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物体内部の光学特性を計測する計測装置及び方法

国内特許コード P190016087
整理番号 S2019-0028-N0
掲載日 2019年5月27日
出願番号 特願2018-219125
公開番号 特開2020-085618
出願日 平成30年11月22日(2018.11.22)
公開日 令和2年6月4日(2020.6.4)
発明者
  • 高谷 剛志
  • 田中 賢一郎
  • 舩冨 卓哉
  • 向川 康博
  • 青砥 隆仁
出願人
  • 国立大学法人奈良先端科学技術大学院大学
発明の名称 物体内部の光学特性を計測する計測装置及び方法
発明の概要 【課題】 装置各部の配置及び焦点距離を変更せず物体内部の光学特性を計測可能な計測装置を提供する。
【解決手段】 プロジェクタ20と撮像装置30とパターン画像生成部40とデータ処理部50を備え、パターン画像生成部40が、物体60を横切る第1平面内において1方向に正弦関数で表される光強度の周期的変化を有するパターン画像であって、正弦関数の異なる複数の空間周波数に各別に対応する複数のパターン画像の画像データを生成してプロジェクタに入力し、プロジェクタに対して空間周波数の異なる複数のパターン画像を、空間周波数を時間的に順次変化させながら各別に物体に向けて投影させ、データ処理部50が、撮像装置から出力される複数の空間周波数に各別に対応した時間的に順次変化する複数の合成画像のディジタル画像信号に基づき、物体の表面及び内部の特定の3次元位置から反射した光の信号振幅を抽出して、物体内部の光学特性を算出する。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要

物体内部の計測は、困難な課題ではあるが、生体イメージング、医学イメージング、工業検査等の様々な応用において重要である。蛍光X線分析技術、テラヘルツ・イメージング、赤外リフレクトグラフィ等の物体内部の鮮明な観測を可能にする様々なイメージング技術が開発されている。しかしながら、これらの技術は、電磁波の様々な特徴を利用するものであるが、入手困難な高価な装置を必要とする。これに対して、プロジェクタ・カメラシステムは、比較的低コストであり、容易に入手可能である。

プロジェクタ・カメラシステムを用いた物体内部の3次元空間における光学特性を計測する計測装置及び方法としては、レーダ技術の1つである合成開口技術と共焦点撮像技術を応用することで物体によって遮蔽された箇所の撮像を可能にした第1の従来技術(下記の非特許文献1参照)、プロジェクタの焦点距離を物理的に変更しつつ、空間的に高周波な周期パターンを投影することで、対象物体の形状と対象シーンにおける大域照明画像を復元した第2の従来技術(下記の非特許文献2参照)、平行系のプロジェクタ‐カメラシステムを用いて異なる空間周波数の周期パターンを複数回投影した際の表面下散乱成分の変化から物体内部画像を復元した第3の従来技術(下記の非特許文献3参照)等が存在する。

産業上の利用分野

本発明は、物体内部の3次元空間における光学特性を計測する計測装置及び方法に関し、特に、プロジェクタ・カメラシステムを用いた計測装置及び方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
物体内部の光学特性を計測する計測装置であって、
前記物体を透過可能な光を用いてパターン画像を前記物体に向けて投影するプロジェクタと、
前記プロジェクタから投影された前記パターン画像の光の内、前記物体の表面及び内部の各3次元位置で反射した光が、前記光を感知可能な撮像面上に入射して結像することにより合成された合成画像をディジタル画像信号に変換して出力する撮像装置と、
前記物体を横切る所定の第1平面内において少なくとも1方向に正弦関数で表される光強度の周期的な振幅変化を有する前記パターン画像の画像データであって、前記正弦関数の互いに異なる複数の空間周波数に各別に対応する複数の前記パターン画像の前記画像データを生成して、前記プロジェクタに入力することにより、前記プロジェクタに対して前記空間周波数が互いに異なる複数の前記パターン画像を、前記空間周波数を時間的に順次変化させながら各別に、前記物体に向けて投影させるパターン画像生成部と、
前記パターン画像生成部において生成された前記画像データにおける複数の前記空間周波数、及び、前記撮像装置から出力される前記複数の空間周波数に各別に対応した複数の前記合成画像の前記ディジタル画像信号を入力として、これらの入力に対して所定の相関演算処理を行い、前記物体の表面及び内部の特定の3次元位置から反射した光の信号振幅を抽出して、抽出した各3次元位置の前記信号振幅に基づいて前記物体の表面及び内部の各3次元位置における前記光学特性を算出するデータ処理部と、を備え、
前記プロジェクタと前記撮像装置の各光学系の焦点距離が互いに異なっていることを特徴とする計測装置。

【請求項2】
前記プロジェクタと前記撮像装置の各光学系の光軸が互いに平行であって、前記第1平面と直交してい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】
前記プロジェクタが透視投影プロジェクタであり、前記撮像装置が平行投影カメラで構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の計測装置。

【請求項4】
前記データ処理部が、前記複数の前記ディジタル画像信号の順次変化する前記各空間周波数に各別に対応する複数の光強度に、前記各空間周波数に対応する角周波数の正弦関数値を各別に乗じて得られる第1データ列と、前記複数の光強度に、前記各空間周波数に対応する前記角周波数の余弦関数値を各別に乗じて得られる第2データ列に対して、離散的フーリエ変換を各別に施して得られた各演算結果に基づいて、前記信号振幅の抽出を行うことを特徴とする請求項1~3の何れか1項に記載の計測装置。

【請求項5】
前記パターン画像の前記光強度の周期的な振幅変化が、前記第1平面内の直交する2方向の変化であることを特徴とする請求項1~4の何れか1項に記載の計測装置。

【請求項6】
物体内部の光学特性を計測する計測方法であって、
前記物体を透過可能な光を用いてパターン画像を前記物体に向けて投影するプロジェクタと、
前記プロジェクタから投影された前記パターン画像の光の内、前記物体の表面及び内部の各3次元位置で反射した光が、前記光を感知可能な撮像面上に入射して結像することにより合成された合成画像をディジタル画像信号に変換して出力する撮像装置を用いて、
前記物体を横切る所定の第1平面内において少なくとも1方向に正弦関数で表される光強度の周期的な振幅変化を有する前記パターン画像の画像データであって、前記正弦関数の互いに異なる複数の空間周波数に各別に対応する複数の前記パターン画像の前記画像データを生成して、前記プロジェクタに入力することにより、前記プロジェクタに対して前記空間周波数が互いに異なる複数の前記パターン画像を、前記空間周波数を時間的に順次変化させながら各別に、前記物体に向けて投影させるパターン画像生成工程と、
前記パターン画像生成工程において生成された前記画像データにおける複数の前記空間周波数、及び、前記撮像装置から出力される前記複数の空間周波数に各別に対応した複数の前記合成画像の前記ディジタル画像信号を入力として、これらの入力に対して所定の相関演算処理を行い、前記物体の表面及び内部の特定の3次元位置から反射した光の信号振幅を抽出して、抽出した各3次元位置の前記信号振幅に基づいて前記物体の表面及び内部の各3次元位置における前記光学特性を算出するデータ処理工程と、を備え、
前記プロジェクタと前記撮像装置の各光学系の焦点距離が互いに異なっていることを特徴とする計測方法。

【請求項7】
前記プロジェクタと前記撮像装置の各光学系の光軸が互いに平行であって、前記第1平面と直交していることを特徴とする請求項6に記載の計測方法。

【請求項8】
前記プロジェクタが透視投影プロジェクタであり、前記撮像装置が平行投影カメラで構成されていることを特徴とする請求項6または7に記載の計測方法。

【請求項9】
前記データ処理工程において、前記複数の前記ディジタル画像信号の順次変化する前記各空間周波数に各別に対応する複数の光強度に、前記各空間周波数に対応する角周波数の正弦関数値を各別に乗じて得られる第1データ列と、前記複数の光強度に、前記各空間周波数に対応する前記角周波数の余弦関数値を各別に乗じて得られる第2データ列に対して、離散的フーリエ変換を各別に施して得られた各演算結果に基づいて、前記信号振幅の抽出を行うことを特徴とする請求項6~8の何れか1項に記載の計測方法。

【請求項10】
前記パターン画像の前記光強度の周期的な振幅変化が、前記第1平面内の直交する2方向の変化であることを特徴とする請求項6~9の何れか1項に記載の計測方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2018219125thum.jpg
出願権利状態 公開
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