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JP3847686B2 - 3D shape measuring device - Google Patents
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JP3847686B2 - 3D shape measuring device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明はパターン光投影法を用いてリアルタイムに立体形状計測を行う3次元計測装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
3次元計測には、三角測量を応用し、光切断線と呼ばれるスリット状の光を計測対象に投影し、これが物体形状に応じて変化する様子を観測する光切断法が広く知られている。しかし、この方法では、スリット光があたっている部分以外の3次元距離情報は得られず、3次元距離分布を得るためには、光切断線を投射する角度を徐々に変えながら複数回の観測を行う必要がある。そのため、非常に長い計測時間を要していた。
これに対し、空間コード化法を用いた3次元計測方法がある(例えば、特許文献1参照。)。この方法は、光切断線の投射角度情報を複数の投射パターンにエンコードし、各光パターンで計測対象物体を照射し、その計測対象物体を異なる位置で撮像し、観測した結果をデコードすることで計測対象物体の位置を求めるものである。この方法によれば、投射角度を変化させる光切断法に比べて短い時間で計測を行うことが可能になる。例えば、256段階の投影角度に対する観測を行う場合、通常の光切断法では256回の観測が必要であるが、空間コード化法では8枚のパターン投光とその観測で済むため、256/8=32倍の高速化が可能となる。
【0003】
【特許文献1】
特開昭60−152903号公報(第1−2頁、図2)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の空間コード化法による3次元計測方法は以上のように構成されているので、光切断法に比べて計測時間が短くなるが、依然として複数フレームの計測時間が必要なことから、計測対象物体が移動物体である場合には計測が困難になるという問題点があった。
【0005】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、距離分布のリアルタイム計測を可能とし、移動物体の距離計測に適した3次元計測装置を得ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る3次元計測装置は、計測光を計測対象物体に照射する投光系と、当該計測対象物体の照射像から3次元情報を取得する撮像系を備えた3次元形状計測装置において、投光系が、マトリックス状に配置した極小光学面を所定の変調パターンに従って切り替えることにより計測光源からの出射光を変調してパターン計測光を生成し、当該パターン計測光を計測対象物体上に照射する投光系変調手段を有し、撮像系が、パターン計測光により計測対象物体上に形成された照射像が結像され、投光系変調手段と同期して動作し、所定の変調パターンと連動した変調パターンに従ってマトリックス状に配置された極小光学面を切り替えることにより、結像された照射像を変調して仮想的に設置した計測基準点と計測対象物体までの距離に応じた視差情報を照射像の光量変化成分として抽出する撮像系変調手段と、この照射像の光量変化成分を受光して光電変換し、輝度情報を得る光電変換手段と、得られた輝度情報に基づいて視差情報を求める輝度−視差変換手段とを有するものである。
【0007】
この発明に係る3次元計測装置は、計測光を計測対象物体に照射する投光系と、当該計測対象物体の照射像から3次元情報を取得する撮像系を備えた3次元形状計測装置において、投光系が、マトリックス状に配置した極小光学面を所定の変調パターンに従って切り替えることにより計測光源からの出射光を変調してパターン計測光を生成し、当該パターン計測光を計測対象物体上に照射する投光系変調手段を有し、撮像系が、パターン計測光により計測対象物体上に形成された照射像を複数方向に分岐する光学的分岐手段と、この光学的分岐手段による一つまたは複数の分岐方向に配置され、分岐された照射像がそれぞれ結像され、投光系変調手段と同期して動作し、所定の変調パターンと連動した変調パターンに従ってマトリックス状に配置された極小光学面を切り替えることにより、結像された照射像を変調して仮想的に設置した計測基準点と計測対象物体までの距離に応じた視差情報を照射像の光量変化成分として抽出する各撮像系変調手段と、これら各撮像系変調手段から得られた照射像の光量変化成分を受光して光電変換し、輝度情報をそれぞれ得る各光電変換手段と、これら各光電変換手段から得られた輝度情報に基づいて視差情報をそれぞれ求める輝度−視差変換手段とを有するものである。
【0008】
この発明に係る3次元計測装置は、残りの分岐方向に配置され、分岐された照射像が直接結像され、この直接結像された照射像を光電変換する光電変換手段を有することを特徴とするものである。
【0009】
この発明に係る3次元計測装置は、撮像系変調手段の少なくとも一つとして、結像された照射像を複数の反射方向に切り替える動作を兼ねる光学スイッチを用い、反射方向のそれぞれに光電変換手段を配置したものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による3次元計測装置の構成を示す構成図である。図において、101,102はマイクロミラーデバイス(Digital Micro Mirror Device:以下DMDとする)である。このDMDは、米国Texas Instruments社が主な用途としてビデオプロジェクタ用に開発した素子で、半導体基板上に数十万個の極小ミラー(極小光学面)をマトリックス状に組み込み、個々のミラーを2進法のパルス幅変調技術を用いて動かし、入射光をオンオフ制御して画像を作り出すデジタル制御の高速反射式光スイッチである。通常は、カラーフィルタを順次切り替えることにより、光の3原色であるRGB変調を時間をずらして行うが、この実施の形態1では、カラーフィルタを取り外して単色の変調素子として用いる構成とする。ただし、カラーフィルタを用いた変調構成とすることも勿論可能である。103はCCD撮像素子、111は計測光源、112,113は投光系レンズ、114,115は撮像系レンズである。131はクロックパルス源、132,133はDMD駆動回路、141は計測対象物体である。151は照射角度符号化変調信号、152は視差抽出変調信号、153,154は同期クロック信号、155,156はDMD駆動信号、161は輝度−視差LUT(Look Up Table:ルックアップテーブル)、171は視差画像である。
【0011】
次に動作について説明する。
計測光源111からの出射光は、投光系レンズ112を介して、DMD(投光系変調手段)101の受光面に集光される。DMD101にはDMD駆動回路132からDMD駆動信号155が与えられており、この信号により受光面を形成する複数のミラーが入射光に対して反射方向を切り替えるように駆動する。すなわち、入射光は、DMD駆動信号155が形成する変調パターンに従って変調がかけられたパターン計測光となる。DMD101により変調されたパターン計測光は、投光系レンズ113を介して、計測対象物体141上に照射される。
【0012】
撮像系では、照射されたパターン計測光により計測対象物体141上に形成される照射像に対し次のような撮像処理が行われる。照射像は、撮像系レンズ114によりDMD(撮像系変調手段)102上に結像される。DMD102にはDMD駆動回路133からDMD駆動信号156が与えられており、この信号により受光面を形成する複数のミラーが入射光に対して反射方向を切り替えるように駆動する。したがって、この結像された照射像は、DMD駆動信号156が形成する変調パターンに従って変調される。変調された照射像は、撮像系レンズ115を介してCCD撮像素子(光電変換手段)103上に結像される。
ここで、変調手段としては、DMDでなくても、マトリックス状に高速変調可能な素子であれば良く、例えば、複数の極小シャッタ(極小光学面)を配置した透過型アクティブマトリクス方式の液晶デバイス(LCD)を用いても良い。
【0013】
DMD101およびDMD102には、DMD駆動回路132,133からそれぞれの変調パターンを生成するDMD駆動信号155,156が与えられているが、これらの信号は次のようにして生成される。DMD駆動回路132には照射角度符号化変調信号151が与えられ、一方、DMD駆動回路133には視差抽出変調信号152が与えられている。また、クロックパルス源131から同期クロック信号153,154がそれぞれ与えられ、両DMD駆動信号155,156間はタイミングを合わせるのための同期がとれている。
【0014】
図2および図3はDMD101,102のスイッチ動作を制御するDMD駆動信号155,156を示すタイムチャートである。(a)はDMD101に対しての変調パターンを与えるDMD駆動信号155、(b)はDMD102に対しての変調パターンを与えるDMD駆動信号156を示す。このように、DMD101,102のそれぞれに双方が連動した変調パターンを与えることで、視差情報がCCD撮像素子103で光電変換されて輝度情報としてダイレクトに得られ、リアルタイムに3次元計測が可能となる。
【0015】
ここで、図2および図3により変調パターンの与え方について説明する。
まず、図2において、横軸は時間軸を表し、1フレーム時間において、A,B,Cの3区分に分けられているとする。なお、ここでは、通常DMDが光の3原色RGBのカラー変調に用いられるため、便宜上、前述のようにA,B,Cの3区分に分けた構成としているが、1フレーム時間の区分数は任意であり、単一区間で強度変調する構成であっても良い。
【0016】
次に、上記3区分に分けられた領域において、図2に示すように、DMD101とDMD102における変調パターン(a)と(b)を、互いに反転させた関係とした場合について説明する。ある一定の距離に基準面を想定した時、この基準面上に存在する計測対象物体141上の照射像に対して、投光と受光のタイミングがちょうど反転した関係となり、DMD102は、DMD101による照射像を全く受光できなくなる。この変調パターンのペアを視差0とする照射角度符号化・視差抽出のコードペアとする。
ところで投光側の変調された計測光は照射角度(位置)によって変化するパターンとなっている。したがって、前述の基準面からずれた位置に計測対象物体141が存在し、照射角度の差である視差αで照射されたパターン計測光が計測対象物体141上に照射されている場合、そのパターン計測光の輝度差を検出できれば、仮想的に設置した計測基準点と計測対象物体までの距離に応じた視差αを検出できることになる。例えば図2に示すように投光側と受光側の変調パターンのペアを作れば、図3に示すように視差αに比例した光量がDMD102での内積値として得られることになる。なお、ここで計測基準点は、どこに想定してもよいが、通常、投光側焦点と受光側焦点の中間に設置することが多い。
【0017】
ここで、視差αに応じた変調パターンとしては、例えば、以下の式によって与えられるものとする。
(LA +KT ・α,LB −KT ・β,LC −KT ・γ) (1)
但し、α=β+γ、α,β,γ≧0とする。
ここで、L ,L ,L はA,B,C区間にパターン計測光が照射される際の基準となる区間幅(変調時間)である。また、K は視差α,β,γを区間幅に変換するための係数である。
以上のような変調パターンを与えれば、αの量にかかわらず、A,B,Cの全ての区間での合計光量は常に一定となり、観察者は一定光量の照明が行われているようにしか見えず、計測動作を意識させずに計測を行えることができ、対象の濃度画像も取得可能であるという利点がある。
【0018】
図4では、式(1)に従った変調パターンとして、各照射角度に対して、少しずつタイミングをずらした変調パターン(照射角度符合化変調信号151と視差抽出変調信号152でみた場合にはコードパターン)のペアを与えており、各撮像方向における視差に比例した輝度値がダイレクトに得られる構成になっている。具体的には、照射角度xとなる方向で縦位置がyである位置(x,y)のコードパターンを、照射角度符合化変調信号151のコードパターンとして以下のように与えている。また、この実施の形態1では、視差抽出変調信号152のコードパターンは、これを反転させたものとして与えられている。ただし、これは一例であり、照射角度に対して一意に決まるようなコードパターンであれば、他のコードパターン系列であっても良い。

Figure 0003847686
ここで、LA (x),LB (x),LC (x)は、それぞれ区間A,B,Cにおける変調区間幅、KX は照射角度を変調区間幅へ変換するための係数、x0 は照射開始角度を表す。なお、説明を簡単化するために各区間の最大区間幅を1.0とするように正規化してある。以上の式を見れば分かるように、先に述べたように、3つの区間の合計光量は常に、LA (x)+LB (x)+LC (x)=1.5となり、一定となっていることが解る。
【0019】
こうして、図5に示すような輝度値Iと視差αの関係を撮像方向毎にあらかじめ求めて輝度−視差LUT(輝度−視差変換手段)161を形成しておけば、これを用いて輝度値Iから視差αを検出することができる。さらに、校正データとして取得しておいた視差−距離変換用のLUTを用いて変換すればリアルタイムに距離を取得することができるようになる。なお、この実施の形態1では、照射角度符合化変調信号151と視差抽出変調信号152のコードパターンを反転させたものとして説明したが、両者を同一パターンとしても構わない。その場合にも、図5のようなI−αの関係図が別途与えられ、それに従って視差抽出が可能となる。
【0020】
以上のように、実施の形態1によれば、計測光の投光系と照射像の撮像系内において、同期クロック信号を共有し、異なる変調も可能な2つの変調手段を設けたことにより、従来は複数フレームに分けて照射していた変調パターンを、単一フレームで照射し、視差情報を単一フレームの受光量の変化として観測できる構成とした。したがって、従来必要であった視差情報を復元するための複雑な計算処理が不要となり、簡単なルックアップテーブルを用意するだけで、受光量(輝度)−視差情報−距離情報の変換が可能となり、その結果、距離分布のリアルタイム計測による移動物体の距離計測を可能とする効果が得られる。
【0021】
実施の形態2.
実施の形態1では、測定対象物体は均一な完全拡散面であり、環境の背景光が存在しない場合の測定に適している。この実施の形態2では、測定対象物体の表面の反射率が不均一で、背景光も存在する場合についての測定に適している。
図6はこの発明の実施の形態2による3次元計測装置の構成を示す構成図である。図において、201〜203はDMD、205〜207はCCD撮像素子、211は照射光源、212,213は投光系レンズ、215,217〜220は撮像系レンズ、214,216はハーフミラー、231はクロックパルス源、232〜234はDMD駆動回路、241は計測対象物体である。251は照射角度符号化変調信号、252,253は視差抽出変調信号、254〜256は同期クロック信号、257〜259はDMD駆動信号である。なお、CCD撮像素子206,207後の輝度−視差LUTについては省略して示す。
【0022】
撮像系には、2つのハーフミラー(光学的分岐手段)214,216を備えることで計測対象物体241からの照射像を3つの方向に分岐させる構成となっている。このうち、1つの分岐方向に対しては、DMDの変調手段を介さずにCCD撮像素子(光電変換手段)207で分岐照射像を直接観測するようにしている。他方、2つの分岐方向に対しては、変調手段として2つのDMD(撮像系変調手段)202,203を介してCCD撮像素子(光電変換手段)205,206でそれぞれ観測する構成としている。ここで、この場合の変調手段としては必ずしもDMDである必要はなく、マトリックス状に配置された複数の極小光学面を持つ変調手段であればよく、実施の形態1でも述べたような透過型アクティブマトリクス方式の液晶デバイスなどであってもよい。
【0023】
図6において、DMD201,202,203に対して、DMD駆動回路232,233,234からDMD駆動信号257,258,259がそれぞれ与えられる。これらのDMD駆動信号は、クロックパルス源231からの同期クロック信号254,255,256によりタイミングが合わせられ、図7に示すように各DMDに対して別の変調パターンで与えられるようにしている。このことにより、CCD撮像素子205,206,207はそれぞれ異なる情報を含む明度情報を得る。なお、CCD撮像素子207については、式(1)の関係から一様照明光を照射した明度情報を取得する。
【0024】
次に、図7で示した変調用の各DMDに与える変調パターンと受光後の信号処理について述べる。
まず、DMD(投光系変調手段)201に与える変調信号は実施の形態1と同様であり、DMD202についてはDMD201とちょうど位相が180度反転した変調パターン、DMD203についてはDMD201と同位相とすると、これらのDMDに対応した2つのCCD撮像素子205,206では、以下の光量の光が受光されることになる。
A =KR ・a+b (5)
B =KR ・(1−a)+b (6)
ここで、IA はCCD撮像素子205の受光量、IB はCCD撮像素子206の受光量、aは視差に応じた変調区間幅、bは背景光、KR は計測対象物体表面での反射率と変調区間幅から実際の計測光照射量への変換係数を乗じた係数である。なお、説明を簡単化するために視差に応じた変調区間幅aについては、DMD201で変調区間全域に渡って照射が行われたとした時の照射量を1として正規化している。また、ハーフミラー214,216による分岐後の光量は各分岐方向で同一とし、実際の光量からCCD撮像素子205,206上での光電変換係数については省略して定式化しているが、このことはここでの説明に何ら影響を及ぼさない。
【0025】
一方、DMDを介さないCCD撮像素子207では、以下の光量の光が受光されることになる。
C =KR +b (7)
この時、以下のようにKR ,a,bを求めることができる。
R =2・IC −(IA +IB ) (8)
a=(IC −IB )/(2IC −I −IB ) (9)
b=IA +IB −IC (10)
ここで、aと視差αの関係をあらかじめ求めておくことで、視差αを求めることができる。さらに距離と視差αの関係も求めておけば、距離への変換が可能である。
【0026】
以上のように、実施の形態2によれば、複数方向に分岐して変調可能な構成としたため、複数の変調効果を同時に得ることが可能となり、これらの複数の情報を用いて、環境の背景光や計測対象物体の表面反射率が未知であっても、その影響を除去した上で3次元情報を取得可能となる効果が得られる。また、一部は変調手段を介さずに直接観測可能な構成としたため、一様な照明を照射した計測対象物体像を3次元情報と同時に得ることができる効果がある。
【0027】
実施の形態3.
図8はこの発明の実施の形態3による3次元計測装置の構成を示す構成図である。
図において、301,302はDMD、305〜307はCCD撮像素子、311は計測光源、312,313は投光系レンズ、314はハーフミラー、315〜318は撮像系レンズ、331はクロックパルス源、332,333はDMD駆動回路、341は計測対象物体である。351は照射角度符号化変調信号、352は視差抽出変調信号、354,355は同期クロック信号、356,357はDMD駆動信号である。なお、CCD撮像素子305,306後の輝度−視差LUTについては省略して示す。
【0028】
この実施の形態3では、DMD(撮像系変調手段)302は、DMD駆動回路333からのDMD駆動信号357により複数方向に反射方向を切り替える光学スイッチとしても動作する。したがって、ハーフミラー314を通過してDMD302に到達した計測対象物体341の照射像は、各方向に切り替えられ、それぞれの反射方向に配置されたCCD撮像素子(光電変換手段)305,306上にそれぞれ結像される。このことにより、図6の実施の形態2におけるように分岐後の系統毎に変調手段のDMD202,203をそれぞれ配置した場合に比べ、光学的分岐手段と変調手段を兼用した構成とすることができる。したがって、実施の形態2に比し、より簡素な構成とすることができる効果が得られる。
【0029】
上記実施の形態2および3において、照射像の分岐後の1系統については変調手段を介さないでCCD撮像素子207または307に決像させる構成について示した。これに代わって、分岐後の全系統とも変調手段を介する構成とし、それぞれに独立な要素を含むように異なった変調をかけるようにしてもよい。そうすれば、上記の説明と同様に反射率K 、受光量a、背景光bを求めることができる。また、そのような構成にしておいて、うち1系統については、必要に応じて、変調をかけずに直接CCD撮像素子に導くように切り替える構成しておけば、上記実施の形態2および3の両機能を備えることが可能となる。
また、その他の例として、背景光、反射率分布のいずれかが、あらかじめ分かっている場合や無視しうる場合には、照射像を分岐による2系統の構成とし、その2系統で変調を行ったり、あるいはそのうち1系統を変調し、残り1系統を非変調といった動作体系にしてもよく、使用環境に合わせてより簡素化することが可能となる。
【0030】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、投光系が、マトリックス状に配置した極小光学面を所定の変調パターンに従って切り替えることにより計測光源からの出射光を変調してパターン計測光を生成し、当該パターン計測光を計測対象物体上に照射する投光系変調手段を有し、撮像系が、パターン計測光により計測対象物体上に形成された照射像が結像され、投光系変調手段と同期して動作し、所定の変調パターンと連動した変調パターンに従ってマトリックス状に配置された極小光学面を切り替えることにより、結像された照射像を変調して仮想的に設置した計測基準点と計測対象物体までの距離に応じた視差情報を照射像の光量変化成分として抽出する撮像系変調手段と、この照射像の光量変化成分を受光して光電変換し、輝度情報を得る光電変換手段と、得られた輝度情報に基づいて視差情報を求める輝度−視差変換手段とを有するように構成したので、環境の背景光成分は存在せず、計測対象物体の表面反射率が均一であるとして、あらかじめ校正情報を取得しておけば、視差情報を単一フレームの受光量の変化として直接観測可能になり、従来必要であった視差情報復元のための複雑な計算処理が不要となり、簡単なLUTを用意するだけで距離情報のリアルタイム計測を可能にする効果がある。
【0031】
この発明によれば、投光系が、マトリックス状に配置した極小光学面を所定の変調パターンに従って切り替えることにより計測光源からの出射光を変調してパターン計測光を生成し、当該パターン計測光を計測対象物体上に照射する投光系変調手段を有し、撮像系が、パターン計測光により計測対象物体上に形成された照射像を複数方向に分岐する光学的分岐手段と、この光学的分岐手段による一つまたは複数の分岐方向に配置され、分岐された照射像がそれぞれ結像され、投光系変調手段と同期して動作し、所定の変調パターンと連動した変調パターンに従ってマトリックス状に配置された極小光学面を切り替えることにより、結像された照射像を変調して仮想的に設置した計測基準点と計測対象物体までの距離に応じた視差情報を照射像の光量変化成分として抽出する各撮像系変調手段と、これら各撮像系変調手段から得られた照射像の光量変化成分を受光して光電変換し、輝度情報をそれぞれ得る各光電変換手段と、これら各光電変換手段から得られた輝度情報に基づいて視差情報をそれぞれ求める輝度−視差変換手段とを有するように構成したので、複数の変調効果を同時に得ることが可能となり、これらの複数の情報を用いて、環境の背景光や計測対象物体の表面反射率が未知であっても、その影響を除去した上で3次元情報を取得可能とする効果がある。
【0032】
この発明によれば、残りの分岐方向に配置され、分岐された照射像が直接結像され、この直接結像された照射像を光電変換する光電変換手段を有するように構成したので、一部は変調手段を介さずに直接観測するため、一様な照明を照射した計測対象物体像を3次元情報と同時に得ることができる効果がある。
【0033】
この発明によれば、撮像系変調手段の少なくとも一つとして、結像された照射像を複数の反射方向に切り替える動作を兼ねる光学スイッチを用い、反射方向のそれぞれに光電変換手段を配置するように構成したので、光学的分岐手段と変調手段を兼用することにより、装置の構成を簡略化できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1による3次元計測装置の構成を示す構成図である。
【図2】 同実施の形態1に係るDMD駆動信号を示すタイムチャートである。
【図3】 同実施の形態1に係る他のDMD駆動信号を示すタイムチャートである。
【図4】 同実施の形態1に係る変調パターン光による動作を示す説明図である。
【図5】 同実施の形態1に係る輝度値Iと視差αの関係を示すルックアップテーブルの例を示す説明図である。
【図6】 同実施の形態2による3次元計測装置の構成を示す構成図である。
【図7】 同実施の形態2に係る変調パターン光による動作を示す説明図である。
【図8】 同実施の形態3による3次元計測装置の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
101,102,201〜203,301,302 マイクロミラーデバイス(DMD)、103,205〜207,305〜307 CCD撮像素子、111,211,311 計測光源、112,113,212,213,312,313 投光系レンズ、114,115,215,217〜220,315〜318 撮像系レンズ、131,231,331 クロックパルス源、132,133,232〜234,332,333 DMD駆動回路、141,241,341 計測対象物体、151,251,351 照射角度符号化変調信号、152,252,253,352 視差抽出変調信号、153,154,254〜256,354,355 同期クロック信号、155,156,257〜259,356,357 DMD駆動信号、161 輝度−視差LUT、171 視差画像、214,216,314 ハーフミラー。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional measurement apparatus that performs three-dimensional shape measurement in real time using a pattern light projection method.
[0002]
[Prior art]
For three-dimensional measurement, there is widely known a light cutting method in which triangulation is applied, slit-like light called a light cutting line is projected onto a measurement object, and the state in which this changes according to the object shape is observed. However, in this method, three-dimensional distance information other than the portion where the slit light hits cannot be obtained, and in order to obtain a three-dimensional distance distribution, multiple observations are performed while gradually changing the angle at which the light section line is projected. Need to do. Therefore, a very long measurement time is required.
On the other hand, there is a three-dimensional measurement method using a spatial coding method (see, for example, Patent Document 1). This method encodes the projection angle information of the light section line into a plurality of projection patterns, irradiates the measurement target object with each light pattern, images the measurement target object at different positions, and decodes the observation results. The position of the measurement target object is obtained. According to this method, it is possible to perform measurement in a shorter time compared to the light cutting method in which the projection angle is changed. For example, when observation is performed for 256 projection angles, the normal light-cutting method requires 256 observations, but the spatial encoding method requires only 8 pattern projections and observations, and 256/8. = 32 times faster.
[0003]
[Patent Document 1]
JP 60-152903 A (page 1-2, FIG. 2)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Since the conventional three-dimensional measurement method based on the spatial coding method is configured as described above, the measurement time is shorter than that of the light cutting method, but it still requires multiple frames of measurement time. There is a problem that measurement is difficult when is a moving object.
[0005]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a three-dimensional measurement apparatus that enables real-time measurement of distance distribution and is suitable for distance measurement of a moving object.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A three-dimensional measuring apparatus according to the present invention is a three-dimensional shape measuring apparatus provided with a light projecting system that irradiates a measurement target object with measurement light and an imaging system that acquires three-dimensional information from an irradiation image of the measurement target object. The light projecting system generates pattern measurement light by modulating the light emitted from the measurement light source by switching the minimum optical surfaces arranged in a matrix according to a predetermined modulation pattern, and irradiates the measurement target object with the pattern measurement light The projection system has a light projection system modulation means, and the imaging system forms an irradiation image formed on the measurement target object by the pattern measurement light, operates in synchronization with the light projection system modulation means, and has a predetermined modulation pattern. By switching the minimal optical surfaces arranged in a matrix according to the interlocking modulation pattern, the imaged irradiation image is modulated and the distance between the virtual reference reference point and the object to be measured is set. Imaging system modulation means for extracting the same parallax information as a light quantity change component of the irradiation image, photoelectric conversion means for receiving the light quantity change component of the irradiation image and photoelectrically converting it to obtain luminance information, and the obtained luminance information A luminance-disparity conversion unit for obtaining parallax information based on the information;
[0007]
A three-dimensional measuring apparatus according to the present invention is a three-dimensional shape measuring apparatus provided with a light projecting system that irradiates a measurement target object with measurement light and an imaging system that acquires three-dimensional information from an irradiation image of the measurement target object. The light projecting system generates pattern measurement light by modulating the light emitted from the measurement light source by switching the minimum optical surfaces arranged in a matrix according to a predetermined modulation pattern, and irradiates the measurement target object with the pattern measurement light An optical branching means for branching an irradiation image formed on the measurement target object by the pattern measurement light in a plurality of directions, and one or a plurality of the optical branching means by the optical branching means. Are arranged in the direction of branching, and the branched irradiation images are respectively formed, operate in synchronization with the light projection system modulation means, and form a matrix according to a modulation pattern interlocked with a predetermined modulation pattern By switching the placed minimal optical surface, the imaged irradiation image is modulated, and the parallax information according to the distance from the measurement reference point virtually installed and the object to be measured is extracted as the light quantity change component of the irradiation image Each imaging system modulation means, each photoelectric conversion means for receiving and photoelectrically converting the light quantity change component of the irradiation image obtained from each imaging system modulation means, and obtaining luminance information, respectively, obtained from each photoelectric conversion means Luminance-disparity conversion means for obtaining parallax information based on the obtained luminance information.
[0008]
The three-dimensional measuring apparatus according to the present invention is arranged in the remaining branch direction, and has a photoelectric conversion means for directly forming a branched irradiation image and photoelectrically converting the directly imaged irradiation image. To do.
[0009]
The three-dimensional measuring apparatus according to the present invention uses, as at least one of the imaging system modulation means, an optical switch that also serves to switch the formed irradiation image to a plurality of reflection directions, and a photoelectric conversion means for each of the reflection directions. It is arranged.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below.
Embodiment 1 FIG.
1 is a block diagram showing a configuration of a three-dimensional measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, reference numerals 101 and 102 denote micro mirror devices (Digital Micro Mirror Device: hereinafter referred to as DMD). This DMD is an element developed for video projectors by Texas Instruments Inc. in the United States. It incorporates hundreds of thousands of tiny mirrors (minimum optical surfaces) on a semiconductor substrate in a matrix, and each mirror is binary. It is a digitally controlled high-speed reflective optical switch that moves by using the pulse width modulation technology of the method and creates an image by controlling on / off of incident light. Normally, RGB modulation, which is the three primary colors of light, is performed by shifting the color filter sequentially, but in this Embodiment 1, the color filter is removed and used as a monochromatic modulation element. However, it is of course possible to employ a modulation configuration using a color filter. Reference numeral 103 denotes a CCD image pickup device, 111 denotes a measurement light source, 112 and 113 denote projection system lenses, and 114 and 115 denote image pickup system lenses. Reference numeral 131 denotes a clock pulse source, 132 and 133 denote DMD drive circuits, and 141 denotes a measurement target object. Reference numeral 151 denotes an illumination angle coded modulation signal, 152 denotes a parallax extraction modulation signal, 153 and 154 denote synchronization clock signals, 155 and 156 denote DMD drive signals, 161 denotes a luminance-parallax LUT (Look Up Table), and 171 denotes It is a parallax image.
[0011]
Next, the operation will be described.
The emitted light from the measurement light source 111 is condensed on the light receiving surface of the DMD (light projection system modulation means) 101 via the light projection system lens 112. The DMD 101 is supplied with a DMD drive signal 155 from the DMD drive circuit 132, and a plurality of mirrors forming the light receiving surface are driven by this signal so as to switch the reflection direction with respect to the incident light. That is, the incident light becomes pattern measurement light that is modulated according to the modulation pattern formed by the DMD drive signal 155. The pattern measurement light modulated by the DMD 101 is irradiated onto the measurement target object 141 via the light projection system lens 113.
[0012]
In the imaging system, the following imaging process is performed on the irradiation image formed on the measurement target object 141 by the irradiated pattern measurement light. The irradiation image is formed on the DMD (imaging system modulation means) 102 by the imaging system lens 114. A DMD drive signal 156 is given to the DMD 102 from the DMD drive circuit 133, and a plurality of mirrors forming the light receiving surface are driven by this signal so as to switch the reflection direction with respect to the incident light. Therefore, the formed irradiation image is modulated according to the modulation pattern formed by the DMD drive signal 156. The modulated irradiation image is formed on the CCD image sensor (photoelectric conversion means) 103 through the imaging system lens 115.
Here, the modulation means is not limited to DMD, but may be any element capable of high-speed modulation in a matrix. For example, a transmissive active matrix type liquid crystal device having a plurality of minimum shutters (minimum optical surfaces) ( LCD) may be used.
[0013]
DMD 101 and DMD 102 are provided with DMD drive signals 155 and 156 for generating respective modulation patterns from DMD drive circuits 132 and 133. These signals are generated as follows. The DMD driving circuit 132 is supplied with the irradiation angle coded modulation signal 151, while the DMD driving circuit 133 is supplied with the parallax extraction modulation signal 152. Further, synchronous clock signals 153 and 154 are respectively provided from the clock pulse source 131, and the two DMD drive signals 155 and 156 are synchronized for matching timing.
[0014]
2 and 3 are time charts showing DMD drive signals 155 and 156 for controlling the switch operation of the DMDs 101 and 102. FIG. (A) shows a DMD drive signal 155 that gives a modulation pattern to the DMD 101, and (b) shows a DMD drive signal 156 that gives a modulation pattern to the DMD 102. In this way, by providing a modulation pattern in which both of the DMDs 101 and 102 are interlocked, the parallax information is photoelectrically converted by the CCD image sensor 103 and directly obtained as luminance information, and three-dimensional measurement is possible in real time. .
[0015]
Here, a method of giving a modulation pattern will be described with reference to FIGS.
First, in FIG. 2, it is assumed that the horizontal axis represents a time axis and is divided into three sections A, B, and C in one frame time. Note that, here, since DMD is usually used for color modulation of the three primary colors RGB of light, for convenience, the configuration is divided into three sections of A, B, and C as described above, but the number of sections in one frame time is as follows. Arbitrary and intensity modulation in a single section may be used.
[0016]
Next, a case will be described in which the modulation patterns (a) and (b) in the DMD 101 and the DMD 102 are reversed with respect to each other in the regions divided into the three sections as shown in FIG. When a reference plane is assumed at a certain distance, the timing of light projection and light reception is just reversed with respect to the irradiation image on the measurement target object 141 existing on the reference plane, and the DMD 102 is irradiated by the DMD 101. The image cannot be received at all. Let this pair of modulation patterns be a code pair of irradiation angle coding / parallax extraction with parallax 0.
By the way, the modulated measurement light on the projection side has a pattern that changes depending on the irradiation angle (position). Therefore, when the measurement target object 141 exists at a position deviated from the above-described reference plane, and the pattern measurement light irradiated with the parallax α that is the difference in irradiation angle is irradiated onto the measurement target object 141, the pattern measurement is performed. If the luminance difference of light can be detected, the parallax α corresponding to the distance between the virtually set measurement reference point and the measurement target object can be detected. For example, if a pair of modulation patterns on the light projecting side and the light receiving side is formed as shown in FIG. 2, a light quantity proportional to the parallax α is obtained as an inner product value in the DMD 102 as shown in FIG. Here, the measurement reference point may be assumed anywhere, but usually it is often set between the light projecting side focus and the light receiving side focus.
[0017]
Here, the modulation pattern corresponding to the parallax α is given by the following equation, for example.
(L A + K T ・ Α, L B -K T ・ Β, L C -K T ・ Γ) (1)
However, α = β + γ, α, β, γ ≧ 0.
Where L A , L B , L C Is a section width (modulation time) that serves as a reference when pattern measurement light is applied to sections A, B, and C. K T Is a coefficient for converting the parallax α, β, γ into a section width.
If the modulation pattern as described above is given, the total light amount in all the sections A, B, and C is always constant regardless of the amount of α, and the observer can only see that illumination with a constant light amount is performed. There is an advantage that the measurement can be performed without being conscious of the measurement operation and the density image of the target can be acquired.
[0018]
In FIG. 4, as the modulation pattern according to the equation (1), the modulation pattern (corresponding to the irradiation angle encoding modulation signal 151 and the parallax extraction modulation signal 152 when the timing is slightly shifted with respect to each irradiation angle is shown. Pattern) pairs, and a luminance value proportional to the parallax in each imaging direction is directly obtained. Specifically, the code pattern of the position (x, y) where the vertical position is y in the direction corresponding to the irradiation angle x is given as the code pattern of the irradiation angle encoding modulation signal 151 as follows. In the first embodiment, the code pattern of the parallax extraction modulation signal 152 is given by inverting it. However, this is an example, and other code pattern sequences may be used as long as the code pattern is uniquely determined with respect to the irradiation angle.
Figure 0003847686
Where L A (X), L B (X), L C (X) is the modulation section width in sections A, B, and C, and K X Is a coefficient for converting the irradiation angle into the modulation interval width, x 0 Represents the irradiation start angle. In order to simplify the description, the maximum section width of each section is normalized to 1.0. As can be seen from the above equation, as described above, the total light amount in the three sections is always L A (X) + L B (X) + L C (X) = 1.5, which is constant.
[0019]
Thus, if the relationship between the luminance value I and the parallax α as shown in FIG. 5 is obtained in advance for each imaging direction and the luminance-parallax LUT (luminance-parallax converting means) 161 is formed, the luminance value I is used using this. Can detect parallax α. Furthermore, if conversion is performed using a parallax-distance conversion LUT acquired as calibration data, the distance can be acquired in real time. Although the first embodiment has been described assuming that the code patterns of the irradiation angle encoding modulation signal 151 and the parallax extraction modulation signal 152 are inverted, they may be the same pattern. Also in this case, a relation diagram of I-α as shown in FIG. 5 is given separately, and the parallax can be extracted accordingly.
[0020]
As described above, according to the first embodiment, in the measurement light projecting system and the irradiated image capturing system, the synchronization clock signal is shared, and two modulation means capable of different modulations are provided. Conventionally, a modulation pattern that has been irradiated in a plurality of frames is irradiated in a single frame, and parallax information can be observed as a change in the amount of received light in a single frame. Therefore, complicated calculation processing for restoring the disparity information that has been necessary in the past is unnecessary, and it is possible to convert the received light amount (luminance) -disparity information-distance information only by preparing a simple lookup table. As a result, the effect of enabling distance measurement of a moving object by real-time measurement of distance distribution is obtained.
[0021]
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the object to be measured is a uniform complete diffusion surface, which is suitable for measurement when there is no background light of the environment. The second embodiment is suitable for measurement in the case where the reflectance of the surface of the measurement target object is non-uniform and background light is also present.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a three-dimensional measuring apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, 201 to 203 are DMDs, 205 to 207 are CCD image sensors, 211 is an irradiation light source, 212 and 213 are projection system lenses, 215 and 217 to 220 are imaging system lenses, 214 and 216 are half mirrors, and 231 is A clock pulse source, 232 to 234 are DMD driving circuits, and 241 are objects to be measured. Reference numeral 251 denotes an irradiation angle encoding modulation signal, 252 and 253 are parallax extraction modulation signals, 254 to 256 are synchronous clock signals, and 257 to 259 are DMD drive signals. Note that the luminance-parallax LUT after the CCD image sensors 206 and 207 is omitted.
[0022]
The imaging system includes two half mirrors (optical branching means) 214 and 216 so that an irradiation image from the measurement target object 241 is branched in three directions. Among these, for one branching direction, the branch irradiation image is directly observed by the CCD image pickup device (photoelectric conversion unit) 207 without using the DMD modulation unit. On the other hand, the two branch directions are observed by the CCD image pickup devices (photoelectric conversion means) 205 and 206 via two DMDs (image pickup system modulation means) 202 and 203 as modulation means, respectively. Here, the modulation means in this case is not necessarily DMD, and any modulation means having a plurality of minimum optical surfaces arranged in a matrix may be used, and the transmission type active as described in the first embodiment. A matrix type liquid crystal device or the like may also be used.
[0023]
In FIG. 6, DMD drive signals 257, 258, and 259 are provided to DMDs 201, 202, and 203 from DMD drive circuits 232, 233, and 234, respectively. These DMD drive signals are timed by synchronous clock signals 254, 255, and 256 from a clock pulse source 231, and are given to each DMD in a different modulation pattern as shown in FIG. As a result, the CCD imaging devices 205, 206, and 207 obtain brightness information including different information. For the CCD image sensor 207, brightness information obtained by irradiating uniform illumination light is obtained from the relationship of the expression (1).
[0024]
Next, the modulation pattern given to each DMD for modulation shown in FIG. 7 and signal processing after light reception will be described.
First, the modulation signal given to the DMD (projection system modulation means) 201 is the same as that in the first embodiment. The DMD 202 has a modulation pattern whose phase is exactly 180 degrees reversed from that of the DMD 201, and the DMD 203 has the same phase as the DMD 201. The two CCD image sensors 205 and 206 corresponding to these DMDs receive the following light amounts.
I A = K R ・ A + b (5)
I B = K R (1-a) + b (6)
Where I A Is the amount of light received by the CCD image sensor 205, I B Is the amount of light received by the CCD image sensor 206, a is the modulation interval width corresponding to the parallax, b is the background light, K R Is a coefficient obtained by multiplying the reflectance on the surface of the measurement target object and the conversion interval width to the actual measurement light irradiation amount. In order to simplify the explanation, the modulation interval width a corresponding to the parallax is normalized by setting the irradiation amount when the irradiation is performed over the entire modulation interval by the DMD 201 to 1. In addition, the amount of light after branching by the half mirrors 214 and 216 is the same in each branch direction, and the photoelectric conversion coefficients on the CCD image pickup devices 205 and 206 are omitted from the actual light amount, but this is formulated. It does not affect the explanation here.
[0025]
On the other hand, the CCD image pickup device 207 that does not pass through the DMD receives the following amount of light.
I C = K R + B (7)
At this time, K R , A, b can be obtained.
K R = 2 ・ I C -(I A + I B (8)
a = (I C -I B ) / (2I C -I A -I B (9)
b = I A + I B -I C (10)
Here, the parallax α can be obtained by obtaining the relationship between a and the parallax α in advance. Furthermore, if the relationship between the distance and the parallax α is also obtained, conversion to the distance is possible.
[0026]
As described above, according to the second embodiment, since the modulation can be performed by branching in a plurality of directions, a plurality of modulation effects can be obtained at the same time, and the background of the environment can be obtained using the plurality of pieces of information. Even if the surface reflectance of the light or the measurement target object is unknown, an effect is obtained in which the three-dimensional information can be acquired after removing the influence. In addition, since a part of the configuration can be directly observed without using the modulation means, there is an effect that a measurement target object image irradiated with uniform illumination can be obtained simultaneously with the three-dimensional information.
[0027]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the three-dimensional measuring apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
In the figure, 301 and 302 are DMDs, 305 to 307 are CCD imaging devices, 311 is a measurement light source, 312 and 313 are projection system lenses, 314 is a half mirror, 315 to 318 are imaging system lenses, 331 is a clock pulse source, Reference numerals 332 and 333 denote DMD driving circuits, and reference numeral 341 denotes an object to be measured. Reference numeral 351 denotes an irradiation angle encoding modulation signal, 352 is a parallax extraction modulation signal, 354 and 355 are synchronization clock signals, and 356 and 357 are DMD drive signals. Note that the luminance-parallax LUT after the CCD imaging devices 305 and 306 is omitted.
[0028]
In the third embodiment, the DMD (imaging system modulation means) 302 also operates as an optical switch that switches the reflection direction in a plurality of directions by the DMD drive signal 357 from the DMD drive circuit 333. Therefore, the irradiation image of the measurement target object 341 that passes through the half mirror 314 and reaches the DMD 302 is switched in each direction, and is respectively placed on the CCD image pickup devices (photoelectric conversion means) 305 and 306 arranged in the respective reflection directions. Imaged. As a result, compared to the case where the DMDs 202 and 203 of the modulation means are arranged for each of the systems after branching as in the second embodiment in FIG. 6, a configuration in which the optical branching means and the modulation means are combined can be obtained. . Therefore, an effect that a simpler structure can be obtained as compared with the second embodiment is obtained.
[0029]
In the second and third embodiments, the configuration in which the CCD image pickup device 207 or 307 determines the image of one line after the irradiation image branching without using the modulation means has been described. Instead of this, all the systems after the branching may be configured to have modulation means, and different modulations may be applied so as to include independent elements. Then, the reflectance K as in the above description. R The received light amount a and the background light b can be obtained. Further, in such a configuration, if one of the systems is switched so as to be guided directly to the CCD image pickup device without being modulated as necessary, the above-described second and third embodiments can be used. Both functions can be provided.
As another example, when either the background light or the reflectance distribution is known in advance or can be ignored, the irradiation image is divided into two systems and the two systems are used for modulation. Alternatively, an operation system in which one of them is modulated and the remaining one is not modulated can be simplified according to the use environment.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the light projecting system generates the pattern measurement light by modulating the light emitted from the measurement light source by switching the minimum optical surfaces arranged in a matrix according to the predetermined modulation pattern, A projection system modulation unit that irradiates the measurement target object with the pattern measurement light, and the imaging system forms an irradiation image formed on the measurement target object by the pattern measurement light; Operates in synchronization, switches the minimal optical surfaces arranged in a matrix according to the modulation pattern linked with the predetermined modulation pattern, and modulates the imaged irradiation image and measures the measurement reference point virtually installed Imaging system modulation means for extracting parallax information according to the distance to the target object as a light quantity change component of the irradiated image, and light that receives the light quantity change component of the irradiated image and photoelectrically converts it to obtain luminance information Since it is configured to have a conversion means and a luminance-disparity conversion means for obtaining parallax information based on the obtained luminance information, there is no background light component of the environment, and the surface reflectance of the measurement target object is uniform. As long as calibration information is acquired in advance, it becomes possible to directly observe the parallax information as a change in the amount of received light in a single frame, eliminating the need for complicated calculation processing for restoring parallax information, which was necessary in the past, There is an effect that enables real-time measurement of distance information only by preparing a simple LUT.
[0031]
According to the present invention, the light projecting system generates pattern measurement light by modulating the light emitted from the measurement light source by switching the minimal optical surfaces arranged in a matrix according to the predetermined modulation pattern, and the pattern measurement light is generated. An optical branching unit having a light projection system modulation unit for irradiating the measurement target object, and an imaging system for branching an irradiation image formed on the measurement target object by pattern measurement light in a plurality of directions, and this optical branching Arranged in one or a plurality of branch directions by the means, the branched irradiation images are respectively formed, operate in synchronization with the light projection system modulation means, and are arranged in a matrix according to the modulation pattern interlocked with the predetermined modulation pattern The parallax information corresponding to the distance from the measurement reference point virtually installed by modulating the formed irradiation image and the object to be measured is switched by switching the minimal optical surface. Each imaging system modulation means that extracts as a light quantity change component, each photoelectric conversion means that receives and photoelectrically converts the light quantity change component of the irradiation image obtained from each imaging system modulation means, and obtains luminance information, respectively, Since it is configured to have a luminance-disparity conversion unit that obtains parallax information based on luminance information obtained from the photoelectric conversion unit, a plurality of modulation effects can be obtained at the same time. Thus, even if the background light of the environment or the surface reflectance of the measurement target object is unknown, there is an effect that three-dimensional information can be acquired after removing the influence.
[0032]
According to the present invention, it is arranged in the remaining branching direction, and the branched irradiation image is directly formed, and the photoelectric conversion means for photoelectrically converting the directly imaged irradiation image is provided. Since the direct observation is performed without using the modulation means, the measurement target object image irradiated with uniform illumination can be obtained simultaneously with the three-dimensional information.
[0033]
According to this invention, as at least one of the imaging system modulation means, an optical switch that also serves to switch the formed irradiation image to a plurality of reflection directions is used, and the photoelectric conversion means is arranged in each of the reflection directions. Since it is configured, there is an effect that the configuration of the apparatus can be simplified by combining the optical branching unit and the modulating unit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a three-dimensional measurement apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a time chart showing DMD drive signals according to the first embodiment.
FIG. 3 is a time chart showing another DMD drive signal according to the first embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an operation by modulation pattern light according to the first embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of a look-up table showing the relationship between the luminance value I and the parallax α according to the first embodiment.
FIG. 6 is a configuration diagram showing a configuration of a three-dimensional measurement apparatus according to the second embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an operation by modulation pattern light according to the second embodiment.
FIG. 8 is a configuration diagram showing a configuration of a three-dimensional measurement apparatus according to the third embodiment.
[Explanation of symbols]
101, 102, 201-203, 301, 302 Micromirror device (DMD), 103, 205-207, 305-307 CCD imaging device, 111, 211, 311 Measuring light source, 112, 113, 212, 213, 312, 312 Projection lens, 114, 115, 215, 217 to 220, 315 to 318 Imaging lens, 131, 231 and 331 Clock pulse source, 132, 133, 232 to 234, 332 and 333 DMD drive circuit, 141, 241, 341 Measurement object, 151, 251 and 351 Irradiation angle coded modulation signal, 152, 252, 253 and 352 Parallax extraction modulation signal, 153, 154, 254 to 256, 354, 355 Synchronous clock signal, 155, 156 and 257 to 259, 356, 357 DMD drive signal, 161 Luminance-parallax LUT, 171 parallax image, 214, 216, 314 half mirror.

Claims (4)

計測光を計測対象物体に照射する投光系と、当該計測対象物体の照射像から3次元情報を取得する撮像系を備えた3次元形状計測装置において、
前記投光系が、
マトリックス状に配置した極小光学面を所定の変調パターンに従って切り替えることにより計測光源からの出射光を変調してパターン計測光を生成し、当該パターン計測光を前記計測対象物体上に照射する投光系変調手段を有し、
前記撮像系が、
前記パターン計測光により前記計測対象物体上に形成された照射像が結像され、前記投光系変調手段と同期して動作し、前記所定の変調パターンと連動した変調パターンに従ってマトリックス状に配置された極小光学面を切り替えることにより、結像された前記照射像を変調して仮想的に設置した計測基準点と前記計測対象物体までの距離に応じた視差情報を照射像の光量変化成分として抽出する撮像系変調手段と、
この照射像の光量変化成分を受光して光電変換し、輝度情報を得る光電変換手段と、
得られた輝度情報に基づいて前記視差情報を求める輝度−視差変換手段とを有することを特徴とする3次元形状計測装置。
In a three-dimensional shape measuring apparatus including a light projecting system that irradiates a measurement target object with measurement light and an imaging system that acquires three-dimensional information from an irradiation image of the measurement target object.
The light projecting system is
A projection system for generating pattern measurement light by modulating light emitted from a measurement light source by switching the minimum optical surfaces arranged in a matrix according to a predetermined modulation pattern, and irradiating the measurement target object on the measurement target object Having modulation means,
The imaging system is
An irradiation image formed on the object to be measured is formed by the pattern measurement light, operates in synchronization with the light projection system modulation means, and is arranged in a matrix according to a modulation pattern interlocked with the predetermined modulation pattern. By switching the minimal optical surface, the parallax information corresponding to the distance from the measurement reference point virtually installed by modulating the imaged irradiation image and the object to be measured is extracted as the light quantity change component of the irradiation image Imaging system modulation means for
Photoelectric conversion means for receiving the light quantity change component of the irradiated image and photoelectrically converting it to obtain luminance information;
A three-dimensional shape measuring apparatus comprising: luminance-disparity conversion means for obtaining the parallax information based on the obtained luminance information.
計測光を計測対象物体に照射する投光系と、当該計測対象物体の照射像から3次元情報を取得する撮像系を備えた3次元形状計測装置において、
前記投光系が、
マトリックス状に配置した極小光学面を所定の変調パターンに従って切り替えることにより計測光源からの出射光を変調してパターン計測光を生成し、当該パターン計測光を前記計測対象物体上に照射する投光系変調手段を有し、
撮像系が、
前記パターン計測光により前記計測対象物体上に形成された照射像を複数方向に分岐する光学的分岐手段と、
この光学的分岐手段による一つまたは複数の分岐方向に配置され、分岐された照射像がそれぞれ結像され、前記投光系変調手段と同期して動作し、前記所定の変調パターンと連動した変調パターンに従ってマトリックス状に配置された極小光学面を切り替えることにより、結像された前記照射像を変調して仮想的に設置した計測基準点と前記計測対象物体までの距離に応じた視差情報を照射像の光量変化成分として抽出する各撮像系変調手段と、
これら各撮像系変調手段から得られた照射像の光量変化成分を受光して光電変換し、輝度情報をそれぞれ得る各光電変換手段と、
これら各光電変換手段から得られた輝度情報に基づいて前記視差情報をそれぞれ求める輝度−視差変換手段とを有することを特徴とする3次元形状計測装置。
In a three-dimensional shape measuring apparatus including a light projecting system that irradiates a measurement target object with measurement light and an imaging system that acquires three-dimensional information from an irradiation image of the measurement target object.
The light projecting system is
A projection system for generating pattern measurement light by modulating light emitted from a measurement light source by switching the minimum optical surfaces arranged in a matrix according to a predetermined modulation pattern, and irradiating the measurement target object on the measurement target object Having modulation means,
The imaging system is
Optical branching means for branching an irradiation image formed on the measurement target object in a plurality of directions by the pattern measurement light;
Arranged in one or a plurality of branching directions by the optical branching means, the branched irradiation images are respectively formed, operate in synchronism with the light projecting modulation means, and modulate in conjunction with the predetermined modulation pattern By switching the minimal optical surfaces arranged in a matrix according to the pattern, the imaged irradiation image is modulated to irradiate parallax information according to the distance to the measurement target point virtually installed and the object to be measured Each imaging system modulation means for extracting as a light quantity change component of the image,
Each photoelectric conversion means for receiving and photoelectrically converting the light quantity change component of the irradiation image obtained from each of these imaging system modulation means to obtain luminance information, and
A three-dimensional shape measuring apparatus comprising: a luminance-disparity conversion unit that obtains the parallax information based on luminance information obtained from each of the photoelectric conversion units.
残りの分岐方向に配置され、分岐された照射像が直接結像され、この直接結像された照射像を光電変換する光電変換手段を有することを特徴とする請求項2記載の3次元形状計測装置。3. The three-dimensional shape measurement according to claim 2, further comprising photoelectric conversion means arranged in the remaining branching direction and directly forming the branched irradiation image and photoelectrically converting the directly imaged irradiation image. apparatus. 撮像系変調手段の少なくとも一つとして、結像された照射像を複数の反射方向に切り替える動作を兼ねる光学スイッチを用い、前記反射方向のそれぞれに光電変換手段を配置したことを特徴とする請求項2または請求項3記載の3次元計測装置。The at least one imaging system modulation unit uses an optical switch that also serves to switch an imaged irradiation image to a plurality of reflection directions, and a photoelectric conversion unit is arranged in each of the reflection directions. The three-dimensional measuring apparatus according to claim 2 or claim 3.
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