JP4595690B2

JP4595690B2 - 投影装置

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Publication number: JP4595690B2
Application number: JP2005173095A
Authority: JP
Inventors: 岳雄岩崎
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2025-06-14
Also published as: JP2006349390A

Description

本発明は、物体にパターン電磁波を投影する技術に関するものであり、特に、電磁波源からの電磁波をパターン電磁波に変換する変換体の構造の改良に関するものである。

物体にパターン電磁波を投影する技術が既に用いられている（例えば、特許文献１参照。）。この投影技術は、例えば、半導体デバイス基板等の物体に精密パターンを投影するという用途や、物体の平面形状または立体形状を光学的に測定するという用途に用いられる。

物体にパターン電磁波を投影する投影装置は、一般に、電磁波源と、その電磁波源からの電磁波をパターン電磁波に変換する変換体と、その変換体からのパターン電磁波を物体に投影する光学系とを含むように構成される。

この種の投影装置の一例は、電磁波として光を用い、電磁波パターンとしてのパターン光を物体に投影する投影装置である。この投影装置は、一般に、光源と、その光源からの光をパターン光に光学的に変換する光変換体と、その光変換体からのパターン光を物体に投影する光学系とを含むように構成される。

そのパターン光は、例えば、明部と暗部とが交互に並んだストライプ状を成すように生成される。そのため、光変換体は、従来、光源からの光を空間周期的にマスクするフォトマスクとして製造される。そのフォトマスクは通常、パターン光における明部に対応する光透過部と、パターン光における暗部に対応する光遮断部とが交互に並ぶように加工され、その光透過部は通常、空気開口である。このように、通常のフォトマスクは、光源からの光を空間選択的に透過・遮断することにより、パターン光に変換するのである。

したがって、上述の投影技術は、例えば、そのフォトマスクを用いてパターン光を物体に投影し、それにより、その物体の形状を光学的に測定するために用いることが可能である。この場合には、パターン光における明部と暗部との間隔すなわちパターンラインの間隔が短いほど、物体の形状を測定し得る解像度が向上する。

また、精密なパターン光を投影する投影器においてその投影精度を向上させたいという要望を満たすためや、物体にパターン光を投影してその物体の平面形状または立体形状を光学的に測定する測定装置においてその測定精度を向上させたいという要望を満たすために、投影されるパターン光の形状の精度を高めることが必要である場合がある。この場合には、フォトマスクをより高精度で製造することが要求される。
特開２００３−４２７３６号公報

フォトマスクを微細にかつ高精度で製造するために従来から用いられる方法の１つとして、金属膜形成法とでも称すべき方法が存在する。この方法によれば、まず、ガラス等の平板の表面にクロム膜等の金属膜が全面的にコーティングされ、次に、光透過部としての空気開口を形成するために、電子ビームリソグラフィープロセスによって電子ビームが局所的に照射され、その照射パターンに従って金属膜が局所的に除去される。

フォトマスクを微細にかつ高精度で製造するために従来から用いられる別の方法として、スクリーン印刷法とでも称すべき方法が存在する。この方法によれば、ガラス等の平板の表面に、生成すべきパターン光に対応するパターンが謄写版印刷法によって形成される。

しかしながら、上述の金属膜形成法では、電子ビームの精密かつ連続的照射が必要であるため、フォトマスクの時間当たりの製造コストが高く、しかも、製造時間が長いなどの理由により、フォトマスクのコストが上昇し易い。また、上述のスクリーン印刷法では、形成し得るパターンの形状精度がせいぜい数１０μｍであるなどの理由により、フォトマスクの形状精度を向上させることが困難である。

以上説明した事情を背景として、本発明は、物体にパターン電磁波を投影する技術において、電磁波源からの電磁波をパターン電磁波に変換する変換体の構造を、その変換体を安価にかつ高精度で製造するのに好適であるように改良することを課題としてなされたものである。

本発明によって下記の各態様が得られる。各態様は、項に区分し、各項には番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、本発明が採用し得る技術的特徴の一部およびそれの組合せの理解を容易にするためであり、本発明が採用し得る技術的特徴およびそれの組合せが以下の態様に限定されると解釈すべきではない。すなわち、下記の態様には記載されていないが本明細書には記載されている技術的特徴を本発明の技術的特徴として適宜抽出して採用することは妨げられないと解釈すべきなのである。

さらに、各項を他の項の番号を引用する形式で記載することが必ずしも、各項に記載の技術的特徴を他の項に記載の技術的特徴から分離させて独立させることを妨げることを意味するわけではなく、各項に記載の技術的特徴をその性質に応じて適宜独立させることが可能であると解釈すべきである。

（１）物体にパターン光を投影する投影装置であって、
光源と、
その光源からの入射光を少なくとも部分的に、角度的または光度分布的に変調して出射する光変調体と、
その光変調体からの出射光の複数の角度成分のうち、予め定められた入射開口に適合する放射角特性を有するものを選択的に通過させる光学系と
を含み、
前記光変調体は、前記入射光に対して、前記光変調体の表面形状に依存した光学的変調を行い、
その光変調体は、表面形状が互いに異なる２つの部分が少なくとも１組、前記光変調体に沿った方向において交互に並ぶように構成され、
前記２つの部分のうちの一方からは、前記入射開口に適合する放射角特性を有する角度成分が、その後に前記光学系を通過する通過光成分として出射する一方、前記２つの部分のうちの他方からは、前記入射開口に適合しない放射角特性を有する角度成分が、その後に前記光学系を通過しない非通過光成分として出射する投影装置。

この投影装置においては、光源からの入射光をパターン光に光学的に変換する前述の光変換体が、光源からの入射光を少なくとも部分的に、透過や反射などを行う光変換体の通過後における角度または光度分布（この場合、「光度」という用語は、主な変調位置を外界から観察したときの光度として定義されている。）に関して変調する光変調体として構成される。この光変調体は、光源からの入射光に対し、光変調体の表面形状に依存した光学的変調を行う。

この光変調体は、光源からの入射光と交差する向きに延びるように構成することが可能であるが、その入射光と交差する向きに延びないように構成することも可能である。後者の場合であっても、光変調体は、光源からの入射光を少なくとも部分的に角度的または光度分布的に変調して出射するように構成される。

ここに、「交差」という用語が、直角に交わることを意味する場合には、光変調体が入射光と交差する向きに延びないということは、光変調体が入射光と非直角に交わる可能性と、光変調体が入射光と平行である可能性とを含む。これに対し、「交差」という用語が、直角であるか否かを問わず、光変調体が入射光と交わることを意味する場合には、入射光と交差する向きに延びないということは、光変調体が入射光と平行である可能性のみを含む。

ところで、入射光と交差する向きに延びないように設置された光変調体（例えば、光源からの光の進行方向を略含む面や、ある面とそれの周辺とを含む空間にその電磁場が設定された光変調体）が、電磁波（光の一般表示）を変調するように構成することが可能である。この種の光変調体の一代表例は、音響光学素子であるが、この素子は、表面形状が互いに異なる２つの部分が少なくとも１組存在するように構成されているわけではないし、ましては、それら２つの部分が交互に並ぶように構成されているわけでもない。

本項に係る投影装置においては、その光変調体が、その光変調体からの出射光の複数の角度成分のうち、予め定められた入射開口に適合する放射角特性を有するものを選択的に通過させる光学系と共に使用される。

一方、その光変調体は、表面形状が互いに異なる２つの部分が少なくとも１組、その光変調体に沿った方向において交互に並ぶように構成される。それら２つの部分のうちの一方からは、前記入射開口に適合する放射角特性を有する角度成分が、その後に前記光学系を通過する通過光成分として出射する。また、前記２つの部分のうちの他方からは、前記入射開口に適合しない放射角特性を有する角度成分が、その後に前記光学系を通過しない非通過光成分として出射する。

このように、この投影装置においては、光変調体の表面形状に依存した光学的作用と、前記光学系の角度選択的光透過特性との共同作用により、光源からの入射光をパターン光に光学的に変換して物体に投影することが可能となる。

この投影装置においては、その光変調体が、それの表面形状に依存した光学的変調を行う点で、光透過部と光遮断部とを有して、光源からの光を空間選択的に透過・遮断する前述のフォトマスクとは、パターン光を生成するために採用する構造も原理も異なる。その結果、光変換体としてこの光変調体を採用する場合には、そのフォトマスクを採用する場合とは異なり、光変換体を製造するために、例えば、空気開口を形成することが不可欠ではなくなる。

具体的には、本項に係る投影装置における光変調体を製造するためには、例えば、その光変調体の表面に特定の形状（例えば、凹凸形状）を与えればよい。光変調体の表面に特定の形状を与えるために、例えば、光変調体の素材の表面に金型を押し付け、それにより、その金型の形状の反転形状を光変調体の表面に転写する加工法を採用することが可能である。この加工法は、上述のフォトマスクを製造する場合とは異なり、素材の局所的切除の如き比較的複雑な工程を伴わずに済むため、比較的簡単に実施することが可能である。

よって、本項に係る投影装置によれば、光変調体の構造が、微細にかつ高精度で製造するのに好適な構造であるため、その光変調体の製造を単純化することが容易となる。このことは、光変調体の量産を容易にし、ひいては、光変調体の製造コストの削減を容易にする。

本項における「光学的作用」は、例えば、屈折、反射、回折、散乱等を含んでいる。屈折、反射および回折という現象は、いずれも狭義の偏向に分類されるため、入射光を角度的に変調する光学的作用に分類することが可能であり、また、散乱という現象は、入射光を光度分布的に変調する光学的作用に分類することが可能である。

ただし、散乱は、入射光のうち、パターン光において暗部を生成するための部分の進行方向を、前記光学系を回避するように変更する現象である点で、屈折、反射および回折と共通する。したがって、この散乱も、入射光を角度的に変調する光学的作用（広義の偏向）に分類することが可能である。

また、本項における「変調」は、例えば、屈折による偏向、反射による偏向、回折による偏向、散乱による偏向等を含んでいる。

（２）前記光変調体は、前記入射光と交差する向きに延びる（１）項に記載の投影装置。

（３）前記光変調体は、前記入射光を透過する透過型である（１）または（２）項に記載の投影装置。

（４）前記光変調体は、前記入射光を反射する反射型である（１）または（２）項に記載の投影装置。

（５）前記２つの部分のうちの一方は、前記入射光に対して直角な表面を有し、その表面によって前記入射光が変調されずに出射する光直進部であり、
前記２つの部分のうちの他方は、前記入射光に対して傾斜する表面を有し、その表面によって前記入射光が変調されて出射する光変調部であり、
それら光直進部と光変調部とのうちの一方からの出射光が前記通過光成分である一方、他方からの出射光が前記非通過光成分である（１）ないし（４）項のいずれかに記載の投影装置。

（６）前記２つの部分は、共に、前記入射光に対して傾斜する表面を有し、その表面によって前記入射光が変調されて出射する２つの光変調部であり、
それら２つの光変調部は、前記入射光に対する前記表面の角度が互いに異なり、前記各光変調部からの出射光の放射角特性も互いに異なり、
それら２つの光変調部のうちの一方からの出射光が前記通過光成分である一方、他方からの出射光が前記非通過光成分である（１）ないし（４）項のいずれかに記載の投影装置。

（７）前記２つの部分のうちの少なくとも一方は、屋根型プリズムとして構成される（１）ないし（６）項のいずれかに記載の投影装置。

（８）前記２つの部分のうちの少なくとも一方は、それの表面形状として機械的ランダム散乱形状を有する（１）ないし（６）項のいずれかに記載の投影装置。

（９）前記２つの部分のうちの少なくとも一方は、回折格子として構成される（１）ないし（６）項のいずれかに記載の投影装置。

（１０）前記パターン光は、少なくとも２種類のパターン光を含み、
前記光変調体は、前記入射光に対して相対的に移動させられることにより、前記少なくとも２種類のパターン光を選択的に前記物体に投影する（１）ないし（９）項のいずれかに記載の投影装置。

この投影装置によれば、同じ光変調体を入射光に対して相対的に移動させることにより、物体に投影されるパターン光の種類を切り換えることが可能となる。各パターン光ごとに物体が撮像されて取得される複数の撮像画像を参照することにより、その物体の３次元情報を生成することが可能となる。

物体の３次元情報を生成するために、例えば、複数の撮像画像に対して公知の空間コード化法が実施され、それにより、各パターン光ごとにすなわち各撮像画像ごとに、コード情報が生成される。その生成されたコード情報に基づき、各撮像画像上における各ストラプ境界のＩＤ判定が実施される。

（１１）前記２つの部分は、ストライプ状を成す（１）ないし（１０）項のいずれかに記載の投影装置。

この投影装置によれば、光変調体から出射するパターン光がストライプ構造を有する。この投影装置は、２次元ないしは３次元の投影に適用される。この投影装置の一代表例は、光のストライプパターンを物体に３次元的に投影する３次元入力装置である。

（１２）物体にパターン電磁波を投影する投影装置であって、
電磁波源と、
その電磁波源からの入射電磁波を少なくとも部分的に、角度的または立体角当たりの電磁パワー放射分布的に変調して出射する電磁波変調体と、
その電磁波変調体からの出射電磁波の複数の角度成分のうち、予め定められた入射開口に適合する放射角特性を有するものを選択的に通過させる選択部と
を含み、
前記電磁波変調体は、前記入射電磁波に対して、前記電磁波変調体の表面形状に依存した電磁波的変調を行い、
その電磁波変調体は、表面形状が互いに異なる２つの部分が少なくとも１組、前記電磁波変調体に沿った方向において交互に並ぶように構成され、
前記２つの部分のうちの一方からは、前記入射開口に適合する放射角特性を有する角度成分が、その後に前記選択部によって選択される選択電磁波成分として出射する一方、前記２つの部分のうちの他方からは、前記入射開口に適合しない放射角特性を有する角度成分が、その後に前記選択部によって選択されない非選択電磁波成分として出射する投影装置。

この投影装置によれば、光のみならず、Ｘ線や電波など、いかなる種類の電磁波であっても、物体に電磁的パターンを投影することができる。

この投影装置の産業上の具体的な用途の一例は、医療である。この例においては、Ｘ線が電磁波として選択され、物体としての患者に局所的にＸ線の強度分布パターンが投影される。この投影装置によれば、患者に正確に２次元または３次元Ｘ線パターンを投影することが容易となるため、有効なＸ線治療が容易となる。

この投影装置の産業上の具体的な用途の別の例は、印刷（表象形成）である。この例においては、電波が電磁波として選択される。この例においては、電界によって潜像パターンを形成し、その後、現像プロセスにより、人間やロボットに知覚可能なｎ次元表象を生成する装置（具体的には、例えば、２次元表象を生成する平面プリンタ）が、本項に係る投影装置として構成することにより、安価に製造され得る。

本項における「電磁波」は、Ｘ線、紫外光、可視光、赤外光、電波等を含んでいる。この「電磁波」の一例は、テラヘルツ波（赤外光とミリ波との中間の周波数を有する電磁波）であり、このテラヘルツ波は、例えば誘電体プリズムによって変調することが可能である。いずれにしても、この「電磁波」は、光変調体の表面形状に依存した光学的変調を受け得るものであれば、よいのである。

以下、本発明のさらに具体的な実施の形態のうちのいくつかを図面に基づいて詳細に説明する。

図１には、本発明の一実施形態に従う３次元入力装置１０の外観が斜視図で示されている。この３次元入力装置１０は、複数種類のストライプ状のパターン光の被写体Ｓ（物体）への投影と、被写体Ｓの撮像と、その撮像結果に基づき、被写体Ｓの３次元情報および表面色情報をコンピュータによって取得する信号処理とを行うように設計されている。

図１ないし図５には、３次元入力装置１０の外部構成が示される一方、図６ないし図１２には、３次元入力装置１０の内部構成が示されている。以下、まず、外部構成を説明し、次に、内部構成を説明する。

図１に示すように、３次元入力装置１０は、測定ヘッドＭＨと、回転テーブルユニットＲＴと、ホルダＨＤとを含むように構成されている。

測定ヘッドＭＨは、被写体Ｓを光学的に撮像し、その撮像結果に基づいて被写体Ｓの３次元形状および表面色を測定するために設けられている。回転テーブルユニットＲＴは、測定ヘッドＭＨに対して被写体Ｓを割り出し回転させるごとに測定ヘッドＭＨによる被写体Ｓの撮像を可能にし、それにより、被写体Ｓの外面の全体領域を複数の部分領域に分割して撮像することを可能にするために設けられている。

被写体Ｓについては、各部分領域ごとの撮像によって複数の部分画像が取得される。ここに、「画像」という用語は、通常の平面画像のみならず、３次元物体の表面色情報とその３次元形状情報とを有する３次元画像をも包含するように解釈される。

それら取得された複数の部分画像は、それらから３次元形状情報が個々に取り出された後、形状ステッチ処理により、１つの形状ステッチ画像に結合される。続いて、その被写体Ｓについて取得された複数の部分画像における表面色情報（テクスチャ）が、その形状ステッチ画像にマッピングされる。それと共に、テクスチャステッチ処理により、その表面色情報によって表される複数の表面色が、それら複数の部分画像の継ぎ目において境界色差を有することなく接ぎ合わされる。それら処理により、その被写体Ｓについての３次元入力結果、すなわち、３次元色形状データが生成される。

図１に示すように、ホルダＨＤは、測定ヘッドＭＨに装着される一方、回転テーブルユニットＲＴを保持するために設けられている。このホルダＨＤは、それ自体変形可能である。具体的には、本実施形態においては、ホルダＨＤが、折畳みによって変形を実現するように設計されている。ホルダＨＤは、自身の変形により、回転テーブルユニットＲＴが測定ヘッドＭＨに対して展開される展開状態と格納される格納状態とを選択的に実現する。さらに、本実施形態においては、ホルダＨＤが測定ヘッドＭＨに着脱可能に装着される。

図１には、ホルダＨＤが展開状態において斜視図で示され、図２（ａ)には、測定ヘッドＭＨとホルダＨＤの一部とが展開状態において側面図で示され、図２（ｂ）には、測定ヘッドＭＤが背面図で示されている。図３には、測定ヘッドＭＨが、ホルダＨＤから離脱された離脱状態において、背面図で示されている。図４には、回転テーブルユニットＲＴが正面断面図で示されている。

図５（ａ）には、格納状態（折り畳み状態）にあるホルダＨＤが測定ヘッドＭＨおよび回転テーブルユニットＲＴと共に、斜視図で示されている。図５（ｂ）には、格納状態にあるホルダＨＤが測定ヘッドＭＨおよび回転テーブルユニットＲＴと共に、キャリングケースとしての外箱ＯＣ内に収容される様子が斜視図で示されている。３次元入力装置１０は、図５（ｂ）に示す収容状態において、持ち運ぶことが可能である。

図１に示すように、測定ヘッドＭＨは、被写体Ｓにパターン光を投影するための投影部１２と、被写体Ｓを撮像するための撮像部１４と、被写体Ｓの３次元情報および表面色情報の取得とを行うために信号処理を行う処理部１６とを備えている。それら投影部１２、撮像部１４および処理部１６は、測定ヘッドＭＨの、略直方体状を成すケーシング２０に装着されている。

図１に示すように、そのケーシング２０には、鏡筒２４とフラッシュ２６とが、それぞれが部分的にケーシング２０の正面において露出する姿勢で装着されている。このケーシング２０には、さらに、撮像部１４の一部である撮像光学系３０が、それのレンズの一部がケーシング２０の正面において露出する姿勢で装着されている。その撮像光学系３０は、それの露出部分において、被写体Ｓを表す画像光を受光する。

鏡筒２４は、図１に示すように、ケーシング２０の正面から突出しており、その内部において、図６に示すように、投影部１２の一部である投影光学系３２を収容している。投影光学系３２は、複数枚の投影レンズ３４と絞り３６とを含むように構成されている。

鏡筒２４は、投影光学系３２を、焦点調節のために鏡筒ホルダ２５０内において全体的に移動可能である状態で保持し、さらに、この鏡筒２４は、投影光学系３２を損傷から保護している。鏡筒２４の露出端面から、複数枚の投影レンズ３４のうち最も外側に位置するものが露出している。投影光学系３２は、その最も外側の投影レンズ３４を最終出射面として、被写体Ｓに向かってパターン光を投影する。

フラッシュ２６は、暗所撮影における不足照度を補充するために発光する光源であり、例えば、キセノンガスが充填された放電管を用いて構成されている。したがって、このフラッシュ２６は、ケーシング２０に内蔵されている充電器（図示しない）の放電により繰り返し使用することができる。

図１に示すように、ケーシング２０には、それの上面において、レリーズボタン４０が装着されている。図２（ｂ）に示すように、ケーシング２０には、さらに、それの背面において、モード切替スイッチ４２（図２（ｂ）に示す例においては、３個のボタンから成る。）と、４接点カーソルキー（方向キー）４３と、モニタＬＣＤ４４とが装着されている。それらモード切替スイッチ４２および４接点カーソルキー４３はそれぞれ、ファンクションボタンの一例を構成する。

レリーズボタン４０は、３次元入力装置１０を作動させるためにユーザによって操作される。このレリーズボタン４０は、ユーザの操作状態（押下状態）が「半押し状態」である場合と「全押し状態」である場合とで異なる指令を発令できる２段階の押しボタン式のスイッチによって構成されている。レリーズボタン４０の操作状態は処理部１６によって監視される。処理部１６によって「半押し状態」が検出されれば、よく知られたオートフォーカス（ＡＦ）および自動露出（ＡＦ）の機能が起動し、ピント、絞りおよびシャッタスピードが自動的に調節される。これに対し、処理部１６によって「全押し状態」が検出されれば、撮像等が行われる。

モード切替スイッチ４２は、３次元入力装置１０の作動モードを、後述のＳＬＯＷモード（図２（ｂ）において「Ｓ」で示す。）、ＦＡＳＴモード（図２（ｂ）において「Ｆ」で示す。）およびオフモード（図２（ｂ）において「ＯＦＦ」で示す。）を含む複数種類のモードのいずれかとして設定するためにユーザによって操作される。このモード切替スイッチ４２の操作状態は処理部１６によって監視されており、モード切替スイッチ４２の操作状態が処理部１６によって検出されると、その検出された操作状態に対応するモードでの処理が３次元入力装置１０において行われる。

モニタＬＣＤ４４は、液晶ディスプレイ（Liquid Crystal Display）を用いて構成されており、処理部１６から画像信号を受けて、画像をユーザに表示する。このモニタＬＣＤ４４は、例えば、被写体Ｓの３次元形状の検出結果を表す画像（立体画像）等を表示する。

図２に示すように、ケーシング２０には、さらに、ＲＦ（無線）インタフェースとしてのアンテナ５０が装着されている。アンテナ５０は、図６に示すように、ＲＦドライバ５２に接続されている。このアンテナ５０は、被写体Ｓを立体画像として表すデータやその他の情報を、ＲＦドライバ５２を介して、図示しない外部インタフェースに無線によって送受信する。

ここで、図１を参照することにより、ホルダＨＤの構成を詳細に説明する。

ホルダＨＤは、複数枚の板状部材が一列に並ぶとともに互いに折畳み可能に連結されることにより、構成されている。すなわち、このホルダＨＤは、複数枚の板状部材が一列を成す姿勢で互いにヒンジ結合されることにより、構成されているのである。

具体的には、ホルダＨＤは、測定ヘッドＭＨが着脱可能に装着される板状のヘッドベース１３０と、回転テーブルユニットＲＴに装着された板状のテーブルベース１３２と、それらヘッドベース１３０とテーブルベース１３２との間に位置する、共に板状の第１の中継ベース１３４および第２の中継ベース１３６とを、折畳み可能に互いに連結された複数枚の板状部材として備えている。

図１に示すように、測定ヘッドＭＨは、概して、縦方向に長い直方体を成しており、その測定ヘッドＭＨの上面および下面と、正面および背面とを寸法に関して互いに比較すると、横寸法はほぼ共通するが、縦寸法は、正面および背面の方が上面および下面より長い。一方、後に図５を参照して詳述するが、ホルダＨＤの格納状態においては、ヘッドベース１３０が測定ヘッドＭＨの下面に装着され、第１の中継ベース１３４が測定ヘッドＭＨの正面を覆い、第２の中継ベース１３６が測定ヘッドＭＨの上面を覆い、テーブルベース１３２が測定ヘッドＭＨの背面を覆う。したがって、第１の中継ベース１３４およびテーブルベース１３２は、ヘッドベース１３０および第２の中継ベース１３６より、縦寸法が長い。

第１の中継ベース１３４の両面のうち、格納状態において測定ヘッドＭＨの正面に対向する面、すなわち、展開状態において露出する面には、３次元入力装置１０の操作方法等に関するインストラクションがシール貼付等によって表示されるインクトラクション表示面が割り当てられている。

図１に示すように、ヘッドベース１３０と第１の中継ベース１３４とは、それらに共通の軸線を有するジョイント１４０により、互いに回動可能に連結されている。第１の中継ベース１３４と第２の中継ベース１３６とは、それらに共通の軸線を有するジョイント１４２により、互いに回動可能に連結されている。第２の中継ベース１３６とテーブルベース１３２とは、それらに共通の軸線を有するジョイント１４４により、互いに回動可能に連結されている。

ここで、図１および図３を参照することにより、測定ヘッドＭＨをヘッドベース１３０に着脱可能に装着する構造を説明する。

測定ヘッドＭＨは、ヘッドベース１３０の上面に機械的に係合することにより、そのヘッドベース１３０に装着される。その係合を実現するために、測定ヘッドＭＨは、図３に示すように、ヘッドベース１３０との係合部である下端部にヘッド沈座部１５０が形成されている。このヘッド沈座部１５０は、第１および第２の係合爪１５２，１５４を一対の雄側係合部として有している。

図３に示すように、それら第１および第２の係合爪１５２，１５４は、測定ヘッドＭＨの横方向、すなわち、ヘッドベース１３０の幅方向に互いに隔たる一対の位置において、それぞれ測定ヘッドＭＨの前後方向、すなわち、ヘッドベース１３０の長さ方向に延びるように形成されている。本実施形態においては、測定ヘッドＭＨがヘッドベース１３０にできる限り強固に固定されるようにするために、それら第１および第２の係合爪１５２，１５４間の距離ができる限り長くなるようにそれら第１および第２の係合爪１５２，１５４の各位置が選定されている。

図３に示すように、ヘッドベース１３０には、ヘッド沈座部１５０との機械的係合によってそのヘッド沈座部１５０を固定的に受容するヘッド受容部１６０が形成されている。このヘッド受容部１６０は、ヘッド沈座部１５０が嵌り入るヘッドベース沈座空隙１６２を備え、さらに、測定ヘッドＭＨの第１および第２の係合爪１５２，１５４にそれぞれ係合する第１および第２の爪突き当て部１６４，１６６を一対の雌側係合部として備えている。

第１の爪突き当て部１６４は、対応する第１の係合爪１５２に係合して、測定ヘッドＭＨがヘッドベース１３０から、それの上面に直角な方向に離脱することを阻止する固定爪突き当て部である。一方、第２の爪突き当て部１６６は、（ａ）対応する第２の係合爪１５４に係合して、測定ヘッドＭＨがヘッドベース１３０から、それの上面に直角な方向に離脱することを阻止する係合位置と、（ｂ）対応する第２の係合爪１５４から離脱して、測定ヘッドＭＨがヘッドベース１３０から、それの上面に直角な方向に離脱することを許可する解放位置とに変位可能な可動爪突き当て部である。

第２の爪突き当て部１６６の一例は、ヘッドベース１３０の長さ方向（ヘッドベース１３０に対する測定ヘッドＭＨの装着・離脱時にその測定ヘッドＭＨが回転する回転平面に直角な方向）に延びるピボット軸線まわりにピボット可能なピボット部材１７０を含んでいる。

そのピボット部材１７０は、そのピボット軸線と同軸な軸線を有するジョイント１７２によってヘッドベース１３０にピボット可能に装着される。このピボット部材１７０は、対応する第２の係合爪１５４に機械的に係合してその第２の係合爪１５４が離脱することを阻止する可動係合部１７４を含んでいる。その可動係合部１７４が第２の係合爪１５４を上方から係合する向きにピボット部材１７０が常時、弾性部材としてのスプリング１７６によって付勢される。本実施形態においては、そのピボット部材１７０が、さらに、可動係合部１７４による係合を解除するためにユーザによって押圧操作される操作部１７８と、スプリング１７６の弾性力を拡大して可動係合部１７４に伝達するレバレッジ１８０とを含んでいる。

次に、図３を参照することにより、ヘッドベース１３０に対する測定ヘッドＭＨの着脱作業を説明する。

測定ヘッドＭＨをヘッドベース１３０に装着するためには、ユーザは、ピボット部材１７０の操作部１７８を、スプリング１７６の弾性力に抗して、可動係合部１７４が係合位置から解放位置に向かう解放方向に押圧する。その押圧状態で、ユーザは、ヘッド沈座部１５０がヘッドベース沈座空隙１６２内に進入しつつ第１の係合爪１５２が第１の爪突き当て部１６４内に進入して当接するように、測定ヘッドＭＨを概して垂直面内において回転させつつ下降させる。その後、ユーザは、操作部１７８の押圧を解除し、それにより、ピボット部材１７０がスプリング１７６の弾性回復力によって解放位置から係合位置に回動して、可動係合部１７４が第２の係合爪１５４に上方から係合して突き当たる。その結果、第１の係合爪１５２が第１の爪突き当て部１６４から上方に離脱することが阻止されるとともに、第２の係合爪１５４が第２の爪突き当て部１６６から上方に離脱することも阻止される。それにより、測定ヘッドＭＨがヘッドベース１３０から離脱することが阻止される。

これに対し、測定ヘッドＭＨをヘッドベース１３０から離脱するためには、ユーザは、上記の場合と同様にして、ピボット部材１７０の操作部１７８をスプリング１７６の弾性力に抗して、解放方向に押圧する。その押圧状態で、ユーザは、ヘッド沈座部１５０がヘッドベース沈座空隙１６２から退避しつつ第１の係合爪１５２が第１の爪突き当て部１６４から退避するように、測定ヘッドＭＨを概して垂直面内において回転させつつ上昇させて、測定ヘッドＭＨをヘッドベース１３０から離脱させる。その後、ユーザは、操作部１７８の押圧を解除し、それにより、ピボット部材１７０がスプリング１７６の弾性回復力によって解放位置から係合位置に復元する。

次に、図４を参照することにより、回転テーブルユニットＲＴを詳細に説明する。

この回転テーブルユニットＲＴは、被写体Ｓが載置されるべき回転テーブル１８４と、その回転テーブル１８４を回転可能に支持する支持フレーム１８６とを含んでいる。その支持フレーム１８６は、上板部１８８と下板部１８９とを含むように薄い中空箱状を成しており、上板部１８８の開口から回転テーブル１８４の上面が露出している。本実施形態においては、その支持フレーム１８６のうちの下板部１８９がテーブルベース１３２としても機能する。

回転テーブル１８４の上面は、撮像されるべき被写体Ｓが載置される載置面１９０である。一方、回転テーブル１８４の下面から、回転シャフト１９１が同軸に延び出しており、この回転シャフト１９１は、軸受け１９２を介して支持フレーム１８６に回転可能に支持されている。その軸受け１９２は、支持フレーム１８６に形成された軸受けホルダ１９３によって保持されている。

回転テーブル１８４を回転させるテーブルモータ１９４が支持フレーム１８６に装着されている。このテーブルモータ１９４を収容するモータボックス１９５が支持フレーム１８６に形成されている。

このモータボックス１９５は、支持フレーム１８６の上板部１８８の上面に、その上面から上方に突出する姿勢で形成されている。このモータボックス１９５の上面は、回転テーブル１８４の上面より高く設定されている。それにより、被写体Ｓが回転テーブル１８４と共に回転させられる際にその被写体Ｓが、回転テーブル１８４を同軸に投影した投影空間から外側にはみ出していると、モータボックス１９５のうち回転テーブル１８４の上面より上方に位置する部分が被写体Ｓに当接してその被写体Ｓの向きを変化させる。

したがって、モータボックス１９５は、テーブルモータ１９４の収容部として機能するのみならず、被写体Ｓが回転テーブル１８４に位置決めされる位置を規制する位置規制部１９６としても機能する。

テーブルモータ１９４の回転を回転テーブル１８４に伝達するために、テーブルモータ１９４の回転シャフトにモータギヤ１９７が同軸に固定され、このモータギヤ１９７にかみ合うテーブルギヤ１９８が回転テーブル１８４に同軸に固定されている。モータギヤ１９７は、テーブルギヤ１９８より小径であるため、テーブルギヤ１９８の回転速度が減速されて回転テーブル１８４に伝達される。

ところで、テーブルモータ１９４は、支持フレーム１８６の上板部１８８の上面から突出しないように支持フレーム１８６に装着することが可能である。一方、上板部１８８の上面のうち回転テーブル１８４が露出する部分を除く部分の上方空間にテーブルモータ１９４を配置しても、何ら支障がなく、むしろ、支持フレーム１８６の薄型化に有利である。

したがって、本実施形態によれば、テーブルモータ１９４を上板部１８８の上面から突出するように配置することにより、上述の位置規制部１９６としての機能に加えて、支持フレーム１８６の薄型化を容易にするという機能も実現される。

図５（ａ）には、測定ヘッドＭＨを前後面および上下面という４面において覆うようにホルダＨＤが折り畳まれた状態、すなわち、ホルダＨＤの格納状態において、測定ヘッドＭＨ、ホルダＨＤおよび回転テーブルユニットＲＴが斜視図で示されている。ホルダＨＤは、格納状態においては、外形的に概して直方体状を成している。

図５（ｂ）には、ホルダＨＤの格納状態において測定ヘッドＭＨ、ホルダＨＤおよび回転テーブルユニットＲＴが外箱ＯＣ内に挿入されて収容される様子が斜視図で示されている。本実施形態においては、それら測定ヘッドＭＨ、ホルダＨＤおよび回転テーブルユニットＲＴが、測定ヘッドＭＨが横倒しの状態で、外箱ＯＣ内に挿入される。

この３次元入力装置１０は、複数種類のモードのうちユーザによって選択されたものに従って作動する。それらモードは、ＳＬＯＷモードと、ＦＡＳＴモードと、オフモードとを含んでいる。ＳＬＯＷモードは、被写体Ｓを低速で高精度で撮像する低速撮像モードであり、撮像精度優先モードである。ＦＡＳＴモードは、被写体Ｓを高速で低精度で撮像する高速撮像モードであり、撮像時間優先モードである。オフモードは、この３次元入力装置１０の動作を停止させるモードである。

撮像部１４は、被写体Ｓを撮像し、その撮像結果から、その被写体Ｓを表す全体画像を構成する複数個の画素のいずれかを間引いて形成される画素間引き画像と、いずれの画素も間引かずに形成される画素非間引き画像とを選択的に取り出すことが可能であるように構成されている。さらに、撮像部１４は、被写体Ｓの撮像後、その撮像結果から画素間引き画像を、画素非間引き画像を取り出すのに必要な時間より短い時間で取り出すように構成されている。

ＣＣＤを用いた撮像の分野においては、被写体Ｓの撮像結果から画素間引き画像を取り出すために、加算方式と選択方式とがすでに知られている。

加算方式によれば、被写体Ｓを表す全体画像を構成する複数個の画素がグループ分けされた複数個の画素グループの各々に属する複数個の対象画素の照度検出値が各画素グループごとに加算され、その加算された照度を用いて、各画素グループに属する複数個の対象画素の照度検出値が均等に分散される。

これに対し、選択方式によれば、それら複数個の画素グループの各々に属する複数個の対象画素から、それら対象画素を代表する代表画素が各画素グループごとに選択され、その選択された代表画素の照度検出値を用いて、各画素グループに属する複数個の対象画素の照度検出値が均等に分散される。

本実施形態においては、撮像部１４は、それら加算方式と選択方式とのうち予め選択されたものに従い、被写体Ｓの撮像結果から画素間引き画像を取り出すように設計されている。

被写体Ｓの撮像結果から画素間引き画像を取り出す間引き画像処理モードは、被写体Ｓを低速で高精度で撮像する低速撮像モードに適している。一方、被写体Ｓの撮像結果から画素非間引き画像を取り出す非間引き画像処理モードは、被写体Ｓを高速で低精度で撮像する高速撮像モードに適している。

したがって、本実施形態においては、ユーザによってＦＡＳＴモードが選択されると、間引き画像処理モードが設定される一方、ユーザによってＳＬＯＷモードが選択されると、非間引き画像処理モードが設定される。

投影部１２は、被写体Ｓにパターン光を投影するためのユニットである。この投影部１２は、図６および図７に示すように、基板６０と、ＬＥＤ６２（例えば、金属基板に接合された単一のＬＥＤ素子によって比較的に広い出射面から光を出力する高輝度高放熱タイプのＬＥＤ）と、照明絞り６３と、光源レンズ６４と、送りモータ（例えば、パルスモータ）６５を駆動源として板状の光変調体２００を送る投影機構６６と、投影光学系３２とを、投影方向に沿って直列に備えている。

図７には、この投影部１２のハードウエア構成のうち、基板６０と、ＬＥＤ６２と、照明絞り６３と、光源レンズ６４と、光変調体２００と、投影光学系３２とが詳細に示されている。図８には、この投影部１２を含む３次元入力装置１０全体のソフトウエア構成および電気的接続関係が詳細に示されている。図９ないし図１１には、投影部１２のハードウエア構成のうち投影機構６６が詳細に示されており、図１２ないし図１４には、光変調体２００が拡大されて示されている。

撮像部１４は、被写体Ｓを撮像するためのユニットである。この撮像部１４は、図６に示すように、撮像光学系３０と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）７０とを、画像光の入射方向に沿って直列に備えている。このＣＣＤ７０は、インターライントランスファー方式でプログレッシブ走査を行うように構成されている。

撮像光学系３０は、図６に示すように、複数枚のレンズを用いて構成されている。この撮像光学系３０は、よく知られたオートフォーカス機能および自動露出機能により、焦点距離、絞りおよびシャッタ時間を自動調整して外部からの光をＣＣＤ７０上に結像する。

ＣＣＤ７０は、フォトダイオード素子などの光電変換素子をマトリクス状に配列して構成されている。このＣＣＤ７０は、撮像光学系３０を介してこのＣＣＤ７０の表面に結像される画像の光の色および強さに応じた信号を各画素ごとに生成する。その生成された信号は、デジタルデータに変換されて処理部１６に出力される。

図８にブロック図で表すように、処理部１６は、フラッシュ２６、レリーズボタン４０およびモード切替スイッチ４２にそれぞれ電気的に接続されている。処理部１６は、さらに、モニタＬＣＤ４４にはモニタＬＣＤドライバ７２を介して、アンテナ５０にはＲＦドライバ５２を介して、バッテリ７４には電源インタフェース７６を介してそれぞれ電気的に接続されている。それらフラッシュ２６等は、処理部１６によって制御される。

処理部１６は、さらに、外部メモリ７８およびキャッシュメモリ８０にそれぞれ電気的に接続されている。処理部１６は、さらに、ＬＥＤ６２には光源ドライバ８４を介して、投影機構６６の送りモータ６５には送りモータドライバ８６を介して、ＣＣＤ７０にはＣＣＤインタフェース８８を介してそれぞれ電気的に接続されている。それらＬＥＤ６２等は、処理部１６によって制御される。

外部メモリ７８は、着脱可能なフラッシュＲＯＭであり、立体画像モードにおいて撮像された撮像画像や３次元情報（前述の３次元色形状データやそれに関連する情報を含む。）を記憶することが可能である。外部メモリ７８を構成するために、例えば、ＳＤカード（登録商標）、コンパクトフラッシュ（登録商標）カード等を使用することができる。

キャッシュメモリ８０は、データの読み書きを高速で行い得る記憶装置である。キャッシュメモリ８０は、例えば、デジカメモードにおいて撮像された撮像画像を高速でキャッシュメモリ８０に転送し、処理部１６で画像処理を行ってから外部メモリ７８に格納することを可能にするために使用される。キャッシュメモリ８０を構成するために、例えば、ＳＤＲＡＭ、ＤＤＲＲＡＭ等を使用することができる。

電源インタフェース７６、光源ドライバ８４、送りモータドライバ８６およびＣＣＤインタフェース８８はそれぞれ、バッテリ７４、ＬＥＤ６２、投影機構６６の送りモータ６５およびＣＣＤ７０を制御する各種のＩＣ(Integrated Circuit）によって構成されている。

図２（ａ）に示すように、測定ヘッドＭＨには、ＡＣアダプタ端子９０と、ＵＳＢ端子９１と、テーブルモータ端子９２とが設けられている。ＡＣアダプタ端子９０は、図６にも示すように、バッテリ７４に電気的に接続されており、それにより、３次元入力装置１０が外部の交流電源を電力源として利用することが可能となっている。ＵＳＢ端子９１は、図６に示すように、ＵＳＢドライバ９３を介して処理部１６に接続されている。テーブルモータ端子９２は、図６に示すように、テーブルモータドライバ９４を介して処理部１６に接続されている。

図１に示すように、回転テーブルユニットＲＴのテーブルモータ１９４から電気ラインとしてのハーネス９５が延び出している。このハーネス９５は、第２の中継ベース１３６、第１の中継ベース１３４およびヘッドベース１３０をそれらの順に通過し、図２（ａ）に示すように、そのハーネス９５の先端に接続されたＬ字プラグ９６においてテーブルモータ端子９２に接続されている。そのハーネス９５は、測定ヘッドＭＨからテーブルモータ１９４に制御信号および電力を供給する電気ラインとして機能する。したがって、図８に示すように、テーブルモータ１９４がテーブルモータドライバ９４を介して処理部１６に接続されることになる。

図１に示すように、ハーネス９５は、第２の中継ベース１３６を通過する位置がハーネス止め９７によって規定され、第１の中継ベース１３４を通過する位置が２個のハーネス止め９８，９８によって規定されている。

なお付言するに、それら測定ヘッドＭＨとテーブルモータ１９４とを互いに接続する配線として、他の態様を採用することが可能であり、例えば、ハーネス９５が各ベース１３０，１３２，１３４，１３６に埋設される態様を採用することが可能である。

前述のように、投影部１２は、図７に示すように、基板６０と、ＬＥＤ６２と、照明絞り６３と、光源レンズ６４と、投影機構６６と、投影光学系３２とをパターン光の投影方向に沿って直列に備えている。基板６０と、ＬＥＤ６２と、照明絞り６３と、光源レンズ６４とにより、光源部６８が構成されている。

基板６０は、それにＬＥＤ６２が装着されることにより、その装着されたＬＥＤ６２との間において電気的な配線を行う。基板６０は、例えば、アルミニウム製基板に絶縁性合成樹脂を塗布してから無電解メッキによってパターンを形成したものや、ガラスエポキシ基材をコアとする単層または多層構造の基板を使用して製作することができる。ＬＥＤ６２は、投影機構６６に向けて放射状のアンバー色の光を広い面積で発光する光源であり、表側が透明樹脂製であるＬＥＤケーシング１００内に収容されている。

図７に示すように、照明絞り６３は、ＬＥＤ６２から出力された光のうち不要な部分を遮蔽することにより、必要な部分のみを光源レンズ６４に誘導するために設けられている。光源レンズ６４は、ＬＥＤ６２から放射状に発光される光を集光するレンズであり、その材質はアクリルに代表される光学プラスチックである。

本実施形態においては、図７に示すように、ＬＥＤ６２から発光される放射状の光が、光源レンズ６４によって効率良く集光され、ＬＥＤ６２からの出射光が投影機構６６の入射面１０６に、所定の円錐頂角を有する入射角特性を持って、その円錐の軸が略直角であるように、入射するとともに、指向性の高い放射光として投影機構６６の出射面１０８から出射する。この意味において、光源レンズ６４は、コリメートレンズとして機能する。図７には、その出射面１０８上において互いに隔たった２個の注目点Ａ，Ｂにつき、それぞれの指向性特性が照度分布のグラフ（θ：半値拡がり半角）で表されている。

投影光学系３２は、投影機構６６を通過した光を被写体Ｓに向かって投影するための複数枚の投影レンズ３４を含んでいる。それら投影レンズ３４は、ガラス製レンズと光学プラスチック製レンズとの組合せから成るテレセントリックなレンズ構成を有している。

ここに、「テレセントリック」という用語は、ここで述べた入射側テレセントリック特性を例にとり説明するに、投影光学系３２を通過する主光線が、入射側の空間では光軸に平行になり、入射瞳の位置が無限になる構成を意味する。

投影光学系３２は、上述のようにテレセントリック特性を持ち、その入射開口角θＮＡが０．１程度であるため、入射開口角θＮＡとして垂直±５°以内の光のみが投影光学系３２の内部の絞り３６を通過できるように、投影光学系３２の光路が規制されている。

したがって、本実施形態においては、投影光学系３２のテレセントリック性により、投影機構６６を垂直±５°内で通過する光のみを投影光学系３２によって物体に投影し得る構成と相俟って、投影画像の画質向上を容易に図り得る。

その理由を説明するに、被投影体（本実施形態においては、光変調体２００が該当するが、一般には、スライドや透過型液晶が該当する。）から出射する特定の角度成分のみが結像に供される方が、解像度特性、スペクトラム特性、照度分布特性、コントラスト特性等、大半の光学的特性の仕様上、有利であるからである。

ここで、図９ないし図１１を参照することにより、投影部１２のハードウエア構成のうち投影機構６６を詳細に説明する。

この投影機構６６は、光源部６８からの入射光を複数種類のパターン光に選択的に変換し、それにより、被写体Ｓに投影されるパターン光の種類を切り替えて、それら複数種類のパターン光を順次被写体Ｓに投影するために設けられている。図９には、この投影機構６６が正面図（投影機構６６を投影光学系３２の光軸方向において投影光学系３２の側から見た図）で示されている。

この投影機構６６は、光源部６８からの入射光を複数種類のパターン光に選択的に変換し、それにより、被写体Ｓに投影されるパターン光の種類を切り替えるために、図９に示すように、板状を成して長さ方向に延びる光変調体２００を、投影レンズ３４の光軸に直交する姿勢で備えている。

この投影機構６６は、送りモータ６５によって往復直線運動させられるキャリッジ２０２を備えており、そのキャリッジ２０２に光変調体２００が、その光変調体２００の面に平行な面内において回転調整可能に装着されている。投影機構６６は、その送りモータ６５の往復回転運動により、光変調体２００をそれの長さ方向に送る。

具体的には、図９に示すように、投影機構６６は、ハウジング２０４（測定ヘッドＭＨのハウジングとしても機能する。）を備えている。そのハウジング２０４に送りモータ６５が取り付けられている。そのハウジング２０４のうち互いに対向する２つの支持部２０６，２０６の間に、主ガイド２１０と副ガイド２１２とが、半径方向に隙間を隔てて互いに平行に延びる姿勢で配置されている。

それら主ガイド２１０と副ガイド２１２とはそれぞれ、両端において２つの支持部２０６，２０６にそれぞれ固定的に取り付けられている。それら主ガイド２１０と副ガイド２１２とはいずれも、同一の円形断面を有して真っ直ぐに延びており、素材は例えばステンレスであり、また、外形は例えば円筒度が３μｍ程度である精度で加工されている。それら主ガイド２１０と副ガイド２１２とはいずれも、光変調体２００の背後に位置するＬＥＤ６２（図示しない）からの入射光と交差する方向に直線的に延びる送りガイドとして機能する。

それら主ガイド２１０と副ガイド２１２とにより、キャリッジ２０２が直線的に往復運動可能に案内される。その案内を実現するために、図９に示すように、キャリッジ２０２は、それの移動方向と直角な方向に隔たった嵌合部２１４とスライダ２１６とを備えている。

キャリッジ２０２は、嵌合部２１４において、主ガイド２１０の軸線まわりに摺動可能にその主ガイド２１０に支持される。具体的には、例えば、嵌合部２１４にすべり軸受（油浸ポーラス金属体から成り、主ガイド２１０との液体界面を用いた摺動を可能にする）２１８が固定され、そのすべり軸受２１８に主ガイド２１０が、介在する潤滑剤（グリス等）を用いて摺動可能に嵌合される。

それら主ガイド２１０とすべり軸受２１８とは、それらの間の嵌合すきま精度が最大でも１２μｍであるように、それら主ガイド２１０とすべり軸受２１８とのそれぞれの部品形状精度が管理されつつ、製造される。このような構成を採用することにより、それら主ガイド２１０とすべり軸受２１８との間の嵌合すきまに起因する光変調体２００の位置ずれを１２μｍ以内に抑えることが可能となる。その結果、被写体Ｓにパターン光を投影位置のずれが少ない状態で正確に投影することが可能となる。

投影光学系３２の倍率を４０倍であると仮定すれば、光変調体２００の位置ずれが１２μｍを超えない限り、被写体Ｓ上におけるパターン光の位置ずれは、０．４８ｍｍを超えない。このように、がたの少ない高精度な直線運動機構と、移動する光変調体２００という適切な組合せにより、被写体Ｓの３次元入力精度を向上させることが容易となる。

一方、キャリッジ２０２はスライダ２１６において、副ガイド２１２の外周面に接触する状態で、その外周面に沿って副ガイド２１２の軸線方向に摺動させられる。スライダ２１６は、副ガイド２１２の外周面に、介在する潤滑剤（グリス等）を介して摺動可能に押し付けられる。その押付けは、後述の送りベルト２２０に予め付与されたテンションを利用して行われる。

本実施形態においては、キャリッジ２０２が、主ガイド２１０まわりに正逆両方向にスライド回転可能にその主ガイド２１０に嵌合されているが、スライダ２１６と副ガイド２１２との当接により、それら正逆両方向のスライド回転が一方向的に機械的に阻止されている。一方、光変調体２００は、後に詳述するが、選択的に実現されるべき複数種類のパターン光投影に対応する複数の平面的光学素子２６０（図１２参照）を備えている。それら複数種類のパターン光投影に対応する複数の平面的光学素子２６０は同一平面内に直列して並んでいる。本実施形態においては、キャリッジ２０２が副ガイド２１２に当接している状態において光源部６８からの入射光の進行方向が複数の平面的光学素子２６０に実質的に垂直入射するように、キャリッジ２０２が投影機構６６に配置される。

なお付言するに、本実施形態においては、主ガイド２１０も副ガイド２１２も、円筒外周面を有するロッドとして構成されているが、少なくとも副ガイド２１２については、そのように構成することは不可欠ではない。例えば、副ガイド２１２は、それの軸線に平行に延びる平面部を有するように構成され、その平面部においてスライダ２１６を平面的に受けるものとすることが可能である。

図９に示すように、投影機構６６は、さらに、キャリッジ２０２を主ガイド２１０および副ガイド２１２に沿って駆動する駆動機構２２２を備えている。この駆動機構２２２は、送りモータ６５と、送りベルト２２０（閉曲線を形成する伝動媒体の一例）とを備えている。

図９に示すように、送りベルト２２０は、主ガイド２１０と副ガイド２１２との間の長い空間内に配置されている。その空間内に、駆動ギヤ（駆動回転体の一例）２２４と従動ギヤ（従動回転体の一例）２２６とが、キャリッジ２０２の移動方向において隔たって配置されている。それら駆動ギヤ２２４と従動ギヤ２２６とに送りベルト２２０が巻き掛けられている。送りベルト２２０の内周面に複数の歯が形成されており、それら歯は、駆動ギヤ２２４の外周面に形成された複数の歯と、従動ギヤ２２６の外周面に形成された複数の歯とにかみ合わされている。

それら駆動ギヤ２２４と従動ギヤ２２６とに送りベルト２２０が巻き掛けられる結果、その送りベルト２２０に２本の直線部が形成され、それら２本の直線部のうちの一方にキャリッジ２０２が固定されている。具体的には、送りベルト２２０の一端が、キャリッジ２０２においてそれの移動方向に隔たった２つの連結部２３０，２３０の一方に固定される一方、他端がそれら２つの連結部２３０，２３０の他方に固定されている。

駆動ギヤ２２４は、送りモータ６５によって駆動され、それにより、送りベルト２２０の往復直線運動が実現される。一方、従動ギヤ２２６は、ハウジング２０４に固定された支持シャフト２３４に回転可能に支持されている。

図１０には、投影機構６６のうちの光変調体２００およびキャリッジ２０２が、光源部６８および投影光学系３２と共に、平面図、すなわち、光源部６８および投影光学系３２に共通の光軸に直角な方向において見た図で示されている。

図１０に示すように、光源部６８は、コリメートレンズ２４０がコリメートレンズ鏡筒２４２に保持されて構成されている。コリメートレンズ２４０は、図６に示す照明絞り６３と光源レンズ６４とを含むように構成されている。

図１０に示すように、投影光学系３２は、鏡筒２４が鏡筒ホルダ２５０にねじ込まれることによって構成されている。鏡筒２４には、図６に示すように、複数の投影レンズ３４と絞り３６とが配列されている。鏡筒ホルダ２５０は、ハウジング２０４に形成された凹部２５２に嵌め込まれて位置決めされた状態で、ハウジング２０４に取り付けられている。

図９および図１０に示すように、光変調体２００は、複数の平面的光学素子２６０が基板２６４上に平面的に一列に並んで形成されている。

ここで、光変調体２００の製造プロセスを説明するに、それら複数の平面的光学素子２６０の形状の反転形状が高精度で形成された金型（図示しない）を基板２６４の表面（出射面１０８となる面）に押し付けることにより、その金型の形状を高精度に基板２６４の表面に転写するインプリント成型技術が実施される。この転写により、基板２６４上に複数の平面的光学素子２６０が形成される。それら平面的光学素子６０の形状、光学的作用および製法については、後に詳述する。

図９ないし図１１に示すように、投影機構６６は、さらに、光変調体２００の、それに平行な面（光変調体２００が移動させられる平面である移動平面）回転角度（光変調体２００に平行な面内における傾き）を調整する回転角度調整機構２７０を備えている。その回転角度調整機構２７０は、基板２６４をキャリッジ２０２に、前記移動平面内において回転可能な状態で支持させる支持機構２７２と、基板２６４を前記移動平面内においてキャリッジ２０２に対して相対的に回転させる回転機構２７４とを含むように構成されている。本実施形態においては、光変調体２００のうちの基板２６４が、複数の平面的光学素子２６０を支持する直線可動部材として機能する。

図９および図１０に示すように、支持機構２７２は、基板２６４を、それの移動方向における両側位置においてそれぞれ保持する一対のホルダ２８０，２８０を備えている。図１１には、それら一対のホルダ２８０，２８０のうち図９において右側に位置するホルダ２８０のみが代表的に、その周辺の要素と共に、拡大されて正面図で示されている。

図１０に示すように、各ホルダ２８０は、基板２６４のうち対応する部分を、それの板厚方向において両側から、僅かな隙間を残して挟むように保持する。一対のホルダ２８０，２８０により、光変調体２００がキャリッジ２０２の背面側に配置されるが、光変調体２００から投影光学系３２への光の出射が、キャリッジ２０２に形成された貫通穴２８４を経て行われる。

各ホルダ２８０において基板２６４は、その基板２６４に平行な面内において相対移動（相対回転運動を含む。）することを許容されるが、各ホルダ２８０に取り付けられた固定具としての固定ねじ２８６が基板２６４に向かってねじ込まれると、基板２６４がそのときの位置に機械的に固定される。

図１１に示すように、回転機構２７４は、調整コマ２９０を主体として構成されている。その調整コマ２９０は、調整ねじ２９２と、その調整ねじ２９２が螺合された本体部２９４とを含むように構成されている。その調整ねじ２９２は、本体部２９４に形成されためねじに螺合されるおねじとして構成されている。この調整ねじ２９２は、前記移動平面に平行な回転中心線を有している。

図１１に示すように、本体部２９４は基板２６４に固定されている。調整ねじ２９２は、それの先端において本体部２９４から突出しており、その突出部においてキャリッジ２０２に係合させられている。調整ねじ２９２は、それの頭部において、作業者によって回転操作される。その回転操作量に応じ、調整ねじ２９２の、本体部２９４からの突出量が変化し、ひいては、本体部２９４とキャリッジ２０２との距離が光変調体２００に平行な面内において変化する。

したがって、この調整コマ２９０によれば、作業者による操作量に応じて光変調体２００の回転角度すなわち面内傾きを微調整することが可能となる。その微調整量は、直線運動装置（キャリッジ２０２）の移動直線に対して具体的には平行度１２μｍ程度の公差範囲内に設定されている。その結果、被写体Ｓの３次元入力精度を向上させることが容易となる。

なお付言するに、図示しないが、固定ねじ２８６および調整ねじ２９２は、それらが螺合されている部分との間にねじ固定接着剤が塗布されることにより、緩みを防止されている。

図１０に示すように、ハウジング２０４は、投影光学系３２の背後において局部的にキャリッジ２０２に向かって突出している。具体的には、ハウジング２０４は、投影光学系３２の背後において、キャリッジ２０２を貫通して光変調体２００の出射面１０８の近傍位置まで延びる、遮光性を有して薄肉角錐状を成す誘導部２９６を有している。

その誘導部２９６は、それの先端において窓部２９７を有しており、その窓部２９７において、複数の平面的光学素子２６０のうち選択されたもののみに光学的に連通する。それら誘導部２９６および窓部２９７は、ハウジング２０４と一体成型されて形成されており、その材料としては、成型精度の高いガラスファイバー補強ポリカーボネートが代表的である。

選択された一つの平面的光学素子２６０から出射したパターン光のみが、光透過性を有する窓部２９７を経て、誘導部２９６内の空間に進入する。その進入したパターン光は、その後、誘導部２９６の外部に漏れることなく、投影光学系３２に入射する。誘導部２９６は、外部から外乱光が進入して投影光学系３２に入射することを阻止する。

図９に示すように、ハウジング２０４に位置決めポスト２９８が固定され、その位置決めポスト２９８に、位置センサとしてのフォトインタラプタ３００が取り付けられている。このフォトインタラプタ３００は、キャリッジ２０２と一体的に移動する位置決め爪（被検出子）３０２を光学的に検出し、それにより、キャリッジ２０２が特定の位置に位置することが検出される。

図８に示すように、フォトインタラプタ３００は処理部１６に電気的に接続されている。フォトインタラプタ３００から処理部１６に出力されるＰＩ信号は、位置決め爪３０２がなければ、光がフォトインタラプタ３００に入射するローレベル（有効）にあるが、位置決め爪３０２を検出すると、光が遮断されてフォトインタラプタ３００に入射しないハイレベルに変化するように設計されている。

ここで、図１２ないし図１４を参照することにより、光変調体２００を詳細に説明する。

図１２には、その光変調体２００が拡大されて正面図で示されている。この光変調体２００には、前記複数種類のパターン光にそれぞれ対応する複数の平面的光学素子２６０が光変調体２００の長さ方向に一列にかつ平面的に並んで形成されている。それら平面的光学素子２６０は選択的に、図１０に示す窓部２９７に正対するように位置決めされる。

本実施形態においては、被写体Ｓを撮像するために８種類のパターン光が順次被写体Ｓに投影される。それら８種類のパターン光は、被写体Ｓの３次元形状を後述の空間コード化法によって測定するために被写体Ｓの撮像時にその被写体Ｓに投影される８種類のパターン光である。そのような投影を行うため、図１２に示すように、光変調体２００は、それら８種類のパターン光にそれぞれ対応する８個の平面的光学素子２６０を備えている。図１２には、８個の平面的光学素子２６０のパターン番号ＰＮ０ないし７がそれぞれ、コード０ないし７として表記されている。

光変調体２００は、成形が容易である透明材料を用いた板状の成型品である。そのような透明材料としては、例えば、最も一般に使用されるアクリル系光学プラスチックとしてのＰＭＭＡや、非晶質ポリオレフィンという光学プラスチックであって吸湿による膨張が抑制されたものや、成型に適した低融点のモールドガラス材料等がある。光変調体２００は、通常のレンズ成型プロセス（例えば、光学プラスチックレンズ成型プロセス）と同じプロセスによって製造される。そのプロセスは、金型を用いて行われ、その金型には、光変調体２００（８個の平面的光学素子２６０）の目標表面形状の反転形状が精密加工技術によって形成される。

そのようにして加工された金型を用いて、上記のようにして選定された材料に対して射出成型や注型成型という量産型成型プロセスを適用すると、その材料から成る基板２６４の表面に、微小な凹凸形状のパターンが転写される。一般に、そのパターン転写精度はナノメートル精度であり、このことに着目し、その転写技術はナノインプリント技術と称される。

したがって、このように高精度転写が可能なプロセスによって光変調体２００を製造すれば、光変調体２００の表面形状の精度が向上し、ひいては、３次元入力装置１０の３次元入力精度も向上する。さらに、このプロセスは、光変調体２００の量産に適しているため、光変調体２００の形状精度を限界まで高め、しかも、光変調体２００の生産コストを限界まで低減させることが可能となるというように、顕著な効果を奏する。

次に、光変調体２００の形状および光学的作用を、１個の平面的光学素子２６０に注目して説明する。

まず、概略的に説明するに、光変調体２００は、光源部６８から出射した光が入射光として入射し、その入射光が、空間に関して周期的に、かつ、角度的に変調されて出射光として出射する。この光変調体２００は、前記入射光と交差する向きに延びており、前記入射光が入射するとその入射光に対し、光変調体２００の表面形状に依存した光学的変調すなわち周期的角度変調を行う。本実施形態において、「変調」とは、偏向作用を意味する。

一方、図７に示すように、投影光学系３２の鏡筒２４（投影レンズ３４および絞り３６を含む。）は、光変調体２００からの出射光の複数の角度成分のうち、予め定められた入射開口、すなわち、その入射開口角θＮＡ内に適合する放射角特性を有するものを選択的に通過させる。

各種類のパターン光は、投影結果として明部と暗部とが並ぶように生成される。そのような配列を実現するために、光変調体２００は、表面形状が互いに異なる２つの部分、すなわち、本実施形態においては、図１３に断面図で示すように、光直進部３１０および光偏向部３１２が少なくとも１組、光変調体２００に沿った方向において交互に並ぶように構成されている。

光直進部３１０からは、前記入射開口に適合する放射角特性を有する角度成分が、その後に投影光学系３２を通過する通過光成分として出射する。したがって、この光直進部３１０から出射して投影光学系３２を通過する光により、各種類のパターン光における明部が生成される。

これに対し、光偏向部３１２からは、前記入射開口に適合しない放射角特性を有する角度成分が、その後に投影光学系３２を通過しない非通過光成分として出射する。したがって、この光偏向部３１２から出射したが投影光学系３２を通過しない光の存在により、各種類のパターン光における暗部が生成される。このようにして、被写体Ｓに投影されるパターン光に、明部と暗部の幾何パターンが形成される。

光変調体２００は、本実施形態においては、空間に関して非選択的に前記入射光を透過する透過型である。すなわち、この光変調体２００に入射した光はその入射位置の如何を問わず概ねすべてこの光変調体２００を通過するのである。

この光変調体２００は、上述のように、光直進部３１０と光偏向部３１２とが並ぶように構成されるが、それら光直進部３１０と光偏向部３１２とは、前記入射光を透過する光学系である点では共通する。

ただし、光直進部３１０は、図１３に示すように、前記入射光に対して直交する面としての部分出射面３２０を有し、その部分出射面３２０によって前記入射光が変調されずに出射し、これに対し、光偏向部３１２は、前記入射光に対して傾斜する面群としての部分出射面３２２を有し、その部分出射面３２２によって前記入射光が変調されて出射する。

図１３においては、光直進部３１０への入射光が「Ｌｉｎ−Ｓ」で表記され、光直進部３１０からの出射光であってその入射光Ｌｉｎ−Ｓと平行であるものが「Ｌｏｕｔ−Ｓ」で表記されている。また、光偏向部３１２への入射光が「Ｌｉｎ−Ｄ」で表記され、光偏向部３１２からの出射光であってその入射光Ｌｉｎ−Ｄに対して一定角度で偏向されたものが「Ｌｏｕｔ−Ｄ」で表記されている。

以上要するに、光直進部３１０は、光の進行角度を変調する角度変調（偏向）作用を有しないのに対し、光偏向部３１２は、それを有するというように、それら光直進部３１０と光偏向部３１２とは、角度変調作用の有無、すなわち、出射光の出射角度に関しては相違するのである。

光変調体２００の出射面１０８の表面形状をさらに詳細に説明するに、光直進部３１０の部分出射面３２０は、平面形状を有しており、これに対し、光偏向部３１２の部分出射面３２２は、本実施形態においては、斜面群から成る屋根型プリズム形状を有している。

図１４には、光変調体２００の出射面１０８の表面形状がさらに拡大して断面図で示されている。図１４を参照することにより、光変調体２００における光変調作用としての光偏向作用を詳細に説明する。

それに先立ち、各種記号を次のように定義する。

θ：屋根型プリズムのチルト角

θｔ：光偏向角（出射面１０８の法線ＮＬすなわち光変調体２００への入射光に対する出射光の進行角度）

θｉ：入射半角

ｐ：屋根型プリズムの幅

ｄ：屋根型プリズムの深さ

なお付言するに、深さｄは、

ｄ＝ｐ・ｔａｎθ

なる式によって定義されるため、チルト角θが５度、幅ｐが０．０３６ｍｍである応用例においては、深さｄが３．１５μｍとなる。

光変調体２００の屈折率を「ｎ」で表記すれば、光偏向角θｔは、スネルの法則に従い、次式を用いて求められる。

ｎ・ｓｉｎθ＝ｓｉｎ（θｔ−θ）

屈折率ｎが１．４９、チルト角θが５度である応用例においては、光偏向角θｔが１２．４６度として求められる。光変調体２００への入射光の入射半角θｉが５度であると仮定すると、光偏向部３１２を通過した光は、出射面１０８の法線ＮＬに対して７．４６度以上の角度で光変調体２００から出射光Ｌｏｕｔ−Ｄとして出射する。

前述のように、投影光学系３２の鏡筒２４は、前記入射開口が０．１、すなわち、入射開口角θＮＡが５度であるテレセントリック性を有しており、それの光軸に対して±５度以内の光しか絞り３６を通過させないように設計されている。そのため、上記出射光Ｌｏｕｔ−Ｄの存在により、投影光学系３２内に入射しても、光変調体２００のパターン面すなわち出射面１０８に対して光学的に共役関係にある像面（例えば、被写体Ｓの表面）上に光が到達しない領域（暗部）が形成される。

したがって、このことは、光直進部３１０を通過した光はすべて絞り３６を通過して上記像面上に光が到達する領域（明部）として投影されることと相俟って、その像面上に光を所望の幾何パターンで投影することを可能にする。

図１４に示す例においては、光偏向部３１２が、基板２６４の表面に屋根型プリズムを、基板２６４の表面に対する凹部として、かつ、光の偏向方向が一様ではないように形成することによって構成されるが、光偏向部３１２は、他の構成を採用することが可能である。

例えば、図１５(ａ)に示すように、基板２６４の表面に屋根型プリズムを、基板２６４の表面に対する凹部として、かつ、光の偏向方向が一様であるように形成することにより、光偏向部３１２を構成することが可能である。また、図１５(ｂ)に示すように、基板２６４の表面に屋根型プリズムを、基板２６４の表面に対する凸部として、かつ、光の偏向方向が一様であるか否かを問わないように形成することにより、光偏向部３１２を構成することが可能である。

また、図１５(ｃ)に示すように、基板２６４の表面に機械的ランダム散乱形状（例えば、成型品の表面形状処理に多用されるシボ形状）を与えることにより、光偏向部３１２を構成することが可能である。機械的ランダム散乱形状は、例えば、切削加工および化学処理により、基板２６４の表面粗さのＲｚ値が１μｍ程度であるようにランダムパターンが基板２６４の表面に形成される。この例においては、光偏向部３１２への入射光は、基板２６４のランダム散乱面により、ランダムな方向に偏向されるように、偏向作用を受ける。

ランダム散乱面から出射する散乱光の光度分布を「Ｉ」で表記し、散乱光の各角度成分が光偏向部３１２への入射光の光軸に対して成す散乱角を「θ」で表記すれば、光度分布Ｉは、一般に、散乱角θの関数として定義される。具体的には、光度分布Ｉは、

Ｉ（θ）＝Ａ・ｃｏｓ^ｎθ［ｃｄ］

として定義することが可能である。ただし、「Ａ」は定数、「ｎ」は散乱係数をそれぞれ表す。

光偏向部３１２のランダム散乱面について散乱係数ｎが１（ランバーシャン散乱特性と称される）である応用例においては、投影光学系３２の入射開口が０．１であるときに、光偏向部３１２と光学投影系３２とから成る光学系の光透過率は約０．８％である。したがって、この応用例においては、光直進部３１０からの出射光と光偏向部３１２からの出射光との間に、１００倍以上であるというように十分に大きなコントラストを確保しつつ、所望の幾何パターン光を被写体Ｓに投影することが可能である。

仮に、光直進部３１０からの出射光と光偏向部３１２からの出射光との間におけるコントラストが十分に大きくはないとしても、被写体Ｓに投影されるパターン光の境界形状が高精度であるため、そのパターン光における明部と暗部との境界（「ストライプ境界」ともいう。）さえ正確に検出することができれば、被写体Ｓの３次元形状を表す座標値を高精度に計算することは可能である。

ストライプ境界の位置を判定する境界位置判定を正確に行うためには、各パターン光ごとに撮像された撮像画像中に各部位が明部であるか暗部であるかを判定するために後述のように設定された閾値ＴＨであって、撮像画像の輝度成分から適切に設定されたものを採用することが望ましい。

図１５(ｄ)に示すように、基板２６４の表面に回折格子を形成することにより、光偏向部３１２を構成することが可能である。その回折格子の一例は、斜面構造を有しないバイナリグレーティング溝である。

グレーティングピッチを「ｇｐ」、光偏向部３１２への入射光の波長を「λ」、その回折格子の回折角を「θｇ」でそれぞれ表記すれば、それらグレーティングピッチｇｐと波長λと回折角θｇとの関係が、一般に、

ｇｐ・ｓｉｎθｇ＝λ

なる式で表される。その回折格子に光が入射すると、その回折格子からは複数のｎ次回折光が、それぞれ「ｎ・θｇ」で表される角度を有する複数の方向に出射させられる。それら複数のｎ次回折光は、その回折格子への同じ入射光を互いに異なる複数の角度でそれぞれ偏向させて得られる複数の光に該当することになる。

例えば、波長λを６１７ｎｍ、回折角θｇを１２．５度にそれぞれ選定すれば、グレーティングピッチｇｐは２．８５μｍとなる。このグレーティングピッチｇｐで規則正しく並んだ複数のバイナリグレーティング溝に光を入射すると、複数次数の回折光が発生する。このような回折格子を用いる場合には、そのグレーティングピッチｇｐのみにより、各ｎ次回折光の回折角θｇが決まり、その回折格子のうち個別のピッチ内形状（例えば、互いに隣接した凸部と凹部とのそれぞれの形状）により、回折格子への入射光のパワーが各ｎ次回折光に分配される際のパワー分配率が決まる。

したがって、０次回折光と次数の絶対値が１以上である回折光（高次回折光であり、入射光に対する偏向光でもある。）とができる限り投影光学系３２の入射開口に入射しないようにグレーティングピッチｇｐを設定し、かつ、入射光のパワーの０次回折光（直進光）へのパワー分配比率を全体の５０％（光偏向部３１２への入射光全体のパワーに対する比率が５０％）以下の程度に設定すれば、前記境界位置判定を十分な精度で実施することが可能である。このように設定すれば、図１５（ａ）ないし（ｃ）を参照して前述したいくつかの例と同様に、所望のパターン光を高精度で生成し、それにより、被写体Ｓの３次元情報を高精度で入力することが可能となる。

図１５（ｄ）に示す例においては、もちろん、入射光のパワーの０次回折光（直進光）へのパワー分配比率が０％近傍の値であるように回折格子を設計することが可能である。このように設計した場合には、光直進部３１０からの出射光と光偏向部３１２（回折格子）からの出射光との間におけるコントラストが最大となり、各パターン光において明部と暗部との間におけるコントラストも最大となる。

入射光のパワーの０次回折光（直進光）へのパワー分配比率が０％近傍である回折格子の一例として、ブレーズド面と称される斜面を利用した回折格子が既に知られている。この回折格子は、図１５（ａ）に示す屋根型プリスムに近似した形状を有しており、ダイヤモンドターニングによる切削加工により、材料を直接、目標形状を有するように加工するか、または、その目標形状の反転形状を有するように成型用の金型を加工し、その金型を用いて材料を目標形状を有するように加工することが可能である。

図８には、３次元入力装置１０の電気的な構成がブロック図で表されている。処理部１６はコンピュータ４００を主体として構成されており、そのコンピュータ４００は、ＣＰＵ４０２と、ＲＯＭ４０４と、ＲＡＭ４０６と、バス４０８とを含むように構成されている。

ＣＰＵ４０２は、ＲＯＭ４０４に記憶されたプログラムをＲＡＭ４０６を利用しつつ実行することにより、レリーズボタン４０の操作状態の検出、ＣＣＤ７０からの画像データの取込み、その取り込まれた画像データの転送および格納、モード切替スイッチ４２の操作状態の検出等の各種処理を行う。

ＲＯＭ４０４には、カメラ制御プログラム４０４ａと、撮像処理プログラム４０４ｂと、輝度画像生成プログラム４０４ｃと、コード画像生成プログラム４０４ｄと、コード境界抽出プログラム４０４ｅと、レンズ収差補正プログラム４０４ｆと、三角測量演算プログラム４０４ｇと、テーブルモータ制御プログラム４０４ｊとが格納されている。

カメラ制御プログラム４０４ａは、３次元入力装置１０全体の制御を実行するために実行され、その制御には、図１６にフローチャートで概念的に表されているメイン処理が含まれる。

撮像処理プログラム４０４ｂは、被写体Ｓの３次元形状を検出するためにパターン光が投影された被写体Ｓを撮像してパターン光有画像を取得し、さらに、パターン光が投影されていない被写体Ｓを撮像してパターン光無画像を取得するために実行される。

輝度画像生成プログラム４０４ｃは、撮像処理プログラム４０４ｂの実行によって被写体Ｓについて取得された各画素のＲＧＢ値に基づき、複数枚のパターン光有画像にそれぞれ対応する複数枚の輝度画像が生成される。

本実施形態においては、同じ被写体Ｓに対して複数種類のパターン光が時系列に順次投影され、各パターン光が投影されるごとに被写体Ｓが撮像される。そのようにして撮像された複数枚のパターン光有画像の各々について各画素のＲＧＢ値が取得され、その結果、パターン光の種類と同数の輝度画像が生成される。

コード画像生成プログラム４０４ｄは、輝度画像生成プログラム４０４ｃの実行によって生成された複数枚の輝度画像それぞれに対する閾値処理により生成される２値化画像から、各画素毎に空間コードが割り当てられたコード画像を生成するために実行される。

概略的に説明するに、このコード画像生成プログラム４０４ｄが実行されると、複数種類のパターン光のうちパターンライン間の間隔が最も狭いものが投影された被写体Ｓの輝度画像におけるパターンライン間の間隔が周期として取得され、その周期の輝度画像全体における分布が周期分布として取得される。

このコード画像生成プログラム４０４ｄが実行されると、さらに、その取得された周期分布に従ってサイズが変化する可変窓が各パターン光ごとの輝度画像にローカルに設定されることにより、前記可変窓を用いたフィルタ処理により輝度画像全体に対して閾値がローカルに算出されて設定される。そのようにして設定された閾値の分布を表す閾値画像と各パターン光ごとの輝度画像との関係から、各パターン光ごとに２値化画像が生成される。

可変窓を用いたフィルタ処理により輝度画像全体に対して閾値をローカルに算出する技術は、本出願人の特願２００４−２８５７３６号明細書に詳細に開示されており、その明細書を参照することによってその明細書の内容を本明細書に合体させる。

コード境界抽出プログラム４０４ｅは、コード画像生成プログラム４０４ｄの実行によって生成されたコード画像と、輝度画像生成プログラム４０４ｃの実行によって生成された輝度画像とを利用することにより、コードの境界座標をサブピクセル精度で求めるために実行される。

レンズ収差補正プログラム４０４ｆは、コード境界抽出プログラム４０４ｅの実行によってサブピクセル精度で求められたコードの境界座標に対して、撮像光学系２０の収差補正を行うために実行される。

三角測量演算プログラム４０４ｇは、レンズ収差補正プログラム４０４ｆの実行によって収差補正が行われたコードの境界座標から、その境界座標に関する実空間の３次元座標を演算するために実行される。

送りモータ制御プログラム４０４ｈは、複数種類のパターン光を順次被写体Ｓに投影すべく送りモータ６５を制御するために実行される。この送りモータ制御プログラム４０４ｈは、他の処理と共に図１９にフローチャートで概念的に表されている。

テーブルモータ制御プログラム４０４ｊは、回転テーブル１８４を被写体Ｓと共に割り出し回転させるべくテーブルモータ１９４を制御するために実行される。このテーブルモータ制御プログラム４０４ｊは、他の処理と共に図１８にフローチャートで概念的に表されている。

本実施形態においては、前述の一連のパターン光の被写体Ｓへの投影および被写体Ｓの撮像が、被写体Ｓの回転位置が等間隔で割り出されるごとに行われる。具体的には、被写体Ｓの回転位置が９０度ずつ間欠的に割り出され、各割り出し位置において、一連のパターン光の投影および被写体Ｓの撮像が行われる。その結果、被写体Ｓの外面の全体領域が４つの部分領域に分割され、各部分領域ごとに立体画像（３次元形状情報）が取得される。それら立体画像が、互いにオーバラップする部分を除去する処理が施されて互いに結合されることにより、被写体Ｓに対応する１つの全体画像がステッチ画像として生成される。

さらに、本実施形態においては、その生成されたステッチ画像に、同じ被写体Ｓについて計測された表面色情報がマッピングされることにより、前述の３次元色形状データが生成される。これにより、被写体Ｓについての一連の３次元入力処理が終了する。

図８に示すように、ＲＡＭ４０６には、パターン光有画像格納部４０６ａと、パターン光無画像格納部４０６ｂと、輝度画像格納部４０６ｃと、コード画像格納部４０６ｄと、コード境界座標格納部４０６ｅと、収差補正座標格納部４０６ｇと、３次元座標格納部４０６ｈと、周期分布格納部４０６ｐと、閾値画像格納部４０６ｑと、２値化画像格納部４０６ｒと、ステッチ画像格納部４０６ｓと、３次元色形状データ格納部４０６ｔと、ワーキングエリア４１０とがそれぞれ記憶領域として割り当てられている。

パターン光有画像格納部４０６ａは、撮像処理プログラム４０４ｂの実行によって撮像されたパターン光有画像を表すパターン光有画像データを格納する。パターン光無画像格納部４０６ｂは、撮像処理プログラム４０４ｂの実行によって撮像されたパターン光無画像を表すパターン光無画像データを格納する。

輝度画像格納部４０６ｃは、輝度画像生成プログラム４０４ｃの実行によって生成された輝度画像を表すデータを格納する。コード画像格納部４０６ｄは、コード画像生成プログラム４０４ｄの実行によって生成されたコード画像を表すデータを格納する。コード境界座標格納部４０６ｅは、コード境界抽出プログラム４０４ｅの実行によってサブピクセル精度で抽出された各コードの境界座標を表すデータを格納する。

収差補正座標格納部４０６ｇは、レンズ収差補正プログラム４０４ｆの実行によって収差補正が行われたコードの境界座標を表すデータを格納する。３次元座標格納部４０４ｈは、三角測量演算プログラム４０４ｇの実行によって演算された実空間の３次元座標を表すデータを格納する。

周期分布格納部４０６ｐ、閾値画像格納部４０６ｑおよび２値化画像格納部４０６ｒは、コード画像生成プログラム４０４ｄの実行によって取得された周期分布、閾値画像および２値化画像を表すデータをそれぞれ格納する。

ステッチ画像格納部４０６ｓは、前述のステッチ画像を格納し、３次元色形状データ格納部４０６ｔは、前述の３次元色形状データを格納する。ワーキングエリア４１０は、ＣＰＵ４０２がその動作のために一時的に使用するデータを格納する。

ここで、図１６を参照することにより、カメラ制御プログラム４０４ａを説明する。このカメラ制御プログラム４０４ａがコンピュータ４００によって実行されることにより、前述のメイン処理が実行される。

このメイン処理においては、まず、ステップＳ１０１（以下、単に「Ｓ１０１」で表す。他のステップについても同じとする。）において、バッテリ７４を含む電源がＯＮされる。次に、Ｓ１０２において、処理部１６、周辺インタフェース等が初期化される。

続いて、Ｓ１０３において、モード切替スイッチ４２の操作状態を判別するためにキースキャンが行われ、その後、Ｓ１０４において、モード切替スイッチ４２の操作によってＳＬＯＷモードが選択されたか否かが判定される。今回は、ＳＬＯＷモードが選択されたと仮定すれば、判定がＹＥＳとなり、Ｓ１０５において、前述の非間引き画像処理モードが設定される。このＳ１０５の実行後、後に詳述するＳ１０８が実行され、続いて、Ｓ１０３に戻る。

これに対し、今回は、モード切替スイッチ４２の操作によってＳＬＯＷモードが選択されなかったと仮定すれば、Ｓ１０４の判定がＮＯとなり、Ｓ１０６において、モード切替スイッチ４２の操作によってＦＡＳＴモードが選択されたか否かが判定される。今回は、ＦＡＳＴモードが選択されたと仮定すれば、判定がＹＥＳとなり、Ｓ１０７において、前述の間引き画像処理モードが設定される。このＳ１０７の実行後、後に詳述するＳ１０８が実行され、続いて、Ｓ１０３に戻る。

これに対し、今回は、モード切替スイッチ４２の操作によってＦＡＳＴモードが選択されなかったと仮定すれば、Ｓ１０６の判定がＮＯとなり、Ｓ１１２において、モード切替スイッチ４２の操作によってオフモードが選択されたか否かが判定される。今回は、モード切替スイッチ４２の操作によってオフモードが選択されたと仮定すれば、判定がＹＥＳとなり、直ちに今回のメイン処理が終了するが、今回は、モード切替スイッチ４２の操作によってオフモードが選択されなかったと仮定すれば、判定がＮＯとなり、Ｓ１０３に戻る。

図１７には、図１６におけるＳ１０８が立体画像処理ルーチンとしてフローチャートで概念的に表されている。この立体画像処理ルーチンの実行により、被写体Ｓの３次元形状を立体画像として検出し、表示する立体画像処理が実行される。この立体画像処理においては、さらに、同じ被写体Ｓの表面色も検出される。それら立体画像の検出結果と表面色の検出結果とが位置に関連付けて組み合わされたものが３次元色形状検出結果である。

この立体画像処理においては、まず、Ｓ１００１において、ファインダ画像、すなわち、撮像光学系３０を通して見える範囲の画像と同じ画像がモニタＬＣＤ４４に表示される。よって、ユーザは、モニタＬＣＤ４４に表示された画像を見ることにより、実際の撮像前に、撮像画像（撮像範囲）を確認することができる。

次に、Ｓ１００２において、レリーズボタン４０の操作状態がスキャンされ、その後、Ｓ１００３において、そのスキャン結果に基づき、レリーズボタン４０が半押し状態にあるか否かが判定される。半押し状態にあれば、判定がＹＥＳとなり、Ｓ１００４において、オートフォーカス（ＡＦ）および自動露出（ＡＥ）機能が起動し、それにより、ピント、絞りおよびシャッタスピードが調節される。レリーズボタン４０が半押し状態になければ、Ｓ１００３の判定がＮＯとなり、Ｓ１０１０に移行する。

Ｓ１００４の実行後、Ｓ１００５において、再度、レリーズボタン４０の操作状態がスキャンされ、その後、Ｓ１００６において、そのスキャン結果に基づき、レリーズボタン４０が全押し状態にあるか否かが判定される。レリーズボタン４０が全押し状態になければ、このＳ１００６の判定がＮＯとなってＳ１００２に戻る。

レリーズボタン４０が半押し状態から全押し状態に移行すれば、Ｓ１００６の判定がＹＥＳとなり、Ｓ１００７において、後述の３次元色形状検出処理が実行され、それにより、被写体Ｓの３次元形状および表面色が検出される。

概略的に説明するに、その３次元色形状検出処理により、被写体Ｓについて３次元色形状検出結果が生成される。ここに、３次元色形状検出結果とは、後述の空間コード画像において検出される複数の空間コード境界画像を３次元座標に変換した結果取得される頂点座標の集合体であって、各頂点ごとに色形状情報とポリゴン情報とが互いに関連付けられたものを意味する。色形状情報は、実空間座標とＲＧＢ値との組合せを表す情報である。ポリゴン情報は、複数個の頂点のうち、被写体Ｓを３次元的に表面する立体を構成するために互いに連結されるべき複数の頂点の組合せを表す情報である。

その後、Ｓ１００８において、その３次元色形状検出結果が外部メモリ７８に格納され、続いて、Ｓ１００９において、その３次元色形状検出結果が３次元コンピュータグラフィック画像としてモニタＬＣＤ４４に表示される。

その後、Ｓ１０１０において、図１６におけるＳ１０３と同様にしてキースキャンが行われる。続いて、Ｓ１０１１において、モード切替スイッチ４２の操作状態に変化が無いか否かが判定される。変化が無ければ、Ｓ１０１１の判定がＹＥＳとなり、Ｓ１００１に戻るが、変化が有れば、Ｓ１０１１の判定がＮＯとなり、今回の立体画像処理が終了する。

図１７のＳ１００７において実行される３次元色形状検出処理においては、空間コード化法を用いて被写体Ｓの３次元形状が検出される。

図１８には、図１７におけるＳ１００７が３次元色形状検出処理ルーチンとしてフローチャートで概念的に表されている。この３次元色形状検出処理ルーチンには、テーブルモータ制御プログラム４０４ｉが組み込まれており、このテーブルモータ制御プログラム４０４ｉは、図１８におけるＳ１２０１およびＳ１２２１ないしＳ１２２３を含むように構成されている。

この３次元色形状検出処理ルーチンにおいては、まず、Ｓ１２０１において、回転テーブル１８４の回転位相ＰＨが０に初期化される。本実施形態においては、回転テーブル１８４が１回転する間に４回停止させられるため、回転テーブル１８４には４つの回転位相ＰＨが離散的に設定される。具体的には、回転位相ＰＨは、初期の回転位相ＰＨを表す「０」と、次の回転位相ＰＨを表す「１」と、次の回転位相ＰＨを表す「２」と、最後の回転位相ＰＨを表す「３」とに離散的に変化させられる。

次に、Ｓ１２１０において、撮像処理プログラム４０４ｂが実行されることにより、今回の回転位相ＰＨについて撮像処理が実行される。この撮像処理においては、投影部１２からストライプ状のパターン光が時系列的に被写体Ｓに投影される。さらに、複数種類のパターン光が投影されている被写体Ｓをそれぞれ撮像した複数枚のパターン光有画像と、パターン光が投影されていない同じ被写体Ｓを撮像した１枚のパターン光無画像とが取得される。このＳ１２１０は、後に図１９を参照して詳述する。

撮像処理が終了すると、Ｓ１２２０において、今回の回転位相ＰＨについて３次元計測処理が実行される。この３次元計測処理が実行されると、上述の撮像処理によって取得された複数枚のパターン光有画像と１枚のパターン光無画像とが利用されて、実際に被写体Ｓの３次元形状が計測される。このＳ１２２０は、後に図２２を参照して詳述する。

この３次元計測処理が終了すると、Ｓ１２２１において、次回の撮像に備えて、回転位相ＰＨが１だけインクリメントされる。続いて、Ｓ１２２２において、回転位相ＰＨの現在値が４より大きいか否か、すなわち、被写体Ｓについての一連の撮像が既に終了しているか否かが判定される。

今回は、回転位相ＰＨの現在値が４より大きくはないと仮定すれば、そのＳ１２２２の判定がＮＯとなり、Ｓ１２２３において、回転テーブル１８４を時計方向に９０度回転させるのに必要な駆動信号がテーブルモータ１９４に対して出力される。その結果、回転テーブル１８４が時計方向に９０度回転させられ、それにより、被写体Ｓが、前回の撮像時とは異なる部分領域において測定ヘッドＭＨに対向させられる。その後、Ｓ１２１０およびＳ１２２０が実行され、それにより、次の回転位相ＰＨについて前述の撮像処理および３次元計測処理が行われる。

Ｓ１２１０ないしＳ１２２３のループが必要回数実行された結果、Ｓ１２２２の判定がＹＥＳとなれば、その後、Ｓ１２３０において、被写体Ｓについて計測された３次元形状と表面色とを組み合わせることにより、３次元色形状検出結果が生成される。このＳ１２３０は、後に図２４を参照して詳述する。

この３次元色形状検出結果が生成されると、今回の３次元色形状検出処理が終了する。

ここで、図１９を参照することにより、図１８におけるＳ１２１０を詳述する。図１９には、そのＳ１２１０が撮像処理プログラム４０４ｂとしてフローチャートで概念的に表されている。

この撮像処理プログラム４０４ｂには、送りモータ制御プログラム４０４ｈが組み込まれており、この送りモータ制御プログラム４０４ｈは、図１９におけるＳ２００２ないしＳ２００５，Ｓ２０１０，Ｓ２０１６およびＳ２０１７を含むように構成されている。

この撮像処理プログラム４０４ｂにおいては、まず、Ｓ２００１において、今回生成すべきパターン光の番号を表すパターン番号ＰＮが０に初期化される。このパターン番号ＰＮは、複数の平面的光学素子２６０のうち、今回のパターン光を被写体Ｓに投影するために窓部２９７に位置決めされるものとして選択されるべき選択光学素子２６０の番号（図１２における「コード」）に対応する。

次に、Ｓ２００２において、予め設定された方向に送りモータ６５が駆動される。続いて、Ｓ２００３において、フォトインタラプタ３００から前記ＰＩ信号が読み取られる。その後、Ｓ２００４において、その読み取られたＰＩ信号のレベルがローレベルからハイレベルに変化した直後であるか否かが判定される。すなわち、フォトインタラプタ３００によってキャリッジ２０２が検出された直後、すなわち、キャリッジ２０２が前述の特定の位置に移動させられた直後であるか否かが判定される。

今回は、ＰＩ信号のレベルがローレベルからハイレベルに変化した直後ではないと仮定すれば、Ｓ２００４の判定がＮＯとなり、Ｓ２００２ないしＳ２００４のループの実行が再開される。そのループが何回が実行された結果、ＰＩ信号のレベルがローレベルからハイレベルに変化したと仮定すれば、Ｓ２００４の判定がＹＥＳとなり、Ｓ２００５に移行する。

このＳ２００５においては、上述の特定の位置に位置するキャリッジ２０２をさらに移動させてホームポジションに位置決めするために、予め設定された駆動信号（例えば、駆動パルス）が送りモータ６５に供給される。キャリッジ２０２がそのホームポジションに位置決めされると、光変調体２００が、それの複数の平面的光学素子２６０のうち今回のパターン番号ＰＮを有するパターン光を生成するもの（前述の選択光学素子）において窓部２９７に正対することになる。

その後、Ｓ２００６において、複数のパターン光のうち、パターン番号ＰＮの現在値と等しい番号が付されたＰＮ番目のパターン光の投影が開始される。

続いて、Ｓ２００７において、ＰＮ番目のパターン光を被写体Ｓに投影するための投影処理が行われる。図２０には、このＳ２００７の詳細が投影処理サブルーチンとしてフローチャートで概念的に表されている。この投影処理サブルーチンの実行により、ＰＮ番目のパターン光を投影部１２から被写体Ｓに投影する投影処理が投影機構６６との共同作用によって実行される。

この投影処理においては、まず、Ｓ３００４において、光源ドライバ８４が駆動され、続いて、Ｓ３００５において、その光源ドライバ８４からの電気信号によってＬＥＤ６２が発光する。以上で、今回の投影処理が終了する。

ＬＥＤ６２から発光した光は、光源レンズ６４を経て投影機構６６に到達する。その投影機構６６においては、光変調体２００の選択光学素子２６０の表面形状に応じた空間変調が施され、その結果、投影機構６６への入射光がパターン光に変換されて出力される。その投影機構６６から出力されるパターン光は、投影光学系３２を経て被写体Ｓに投影画像として投影される。

以上のようにして、ＰＮ番目のパターン光が被写体Ｓに投影されると、続いて、図１９におけるＳ２００８において、そのＰＮ番目のパターン光が投影されている被写体Ｓが撮像部１４によって撮像される。

その撮像により、ＰＮ番目のパターン光が投影されている被写体Ｓを撮像したＰＮ番目のパターン光有画像が取得される。その取得されたパターン光有画像は、対応するパターン番号ＰＮに関連付けてパターン光有画像格納部４０６ａに格納される。

その撮像が終了すると、Ｓ２００９において、ＰＮ番目のパターン光の投影が終了し、続いて、Ｓ２０１０において、次のパターン光を投影する準備のために、キャリッジ２０２が１ピッチ送られるように送りモータ６５に駆動信号が供給される。その後、Ｓ２０１１において、次のパターン光を投影する準備のために、パターン番号ＰＮが１だけインクリメントされる。

続いて、Ｓ２０１２において、そのパターン番号ＰＮの現在値が最大値ＰＮｍａｘより小さいか否かが判定される。その最大値ＰＮｍａｘは、使用されるマスクパターンの合計数に応じて決定される。例えば、８種類のマスクパターンが使用される場合には、最大値ＰＮｍａｘが８に設定される。

今回は、パターン番号ＰＮの現在値が最大値ＰＮｍａｘより小さいと仮定すれば、Ｓ２０１２の判定がＹＥＳとなり、続いて、Ｓ２００６ないしＳ２０１２のループの実行が、今回のパターン番号ＰＮを有するパターン光の投影のために再開される。

Ｓ２００６ないしＳ２０１２のループの実行がパターン光の種類の数と同数回繰り返された結果、パターン番号ＰＮの現在値が最大値ＰＮｍａｘより小さくはない値になると、Ｓ２０１２の判定がＮＯとなり、今回の撮像処理が終了する。したがって、一回の撮像処理により、最大値ＰＮｍａｘと同数枚のパターン光有画像が取得されることになる。

続いて、Ｓ２０１３において、フラッシュモードが選択されているか否かが判定される。フラッシュモードが選択されていれば、その判定がＹＥＳとなり、Ｓ２０１４において、フラッシュ２６が発光させられるが、フラッシュモードが選択されていなければ、Ｓ２０１３の判定がＮＯとなり、Ｓ２０１４がスキップされる。いずれにしても、その後、Ｓ２０１５において、被写体Ｓが撮像される。

この撮像は、被写体Ｓの表面色を計測することを目的として、投影部１２からパターン光を被写体Ｓに投影することなく、行われる。その結果、被写体１２について１枚のパターン光無画像が取得される。その取得されたパターン光無画像はパターン光無画像格納部４０６ｂに格納される。

続いて、Ｓ２０１６において、キャリッジ２０２が前述のホームポジションに復帰するように送りモータ６５が駆動される。その後、Ｓ２０１７において、送りモータ６５が停止させられて待機状態に移行させられる。

以上で、この撮像処理プログラム４０４ｂの一回の実行が終了する。

図２１には、この撮像処理プログラム４０４ｂの一回の実行に伴うこの３次元入力装置１０の作動の一例がタイミングチャートで表されている。この作動例は、ユーザによってＦＡＳＴモードが選択されている状態でユーザによってレリーズボタン４０が全押し状態に操作された場合にこの３次元入力装置１０によって実行されるものである。

図２１（ａ）には、被写体Ｓからの入射光によってＣＣＤ７０が複数回、連続して露光される様子が示されている。図２１（ｂ）には、それら複数回の露光のそれぞれにつき、被写体Ｓからの入射光によって表される全体画像のうちの各画素ごとに光がＣＣＤ７０によって電気信号に変換されてＣＣＤ７０から出力される信号出力タイミングがタイミングチャートで表されている。図２１（ｃ）には、撮像部１４の画像処理モードが前述の間引き画像処理モードと非間引き画像処理モードとに時間的に切り替わるタイミングがタイミングチャートで表されている。

さらに、図２１（ｄ）には、撮像部１４の状態が、待機状態と、撮像および信号取り出しのための作動状態とに時間的に切り替わるタイミングがタイミングチャートで表されている。図２１（ｅ）には、各パターン光を形成するために光変調体２００において各平面的光学素子２６０が割り出されるタイミングがタイミングチャートで表されている。図２１（ｆ）には、フラッシュ２６がＯＦＦ状態とＯＮ状態とに時間的に切り替わるタイミングがタイミングチャートで表されている。図２１（ｇ）には、レリーズボタン４０が非操作状態（ＯＦＦ状態）と操作状態（ＯＮ状態）とに時間的に切り替わるタイミングがタイミングチャートで表されている。

本実施形態においては、被写体Ｓからの入射光によるＣＣＤ７０の露光後に、その露光を反映した信号のＣＣＤ７０からの取り出しが行われる。１回の露光に１回の信号取り出しが対応しており、それら露光と信号取り出しとが互いに共同して１回の個別撮像処理を構成する。

本実施形態においては、同じ被写体Ｓについて３次元形状情報の取得と表面色情報の取得とが連続的に、かつ、それらの順で行われる。

前述のように、被写体Ｓの３次元形状情報を取得するために、その被写体Ｓに８種類のパターン光（パターン番号ＰＮ＝０〜７）が順次投影され、各パターン光の投影ごとに、ＣＣＤ７０の露光とＣＣＤ７０からの信号取り出しとが行われる。すなわち、被写体Ｓの３次元形状情報を取得するために、その被写体Ｓに対する個別撮像処理が順次、合計８回行われるのである。図２１においては、３次元形状情報を取得するための各回の個別撮像処理に対応するパターン光の番号ＰＮが、「０」ないし「７」の数字によって示されている。

被写体Ｓの表面色情報を取得するために、被写体Ｓからの入射光によってＣＣＤ７０が１回露光され、その後に信号取り出しが行われる。すなわち、被写体Ｓの表面色情報を取得するために、被写体Ｓに対する個別撮像処理が１回行われるのである。図２１においては、表面色情報を取得するための１回の個別撮像処理が「ｃ」という記号によって示されている。

３次元形状情報取得のための撮像においては、照明光としてパターン光を被写体Ｓに投影することが必須であるのに対し、表面色情報取得のための撮像においては、照明光を被写体Ｓに投影することが選択的である。具体的には、表面色情報取得のための撮像においては、被写体Ｓからの受光量が不足している場合に、フラッシュ２６が自動的に発光させられ、それにより、被写体Ｓに照明光が投影される。

したがって、本実施形態においては、３次元形状情報取得のための８回の個別撮像処理と、表面色情報取得のための１回の個別撮像処理とが連続的に行われ、合計９回の個別撮像処理が連続的に行われる。本実施形態においては、それら９回の個別撮像処理が互いに共同して１回の全体撮像処理を構成している。

それら９回の個別撮像処理においては、同じ被写体Ｓについて９回の露光が順次行われ、それら９回の露光は、例えば、ビデオレートと同じ速度で同一周期で行われる。それら９回の露光が連続的に行われる期間は、被写体Ｓと３次元入力装置１０との相対位置が変化するとその影響がＣＣＤ７０の撮像結果に現れる期間である。この期間は、３次元入力装置１０の撮像時間である。この撮像時間が短いほど、３次元入力装置１０の動画撮像能力が高いことを意味する。

図２１に示す一作動例においては、３次元形状情報取得のための８回の個別撮像処理における信号取り出しがいずれも、間引き画像処理として実行される。したがって、３次元形状情報取得のための各回の個別撮像処理においては、ＣＣＤ７０の露光に後続し、必要な信号取り出し時間ｔ１の経過後、ＣＣＤ７０から電気信号が出力される。信号取り出し時間ｔ１は、１フレーム取り出し時間ともいい、各パターン光の投影ごとに、ＣＣＤ７０の露光が終了してから、３次元形状情報が１フレーム分、ＣＣＤ７０から出力されるまでに必要な３次元形状情報出力時間を意味する。

これに対し、図２１に示す一例においては、表面色情報取得のための１回の個別撮像処理における信号取り出しが、非間引き画像処理として実行される。したがって、表面色情報取得のための１回の個別撮像処理については、ＣＣＤ７０の露光に後続し、必要な信号取り出し時間ｔ２の経過後、ＣＣＤ７０から電気信号が出力される。信号取り出し時間ｔ２は、１フレーム取り出し時間ともいい、ＣＣＤ７０の露光が終了してから、表面色状情報が１フレーム分、ＣＣＤ７０から出力されるまでに必要な表面色情報出力時間を意味する。

間引き画像処理に必要な信号取り出し時間ｔ１は、非間引き画像処理に必要な信号取り出し時間ｔ２より短い。例えば、信号取り出し時間ｔ１は、約３３ｍｓであるのに対し、信号取り出し時間ｔ２は、約０．５ｓである。

図２１（ａ）および（ｂ）に示すように、１回の個別撮像処理においては、露光が終了した後に信号取り出しが開始されるが、次回の個別撮像処理における露光は、前回の個別撮像処理における信号取り出しが終了する前に開始される。すなわち、ある回の個別撮像処理における信号取り出しと次回の個別撮像処理における露光とが時間的に部分的にオーバラップするように行われるのである。ただし、ある回の個別撮像処理における信号取り出しは、次回の個別撮像処理における露光が終了する前に終了する。

したがって、本実施形態においては、図２１（ｂ）に示すように、３次元形状情報取得のための８回の信号取り出しが時間的に隙間なく連続的に行われる。

各回の信号取り出しは、それが間引き画像処理として実行される場合には、約３３ｍｓで終了する。したがって、８回の信号取り出しは約０．２６ｓで終了する。よって、図２１に示す撮像時間（全体撮像時間）のうち３次元形状情報取得のための撮像に必要な部分（以下、「部分撮像時間」という。）の長さは、信号取り出し時間の長さの合計値によって支配されるため、約０．２６ｓの程度の長さで済む。

これに対し、各回の信号取り出しは、それを非間引き画像処理として実行すると、約０．５ｓも必要である。そのため、８回の信号取り出しに約５ｓも必要となり、よって、それに対応する部分撮像時間もその程度の長さが必要となる。

このように、ＣＣＤ７０からの信号取り出しを間引き画像処理として実行する場合には、撮像時間が短縮され、その結果、被写体Ｓの動きや３次元入力装置１０の手振れにもかかわらず、被写体Ｓの３次元形状を高精度で計測できる。

さらに、図２１に示すように、本実施形態においては、３次元形状情報取得のための２回目ないし８回目の露光のそれぞれと、表面色情報取得のための露光とが、それぞれ、先行する直前の露光に対応する信号取り出しの終了を待つことなく、開始される。先行する露光に対応する信号取り出しと、後続する露光とが互いに並行して行われるのであり、これにより、９回の信号取出しが時間的に隙間なく連続的に行われる。したがって、図２１に示す撮像時間、すなわち、３次元形状情報取得のための撮像と表面色情報取得のための撮像との双方を連続的に行うのに必要な時間が短縮される。

具体的には、各回の信号取り出しは、それが間引き画像処理として実行される場合には、約３３ｍｓで終了するため、９回の信号取り出しは約０．３ｓで終了し、よって、それに対応する全体撮像時間もその程度の長さで済む。

仮に、表面色情報取得のための１回の個別撮像処理すなわち表面色計測撮像処理（信号取り出しが非間引き画像処理として実行される。）を先に、３次元形状情報取得のための８回の個別撮像処理すなわち３次元計測撮像処理（信号取り出しが間引き画像処理として実行される。）を後に実行した場合には、先行する表面色計測撮像処理における信号取出しがほとんど終了するまで、３次元形状情報取得のための初回の露光を待たせなければならない。その待ち時間は、信号取り出し時間ｔ２の長さにほぼ等しく、約０．５ｓである。

この場合には、表面色情報取得のための露光と、３次元形状情報取得のための初回の露光との間にやや長い時間間隔が存在し、図２１に示す全体撮像時間が長くなる。一方、測定ヘッドＭＨと被写体Ｓとの間の相対変位が存在しないかないしは十分に小さい場合には、その全体撮像時間がやや長いことは問題にならない。これに対し、測定ヘッドＭＨと被写体Ｓとの間の相対変位が大きい場合には、その全体撮像時間が長いと、表面色情報と３次元形状情報とが画素の位置に関して互いに十分に正確にマッチングしなくなってしまう。すなわち、テクスチャマッピング精度が低下してしまうのである。

これに対し、本実施形態においては、図２１に示すように、３次元形状情報取得のための８回の個別撮像処理が先に、表面色情報取得のための１回の個別撮像処理が後に行われる。その結果、先行する３次元形状情報取得のための８回目の露光と、後続する表面色情報取得のための露光とを、先行する３次元形状情報取得のための８回の露光が行われる周期と同じ周期で連続して行うことが可能となる。よって、本実施形態によれば、全体撮像時間を、約０．３ｓ程度にまで短縮することが可能となる。

したがって、本実施形態によれば、３次元形状情報取得のための露光と表面色情報取得のための露光とを十分に短い時間間隔で連続して行うことが可能となり、その結果、測定ヘッドＭＨと被写体Ｓの間の相対変位の有無やその程度の大小にかかわらず、高いテクスチャマッッピング精度が実現される。

よって、本実施形態によれば、３次元形状情報取得のためのＣＣＤ７０からの信号取り出しを間引き画像処理モードで実行する場合（ユーザがＦＡＳＴモードを選択する場合）には、高いテクスチャ解像度すなわち表面色計測精度を確保しつつ、高いテクスチャマッピング精度で動画を撮像するのに適した３次元入力装置１０が提供される。

さらに、本実施形態においては、ユーザが、３次元形状情報を取得するための画像処理モードを、間引き画像処理モードすなわちＦＡＳＴモードと、非間引き画像処理モードすなわちＳＬＯＷモードとに適宜変更することが可能である。テクスチャマッピング精度の低下が懸念される環境において、ユーザがＦＡＳＴモードを選択すれば、そのような環境にもかかわらず、テクスチャマッピング精度が低下せずに済む。一方、テクスチャマッピング精度の低下が懸念されない環境において、ユーザがＳＬＯＷモードを選択すれば、高いテクスチャマッピング精度のみならず高い３次元形状計測精度も実現される。

このように、本実施形態によれば、３次元入力装置１０の使用環境や３次元形状計測精度とテクスチャマッピング精度とのそれぞれに対するユーザの要望に応じて、３次元入力装置１０の設定をユーザが任意に変更することができ、よって、３次元入力装置１０の使い勝手が向上する。

ここで、図２２を参照することにより、図１８におけるＳ１２２０を詳述する。図２２には、そのＳ１２２０が３次元計測処理サブルーチンとしてフローチャートで概念的に表されている。

この３次元計測処理サブルーチンにおいては、まず、Ｓ４００１において、輝度画像生成プログラム４０４ｃの実行により、輝度画像が生成される。

このＳ４００１においては、輝度値が、ＹＣｂＣｒ空間におけるＹ値として定義されており、各画素のＲＧＢ値より、

Ｙ＝０．２９８９・Ｒ＋０．５８６６・Ｇ＋０．１１４５・Ｂ

なる式を用いて計算される。各画素についてＹ値を求めることにより、複数枚のパターン光有画像にそれぞれ対応複数枚の輝度画像が生成される。それら生成された輝度画像は、パターン番号ＰＮに関連付けて輝度画像格納部４０６ｃに格納される。ただし、輝度値の算出に用いられる式は、上記式に限定されるものではなく、他の式に適宜変更することが可能である。

次に、Ｓ４００２において、コード画像生成プログラム４０４ｄが実行される。このコード画像生成プログラム４０４ｄが実行されると、生成された複数枚の輝度画像が前述の空間コード化法を利用して組み合わされることにより、各画素ごとに空間コードが割り当てられたコード画像が生成される。そのコード画像は、輝度画像格納部４０６ｃに格納された複数種類のパターン光有画像に関する輝度画像と、各画素ごとに輝度閾値が割り当てられた閾値画像との比較による２値化処理によって生成される。その生成されたコード画像はコード画像格納部４０６ｄに格納される。

図２２には、このコード画像生成プログラム４０４ｄの詳細がフローチャートで概念的に表されている。このコード画像生成プログラム４０４ｄにおいて採用されている技術は、本出願人の特願２００４−２８５７３６号明細書に詳細に記載されているため、その特許出願を参照することにより、その特許出願の内容を本明細書に合体させる。

以下、このコード画像生成プログラム４０４ｄを時系列的に説明するが、それに先立ち、原理的に説明する。

本実施形態においては、同じ被写体Ｓ（３次元対象物）につき、複数種類のパターン光のもとにそれぞれ複数枚の輝度画像が生成される。それらパターン光はいずれも、明部、すなわち、幅を有する明るいパターンラインと、暗部、すなわち、幅を有する暗いパターンラインとが交互に一定の周期で繰り返すように形成される。それらパターン光は、その周期に関して互いに異なっており、それぞれ、パターン番号ＰＮを有するパターン光と称される。それらパターン光のうち最も短い周期を有するパターン光が、パターン番号ＰＮが０であるパターン光であり、最も長い周期を有するパターン光が、パターン番号ＰＮが（ＰＮｍａｘ−１）であるパターン光である。

いずれの輝度画像も、対応するパターン光のもとに取得されるため、明部としての明るいパターンラインと、暗部としての暗いパターンラインとが交互に並んで成るパターン画像として形成される。パターンライン間の間隔すなわち周期は、３次元入力装置１０と被写体Ｓとの間における相対的な幾何学的関係（位置および向きに関する関係）に依存するため、各輝度画像内のすべての位置において一定であるとは限らない。複数種類のパターン光のもとにそれぞれ取得される複数枚の輝度画像は、対応するパターン光のパターン番号ＰＮを用いて特定される。

本実施形態においては、それら複数枚の輝度画像のうちのいずれかが代表パターン画像に選択される。その代表パターン画像の一典型例は、複数種類のパターン光のうちパターンライン周期が最小であるものに対応する輝度画像であり、これは、パターン番号ＰＮが０である輝度画像である。

パターン光が投影された被写体Ｓを撮像した輝度画像においては、輝度値が画素列の方向において空間的にかつ周期的に変化する。その周期的変化を表すグラフにそれの複数個の下ピーク点（最低輝度点）において接する包絡線が存在する。この包絡線は、同じ被写体Ｓを無照射状態で撮像した輝度画像における輝度値、すなわち、被写体Ｓの背景光の輝度値の空間的変化を表している。このような包絡線が存在する輝度画像については、各画素の輝度値を閾値処理によって正確に２値化するためには、閾値を画素位置に応じて変化させることが望ましい。すなわち、輝度画像の実際の輝度値変化をトラッキングすることによって閾値を適応的に変化させることが望ましいのである。

このような知見に基づき、本実施形態においては、輝度画像に対してフィルタ処理を行うことによって閾値を算出するフィルタ窓がローカルに設定され、フィルタ処理されることによりその位置に適した閾値が、輝度画像に対してローカルに設定される。輝度画像のうちのあるローカル位置に窓が設定されれば、輝度画像を構成する複数本のパターンラインのうちその窓内に存在する画素の輝度値が取り出されて参照されることにより、そのあるローカル位置に対応する閾値が設定される。

本実施形態において使用される窓は、方形窓である。この方形窓を採用する場合には、その方形窓内に存在する複数本のパターンラインを構成する画素の輝度値が取り出され、それら輝度値に対して同一の重み係数が用いられて閾値が算出される。その重み係数により、方形窓の窓関数が定義される。

さらに、方形窓を採用する場合には、その方形窓の、パターンラインが延びるライン方向におけるライン方向サイズに応じて、その方形窓内においてライン方向に存在する画素の数を可変とすることができる。一方、その方形窓の、複数本のパターンラインが列を成して並ぶ列方向における列方向サイズに応じて、その方形窓内において列方向に存在するパターンラインの数も画素の数も可変とすることができる。

したがって、方形窓を採用する場合には、その方形窓の列方向サイズにより、輝度画像に窓を設定することによってその輝度画像から算出される閾値が変化することになる。よって、その閾値を適応的に変化させることが必要である場合には、方形窓の列方向サイズを適応的に変化させればよい。

本実施形態においては、方形窓として構成される窓のサイズが、その窓内に存在するパターンラインの数がそれらパターンラインの間隔すなわち周期（例えば、明るいパターンラインが繰り返される周期）の整数倍であるように設定することが望ましい。すなわち、窓内に、明るいパターンラインと暗いパターンラインとが同数ずつ存在するように窓のサイズを設定することが望ましいのである。このように設定すれば、窓内に存在する複数本のパターンラインの輝度値の平均値を算出することにより、望ましい閾値を高精度取得することができる。

しかしながら、同じ輝度画像上であっても、パターンラインの周期は場所によって異なる可能性がある。そのため、窓のサイズを固定した場合には、窓内に存在するパターンラインの数が場所によって変動してしまい、閾値の設定精度が低下してしまう。

本実施形態においては、複数枚の輝度画像のうち、パターンラインの周期が最小であるパターン光のもとに撮像されたもの、すなわち、パターン番号ＰＮが０である輝度画像が代表パターン画像として選択される。さらに、本実施形態においては、その代表パターン画像に対してローカルに設定される窓ＶＷが、それのサイズが可変である可変窓として構成されている。それにより、その可変窓ＶＷのサイズが、代表パターン画像の実際のパターンライン周期に適応して変化させられる。

したがって、本実施形態によれば、代表パターン画像におけるパターンライン周期が列方向位置に応じて変動しても、それに追従するように可変窓ＶＷのサイズが変更され、その結果、パターンライン周期の変動にもかかわらず、可変窓ＶＷ内に存在する明部と暗部のパターンラインの数が一定に維持される。本実施形態においては、代表パターン画像に対して可変窓ＶＷが設定される各ローカル位置ごとに閾値ＴＨが取得される。各ローカル位置ごとの閾値ＴＨは、各ローカル位置に最適なサイズを有する可変窓ＶＷのもとに精度よく取得されることになる。

また、明部と暗部のパターンラインの数が一定に維持されるような可変窓ＶＷのサイズは、パターン番号ＰＮが０である輝度画像において最小となる。したがって、パターン番号ＰＮが０である輝度画像を代表パターン画像として選択することにより、最小の可変窓ＶＷのサイズが可能になり、可変窓ＶＷを用いた後のフィルタ処理の計算負担を抑えることが可能になる。

本実施形態においては、その可変窓ＶＷが、サイズが可変である方形窓として構成されている。その可変窓ＶＷのサイズは、代表パターン画像の列方向には可変であるが、ライン方向には固定であるように設定されている。

本実施形態においては、その可変窓ＶＷのサイズ、すなわち、代表パターン画像の列方向におけるサイズが、その代表パターン画像の実際のパターンライン周期を適応的に反映するように設定される。そのため、可変窓ＶＷのサイズを設定するために、代表パターン画像の実際のパターンライン周期分布が事前に判明していることが必要である。

よって、本実施形態においては、可変窓ＶＷのサイズの設定に先立ち、サイズが固定された固定窓が代表パターン画像に対して設定される。その設定された固定窓によって捕捉される複数個の連続画素が複数個の注目画素として選択され、それら選択された注目画素の輝度値に基づき、代表パターン画像の実際のパターンライン周期分布が取得される。

本実施形態においては、さらに、代表パターン画像における複数個の注目画素の輝度値に対してＦＦＴ(Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）処理が施され、それにより、代表パターン画像の列方向において輝度値変化の周波数成分のそれぞれについて強度（例えば、パワースペクトル）が取得される。ここに、「周波数成分」は、１個の固定窓によって捕捉される複数個の注目画素を列方向に辿った場合に、輝度値の変化が反復される反復回数を意味する。

本実施形態においては、代表パターン画像において列方向に連続的に並んだ複数個の連続画素のそれぞれが順次注目画素に選定され、その選定された各注目画素ごとにパターンライン周期が、代表パターン画像の輝度値分布に基づいて取得される。

以上、このコード画像生成プログラム４０４ｄを原理的に説明したが、以下、図２３を参照することにより、時系列的に説明する。

このコード画像生成プログラム４０４ｄにおいては、まず、Ｓ５００１において、パターン番号ＰＮが０であるパターン光が投影された被写体Ｓが撮像された輝度画像が輝度画像格納部４０６ｃから、代表パターン画像として読み込まれる。

次に、Ｓ５００２において、その代表パターン画像につき、前記読み込まれた輝度画像に基づき、前述のＦＦＴ変換によるアプローチにより、代表パターン画像において列方向に連続的に並んだ各画素ごとにパターンライン周期が演算される。演算された複数個のパターンライン周期は各画素（各列方向画素位置）に関連付けて周期分布格納部４０６ｐに格納される。

続いて、Ｓ５００３において、演算された複数個のパターンライン周期に基づき、可変窓ＶＷの特性がローカルに設定される。本実施形態においては、可変窓ＶＷのライン方向サイズは、その可変窓ＶＷが設定される代表パターン画像上の位置にかかわらず、変化しないように設定されるのに対し、可変窓ＶＷの列方向サイズは、各列方向画素位置に関連付けて演算されたパターンライン周期の整数倍に相当するように設定される。

その後、Ｓ５００４において、代表パターン画像に対して可変窓ＶＷが、ライン方向と列方向とに沿って平面的に、かつ、各画素に関連付けて設定される。それにより、各画素ごとに、可変窓ＶＷ内に存在する複数個の画素の輝度値の平均値がローカルな閾値として演算される。このＳ５００４においては、さらに、演算された閾値が各画素に割り当てられた閾値画像が生成される。生成された閾値画像は閾値画像格納部４０６ｑに格納される。

続いて、Ｓ５００５において、パターン番号ＰＮが０に初期化され、その後、Ｓ５００６において、パターン番号ＰＮの現在値が最大値ＰＮｍａｘより小さいか否かが判定される。今回は、パターン番号ＰＮの現在値が０であるため、判定がＮＯとなり、Ｓ５００７に移行する。

このＳ５００７においては、パターン番号ＰＮの現在値と等しいパターン番号ＰＮが割り当てられた輝度画像の輝度値と、前記生成された閾値画像の閾値とが、各画素ごとに互いに比較される。その比較結果は、各画素ごとに２値化画像に反映される。具体的には、輝度画像の輝度値が閾値より大きい場合には、「１」を表すデータが、２値化画像のうち対応する画素位置に関連付けて２値化画像格納部４０６ｒに格納され、一方、輝度画像の輝度値が閾値より大きくはない場合には、「０」を表すデータが、２値化画像のうち対応する画素位置に関連付けて２値化画像格納部４０６ｒに格納される。

その後、Ｓ５００８において、パターン番号ＰＮが１だけインクリメントされる。続いて、Ｓ５００６に戻り、パターン番号ＰＮの現在値が最大値ＰＮｍａｘより小さいか否かが判定される。今回も、最大値ＰＮｍａｘより小さい場合には、判定がＮＯとなり、Ｓ５００７に移行する。

Ｓ５００６ないしＳ５００８の実行がパターン光の種類の数と同数回繰り返された結果、パターン番号ＰＮの現在値が最大値ＰＮｍａｘより小さくはない値になると、Ｓ５００６の判定がＹＥＳとなり、Ｓ５００９に移行する。

このＳ５００９においては、各画素ごとに、最大値ＰＮｍａｘと同数枚の２値化画像から画素値（「１」または「０」）が、パターン番号ＰＮが０である輝度画像に対応する２値化画像から、パターン番号ＰＮが（ＰＮｍａｘ−１）である輝度画像に対応する２値化画像に至る順序に従って抽出され、最下位ビットＬＳＭから最上位ビットＭＳＢに至る順序に従って並んだ空間コードが生成される。各画素ごとの空間コードのビット数は、最大値ＰＮｍａｘと同数である。各画素ごとに空間コードが生成されることにより、今回の被写体Ｓに対応する空間コード画像が生成される。生成された空間コードは、各画素位置に関連付けて空間コード格納部１１６ｄに格納される。例えば、最大値ＰＮｍａｘが８である場合には、生成される空間コードは０から２５５までの範囲内の値を有する。

以上で、このコード画像生成プログラム４０４ｄの一回の実行が終了する。

その後、図２２におけるＳ４００３において、コード境界抽出プログラム４０４ｅの実行により、コード境界座標検出処理が実施される。前述の空間コード化法によるコード化は、各画素単位で行われるため、実際のパターン光における明暗の境界線と、前記生成されたコード画像における空間コードの境界線（ある空間コードが割り当てられた領域と別の空間コードが割り当てられた領域との間の境界線）との間にサブピクセル精度の誤差が生ずる。そのため、このコード境界座標検出処理は、空間コードの境界座標値をサブピクセル精度で検出することを目的として実施される。

例えば、各パターン光のライン方向と交差する離散的な基準線の位置をＣＣＤ座標系において２５５本設定すると、最大値ＰＮｍａｘが８（空間コードを２５６有するため、境界は２５５）である場合には、図２２におけるＳ４００３（コード境界抽出プログラム４０４ｅの実行）により、最大約６万５千の空間コードの境界座標値が検出される。

検出されたコード境界座標値はコード境界座標格納部４０６ｅに格納される。コード境界座標値は、ＣＣＤ７０の結像面に設定された２次元座標系であるＣＣＤ座標系ｃｃｄｘ−ｃｃｄｙにおいて定義される。

続いて、Ｓ４００４において、レンズ収差補正プログラム４０４ｆの実行により、レンズ収差補正処理が実施される。このレンズ収差補正処理は、撮像光学系３０に入射した光束の実際の結像位置であってその撮像光学系３０の収差の影響を受けたものを、その撮像光学系３０が理想レンズであったならば結像されるはずである理想結像位置に近づくように補正する処理である。

このレンズ収差補正処理により、Ｓ４００３において検出されたコード境界座標値が、撮像光学系３０の歪みなどに起因した誤差が除去されるように補正される。そのようにして補正されたコード境界座標は収差補正座標格納部４０６ｇに格納される。

それらコード境界座標検出処理およびレンズ収差補正処理はいずれも、本発明を理解するために不可欠な事項ではなく、しかも、本出願人の特願２００４−１０５４２６号明細書に詳細に開示されているため、それを参照することによって本明細書に合体させることにより、本明細書においては詳細な説明を省略する。

その後、Ｓ４００５において、三角測量演算プログラム４０４ｇの実行により、三角測量の原理による実空間変換処理が実施される。この実空間変換処理が実施されれば、三角測量の原理により、前述の、ＣＣＤ座標系ｃｃｄｘ−ｃｃｄｙ上のコード境界座標値であって収差補正が施されたものが、実空間に設定された３次元座標系である実空間座標系Ｘ−Ｙ−Ｚ上の３次元座標値に変換され、その結果、３次元色形状検出結果としての３次元座標値が取得される。その取得された３次元座標値は、対応する部分画像の回転位相ＰＨに関連付けて、３次元座標格納部４０６ｈに格納される。

このＳ４００５においては、被写体Ｓの３次元形状を複数個の３次元頂点の集まりとして空間離散的に計測するために、２次元的なコード画像が、各パターン光のライン方向と交差する離散的な複数本の基準線に関して空間離散的に参照される。これにより、そのコード画像の外周境界上の複数個の離散点にそれぞれ対応する複数個の３次元頂点が取得されるのみならず、そのコード画像の内部の複数個の離散点（Ｓ４００３において検出されたコードの境界座標点）にそれぞれ対応する複数個の３次元頂点が取得される。

ここで、図２４を参照することにより、図１８におけるＳ１２３０を詳述する。図２４には、そのＳ１２３０が３次元色形状検出結果生成サブルーチンとして概念的にフローチャートで表されている。

この３次元色形状検出結果生成サブルーチンにおいては、まず、Ｓ５５０１において、３次元座標格納部４０６ｈから、回転位相ＰＨ０ないし３のそれぞれに関連付けて、複数個の３次元座標値がロードされる。本実施形態においては、被写体Ｓの外面全体が４つの部分面（正面、右側面、左側面および背面）に分割され、各部分面ごとに立体画像が生成される。このＳ５５０１においては、それら４つの部分面のすべてについて、各部分面に属する複数個の３次元座標値が３次元座標格納部４０６ｈからロードされる。

次に、Ｓ５５０２において、それらロードされた複数個の３次元座標値（頂点座標値）に対し、各３次元座標値が属する各部分面の回転位相ＰＨに応じた回転変換が行われ、それにより、４つの部分面に属する複数個の３次元座標値が、各部分面の回転位相ＰＨを見込んで組み合わされる。その結果、複数個の３次元座標値によって３次元的に表現される４つの部分面が一体化されて、被写体Ｓの外面全体を現す画像が合成される。ただし、この段階においては、その合成画像に、測定ヘッドＭＨの分割撮像手法に起因して空間的にオーバラップする部分が存在する。

続いて、Ｓ５５０３において、その生成された合成画像において空間的にオーバラップする部分が抽出される。さらに、その合成画像の長さ方向における各領域においてオーバラップする２つの部分が、それら２部分に属する複数個の３次元座標値の平均化等の手法により、１つの部分に結合される。その結果、合成画像において空間的なオーバラップが除去され、それにより、ステッチ画像が完成する。そのステッチ画像を表すデータがステッチ画像格納部４０６ｓに格納される。

その後、Ｓ６００１において、前述の実空間３次元座標系に座標変換された３次元頂点群の各実座標空間座標値に対応するＲＧＢ値（Ｒ輝度値、Ｇ輝度値およびＢ輝度値）が前述の表面色画像から抽出される。

実空間座標系と、表面色画像を定義する平面座標系との関係は、前述の三角測量計算によって幾何学的に互いに対応付けられている。すなわち、コード画像、すなわち、被写体Ｓの３次元形状を計測するための２次元画像である形状画像を定義する平面座標系を実空間３次元座標系に計算によってマッピングさせるために用いられる関数が存在する場合に、その関数の逆関数を用いることにより、実空間３次元座標系を、表面色画像を定義する平面座標系に計算によってマッピングさせることが可能なのである。したがって、このＳ６００１においては、２次元的な表面色画像から、各３次元頂点ごとに、それに対応する表面色値すなわちＲＧＢ値を抽出することが可能である。

次に、Ｓ６００２において、各頂点ごとに、対応する実空間座標値とＲＧＢ値とが組み合わされて色形状情報が生成される。さらに、その生成された色形状情報が、対応する頂点に直接にまたは間接に関連付けてワーキングエリア４１０にローカル保存される。

続いて、Ｓ６００３において、被写体Ｓの表面形状を複数個のポリゴンの一例である三角形に分割することによって近似的に表現するために、その被写体Ｓについて取得された複数個の頂点のうち、距離的に互いに近接する複数個の頂点が３個ずつ、グループ分けされる。各グループごとに、３個の頂点が互いに連結されることにより、１個のポリゴンが形成される。

その後、Ｓ６００４において、各ポリゴンごとに、そのポリゴンを形成するために互いに連結すべき３個の頂点の組合せがポリゴン情報として、各ポリゴンに直接にまたは間接に関連付けてワーキングエリア４１０にローカル保存される。また、そのポリゴン情報は、必要に応じ、被写体Ｓの３次元色形状を表す情報として、３次元色形状データ格納部４０６ｔに格納される。

以上で、この３次元色形状検出結果生成サブルーチンの一回の実行が終了し、それに伴い、図１８に示す３次元色形状検出処理ルーチンの一回の実行が終了する。

本実施形態においては、ユーザがホルダＨＤを格納状態から、ヘッドベース１３０とテーブルベース１３２とが同一平面にあるように展開すると、測定ヘッドＭＨに対する回転テーブル１８４の相対位置が自動的にかつ一義的に決まる。その相対位置は、例えば、測定ヘッドＭＨからの距離と、その測定ヘッドＭＨの光軸に対する角度とによって規定される。

本実施形態においては、ホルダＨＤを構成する４枚の板状部材間の距離が、そのホルダＨＤの姿勢の変化に依存しないし、それら４枚の板状部材間の角度も、ホルダＨＤの姿勢の変化に依存しない。

したがって、本実施形態によれば、ホルダＨＤを格納状態から展開したときに自動的に位置決めされる回転テーブル１８４の、測定ヘッドＭＨに対する相対位置が常に同じものとして再現される。よって、本実施形態によれば、ユーザは、そのようにして同じ展開位置が再現される回転テーブル１８４に被写体Ｓを載置するだけで、測定ヘッドＭＨに対する被写体Ｓの位置決めが自動的に行われる。

その結果、本実施形態によれば、ユーザが回転テーブル１８４に被写体Ｓを載置する限り、その被写体Ｓの、測定ヘッドＭＨに対する相対位置の変化可能領域が縮小し、それにより、その変化可能領域の広さを見込んで測定ヘッドＭＨが撮像しなければならない領域（撮像可能領域）も縮小する。

よって、本実施形態によれば、被写体Ｓを配置する際の空間的自由度が高い前述の従来例に比較し、被写体Ｓの撮像および測定のために測定ヘッドＭＨに課されるべき負担を軽減することが容易となる。

被写体Ｓの撮像および測定のために測定ヘッドＭＨに課されるべき負担が軽減される理由はその他にも存在する。その一例を説明するに、回転テーブル１８４を用いた、被写体Ｓの４面方向（ＰＮ＝０〜３）からの３次元形状測定において、その回転テーブル１８４の回転中心軸の座標を推定するための処理が高効率化される。

具体的に説明するに、本実施形態においては、被写体Ｓが配置される回転テーブル１８４の回転中心軸の、測定ヘッドＭＨに対する空間座標値が既知である。したがって、４面各々についての３次元形状測定結果である各３次元座標値（図２３におけるＳ４００５において演算される。）に対して、前記回転中心軸を中心に空間回転演算処理を行うことにより、被写体Ｓの形状および色を表すポリゴンサーフェスおよびテクスチャのステッチ処理（結合処理）が行われ、ひいては、最終的な出力である、被写体Ｓの全周の３次元色形状検出結果が生成される（図１８におけるＳ１２３０）。その結果、被写体Ｓの全周の形状および色が、位置のずれなく、正しく結合されることになる。

この３次元入力装置１０においては、ホルダＨＤが格納状態から展開されると、回転テーブル１８４が自動的に位置決めされ、その際、その回転テーブル１８４の、測定ヘッドＭＨに対する相対位置が、位置決めごとに、同じものとして再現される。したがって、この３次元入力装置１０によれば、回転テーブル１８４が自動的に位置決めされるごとに、その回転テーブル１８４の回転中心軸の、測定ヘッドＭＨに対する相対位置も、同じものとして再現される。

よって、この３次元入力装置１０によれば、被写体Ｓの３次元測定のために、回転テーブル１８４の回転中心軸の検出または推定を完全にないしは部分的に省略可能となる。

回転テーブル１８４の回転中心軸の推定を行うにしても、その推定が行われるべき空間領域の大きさを、展開時におけるホルダＨＤの各ジョイント（各ヒンジ部）１４０，１４２，１４４に存在するクリアランス（がた）に起因する回転中心軸の位置変動を考慮して決定すれば足り、よって、その空間領域が小さくて済む。

いずれにしても、本実施形態によれば、同じ被写体Ｓにつき、各面ごとに独立して測定された複数の形状および色を正しく結合するために行われる回転中心軸推定処理の負担を軽減することが容易となる。ここに、「回転中心軸推定処理」の一例としては、被写体Ｓの全周について離散的に測定された複数の色形状間の位置ずれが実質的に最小となるように、回転中心軸の座標を推定する手法を採用することが可能である。

被写体Ｓの撮像および測定のために測定ヘッドＭＨに課されるべき負担が軽減される別の理由を説明するに、ホルダＨＤが展開されるごとに、回転テーブル１８４が常に同じ正規位置（測定ヘッドＭＨからの距離および角度）に自動的に位置決めされるため、被写体Ｓが常に撮像視野の中心に位置するという効果、焦点調節を簡略化することができるという効果等が得られ、それら効果により、被写体Ｓの撮像および測定のために測定ヘッドＭＨに課されるべき負担が軽減される。

さらに、ホルダＨＤが展開されるごとに、回転テーブル１８４が常に同じ正規位置（測定ヘッドＭＨからの距離および角度）に自動的に位置決めされるため、測定ヘッドＭの撮像可能領域いっぱいに配置された被写体Ｓを、撮像視野内で画面全体にできる限り大きく撮像することが容易となる。その結果、被写体Ｓの３次元入力精度を向上させることが容易となり、このことによっても、被写体Ｓの撮像および測定のために測定ヘッドＭＨに課されるべき負担が軽減される可能性がある。

さらに、本実施形態によれば、それ自体幾何学的な再現性を有して変形可能なホルダＨＤにより、回転テーブルユニットＲＴと測定ヘッドＭＨとが物理的に互いに関連付けられる。したがって、本実施形態によれば、ユーザが、ホルダＨＤの変形によって回転テーブルユニットＲＴを測定ヘッドＭＨに格納する作業が単純化されるとともに、ユーザが、特別の配慮なしで、回転テーブルユニットＲＴを測定ヘッドＭＨにコンパクトに格納することが可能となる。

以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、投影部１２が前記（１）項に係る「投影装置」の一例を構成し、光源部６８が同項における「光源」の一例を構成し、光変調体２００が同項における「光変調体」の一例を構成し、投影光学系３２が同項における「光学系」の一例を構成しているのである。

さらに、本実施形態においては、光変調体２００が前記（３）項における「透過型の光変調体」の一例を構成し、光直進部３１０が前記（５）項における「光直進部」の一例を構成し、光偏向部３１２が同項における「光偏向部」の一例を構成しているのである。

さらに、本実施形態においては、投影部１２が前記（１２）項に係る「投影装置」の一例を構成し、光源部６８が同項における「電磁波源」の一例を構成し、光変調体２００が同項における「電磁波変調体」の一例を構成し、投影光学系３２が同項における「選択部」の一例を構成しているのである。

なお付言するに、本実施形態においては、光変調体２００が、空間に関して非選択的に光透過を行う形式とされているが、例えば、空間に関して非選択的に光反射を行う形式の光変調体に変更して本発明を実施することが可能である。

さらに付言するに、本実施形態においては、光変調体２００が、入射光の偏向を行わない光直進部３１０と、入射光の偏向を行う光偏向部３１２とを含むように構成されている。これに対し、この光変調体２００を、例えば、いずれも入射光の偏向を行う小偏向部と大偏向部とであって、大偏向部は小偏向部より大きい角度で入射光を偏向するものを含む光変調体に置換して本発明を実施することが可能である。

さらに付言するに、本実施形態においては、複数種類のパターン光が選択的に物体に投影されるが、固定パターン光を物体に投影することによってその物体の３次元形状を入力する３次元入力装置に本発明を適用することが可能である。この場合、入射光に対して位置が固定された光変調体における所定の部分が、入射光を通過光成分と非通過光成分とに分割する作用を有することになる。その結果、前述の実施形態と同様にして、この３次元入力装置を、その入力精度を確保しつつ、安価に製造することが容易となる。

以上、本発明の実施の形態のうちのいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、前記［発明の開示］の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。

本発明の一実施形態に従う３次元入力装置１０の外観を展開状態において示す斜視図である。図１に示す３次元入力装置１０を部分的に展開状態において示す側面図および背面図である。図１における測定ヘッドＭＨとヘッドベース１３０との取付構造を説明するための部分断面背面図である。図１における回転テーブルユニットＲＴを示す背面断面図である。図１に示す３次元入力装置１０を格納状態において示す斜視図およびその３次元入力装置１０が外箱ＯＣ内に収納される様子を説明するための斜視図である。図１における測定ヘッドＭＨの内部構成を示す平面断面図である。図１における投影部１２を拡大して示す平面図である。図１に示す３次元入力装置１０の電気的構成を概念的に表すブロック図である。図６における投影機構６６を示す正面図である。図９に示す投影機構６６の要部を示す部分断面平面図である。図９における回転角度調節機構２７０を部分的に拡大して示す正面図である。図９における光変調体２００を拡大して示す正面図である。図１２に示す光変調体２００における一対の光直進部３１０と光偏向部３１２とをさらに拡大して示す断面図である。図１３に示す光直進部３１０および光偏向部３１２のそれぞれにおける光偏向作用を原理的に説明するための断面図である。図１３に示す光偏向部３１２に対する複数の変形例をそれぞれ示す複数の断面図である。図８におけるカメラ制御プログラムにおいて実行されるメイン処理を概念的に表すフローチャートである。図１６におけるＳ１０８において実行される立体画像処理を概念的に表すフローチャートである。図１７におけるＳ１００７において実行される３次元色形状検出処理を３次元色形状検出処理ルーチンとして概念的に表すフローチャートである。図１８におけるＳ１２１０を撮像処理プログラム４０４ｂとして概念的に表すフローチャートである。図１９におけるＳ２００７において実行される投影処理を投影処理サブルーチンとして概念的に表すフローチャートである。図１に示す３次元入力装置１０の作動の一例を説明するためのタイミングチャートである。図１８におけるＳ１２２０を３次元計測処理サブルーチンとして概念的に表すフローチャートである。図２２におけるＳ４００２において実行されるコード画像生成プログラム４０４ｄを概念的に表すフローチャートである。図１８におけるＳ１２３０を３次元色形状検出結果生成ルーチンとして概念的に表すフローチャートである。

符号の説明

１０３次元入力装置
１２投影部
１４撮像部
１６処理部
２４鏡筒
３２投影光学系
３４投影レンズ
３６絞り
６６投影機構
６８光源部
１０６入射面
１０８出射面
２００光変調体
２６０平面的光学素子
２６４基板
３１０光直進部
３１２光偏向部

Claims

物体にパターン光を投影する投影装置であって、
光源と、
その光源からの入射光を少なくとも部分的に、角度的または光度分布的に変調して出射する光変調体と、
その光変調体からの出射光の複数の角度成分のうち、予め定められた入射開口に適合する放射角特性を有するものを選択的に通過させる光学系と
を含み、
前記光変調体は、前記入射光に対して、前記光変調体の表面形状に依存した光学的変調を行い、
その光変調体は、表面形状が互いに異なる２つの部分が少なくとも１組、前記光変調体に沿った方向において交互に並ぶように構成され、
前記２つの部分のうちの一方からは、前記入射開口に適合する放射角特性を有する角度成分が、その後に前記光学系を通過する通過光成分として出射する一方、前記２つの部分のうちの他方からは、前記入射開口に適合しない放射角特性を有する角度成分が、その後に前記光学系を通過しない非通過光成分として出射する投影装置。
前記光変調体は、前記入射光と交差する向きに延びる請求項１に記載の投影装置。
前記光変調体は、前記入射光を透過する透過型である請求項１または２に記載の投影装置。
前記光変調体は、前記入射光を反射する反射型である請求項１または２に記載の投影装置。
前記２つの部分のうちの一方は、前記入射光に対して直角な表面を有し、その表面によって前記入射光が変調されずに出射する光直進部であり、
前記２つの部分のうちの他方は、前記入射光に対して傾斜する表面を有し、その表面によって前記入射光が変調されて出射する光変調部であり、
それら光直進部と光変調部とのうちの一方からの出射光が前記通過光成分である一方、他方からの出射光が前記非通過光成分である請求項１ないし４のいずれかに記載の投影装置。
前記２つの部分は、共に、前記入射光に対して傾斜する表面を有し、その表面によって前記入射光が変調されて出射する２つの光変調部であり、
それら２つの光変調部は、前記入射光に対する前記表面の角度が互いに異なり、前記各光変調部からの出射光の放射角特性も互いに異なり、
それら２つの光変調部のうちの一方からの出射光が前記通過光成分である一方、他方からの出射光が前記非通過光成分である請求項１ないし４のいずれかに記載の投影装置。
前記２つの部分のうちの少なくとも一方は、屋根型プリズムとして構成される請求項１ないし６のいずれかに記載の投影装置。
前記２つの部分のうちの少なくとも一方は、それの表面形状として機械的ランダム散乱形状を有する請求項１ないし６のいずれかに記載の投影装置。
前記２つの部分のうちの少なくとも一方は、回折格子として構成される請求項１ないし６のいずれかに記載の投影装置。
前記パターン光は、少なくとも２種類のパターン光を含み、
前記光変調体は、前記入射光に対して相対的に移動させられることにより、前記少なくとも２種類のパターン光を選択的に前記物体に投影する請求項１ないし９のいずれかに記載の投影装置。
前記２つの部分は、ストライプ状を成す請求項１ないし１０のいずれかに記載の投影装置。
物体にパターン電磁波を投影する投影装置であって、
電磁波源と、
その電磁波源からの入射電磁波を少なくとも部分的に、角度的または立体角当たりの電磁パワー放射分布的に変調して出射する電磁波変調体と、
その電磁波変調体からの出射電磁波の複数の角度成分のうち、予め定められた入射開口に適合する放射角特性を有するものを選択的に通過させる選択部と
を含み、
前記電磁波変調体は、前記入射電磁波に対して、前記電磁波変調体の表面形状に依存した電磁波的変調を行い、
その電磁波変調体は、表面形状が互いに異なる２つの部分が少なくとも１組、前記電磁波変調体に沿った方向において交互に並ぶように構成され、
前記２つの部分のうちの一方からは、前記入射開口に適合する放射角特性を有する角度成分が、その後に前記選択部によって選択される選択電磁波成分として出射する一方、前記２つの部分のうちの他方からは、前記入射開口に適合しない放射角特性を有する角度成分が、その後に前記選択部によって選択されない非選択電磁波成分として出射する投影装置。