JPH05180635A

JPH05180635A - 形状計測装置

Info

Publication number: JPH05180635A
Application number: JP4064364A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Araki; 和男荒木; Masaru Shimizu; 優清水
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-01-08
Filing date: 1992-01-08
Publication date: 1993-07-23
Anticipated expiration: 2015-10-03
Also published as: JP3093023B2

Abstract

(57)【要約】【目的】遠距離に至るまで、また、戸外などの自然光条
件下においても、高精度で、高速に、かつ、連続的に計
測できるスリット光投影法の原理に基づく形状計測装置
を提供すること。【構成】変調されたスリット光を一定角速度で偏向して
対象シーン上を走査し、このとき得られる対象物体のス
リット像を、１次元光位置検出素子を短辺方向に複数個
配列させて構成した非走査型撮像素子の撮像面上に結像
させ、この非走査型撮像素子からリアルタイムで出力さ
れる撮像面上のスリット像の位置情報信号を帯域増幅し
た後、検波・復調するか、もしくは、スリット光の変調
用信号と同期させて検出することによって、スリット光
の撮像面上での位置情報データをリアルタイムで獲得
し、このデータに基づき対象シーン内にある対象物体表
面上の多数の代表点の空間座標値をリアルタイムで求め
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は撮像装置の視野（以後、
対象シーンとよぶ）内にある物体（以後、対象物体と呼
ぶ）表面上の多数の代表点の空間座標（３次元座標）値
を、高速にかつ連続的に求めることができる非接触の形
状計測装置に関するもので、特にスリット光投影法を用
いた形状計測装置に関するものである。この種の装置
は、対象シーンに関する距離情報を得ることができるの
で、レンジファインダーとも呼ばれている。

【０００２】撮像装置によって得られる映像を利用した
非接触の形状計測装置は、コンピュータグラフィック
ス、ＣＡＤ／ＣＡＭ、コンピュータビジョンあるいはロ
ボットビジョンをはじめとする工学および産業分野はも
とより、体育学、医学、服飾学などの分野における生体
や自然物の計測と解析など、多方面においてその応用が
期待されている。

【０００３】

【従来の技術】映像を利用した非接触の形状計測法とし
ては、従来から、モアレトポグラフィー法、ステレオビ
ジョン法やスリット光投影法などが提案されている。し
かし、モアレトポグラフィー法は、基準面からの相対的
な距離情報しか得ることができない上、後処理過程に時
間を要し、計測の高速化は難しい。また、ステレオビジ
ョン法は、撮像面全域にわたる濃淡信号データを取り扱
うことになるので、膨大な記憶容量と高速データ処理装
置を必要とするうえ、例えば、対応点検出のような複雑
な処理過程を必要としており、高速で簡便な実用装置化
は未だ困難な状況にある。

【０００４】一方、スリット光投影法では、図６に示し
たようにスリット光６０１で対象シーン１０５を照射
し、このスリット光６０１に対応する対象物体１０６の
スリット像１０７を撮像装置１０８の撮像面１０９上に
とらえる。すると、スリット像１０７上のある１点ｐに
対応する対象物体１０６上の点ｐの空間座標値は、スリ
ット光６０１のなす平面Ｓと、点ｐとカメラのレンズ中
心Ｏとを結ぶ直線との交点の座標として、いわゆる三角
測量の原理によって求められる。したがって、一枚の画
像からスリット像１０７上の各点に対応した対象物体１
０６表面上の点群の空間座標値が求められるから、スリ
ット光６０１の水平方向の移動と画像入力を繰り返せ
ば、対象シーン１０５全体の３次元情報を得ることがで
きる。このように、スリット光投影法では、対応点検出
のような複雑な後処理過程なしに３次元情報を獲得で
き、処理情報量もそれほど大量ではないので、現段階で
は、実用化の可能性が最も高いと考えられる。実際、最
近になって、この手法に基づく形状計測装置がいくつか
実用化され始めている。

【０００５】しかしながら、通常のスリット光投影法で
は、撮像装置として、一般にＣＣＤなどの走査型のカメ
ラを使用しているため、一枚の画像入力に１フレーム分
の走査時間（約１／３０秒）を必要とする。このため、
スリット光の投射方向（偏向角度）をステップ・バイ・
ステップで制御しながら、そのつど撮像面全体の走査を
繰り返さなければならない。したがって、例えば、対象
シーンを１２８本のスリット光で分割する場合、すなわ
ち空間分解能が１２８の場合を想定すると、１２８枚の
画像の入力が必要であるから、それだけでも４秒以上を
要すことになる。時々刻々変化する対象シーン（物体）
に追随するためには、少なくともビデオレート（約１／
３０秒）程度以上の高速性が要求されるであろう。この
ため、スリット光投影法の高速化の試みが種々検討され
始めている。

【０００６】

【発明が解決しようとする問題点】スリット光投影法の
高速化のポイントは、投射スリット光と、そのスリット
光によるスリット像の位置情報、特に後者を可能な限り
高速で猪得することである。このため、申請者らは、ス
リット像の位置情報を獲得するにあたって撮像面の走査
を必要としない非走査型の撮像素子、すなわち、−次元
光位置検出素子を短辺方向に複数個配列させた撮像素子
を新たに考案して（昭和６２年特許願昭６２−２０
３８６２）、その一実施例としてＰＳＤアレイを用いた
形状計測装置を実際に試作し、この装置が目標通りビデ
オレート以上の高速計測のみならず、精度±０．３％程
度で連続計測をも可能にすることを確認した
^{（１）．（２）}。（（１）Ｋ．Ａｒａｋｉ，Ｍ．Ｓａｔｏ，Ｔ．Ｎｏｄ
ａ，Ｙ．ＣｈｉｂａａｎｄＭ．Ｓｈｉｍｉｚｕ：
”ＨｉｇｈＳｐｅｅｄａｎｄＣｏｎｔｉｎｕｏ
ｕｓＲａｎｇｅｆｉｎｄｉｎｇＳｙｓｔｅｍ．”，
ＴｈｅＩＥＩＣＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｎＩ
ｎｆｏｒｍａ−ｔｉｏｎａｎｄＳｙｓｔｅｍ，Ｖｏ
ｌ．Ｅ７４，Ｎｏ．１０，ｐｐ．３４００−３４０６
（１９９１）．（２）荒木和男，清水優，野田貴之，千葉裕二，津田
幸文，池谷和俊，三宮邦夫，五味睦子：”高速・連続３
次元計測システム”，第２２回両像工学コンファレンス
論文集，Ｖｏｌ．２２，ｐｐ．２４３−２４６（１９９
１））

【０００７】

【発明が解決しようとする問題点】しかし、スリット光
源として定常光を使用している限り、現状では測定距離
が１ｍ程度以内となり、ナビゲーションシステムなど速
距離測定を必要とする分野への適用には課題を残してい
る。また、自然光条件下では、自然光の低周波的揺らぎ
および突発的な外乱光の影響で測定精度の面でも若干不
十分なものとなっている。

【０００８】このような状況下で、本発明は、数ｍ〜１
０ｍ程度の遠距離計測ができ、しかも、自然光条件下で
も高精度で計測できる、高速かつ連続計測可能な形状計
測装置を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】以上に述べた課題を解決
するために、本発明は先に申請中の特許願昭６２−２
０３８６２の形状計測装置に以下のような手段を講じる
（図１）

【００１０】まず、スリット光源１０１の発光強度を変
調用信号１０２によって正弦波状あるいはパルス波状に
制御する。このように制御されたスリット光を以下では
変調スリット光１０３と呼ぶ。この変調スリット光１０
３を回転ミラーなどを使用したスリット光走査機構１０
４によって一定の角速度ωで偏向して対象シーン１０５
上を走査し、この時得られる対象物体１０６のスリット
像１０７を撮像装置１０８の撮像面１０９上に結像させ
る。この撮像面１０９は特許願昭６２−２０３８６２
に記截した非走査型撮像素子２００（図２）で構成す
る。この非走査型撮像素子２００は１次元光位置検出素
子２０１を、その短辺方向に複数個配列させて構成され
ており、各１次元光位置検出素子（以後、各チャンネル
と呼ぶことがある）毎に信号処理回路２０２が接続され
ており、各１次元光位置検出素子２０１上に結像したス
リット像１０７の位置情報信号１１０をリアルタイムで
出力する。

【００１１】一方、変調スリット光１０３が予め定めた
基準位置にきた時点に基準位置信号１１１を出力させ
て、これを起点としてディジタル化された経過時間１１
２を出力する。先に述べたように変調スリット光１０３
の偏向角速度ωが一定に制御されているから、この経過
時間１１２が変調スリット光１０３の投射方向をあたえ
る。そこで、撮像面１０９、すなわち非走査型撮像素子
２００から出力されるスリット像１０７の位置情報信号
１１０と経過時間１１２とを、信号処理・演算部１１３
で先述のスリット光投影法の原理に基づいて適切に処理
して、対象物体１０６上の点の空間座標（３次元座標）
値１１４を求める。

【００１２】信号処理部・演算部１１３では、入力され
てくるスリット像１０７の位置情報信号１１０を変調ス
リット光１０３の変調用信号１０２の周波数を考慮して
各チャンネル毎に帯域増幅器３０１（図３）で帯域増幅
して、経路Ｉ：検波および復調回路３０２で検波・復調後、経
過時間１１２を基準とした適切なサンプリング時間にＡ
／Ｄ変換器３０３でＡ／Ｄ変換した後、もしくは、経路ＩＩ：検波・復調することなく、変調スリット光１
０３の変調用信号１０２と同期させてＡ／Ｄ変換して、
位置情報信号１１０を経過時間１１２基準でディジタル
化した位置情報データ３０４を得る。この時ディジタル
化された順番、すなわちＡ／Ｄ変換のサンプリング時間
が変調スリット光１０３の投射方向をあたえ、その時の
データが対応するスリット像１０７の撮像面上での位置
情報を与えているから、演算回路３０５でスリット光投
影法の原理に基づいて処理をして対象物体１０６上の点
の空間座標（３次元座標）値１１４を求める。

【００１３】また、位置情報信号１１０を帯域増幅後、
検波・復調することなく、変調スリット光１０３の変調
用信号１０２と同期させてＡ／Ｄ変換する方式（以後、
同期検出方式と呼ぶ）の場合には、光源１０１を複数個
（以後、光源１，２，３，・・・・，光源ｎと記す）使
用し、これらを、図４に示したように、予め定めた順
序、例えば、光源１，２，３，・・・，ｎの順序で、し
かもどの２つも同時に発光していないように制御し、こ
れを１シーケンスとして繰り返させる。

【００１４】以上のようにして得られた空間座標値１１
４は、直ちに、ディスプレイ上に表示し、かつ／あるい
は、大容量のメモリ部、磁気テープ、磁気ディスク、光
ディスク等の大容量の外部記憶装置１１５に格納し、コ
ンピュータ等によるディジタル処理に委ねる。

【００１５】また、本発明で使用する非走査型撮像素子
２００の各チャンネル間にはダミーの電極２０３を設け
これを全て接地する。さらに、各チャンネルの有効受光
面外の両端部にダミーの抵抗層２０４を設ける。

【００１６】

【作用】基本的には特許願昭６２−２０３８６２に記
載した手法によっており、高速計測および連続計測が可
能ある。

【００１７】変調スリット光１０３を使用し、非走査型
撮像素子２００からリアルタイムで出力される位置情報
信号１１０を帯域増幅し、有効信号成分を選択的に抽出
する方式を採用したことにより、耐雑音性能が飛躍的に
向上し、雑音の中に埋もれた微弱な信号成分も検出でき
るようになるので、遠距離測定も可能となる。また、自
然光条件下の定常的および低周波的な光の揺らぎ、およ
び、突発的な外乱光の影響も除去できるので、戸外での
計測も可能となる。

【００１８】また、位置情報信号１１０を帯域増幅した
後、検波・復調する方式の場合は、必要な信号は振幅変
調された位置情報信号１１０の包絡波であるから、精度
を上げるためにはスリット光の変調用信号１０２の周波
数を高周波にしなければならないが、この結果、撮像素
子および信号処理回路部分の周波数特性への要求が厳し
くなり、実装置化の面で不利となる。しかし、本発明に
おいて、検波・復調することなく、光ビームの変調用信
号と同期させて検出する方式、すなわち先述の同期検出
方式を採用する場合には、空間分解能に対応する周波数
で変調すれば良いから、一般に低周波変調で済む。例え
ば、空間分解能が１２８、すなわち１２８スリット光／
シーンの分解能で、３２シーン／秒の計測速度で測定す
る場合には、１２８ｘ３２＝４０９６Ｈｚの変調周波数
で済む。

【００１９】また、スリット光投影法では投射光に対し
て陰になる部分の計測ができないという、いわゆる死角
の問題があり、この問題点を軽減するために第２，第
３，・・・，第ｎの光源を設けてそれぞれ異なる方向か
ら投射して計測を繰り返す、いわゆる多光源方式を採用
することがある。しかし、従来の多光源方式の場合に
は、第１の光源で１シーンの計測を終えた後に第２，第
３，・・・，第ｎの光源に順次切り替えて計測を繰り返
すので、得られたシーン間の時間的ずれが大きいが、本
発明の同期検出方式では、シーン間の時間的ずれはスリ
ット光の変調用信号１０２の１周期程度にすぎず、実質
上無視できる。すなわち、実質上複数の光源を同時発光
させながら計測した場合と同様の結果が得られる。

【００２０】また、非走査型撮像素子２００の各チャン
ネル間にダミー電極２０３を設けこれを接地する方式
は、チャンネル間のクロストークを著しく減少させ、計
測精度を向上させる。さらに、各チャンネルの両端に設
けたダミー抵抗層２０４は非走査型撮像素子２００の両
端付近の検出精度を向上させる。

【００２１】

【実施例】本発明による計測装置の一実施例を図５に示
す。スリット光の光源としては半導体レーザ５０１を用
い、一定周期のパルス状信号５０２によってパルス発光
させ、この変調された出力ビームをシリンドリカルレン
ズを含むレンズ系５０３によって垂直方向に拡大して、
変調スリット光１０３を得る。この変調スリット光１０
３をガルバノメータとこれにとりつけられたミラーによ
って構成されたスリット光走査機構１０４によって一定
各速度ωで偏向し、対象シーン１０５を走査する。この
時得られる対象物体１０６のスリット像１０７を撮像装
置１０８の撮像面１０９上に結像させるが、この撮像面
を例えば１２８行１列のＰＳＤアレイ５０４で構成す
る。このＰＳＤアレイ５０４はスリット像１０７の撮像
面１０９上における位置情報信号１１０をリアルタイム
で出力する。（荒木和男，清水優，野田貴之，千葉裕
二，津田幸文，池谷和俊，三宮邦夫，五味睦子：”高速
・連続３次元計測システム”，第２２回画像工学コンフ
ァレンス論文集，Ｖｏｌ２２，ｐｐ．２４３−２４６
（１９９１））

【００２２】一方、先述のように、変調スリット光１０
３は一定の角速度ωで偏向されているから、変調スリッ
ト光１０３の投射方向は変調スリット光１０３がある基
準方向を通過した時点からの経過時間１１２と対応づけ
られる。そこで、本実施例では、スリット光走査機構１
０４のガルバノメータの回転角度が予め定めた角度にき
たとき（すなわち、ガルバノメータへの回転角度制御用
信号電圧が予め定めた一定値になったとき）基準位置信
号１１１を出力させ、これをトリガ信号として、クロッ
クカウンタ５０５を起動して、ディジタル化された経過
時間１１２を出力させる。信号処理・演算部１１３は通
常の電子部品を使って簡単に構成できるから、これに位
置情報信号１１０と経過時間１１２とを導いて、課題を
解決する手段の項で詳述したように処理をして、対象物
体１０６上の点の空間座標値１１４を出力させ、順次デ
ィスプレイに表示するとともに、メモリ５０６に格納す
る。

【００２３】

【発明の効果】本発明に基づけば、暗室条件下はもとよ
り、自然光条件下でも、高速で精度良くしかも連続的に
対象シーンの距離情報が遠距離に至るまで獲得できるの
で、対象シーンの急激な変化に対応でき、また、より自
然な状態で対象物体の３次元的動きをとらえることがで
きる。したがって、ＣＡＤ／ＣＡＭ、コンピュータビジ
ョン、移動ロボットビジョン、コンピュータグラフィッ
クス、３次元動画アニメーション、３次元両像伝送など
の産業分野はもとより、工学、体育、医学、服飾学など
の分野における生体や自然物の計測と解析など、多方面
で応用でき、その波及効果は計り知れないものがあろ
う。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による形状計測装置の概念図

【図２】本発明で使用する非走査型撮像素子の構成例

【図３】本発明における信号処理・演算部の構成例

【図４】本発明における多光源方式の光源群の発光タイ
ミング例

【図５】本発明の一実施例における形状計測装置の構成
図

【図６】本発明の基本的測定原理を与えるスリット光投
影法の説明図

【符号の説明】

１０１スリット光源１０２スリット光の変調用信号１０３変調されたスリット光、すなわち変調スリッ
ト光１０４スリット光走査機構１０５対象シーン１０６対象物体１０７対象物体のスリット像１０８撮像装置１０９撮像面１１０スリット像１０７の撮像面１０９上における
位置情報信号１１１基準位置信号１１２経過時間１１３信号処理・演算部１１４対象物体１０６上の点の空間座標値１１５大容量外部記憶装置１１６全体制御部２００非走査型撮像素子２０１一次元光位置検出素子２０２信号処理回路２０３ダミー電極２０４ダミー抵抗層３０１帯域増幅器３０２検波・復調回路３０３Ａ／Ｄ変換器３０４スリット像のディジタル化された位置情報デ
ータ３０５演算回路５０１半導体レーザ５０２変調用パルス状信号（＝変調用信号１０２）５０３シリンドリカルレンズ等のレンズ群５０４ＰＳＤアレイ（＝撮像面１０９）５０５クロックカウンタ５０６メモリ６０１スリット光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スリット光源の発光強度を、変調用信号
によって正弦波状あるいはパルス状に制御し、このよう
に制御されたスリット光を一定角速度で偏向し、前記ス
リット光を対象シーン上に投射し、このとき得られる対
象物体のスリット状の光学像（スリット像）を、１次元
光位置検出素子を短辺方向に複数個配列させて構成した
非走査型撮像素子上に結像させ、この非走査型撮像素子
がリアルタイムで出力する前記スリット像の、前記変調
用信号の周波数で振幅変調された位置情報信号を帯域増
幅した後、検波・復調して、もしくは、検波・復調する
ことなく前記変調用信号と同期させて、前記スリット像
の位置情報データを獲得する一方、一定角速度で偏向さ
れる前記スリット光の投射方向データをリアルタイムで
獲得し、このスリット光投射方向データと前記スリット
像の位置情報データとから、対象シーンの３次元情報を
リアルタイムで求めることができる形状計測装置。
【請求項２】前記請求項１に記載したスリット光源を
複数個使用して、これらを予め定めた順序で、しかもど
の２つも同時に発光していないように制御し、これを１
シーケンスとして発光を繰り返しながら、それぞれ異な
る方向から対象シーンに投射する方式と、前記請求項１
に記載した、リアルタイムで出力されるスリット像の位
置情報信号を帯域増幅した後、検波・復調することな
く、スリット光の変調用信号と同期させてスリット像の
位置情報データを獲得する方式とを併用することによつ
て、光投影法の弱点の１つであるいわゆる死角の問題を
軽減するとともに、計測されたシーン間の時間的同時性
を著しく高めた形状計測装置。
【請求項３】前記請求項目１および２に記載した形状
計測装置によってリアルタイムで獲得される対象シーン
の３次元情報を大容量のメモリ、磁気テープ、磁気ディ
スク、光ディスクなどの大容量外部記憶装置にリアルタ
イムで格納することによって、対象シーンの３次元情報
を高速にかつ連続的に獲得することを可能にした形状計
測装置。
【請求項４】前記請求項１に記載した非走査型撮像素
子の各チャンネル間にダミーの電極を設け、これを接地
することによってチャンネル間のクロストークを軽減さ
せるとともに、各チャンネルの有効受光面外の両端にダ
ミーの抵抗層を設けることによって、撮像素子両端付近
の光位置検出性能を向上させた撮像素子。