特許 6247724 計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6247724

(24)【登録日】2017年11月24日

(45)【発行日】2017年12月13日

(54)【発明の名称】計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/25 20060101AFI20171204BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/25 H

【請求項の数】7

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-152283(P2016-152283)

(22)【出願日】2016年8月2日

(62)【分割の表示】特願2011-228273(P2011-228273)の分割

【原出願日】2011年10月17日

(65)【公開番号】特開2016-197127(P2016-197127A)

(43)【公開日】2016年11月24日

【審査請求日】2016年8月2日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100076428

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康徳

(74)【代理人】

【識別番号】100112508

【弁理士】

【氏名又は名称】高柳 司郎

(74)【代理人】

【識別番号】100115071

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康弘

(74)【代理人】

【識別番号】100116894

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 秀二

(74)【代理人】

【識別番号】100130409

【弁理士】

【氏名又は名称】下山 治

(74)【代理人】

【識別番号】100134175

【弁理士】

【氏名又は名称】永川 行光

(72)【発明者】

【氏名】東原 正和

【審査官】 櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０３−１２８４０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１４５１３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２８７４０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１９１２８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／００１７７２０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

物体に明部と暗部とを含むパターンを投影する投影手段と、
前記投影手段によりパターンが投影されている間に前記物体を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像から前記パターンの明部と暗部の境界を示すエッジ位置を検出する検出手段と、
前記検出されたエッジ位置に基づいて、前記物体の三次元形状を計測する計測手段とを備え、
前記撮像手段の焦点位置は、前記撮像手段からみて、前記投影手段の投影範囲の中心位置を通る軸と前記撮像手段の撮像範囲の中心位置を通る軸とに基づいて決定される位置を含む計測基準面よりも奥に設定されており、
前記投影手段の焦点位置は、前記計測基準面に設定されており、
前記画像における前記明部と前記暗部の間のコントラスト値は、前記計測基準面よりも奥の領域において最大値をもつことを特徴とする計測装置。

【請求項2】

前記投影手段からみて、前記投影手段の投影範囲の中心位置を通る軸と前記撮像手段の撮像範囲の中心位置を通る軸とに基づいて決定される位置は、前記投影手段の投影範囲の中心位置を通る軸と前記撮像手段の撮像範囲の中心位置を通る軸との交点位置であることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。

【請求項3】

前記計測手段は、空間符号化法により前記物体の三次元形状を計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。

【請求項4】

前記計測手段は、位相シフト法により前記物体の三次元形状を計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。

【請求項5】

前記投影手段の焦点位置は、固定されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の計測装置。

【請求項6】

前記撮像手段の撮像素子は一つであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の計測装置。

【請求項7】

物体に明部と暗部とを含むパターンを投影する投影手段と、
前記投影手段によりパターンが投影されている間に前記物体を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像から前記パターンの明部と暗部の境界を示すエッジ位置を検出する検出手段と、
前記検出されたエッジ位置に基づいて、前記物体の三次元形状を計測する計測手段とを備え、
前記撮像手段の焦点位置は、前記撮像手段からみて、前記投影手段の投影範囲の中心位置を通る軸と前記撮像手段の撮像範囲の中心位置を通る軸とに基づいて決定される位置を含む計測基準面よりも奥に設定されており、
前記投影手段の焦点位置は、前記計測基準面に設定されており、
前記投影手段からみて、前記投影手段の投影範囲の中心位置を通る軸と前記撮像手段の撮像範囲の中心位置を通る軸とに基づいて決定される位置は、前記投影手段の投影範囲の中心位置を通る軸と前記撮像手段の撮像範囲の中心位置を通る軸との交点位置であることを特徴とする計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、計測装置、計測装置の制御方法、およびプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

三次元形状計測装置で用いられる三次元形状計測法として、いくつかの手法が提案されている。投影装置を用いずに撮影装置だけで形状計測を行うパッシプ方式と、投影装置と撮影装置とを組み合わせて用いるアクティブ方式と、が知られている。アクティブ方式では、投影された対象物を撮影した画像から対象物の三次元形状を計測する。対象物は三次元形状を有していることから、三次元形状計測装置には、奥行方向に関しても形状計測に必要な精度を満たすことが求められる。

【0003】

このような、アクティブ方式の三次元形状計測装置の例として、特許文献１および特許文献２が開示されている。特許文献１では、スリット状の投影を対象物に照射して、積算照射強度分布が三角波状になるように光源を制御し、位相シフト法の原理を用いて三次元形状計測を行う技術が開示されている。特許文献２では、デジタル階調値の投影パターンをデフォーカスさせることで、正弦波パターンにし、特許文献１と同様に位相シフト法の原理を用いて三次元形状計測を行う技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１１−１１８４４３号公報

【特許文献2】特開２００７−８５８６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載の三次元形状計測装置では、計測基準面の上にある対象物の奥行方向の全域において、必要な精度を満たすことが難しい。また、特許文献２に記載の三次元形状計測装置でも、同様に、対象物の奥行方向の全域において必要な精度を満たすことが難しい。なぜならば、対象物を撮影した画像は、撮影光学系のフォーカス面からのデフォーカスに伴いコントラストが悪化し、コントラストが悪化した画像から算出された三次元形状の精度は悪化するからである。

【0006】

具体的には、特許文献１のように、計測基準面が撮影光学系のフォーカス面である場合、計測基準面に置かれた対象物は、計測基準面から離れるほど撮影画像のコントラストが低下し、計測精度が悪化する。そのため、計測基準面での対象物の計測精度に対して、撮影装置に最も近い面での計測精度の悪化が大きく、奥行方向の全域において必要な精度を満たすことが難しいという課題がある。

【0007】

また特許文献２のように、投影パターンのフォーカス面が、対象物が存在する領域の外にある場合、投影パターンのコントラストは、投影パターンのフォーカス面に近い対象物の面から遠い面に向かって低下する。それに伴い撮影画像のコントラストが低下するため、計測精度が悪化し、特許文献１と同様に奥行方向の全域において必要な精度を満たすことが難しいという課題がある。

【0008】

上記の課題に鑑み、本発明は、奥行方向に対する計測精度の低下を抑制し、計測空間全域において良好な計測精度を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の目的を達成する本発明に係る計測装置は、
物体に明部と暗部とを含むパターンを投影する投影手段と、
前記投影手段によりパターンが投影されている間に前記物体を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像から前記パターンの明部と暗部の境界を示すエッジ位置を検出する検出手段と、
前記検出されたエッジ位置に基づいて、前記物体の三次元形状を計測する計測手段とを備え、
前記撮像手段の焦点位置は、前記撮像手段からみて、前記投影手段の投影範囲の中心位置を通る軸と前記撮像手段の撮像範囲の中心位置を通る軸とに基づいて決定される位置を含む計測基準面よりも奥に設定されており、
前記投影手段の焦点位置は、前記計測基準面に設定されており、
前記画像における前記明部と前記暗部の間のコントラスト値は、前記計測基準面よりも奥の領域において最大値をもつことを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、奥行方向に対する計測精度の低下を抑制し、計測空間全域において良好な計測精度を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態に係る三次元形状計測装置の構成図。

【図2】第１実施形態に係る計測基準面及び計測空間を示す図。

【図3】第１実施形態に係る投影パターンを示す図。

【図4】第１実施形態に係る光学系の模式図。

【図5】第１実施形態に係る光学系の模式図。

【図6】第２実施形態に係る三次元形状計測装置の構成図。

【図7】第２実施形態に係る計測基準面及び計測空間を示す図。

【図8】第２実施形態に係る光学系の模式図。

【図9】第２実施形態に係る光学系の模式図。

【図10】第３実施形態に係る三次元形状計測装置の構成図。

【図11】第３実施形態に係る計測基準面及び計測空間を示す図。

【図12】第３実施形態に係る光学系の模式図。

【図13】第１実施形態に係る撮影距離とコントラストとの関係、または、撮影距離と撮影画像の明るさとの関係を示す図。

【図14】第１実施形態に係る撮影距離と計測誤差との関係を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（第１実施形態）
図１を参照して、第１実施形態に係る三次元形状計測装置の構成を説明する。三次元形状計測装置は、投影部１０１と、撮影部１０２と、制御部１０３とを備える。

【0013】

投影部１０１は、パターン光を対象物１０４へ投影する投影動作を実行するプロジェクタである。投影部１０１は、投影範囲１０５で示される空間へ投影可能である。投影部１０１は、会議室等で上方投影用に使用されるプロジェクタと同様に、投影軸と投影画像中心とが一致していないものとする。ここで、投影軸とは投影中心に向かう光軸である。

【0014】

撮影部１０２は、パターン光が投影された対象物１０４を撮影するカメラである。撮影部１０２は、撮影範囲１０６で示される空間を撮影可能である。制御部１０３は、例えばパーソナル・コンピュータであり、投影部１０１および撮影部１０２の動作を制御する。制御部１０３は、対象物１０４の三次元形状を計測する処理も実行する。

【0015】

次に、図２を参照して、第１実施形態に係る計測基準面及び計測空間を説明する。光軸１０７は、投影部１０１から投影画像中心へ向かう光軸であり、投影軸と一致していない。光軸１０８は、撮影部１０２の光軸（撮影中心へ向かう撮影軸）である。計測基準面１０９は、光軸１０７と光軸１０８とが交差する点を含む面である。計測空間１１０は、投影範囲１０５と撮影範囲１０６との両方に含まれ、当該投影範囲１０５と撮影範囲１０６とにより規定される空間である。本実施形態では、計測基準面１０９は、計測空間中に含まれ、撮影部１０２から観察した場合に計測空間１１０の奥行方向距離を二等分するように配置されている。計測面１１６は、計測空間１１０の中で、投影部１０１および撮影部１０２から最も近い計測面である。計測面１１７は、計測空間１１０の中で、投影部１０１および撮影部１０２から最も遠い計測面である。本実施形態では、計測基準面１０９は、計測空間１１０の内部に設定されているが、必ずしも当該内部に限定されず外部であってもよい。

【0016】

本実施形態に係る三次元形状計測装置は、空間符号化法による形状計測を行う。まず投影部１０１が、図３に示されるような明暗パターン１１１を対象物１０４へ投影する。そして、撮影部１０２は、明暗パターン１１１が投影された対象物１０４を撮影する。制御部１０３は、撮影部１０２により撮影された画像を処理して、対象物１０４の三次元形状を計測する。より具体的には、明暗パターン１１１の明暗のエッジ位置を検出し、エッジ位置に対応する投影部１０１の投影軸と撮影部１０２の撮影軸とのなす角度に基づいて、三角測量の原理で投影部１０１および撮影部１０２から対象物１０４までの距離を算出する。

【0017】

本実施形態では、明暗パターン１１１のエッジ位置の検出方法として、ネガポジ交点検出法を用いる。ネガポジ交点検出法は、投影部１０１が明暗パターン１１１の明暗位置を切り替えたパターンを連続して投影し、撮影部１０２が撮影した画像の強度分布の交点をエッジ位置とする方法である。

【0018】

ネガポジ交点検出法では、一般的に撮影部１０２により撮影される明暗パターンのコントラストが高い方がエッジ位置の検出精度が高いことが知られている。また、撮影部１０２により撮影された画像の明度が高い方が撮影部１０２のＳＮ（信号とノイズとの比）が向上する。そのため、投影部１０１からの投影は明度が高い方がエッジ位置の検出精度が高くなる。

【0019】

本実施形態に係る三次元形状計測装置では、計測空間１１０の全域において必要な精度以上で形状計測する必要がある。しかしながら、撮影部１０２により撮影された画像は、図１３（ａ）に示されるように、フォーカス位置ではコントラストが高いが、フォーカス位置からずれるとコントラストが低下する。また、図１３（ｂ）に示されるように、撮影部１０２からの距離が近いと取込角度が大きくなり画像は明るくなるが、撮影部１０２からの距離が遠いと取込角度が小さくなり画像は暗くなる。

【0020】

そのため、撮影部１０２のフォーカス位置を計測基準面１０９に合わせた場合、計測面１１６では、デフォーカスによりコントラストが低下するが、計測面１１６が撮影部１０２に近いため撮影画像は明るい。一方、計測面１１７では、デフォーカスによりコントラストが低下し、計測面１１７が撮影部１０２から遠いため撮影画像も暗くなる。したがって、撮影距離と計測誤差との関係は、図１４（ａ）に示されるような関係になり、計測面１１６に比べて計測面１１７では計測精度は低下する。

【0021】

そこで本実施形態では、投影部１０１のフォーカス位置を計測基準面１０９に合わせ、撮影部１０２のフォーカス位置を計測基準面１０９よりも撮影部１０２から奥側に合わせる。

【0022】

図４は、投影部１０１のフォーカス位置の様子を示している。レンズ１１２は、投影部１０１の投影光学系を模式的に１枚のレンズとして表したものであり、表示素子１１３は、明暗パターンを表示する。図４に示されるように、投影部１０１のフォーカス位置は、計測基準面１０９に合わせている。

【0023】

一方、図５は、撮影部１０２のフォーカス位置の様子を示している。レンズ１１４は、撮影部１０２の撮影光学系を模式的に１枚のレンズとして表したものであり、撮影素子１１５は、レンズ１１４から入ってきた光を電気信号に変換する。図５に示されるように、撮影部１０２のフォーカス位置は、計測基準面１０９よりも奥側に合わせている。

【0024】

図４および図５に示されるような構成にすることにより、図１３（ｃ）に示されるように、計測面１１６での撮影部１０２のデフォーカスによるコントラスト低下は、計測面１１７でのコントラスト低下よりも大きくなる。したがって、撮影距離と計測誤差との関係は、図１４（ｂ）に示されるような関係になり、撮影部１０２からの距離による撮影画像の明るさの変化と合わせると、計測面１１６の計測精度と計測面１１７の計測精度とは同程度となる。また、撮影部１０２のフォーカス位置が計測基準面１０９よりも奥にあるため、フォーカス位置が計測基準面１０９にある場合に比べて、計測面１１７でのコントラストの低下は小さい。そのため、フォーカス位置が計測基準面１０９にある場合に比べると計測面１１７での計測精度は向上する。すなわち、撮影距離全体に渡って計測誤差が一定の範囲に収まり精度の極端な低下が生じず、全体として一定の計測精度を得ることができる。

【0025】

以上説明したように、撮影部１０２のフォーカス位置を計測基準面１０９よりも奥に設定することにより、計測空間１１０全域において一定の計測精度を得ることができる。撮影部１０２のフォーカス位置を計測基準面１０９に合わせた場合、計測空間１１０全域で本実施形態と同程度の計測精度を得るためには、撮影部１０２の結像性能を上げて撮影画像のコントラストを向上させるか、投影部１０１から投影される光量を上げる必要がある。しかし、本実施形態ではその必要がないため、撮影部１０２の結像性能を必要以上に上げる必要がなく、撮影部１０２を構成するレンズ枚数を削減することができ、全体としてコスト削減につながる。また、投影部１０１の光源の出力を小さくすることで低消費電力化や、光源から発生する熱が少なくなるため冷却系を小さくすることができ、小型化につながる。

【0026】

ここで、計測空間の奥行が大きく、計測面１１６と計測面１１７との距離がより離れている場合、計測面１１６の撮影画像の明るさと計測面１１７の撮影画像の明るさとの差がより大きくなるため、撮影部１０２のフォーカス位置を計測面１１７により近い位置に設定する。これにより、計測面１１７でのデフォーカスによるコントラスト低下が小さくなり、計測面１１７での精度低下をより軽減できる。

【0027】

また、撮影部１０２のレンズ１１４のデフォーカスによるコントラスト低下が大きい場合、撮影部１０２のフォーカス位置を計測基準面１０９に近い位置に設定する。これにより、計測面１１６でのデフォーカスによるコントラスト低下が小さくなり、計測面１１６での精度低下をより軽減できる。

【0028】

なお、撮影部１０２のフォーカス位置を計測基準面１０９よりも奥に合わせる方法としては、撮影部１０２の撮影光学系を設計する際にフォーカス位置を計測基準面１０９よりも奥にしてもよい。また、撮影部１０２がオートフォーカス機能を有する場合には、フォーカスを合わせるべき位置にフォーカス合わせ用のチャートを配置してフォーカスを合わせる方法、もしくは、計測基準面１０９でフォーカスを合わせた後に、フォーカス調整用のレンズを用いて奥側にフォーカスを合わせる方法を取ってもよい。また、フォーカス位置が奥になりすぎると計測精度が低くなる箇所が表れてくるため、フォーカス位置は、コントラストと画像の明るさとの関係によって適切な位置に設定するとよい。

【0029】

本実施形態では、空間符号化法による三次元形状計測を行っており、エッジ位置の検出方法としてはネガポジ交点検出法を用いている。しかしながら、ネガポジ交点検出法に限定されず、微分フィルタによるエッジ位置の検出や強度分布の重心検出を行う方法を用いてもよい。また、三次元形状計測の方法も空間符号化法だけでなく、正弦波パターンを投影する位相シフト法や光切断法を用いてもよい。

【0030】

（第２実施形態）
図６を参照して、第２実施形態に係る三次元形状計測装置の構成を説明する。三次元形状計測装置は、投影部２０１と、撮影部２０２と、制御部２０３とを備える。

【0031】

投影部２０１は、パターン光を対象物２０４へ投影する投影動作を実行するプロジェクタである。投影部２０１は、投影範囲２０５で示される空間へ投影可能である。投影部２０１は、第１実施形態とは異なり、投影軸と投影画像中心とが一致しているものとする。

【0032】

撮影部２０２は、パターン光が投影された対象物２０４を撮影するカメラである。撮影部２０２は、撮影範囲２０６で示される空間を撮影可能である。制御部２０３は、例えばパーソナル・コンピュータであり、投影部２０１および撮影部２０２の動作を制御する。制御部２０３は、対象物２０４の三次元形状を計測する処理も実行する。

【0033】

次に、図７を参照して、第２実施形態に係る計測基準面及び計測空間を説明する。光軸２０７は、当該投影軸は投影部２０１から投影画像中心へ向かう光軸であり、投影軸と一致している。光軸２０８は、撮影部２０２の光軸（撮影中心へ向かう撮影軸）である。計測基準面２０９は、光軸２０７と光軸２０８とが交差する点を含む面である。計測空間２１０は、投影範囲２０５と撮影範囲２０６との両方に含まれ、当該投影範囲１０５と撮影範囲１０６とにより規定される空間である。本実施形態では、計測基準面２０９は、計測空間中に含まれ、撮影部２０２から観察した場合に計測空間２１０の奥行方向距離を二等分するように配置されている。計測面２１６は、計測空間２１０の中で、投影部２０１および撮影部２０２から最も近い計測面である。計測面２１７は、計測空間２１０の中で、投影部２０１および撮影部２０２から最も遠い計測面である。本実施形態では、計測基準面２０９は、計測空間２１０の内部に設定されているが、必ずしも当該内部に限定されず外部であってもよい。

【0034】

第１実施形態と同様に、本実施形態に係る三次元形状計測装置は、空間符号化法による形状計測を行い、エッジ位置の検出方法としてネガポジ交点検出法を用いる。

【0035】

本実施形態においても、投影部２０１のフォーカス位置を計測基準面２０９に合わせ、撮影部２０２のフォーカス位置を計測基準面２０９よりも奥側に合わせる。

【0036】

図８は、投影部２０１のフォーカス位置の様子を示している。レンズ２１２は、投影部２０１の投影光学系を模式的に１枚のレンズとして表したものであり、表示素子２１３は、明暗パターンを表示する。図８に示されるように、投影部２０１のフォーカス位置は、計測基準面２０９に合わせている。

【0037】

一方、図９は、撮影部２０２のフォーカス位置の様子を示している。レンズ２１４は、撮影部２０２の撮影光学系を模式的に１枚のレンズとして表したものであり、撮影素子２１５は、レンズ２１４から入ってきた光を電気信号に変換する。図９に示されるように、撮影部２０２のフォーカス位置は、計測基準面２０９よりも奥側に合わせている。

【0038】

図８および図９に示されるような構成にすることにより、計測面２１６での撮影部２０２のデフォーカスによるコントラスト低下は、計測面２１７でのコントラスト低下よりも大きくなる。したがって、撮影部２０２からの距離による撮影画像の明るさの変化と合わせると、計測面２１６の計測精度と計測面２１７の計測精度とは同程度となる。また、撮影部２０２のフォーカス位置が計測基準面２０９よりも奥にあるため、フォーカス位置が計測基準面２０９にある場合に比べて、計測面２１７でのコントラストの低下は小さい。そのため、フォーカス位置が計測基準面２０９にある場合に比べると計測面２１７での計測精度は向上する。すなわち、撮影距離全体に渡って計測誤差が一定の範囲に収まり精度の極端な低下が生じず、全体として一定の計測精度を得ることができる。

【0039】

以上説明したように、撮影部２０２のフォーカス位置を計測基準面２０９よりも奥に設定することにより、計測空間２１０全域において一定の計測精度を得ることができる。撮影部２０２のフォーカス位置を計測基準面２０９に合わせた場合、計測空間２１０全域で本実施形態と同程度の計測精度を得るためには、撮影部２０２の結像性能を上げて撮影画像のコントラストを向上させるか、投影部１０１から投影される光量を上げる必要がある。しかし、本実施形態ではその必要がないため、撮影部２０２の結像性能を必要以上に上げる必要がなく、撮影部２０２を構成するレンズ枚数を削減することができ、全体としてコスト削減につながる。また、投影部２０１の光源の出力を小さくすることで低消費電力化や、光源から発生する熱が少なくなるため冷却系を小さくすることができ、小型化につながる。

【0040】

（第３実施形態）
図６を参照して、第３実施形態に係る三次元形状計測装置の構成を説明する。三次元形状計測装置は、投影部３０１と、撮影部３０２と、撮影部３０３（第２の撮影部）と、制御部３０４とを備える。

【0041】

投影部３０１は、本実施形態ではアクティブステレオ方式を用いているため、対象物３０５へ、ベタ画像を投影するか、または、光源を照射する投影動作を実行する。投影部３０１は、投影範囲３０６で示される空間へ投影可能である。

【0042】

撮影部３０２および撮影部３０３は、投影部３０１により投影が行われた対象物３０５を撮影するカメラである。撮影部３０２は、撮影範囲３０７で示される空間を撮影可能である。撮影部３０３は、撮影範囲３０８で示される空間を撮影可能である。すなわち撮影部３０２および撮影部３０３は、撮影方向が相互に異なっている。制御部３０４は、例えばパーソナル・コンピュータであり、投影部３０１、撮影部３０２、および撮影部３０３の各動作を制御する。制御部３０４は、対象物３０５の三次元形状を計測する処理も実行する。

【0043】

次に、図１１を参照して、第３実施形態に係る計測基準面及び計測空間を説明する。光軸３０９は、撮影部３０２の光軸（撮影中心へ向かう撮影軸）である。光軸３１０は、撮影部３０３の光軸（撮影中心へ向かう撮影軸）である。計測基準面３１１は、投影部３０１の投影軸と、光軸３０９および光軸３１０と、が交差する点を含む面である。計測空間３１２は、投影範囲３０６と撮影範囲３０７と撮影範囲３０８とに含まれ、当該投影範囲と撮影範囲３０７と撮影範囲３０８とにより規定される空間である。本実施形態では、計測基準面３１１は、計測空間中に含まれ、撮影部３０２から観察した場合に計測空間３１２の奥行方向距離を二等分するように配置されている。計測面３１３は、計測空間３１２の中で、投影部３０１、撮影部３０２、および撮影部３０３から最も近い計測面である。計測面３１４は、計測空間３１２の中で、投影部３０１、撮影部３０２、および撮影部３０３から最も遠い計測面である。本実施形態では、計測基準面３１１は、計測空間３１２の内部に設定されているが、必ずしも当該内部に限定されず外部であってもよい。

【0044】

本実施形態に係る三次元形状計測装置では、第１および第２実施形態とは異なり、投影部３０１により投影された対象物３０５を、撮影部３０２と、撮影部３０３とにより撮影した各画像から三角測量の原理を用いて対象物３０５までの距離を算出する、アクティブステレオ方式（ステレオ法）を採用している。そのため、第１および第２実施形態とは異なり、投影部３０１からパターンを投影する必要がないため、投影部３０１からはベタ画像を投影すればよい。さらには、投影部３０１は、電球などの照明部であってもよい。

【0045】

アクティブステレオ方式では、撮影画像から対象物３０５のエッジなどの特徴量を検出し、撮影部３０２および撮影部３０３により撮影された画像を対応付けて三角測量を行う。そのため、撮影部３０２および撮影部３０３により撮影された対象物３０５のエッジのコントラストが高い程、エッジ位置の検出精度が高くなる。また、撮影部３０２および撮影部３０３により撮影された画像の明度が高い方が、撮影部３０２および撮影部３０３のＳＮが向上する。そのため、投影部３０１からの投影は明度が高い方がエッジ位置の検出精度が高くなる。

【0046】

そこで、本実施形態でも第１および第２実施形態と同様に、撮影部３０２および撮影部３０３のフォーカス位置を計測基準面３１１よりも奥側に合わせる。

【0047】

図１２は、撮影部３０２および撮影部３０３のフォーカス位置の様子を示している。レンズ３１５は、撮影部３０２の撮影光学系を模式的に１枚のレンズで表したものである。レンズ３１７は、撮影部３０３の撮影光学系を模式的に１枚のレンズで表したものである。撮影素子３１６および撮影素子３１８は、それぞれレンズ３１５およびレンズ３１７から入ってきた光を電気信号に変換する。

【0048】

図１２に示されるような構成にすることにより、計測面３１３での撮影部３０２、撮影部３０３のデフォーカスによるコントラスト低下は、計測面３１４でのコントラスト低下よりも大きくなる。したがって、撮影部３０２、撮影部３０３からの距離による撮影画像の明るさの変化と合わせると、計測面３１３の計測精度と計測面３１４の計測精度とは同程度となる。また、撮影部３０２、撮影部３０３のフォーカス位置が計測基準面３１１よりも奥にあるため、フォーカス位置が計測基準面３１１にある場合に比べて、計測面３１４でのコントラスト低下は小さい。そのため、フォーカス位置が計測基準面３１１にある場合に比べると計測面３１４での計測精度は向上する。すなわち、撮影距離全体に渡って計測誤差が一定の範囲に収まり精度の極端な低下が生じず、全体として一定の計測精度を得ることができる。

【0049】

以上説明したように、撮影部３０２および撮影部３０３のフォーカス位置を計測基準面３１１よりも奥に設定することにより、計測空間３１２全域において一定の計測精度を得ることができる。撮影部３０２および撮影部３０３のフォーカス位置を計測基準面３１１に合わせた場合、計測空間３１２全域で本実施形態と同程度の計測精度を得るためには、撮影部３０２および撮影部３０３の結像性能を上げて撮影画像のコントラストを向上させるか、投影部３０１から投影される光量を上げる必要がある。しかし、本実施形態ではその必要がないため、撮影部３０２および撮影部３０３の結像性能を必要以上に上げる必要がなく、撮影部３０２および撮影部３０３を構成するレンズ枚数を削減することができ、全体としてコスト削減につながる。また、投影部３０１の光源の出力を小さくすることで低消費電力化や、光源から発生する熱が少なくなるため冷却系を小さくすることができ、小型化につながる。

【0050】

（その他の実施形態）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

【符号の説明】

【0051】

１０１：投影部、１０２：撮影部、１０３：制御部、１０４：対象物、１０５：投影範囲、１０６：撮影範囲、１０７，１０８：光軸、１０９：計測基準面、１１０：計測空間、１１１：明暗パターン、１１２，１１４：レンズ、１１３：表示素子、１１５：撮影素子、１１６，１１７：計測面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】