間コード法を用いた縞次数の計算は空間コード算出手段３２ａによって行われる。
【００４５】
具体的には、位相シフト法を用いた被計測物の三次元形状の測定が計測手段３１により行われる前に、空間コード算出手段３２ａは、投影装置１０を制御して、所定の周期で明暗が反転する複数の光パターンを被計測物Ｍに投影する。光パターンの具体例としては、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、明領域Ａｒ１と暗領域Ａｒ２とが交互に並んだ光パターンが挙げられる。そして、空間コード算出手段３２ａは、光パターンが投影された被計測物Ｍの反射画像を基に、縞次数を算出する。
【００４６】
ここで、第4実施形態では、空間コード算出手段３２ａは、図７（ａ）〜（ｃ）に示す光パターンが投影された被計測物Ｍの反射画像における各画素の輝度階調値のうち、最も高い輝度階調値を最大輝度階調値として算出する。そして、空間コード算出手段３２ａは、当該最大輝度階調値と、当該光パターンの明領域の輝度階調値と、を基に、最大反射率を算出する。従って、空間コード算出手段３２ａは、反射率算出手段としても機能する。そして、第１実施形態で述べたのと同様にして、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、光源１１より投光される投光量を調整する。このようにしても、被計測物Ｍの三次元形状の計測の際に、撮像装置２０で撮像可能な輝度を反射画像の輝度が超えるのを防ぐことができ、被計測物Ｍの三次元形状を正確に計測することが可能となる。
【００４７】
なお、第４実施形態では、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、投影装置１０の投光より投光される光の輝度を調整するとしているが、これに限られるものではない。このようにする代わりに、又は、加えて、第２又は第３実施形態で述べた方法を用いて、撮像装置２０に対する露光量を調整するとしてもよい。
【００４８】
（第５実施形態）
次に、本願発明の第５実施形態について説明する。第５実施形態に係る三次元形状計測装置の構成は、第1実施形態に係る三次元形状計測装置１００と同様の構成である。
【００４９】
第５実施形態では、位相シフト法を用いた被計測物Ｍの三次元形状の計測が行われる前に、反射率算出手段３２は、輝度が正弦波状に変化する縞状の光パターンを異なる位相で複数回、被計測物Ｍに投影し、当該縞状の光パターンが投影された被計測物Ｍの反射画像を取得する。そして、反射率算出手段３２は、当該反射画像における任意の１つの画素の輝度階調値の変化を基に、当該光パターンの振幅と中心値とを算出し、当該光パターンの振幅と中心値と、を基に、最大反射率を算出する。以下、図８を用いて具体的に説明する。
【００５０】
図８は、被計測物Ｍで反射された光パターンの位相情報を示すグラフの一例である。図８に示す例では、反射率算出手段３２は、縞状の光パターンを異なる位相で３回、被計測物Ｍに投影している。図８において、点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３はそれぞれ、縞状の光パターンが位相を変えて被計測物Ｍに投影されたときの、任意の画素での位相と輝度階調値との関係を示している。反射率算出手段３２は、点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を基に、最小二乗法などを用いて、正弦波を当てはめ、当該正弦波の中心値及び振幅を求める。これにより、被計測物Ｍで反射された光パターンの位相情報が得られる。反射率算出手段３２は、中心値に振幅を足した値Ｌ１を、反射画像の最大輝度階調値として算出する。なお、ここで、値Ｌ２は階調限界値を示している。そして、反射率算出手段３２は、反射画像の最大輝度階調値Ｌ１と、投影装置１０より投影される光パターンの輝度階調値の最大値との比率を最大反射率として算出する。調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、光源１１より投光される投光量を調整する。このようにしても、被計測物Ｍの三次元形状の計測の際に、撮像装置２０で階調値として検出可能な輝度を反射画像の輝度が超えるのを防ぐことができ、被計測物Ｍの三次元形状を正確に計測することが可能となる。
【００５１】
なお、第５実施形態では、調整手段３３は、算出された最大反射率に応じて、投影装置１０より投光される投光量を調整するとしているが、これに限られるものではない。このようにする代わりに、又は、加えて、第２又は第３実施形態で述べた方法を用いて、撮像装置２０に対する露光量を調整するとしてもよいのは言うまでもない。
【００５２】
（変形例）
本願発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う三次元計測装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。例えば、上記では、第１乃至第５実施形態を別個に説明したが、第１乃至第５実施形態における制御及び構成要素を適宜組み合わせてもよいのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５３】
１０ 投影装置（投影手段）
２０ 撮像装置（撮像手段）
２３、２３ａ 露光量変化手段
３０ 処理装置
３１ 計測手段
３２ 反射率算出手段
３３ 調整手段
１００ 三次元形状計測装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
輝度が正弦波状に変化する縞状の光パターンを異なる位相で複数回、被計測物に投影する投影手段と、
前記光パターンが投影された前記被計測物の反射画像を撮像する撮像手段と、
前記被計測物の反射画像を基に、前記被計測物の三次元座標を計測する計測手段と、を有する三次元形状計測装置であって、
前記光パターンを前記被計測物に投影する前に、前記投影手段より所定の光を前記被計測物に投影し、前記所定の光が投影された前記被計測物の反射画像における各画素の輝度階調値と、前記所定の光の輝度階調値と、を基に、前記被計測物の光の最大反射率を算出する反射率算出手段と、
前記最大反射率に応じて、前記撮像手段が受光する受光量を調整する調整手段と、を備えることを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項２】
前記投影手段は、光を投光する投光手段と、前記投光手段より投光される投光量を変化させる投光量変化手段と、前記投光手段により投光された光を基に、前記光パターンを形成する光パターン形成手段と、を有し、
前記調整手段は、前記最大反射率を基に、前記投光量変化手段を用いて、前記投光手段により投光される投光量を調整することにより、前記撮像手段が受光する受光量を調整す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。
【請求項３】
前記撮像手段に対する露光量を変化させる露光量変化手段を有し、
前記調整手段は、前記最大反射率を基に、前記露光量を調整することにより、前記撮像手段が受光する受光量を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元形状計測装置。
【請求項４】
前記撮像手段は、半導体撮像素子を含み、
前記調整手段は、前記最大反射率を基に、前記半導体撮像素子から出力される画素信号の増幅率を調整する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。
【請求項５】
前記露光量変化手段は、前記撮像手段と前記被計測物との間に設けられ、前記被計測物からの反射光が透過するように設置された液晶パネルであり、
前記調整手段は、当該液晶パネルの液晶配向を調整することにより、前記露光量を変化させることを特徴とする請求項３又は４に記載の三次元形状計測装置。
【請求項６】
前記反射率算出手段は、輝度が均一な均一光を前記被計測物に投影し、当該均一光が投影された前記被計測物の反射画像における各画素の輝度階調値のうち、最も高い輝度階調値と、前記均一光の輝度階調値と、を基に、前記最大反射率を算出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置。
【請求項７】
前記反射率算出手段は、互いに輝度の異なる均一光を前記被計測物にそれぞれ投影した場合における前記被計測物の反射画像の各画素の輝度階調値を基に、前記最大反射率を算出することを特徴とする請求項６に記載の三次元形状計測装置。
【請求項８】
前記反射率算出手段は、所定の周期で明暗が反転する光パターンを前記被計測物に投影し、当該光パターンが投影された前記被計測物の反射画像における各画素の輝度階調値のうち、最も高い輝度階調値と、前記光パターンの明領域の輝度階調値と、を基に、前記最大反射率を算出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置。
【請求項９】
前記反射率算出手段は、輝度が正弦波状に変化する縞状の光パターンを前記被計測物に投影し、当該光パターンが投影された前記被計測物の反射画像における任意の画素の輝度階調値の変化を基に、当該光パターンの振幅と中心値とを算出し、当該光パターンの振幅と中心値とを基に、前記最大反射率を算出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置。
【請求項１】
輝度が正弦波状に変化する縞状の光パターンを異なる位相で複数回、被計測物に投影する投影手段と、
前記光パターンが投影された前記被計測物の反射画像を撮像する撮像手段と、
前記被計測物の反射画像を基に、前記被計測物の三次元座標を計測する計測手段と、を有する三次元形状計測装置であって、
前記光パターンを前記被計測物に投影する前に、前記投影手段より所定の光を前記被計測物に投影し、前記所定の光が投影された前記被計測物の反射画像における各画素の輝度階調値と、前記所定の光の輝度階調値と、を基に、前記被計測物の光の最大反射率を算出する反射率算出手段と、
前記最大反射率に応じて、前記撮像手段が受光する受光量を調整する調整手段と、を備えることを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項２】
前記投影手段は、光を投光する投光手段と、前記投光手段より投光される投光量を変化させる投光量変化手段と、前記投光手段により投光された光を基に、前記光パターンを形成する光パターン形成手段と、を有し、
前記調整手段は、前記最大反射率を基に、前記投光量変化手段を用いて、前記投光手段により投光される投光量を調整することにより、前記撮像手段が受光する受光量を調整す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。
【請求項３】
前記撮像手段に対する露光量を変化させる露光量変化手段を有し、
前記調整手段は、前記最大反射率を基に、前記露光量を調整することにより、前記撮像手段が受光する受光量を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元形状計測装置。
【請求項４】
前記撮像手段は、半導体撮像素子を含み、
前記調整手段は、前記最大反射率を基に、前記半導体撮像素子から出力される画素信号の増幅率を調整する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。
【請求項５】
前記露光量変化手段は、前記撮像手段と前記被計測物との間に設けられ、前記被計測物からの反射光が透過するように設置された液晶パネルであり、
前記調整手段は、当該液晶パネルの液晶配向を調整することにより、前記露光量を変化させることを特徴とする請求項３又は４に記載の三次元形状計測装置。
【請求項６】
前記反射率算出手段は、輝度が均一な均一光を前記被計測物に投影し、当該均一光が投影された前記被計測物の反射画像における各画素の輝度階調値のうち、最も高い輝度階調値と、前記均一光の輝度階調値と、を基に、前記最大反射率を算出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置。
【請求項７】
前記反射率算出手段は、互いに輝度の異なる均一光を前記被計測物にそれぞれ投影した場合における前記被計測物の反射画像の各画素の輝度階調値を基に、前記最大反射率を算出することを特徴とする請求項６に記載の三次元形状計測装置。
【請求項８】
前記反射率算出手段は、所定の周期で明暗が反転する光パターンを前記被計測物に投影し、当該光パターンが投影された前記被計測物の反射画像における各画素の輝度階調値のうち、最も高い輝度階調値と、前記光パターンの明領域の輝度階調値と、を基に、前記最大反射率を算出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置。
【請求項９】
前記反射率算出手段は、輝度が正弦波状に変化する縞状の光パターンを前記被計測物に投影し、当該光パターンが投影された前記被計測物の反射画像における任意の画素の輝度階調値の変化を基に、当該光パターンの振幅と中心値とを算出し、当該光パターンの振幅と中心値とを基に、前記最大反射率を算出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の三次元形状計測装置。
【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２０１２−６８１７６（Ｐ２０１２−６８１７６Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１４６３２（Ｐ２０１０−２１４６３２）
【出願日】平成２２年９月２７日（２０１０．９．２７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２７日（２０１０．９．２７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]