(57)【要約】【課題】計測レンジを維持しつつ、計測可能な高さを簡便に拡張する。【解決手段】計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測システムは、計測対象の高さの基準面を有する取付台に計測対象が取り付けられ、計測ヘッドが計測対象および基準面に光パタンを投影して撮像し、変位部が計測ヘッドを高さ方向へ変位させる。撮像された画像の或る画素における光パタンの位相を位相算出部７５が算出し、算出された位相に基づいて高さ算出部７７が計測対象の高さを算出し、算出された高さに基づいて送り量算出部７８が変位部を変位させるべき変位量を算出する。高さ算出部７７は、位相算出部７５が算出した位相に基づいて高さを算出し、算出した高さを、変位量に基づいて補正することにより、計測対象の高さを算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
上記計測対象の高さの基準となる基準面を有し、上記計測対象が取り付けられる取付台と、
上記計測対象および上記基準面に上記光パタンを投影し、投影した光パタンを撮像する計測ヘッドと、
上記取付台および上記計測ヘッドの少なくとも一方の上記計測対象の高さ方向への変位を行わせる変位部と、
上記計測ヘッドが撮像した画像に含まれる、或る画素における上記光パタンの位相を算出する位相算出手段と、
該位相算出手段が算出した位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出手段と、
該高さ算出手段が算出した上記計測対象の高さに基づいて、上記変位部を制御する変位部制御手段とを備えており、
上記高さ算出手段は、上記位相算出手段が算出した位相に基づいて高さを算出し、算出した高さを、上記取付台の基準面から上記計測ヘッドまでの高さの上記変位部による変位量に基づいて補正することにより、上記計測対象の高さを算出することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項２】
上記変位部制御手段は、上記高さ算出手段が上記計測対象の高さを算出すると、上記変位部に上記変位を行わせることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
【請求項３】
上記変位部制御手段は、上記高さ算出手段が算出した上記計測対象の高さが、上記位相が取り得る範囲を示す計測レンジに対応する高さ方向の範囲における端部に到達すると、上記変位部に上記変位を行わせることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
【請求項４】
上記変位部制御手段は、上記高さ算出手段が算出した上記計測対象の高さが、上記計測ヘッドの被写界深度に対応する範囲の端部に到達すると、上記変位部に上記変位を行わせており、
上記位相算出手段が算出した位相を、上記位相が取り得る範囲を示す計測レンジに基づいて補正する位相補正手段をさらに備えており、
上記高さ算出手段は、上記位相補正手段が補正した位相に基づいて高さを算出し、算出した高さを、上記変位量に基づいて補正することにより、上記計測対象の高さを算出しており、
上記位相補正手段が補正した位相と、上記変位量とに基づいて、上記計測レンジを設定する計測レンジ設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
【請求項５】
上記計測ヘッドは、
上記計測対象において上記光パタンが投影された領域である光パタン照射領域を撮像する第１のラインセンサと、
上記計測対象において上記光パタンが投影されていない領域である光パタン非照射領域を撮像する第２のラインセンサとを備えており、
上記位相算出手段が利用する画像は、第２のラインセンサが撮像した画像を利用して、第１のラインセンサが撮像した画像から背景成分を除去したものであることを特徴とする請求項１から４までの何れか１項に記載の三次元形状計測装置。
【請求項６】
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置の三次元形状計測方法であって、
上記計測対象と、該計測対象が取り付けられた取付台が有し、かつ上記計測対象の高さの基準となる基準面とに上記光パタンを投影し、投影した光パタンを撮像する計測ヘッドが撮像した画像に含まれる、或る画素における上記光パタンの位相を算出する位相算出ステップと、
該位相算出ステップにて算出された位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出ステップと、
該高さ算出ステップにて算出された上記計測対象の高さに基づいて、上記取付台および上記計測ヘッドの少なくとも一方を上記計測対象の高さ方向に変位させる変位部を制御する変位部制御ステップとを含んでおり、
上記高さ算出ステップは、上記位相算出ステップにて算出された位相に基づいて高さを算出し、算出した高さを、上記取付台の基準面から上記計測ヘッドまでの高さの上記変位部による変位量に基づいて補正することにより、上記計測対象の高さを算出していることを特徴とする三次元形状計測方法。
【請求項７】
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置を動作させるための三次元形状計測プログラムであって、以下の各ステップをコンピュータに実行させるための三次元形状計測プログラム：
上記計測対象と、該計測対象が取り付けられた取付台が有し、かつ上記計測対象の高さの基準となる基準面とに上記光パタンを投影し、投影した光パタンを撮像する計測ヘッドが撮像した画像に含まれる、或る画素における上記光パタンの位相を算出する位相算出ステップ；
該位相算出ステップにて算出された位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出ステップ；および
該高さ算出ステップにて算出された上記計測対象の高さに基づいて、上記取付台および上記計測ヘッドの少なくとも一方を上記計測対象の高さ方向に変位させる変位部を制御する変位部制御ステップ、
ここで、上記高さ算出ステップは、上記位相算出ステップにて算出された位相に基づいて高さを算出し、算出した高さを、上記取付台の基準面から上記計測ヘッドまでの高さの上記変位部による変位量に基づいて補正することにより、上記計測対象の高さを算出していることを特徴とする三次元形状計測プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測対象に投影された光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置、三次元形状計測方法、および三次元形状計測プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
画像解析によって対象物の三次元形状情報を得る手段として、所定の撮像視野内に存在する計測対象に光パタンを投影し、計測対象の三次元形状に応じて変形した光パタンの変形量を解析する方法が存在する。代表的な方法としては、光切断法や空間コード法、縞解析法などが挙げられる。これらは全て三角測量の原理に基づいているが、中でも、縞解析法に関しては空間縞解析や時間縞解析など多くの手法が提案されており、高い計測精度を得る手法として知られている（特許文献１〜３、非特許文献１）。
【０００３】
上述の方法の場合、光パタンを投影する投光装置と、計測対象が載置される平面である基準面と、計測対象を撮影する撮影装置との幾何学的位置関係が高さ位置の測定精度に影響を及ぼすことになる。この点について図１５を参照して説明する。
【０００４】
図１５は、三角測量の原理を示す図である。説明を簡単にするため、基準面Ｐ０と垂直な光軸を有する撮影装置Ｃｃによって、基準面Ｐ０からの高さがｈである平面Ｐｈを観測する場合を考える。また、投光装置Ｃｐは、基準面Ｐ０から見て撮影装置Ｃｃと同じ高さに配置され、光パタンを基準面Ｐ０上の点Ｏの位置に向けて投影するものとする。
【０００５】
基準面Ｐ０と平行で、高さｈだけ離れた平面Ｐｈを観測する場合、点Ｏに向かう光パタンは点Ｐと交わる。このとき、撮影装置Ｃｃから見ると、基準面Ｐ０へ向けて投影された光パタンは、光軸（Ｚ軸）から距離ＰＱの位置Ｐに観測されることになる。この位置ずれＰＱが光パタンの位相差となって現れる。位相差を算出することができれば、次式（１）によって高さｈを算出することができる。
【０００６】
【数１】
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【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２８６４３３号公報（２００２年１０月０３日公開）
【特許文献２】特開２００４−１１７１８６号公報（２００４年０４月１５日公開）
【特許文献３】特開２００７−１１４０７１号公報（２００７年０５月１０日公開）
【特許文献４】特開２００２−２１４１４７号公報（２００２年０７月３１日公開）
【特許文献５】特開２００５−３００５１２号公報（２００５年１０月２７日公開）
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】藤垣ら  「複数ラインセンサによる連続物体形状計測における平行光格子投影手法」，精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集  pp．1061-1062，2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記位相差は、通常、本来の位相差を２πで割り算した余りとして算出される。このため、計測可能な位相差の範囲は、２πに限定されることになり、計測可能な高さの範囲（計測レンジ）が限定されることになる。
【００１０】
そこで、計測可能な高さを拡張する方法が幾つか提案されている。１つの方法としては、光パタンの周期を長くする方法が挙げられる。該周期が長くなると、１周期に対応する位置ずれＰＱが長くなるので、上記計測レンジが広がることになる。
【００１１】
しかしながら、上記の方法では、上記位相差の分解能が同じであれば、位置ずれＰＱの分解能（識別可能な最小値）が長くなり、上記高さの分解能が長くなる。すなわち、上記高さの精度が低下することになる。この問題点を回避するには、上記位相差の分解能を向上させればよいが、高価な光学系が必要となり、さらに校正に手間がかかることになる。
【００１２】
その他の方法としては、新たな変位センサを用いて計測対象の大まかな形状を計測し、該形状に基づいて上記計測レンジを変更することにより、計測可能な高さを拡張することが挙げられる。しかしながら、この場合、新たな変位センサを設置して校正する必要があり、計測のためのコストおよび手間が増加することになる。
【００１３】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、計測レンジを維持しつつ、計測可能な高さを簡便に拡張できる三次元形状計測装置などを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る三次元形状計測装置は、計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、上記課題を解決するために、上記計測対象の高さの基準となる基準面を有し、上記計測対象が取り付けられる取付台と、上記計測対象および上記基準面に上記光パタンを投影し、投影した光パタンを撮像する計測ヘッドと、上記取付台および上記計測ヘッドの少なくとも一方の上記計測対象の高さ方向への変位を行わせる変位部と、上記計測ヘッドが撮像した画像に含まれる、或る画素における上記光パタンの位相を算出する位相算出手段と、該位相算出手段が算出した位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出手段と、該高さ算出手段が算出した上記計測対象の高さに基づいて、上記変位部を制御する変位部制御手段とを備えており、上記高さ算出手段は、上記位相算出手段が算出した位相に基づいて高さを算出し、算出した高さを、上記取付台の基準面から上記計測ヘッドまでの高さの上記変位部による変位量に基づいて補正することにより、上記計測対象の高さを算出することを特徴としている。
【００１５】
また、本発明に係る三次元形状計測方法は、計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置の三次元形状計測方法であって、上記課題を解決するために、上記計測対象と、該計測対象が取り付けられた取付台が有し、かつ上記計測対象の高さの基準となる基準面とに上記光パタンを投影し、投影した光パタンを撮像する計測ヘッドが撮像した画像に含まれる、或る画素における上記光パタンの位相を算出する位相算出ステップと、該位相算出ステップにて算出された位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出ステップと、該高さ算出ステップにて算出された上記計測対象の高さに基づいて、上記取付台および上記計測ヘッドの少なくとも一方を上記計測対象の高さ方向に変位させる変位部を制御する変位部制御ステップとを含んでおり、上記高さ算出ステップは、上記位相算出ステップにて算出された位相に基づいて高さを算出し、算出した高さを、上記取付台の基準面から上記計測ヘッドまでの高さの上記変位部による変位量に基づいて補正することにより、上記計測対象の高さを算出していることを特徴としている。
【００１６】
上記の構成および方法によると、或る画素における光パタンの位相に基づいて高さを算出し、算出した高さを、取付台の基準面から計測ヘッドまでの高さの変位部による変位量に基づいて補正することにより、計測対象の高さを算出している。そして、算出された上記計測対象の高さに基づいて、上記取付台および上記計測ヘッドの少なくとも一方を上記計測対象の高さ方向に変位させている。
【００１７】
一般に、三次元形状計測装置の校正を行うために、上記取付台の基準面から上記計測ヘッドまでの上記高さ方向の距離（高さ）が調整可能となっている。すなわち、一般に、三次元形状計測装置には、上記計測ヘッドおよび／または上記取付台を上記高さ方向に調整する高さ調整機構が設けられている。
【００１８】
この高さ調整機構を、上記計測対象の高さに基づいて、上記計測ヘッドおよび／または上記取付台を上記高さ方向に変位するように制御される変位部に変更することにより、計測レンジを上記高さ方向に容易に変位させることができる。また、上記変位部の校正は、従来の校正と共に行うことができるので、校正の手間の増大を抑制することができる。
【００１９】
そして、上記位相に基づいて算出された高さを、上記変位部による変位量に基づいて補正することにより、高さを計測するための新たなセンサを設けること無く、計測対象の正確な高さを算出することができる。従って、本発明によると、上記計測レンジを維持しつつ、計測可能な高さを簡便に拡張することができる。
【００２０】
なお、上記計測対象は、上記基準面に取り付けられてもよいし、上記基準面から離間して取り付けられてもよい。また、上記変位部は、上記計測ヘッドを高さ方向に変位させることが望ましいが、上記取付台を高さ方向に変位させてもよいし、上記計測ヘッドおよび上記取付台の両方を高さ方向に変位させてもよい。
【００２１】
本発明に係る三次元形状計測装置では、上記変位部制御手段は、上記高さ算出手段が上記計測対象の高さを算出すると、上記変位部に上記変位を行わせてもよい。この場合、上記計測対象の高さを算出する回数に比例して、上記変位部が上記変位を行う回数が増加するが、上記計測対象の高さに応じて上記変位を行わせるか否かを判断する処理が不要である。なお、上記変位部制御手段は、上記高さ算出手段が上記計測対象の高さを算出すると、上記変位部に上記変位を、その都度行わせてもよいし、１回置き、２回置きなど、間引いて行わせてもよい。
【００２２】
本発明に係る三次元形状計測装置では、上記変位部制御手段は、上記高さ算出手段が算出した上記計測対象の高さが、上記位相が取り得る範囲を示す計測レンジに対応する高さ方向の範囲における端部に到達すると、上記変位部に上記変位を行わせてもよい。
【００２３】
ここで、上記計測対象の高さが、上記端部に到達するということは、上記計測対象の高さが、上記計測レンジに対応する高さ方向の範囲から外れそうになっていると考えられる。上記範囲から外れると、上述のように、正確な高さを計測できなくなる。
【００２４】
これに対し、本発明の上記の構成によれば、上記計測対象の高さが上記範囲から外れそうになると、上記変位部が上記変位を行うので、上記計測対象の高さが上記範囲から外れることを防止でき、その結果、正確な高さを計測することができる。また、上記計測対象の高さを算出すると、上記変位部に上記変位を行わせる上記の場合に比べて、上記計測対象の高さに応じて上記変位を行わせるか否かを判断する処理が必要であるが、上記変位部が上記変位を行う回数を低減することができる。
【００２５】
本発明に係る三次元形状計測装置では、上記変位部制御手段は、上記高さ算出手段が算出した上記計測対象の高さが、上記計測ヘッドの被写界深度に対応する範囲の端部に到達すると、上記変位部に上記変位を行わせており、上記位相算出手段が算出した位相を、上記位相が取り得る範囲を示す計測レンジに基づいて補正する位相補正手段をさらに備えており、上記高さ算出手段は、上記位相補正手段が補正した位相に基づいて高さを算出し、算出した高さを、上記変位量に基づいて補正することにより、上記計測対象の高さを算出しており、上記位相補正手段が補正した位相と、上記変位量とに基づいて、上記計測レンジを設定する計測レンジ設定手段をさらに備えてもよい。
【００２６】
ここで、上記計測対象の高さが上記端部に到達するということは、上記計測対象の高さが、上記被写界深度に対応する範囲から外れそうになっていると考えられる。上記範囲から外れると、上記計測ヘッドが撮像した画像がピントの暈けた画像となるので、正確な高さを計測できなくなる虞がある。
【００２７】
これに対し、本発明の上記の構成によれば、上記計測対象の高さが上記範囲から外れそうになると、上記変位部が上記変位を行うので、上記計測対象の高さが上記範囲から外れることを防止でき、その結果、正確な高さを確実に計測することができる。また、上記被写界深度は、上記計測レンジよりも広いので、上記計測レンジに基づいて上記変位部に上記変位を行わせる上記の場合に比べて、上記変位部が上記変位を行う回数をさらに低減することができる。
【００２８】
ところで、通常、基準面からの高さに対応する位相差が２πを超える場合でも、近くの画素同士の位相差が２πを超える可能性は低い。従って、本発明の上記の構成によれば、或る画素に関して計測レンジに基づいて位相が補正され、補正された位相と、上記変位量とに基づいて次に走査される画素に関する計測レンジが設定されるので、位相が計測レンジから外れる可能性が低い。その結果、上記被写界深度に対応する範囲内であって、本来の位相が２π以上となる場合にも対応することができる。
【００２９】
なお、上記端部の大きさは、上記計測対象の傾き、次に走査される位置までの距離などに基づいて適宜設定することができる。また、上記端部の大きさは、所定の大きさでもよいし、例えば上記計測対象の傾きに応じて変化してもよい。
【００３０】
ところで、或る画素に関して計測された高さには、ノイズや誤差が含まれている。このため、上記計測レンジの設定は、以前に計測した１つの画素に関する算出結果に基づいて行われてもよいが、以前に計測した複数の画素に関する算出結果に基づいて行われることが望ましい。また、上記計測対象の高さが上記端部に到達したか否かの判断も、同様に行われることが望ましい。
【００３１】
また、上記設定において、上記補正された位相を上記計測レンジの中央としてもよいし、計測対象の高さが上昇傾向の場合に上記補正された位相を上記計測レンジの下限としてもよいし、計測対象の高さが下降傾向の場合に上記補正された位相を上記計測レンジの上限としてもよい。同様に、上記計測レンジは、上記設定された基準面を中央としてもよいし、計測対象の高さが上昇傾向の場合に下限としてもよいし、計測対象の高さが下降傾向の場合に上限としてもよい。
【００３２】
ところで、通常、部品の検査などに三次元形状計測装置を利用する場合、上記部品の大まかな寸法が予め決まっているので、部品の各位置における計測レンジも決まることになる。
【００３３】
従って、上記計測対象の位置と計測レンジとを対応付けて記憶部に記憶しておき、上記画素に対応する上記計測対象の位置を特定し、特定した位置に対応する計測レンジを記憶部から読み出し、読み出した計測レンジに基づいて、上記位相を補正してもよい。この場合、上記計測対象の位置に対応して計測レンジが設定されるので、位相が計測レンジから外れる可能性が低い。その結果、本来の位相が２π以上となる場合にも対応することができる。
【００３４】
ところで、上記光パタンを撮像する画像には、上記光パタンの画像の他に、上記計測対象自身の画像が背景成分として含まれることになる。上記光パタンと上記背景成分との区別が困難である場合、上記位相算出手段が算出する上記光パタンの位相の誤差が増大することになり、上記計測対象の高さの正確な計測が困難となる。
【００３５】
そこで、本発明に係る三次元形状計測装置では、上記計測ヘッドは、上記計測対象において上記光パタンが投影された領域である光パタン照射領域を撮像する第１のラインセンサと、上記計測対象において上記光パタンが投影されていない領域である光パタン非照射領域を撮像する第２のラインセンサとを備えており、上記位相算出手段が利用する画像は、第２のラインセンサが撮像した画像を利用して、第１のラインセンサが撮像した画像から背景成分を除去したものであることが好ましい。
【００３６】
この場合、上記背景成分を除去した画像を取得できるので、上記位相算出手段が上記光パタンの位相を精度よく算出することができ、上記計測対象の高さを精度よく計測することができる。また、１回の走査で上記背景成分を除去できるので、上記計測対象の高さを迅速に計測することができる。なお、第２のラインセンサは、例えば赤色、緑色、および青色をそれぞれ撮像する３本のラインセンサを含んでもよい。
【００３７】
なお、上記三次元形状計測装置における各ステップを、三次元形状計測プログラムによりコンピュータに実行させることができる。さらに、上記三次元形状計測プログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶させることにより、任意のコンピュータ上で上記三次元形状計測プログラムを実行させることができる。
【発明の効果】
【００３８】
以上のように、本発明に係る三次元形状計測装置は、従来の高さ調整機構を、計測対象の高さに基づいて、計測ヘッドおよび／または取付台を上記高さ方向に変位するように制御される変位部に変更することにより、計測レンジを上記高さ方向に容易に変位でき、校正の手間の増大を抑制できると共に、位相に基づいて算出された高さを、上記変位部による変位量に基づいて補正することにより、高さを計測するための新たなセンサを設けること無く、上記計測対象の正確な高さを算出できるので、上記計測レンジを維持しつつ、計測可能な高さを簡便に拡張することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態である三次元形状計測システムにおける制御ユニットの要部構成を示すブロック図である。
【図２】上記三次元形状計測システムの概略構成を示す図であり、計測対象の計測を行う様子を示す図である。
【図３】上記三次元形状計測システムの要部を拡大して示す図である。
【図４】上記三次元形状計測システムの要部構成を示すブロック図である。
【図５】上記三次元形状計測システムの投光ユニットが投影する光パタンの一例を示す図である。
【図６】計測対象の形状を示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図７】上記計測対象に光パタンを投影した場合に、上記計測対象に投影された光パタンの歪みを示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は基準面での輝度変動と凸部での輝度変動を示す波形図である。
【図８】（ａ）は、光パタンを投影した状態の上記ライン画像の一例を示す図であり、（ｂ）は、上記対照ライン画像の一例を示す図である。
【図９】上記三次元形状計測システムの計測ヘッドの動きを、計測対象の例として基板を用いて示す概要図である。
【図１０】上記基板の断面図であり、（ａ）は上記三次元形状計測システムにおける計測レンジの変化の様子を示す図であり、（ｂ）は従来の三次元形状計測システムにおける計測レンジの変化の様子を示す図である。
【図１１】計測モードにおいて上記制御ユニットが行う処理動作を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の他の実施形態である三次元形状計測システムにおける制御ユニットの要部構成を示すブロック図である。
【図１３】上記基板の断面図であり、上記三次元形状計測システムにおける計測レンジの変化の様子を示す図である。
【図１４】計測モードにおいて上記制御ユニットが行う処理動作を示すフローチャートである。
【図１５】三角測量の原理を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図１１を参照して説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る三次元形状計測システム（三次元形状計測装置）１０の概略構成を示す図である。
【００４１】
図２に示すように、本実施形態の三次元形状計測システム１０は、搬送ユニット１１の搬送テーブル４１に載置された計測対象１２に対し投光ユニット１３から光パタン１４を投影し、計測対象１２に投影された光パタン１４を撮像ユニット（撮影装置）１５が撮影し、撮影された光パタン１４の形状を制御ユニット１６が解析し、これを、搬送ユニット１１により計測対象１２を移動させて繰り返すことによって、計測対象１２全体の三次元形状を計測するものである。計測される三次元形状の例としては、計測対象１２の表面に設けられた凹部の奥行きや凸部の高さ及びそれらの位置などが挙げられる。三次元形状計測システム１０の使用用途は特に限定されないが、例えば実装基板を検査する装置などに適用することができる。
【００４２】
なお、以下では、搬送テーブル４１の搬送方向（図２の矢印で示す方向）をｙ軸方向とし、搬送テーブル４１に垂直な方向、すなわち高さ方向をｚ軸方向とする。
【００４３】
図４は、三次元形状計測システム１０の要部構成を示すブロック図である。図２に示すように、三次元形状計測システム１０は、搬送ユニット１１、投光ユニット１３、撮像ユニット１５、及び制御ユニット１６を備えている。
【００４４】
投光ユニット１３は、上述のように、計測対象１２の表面に光パタン１４を投影するためのものである。また、投光ユニット１３は、図４に示すように、ハロゲンランプやキセノンランプなどの光源３１、光源３１から照射された光の一部を、パタンを有する光に変換するためのパタン生成素子３２、及びマクロレンズなどの光学系３３を備えている。
【００４５】
投影する光パタン１４としては、正弦波、三角波、又は矩形波など、位置に応じて周期性を有し、かつ位相を特定できる任意のパタンを利用できるが、本実施形態では、計測分解能の向上に寄与する正弦波状の光パタン１４を用いることとする。また、パタン生成素子３２としては、液晶素子によって構成されたものや、ガラス又はフィルムを加工したものなどを用いることができる。
【００４６】
撮像ユニット１５は、上述のように、光パタン１４が投影された計測対象１２を読み取り、その画像を取得するものである。また、撮像ユニット１５は、図４に示すように、ラインセンサ３４と、マクロレンズなどの光学系３５とを備えている。なお、本実施形態では、４本のラインセンサ３４が利用されている。
【００４７】
搬送ユニット１１は、ラインセンサ３４の主走査方向（長手方向）、及び該主走査方向と垂直な方向（以下「副走査方向」と称する。）に計測対象１２を水平移動させるためのものである。また、搬送ユニット１１は、図４に示すように、計測対象１２を載置するための搬送テーブル４１と、搬送テーブル４１を駆動するサーボモータ４２とを備えている。なお、搬送ユニット１１は、搬送テーブル４１の位置を検出するリニアスケーラ４３などを備えてもよい。
【００４８】
搬送ユニット１１により計測対象１２を副走査方向に移動させつつラインセンサ３４により逐次撮像することによって、計測対象１２全体の三次元形状を計測することが可能になる。また、計測対象１２がラインセンサ３４の撮像範囲よりも主走査方向に広い場合には、搬送ユニット１１により計測対象１２を主走査方向に移動させてラインセンサ３４により逐次撮像すればよい。
【００４９】
制御ユニット１６は、三次元形状計測システム１０における各種ユニットを統括的に制御するものである。具体的には、制御ユニット１６は、搬送ユニット１１、投光ユニット１３、及び撮像ユニット１５を制御して、撮像ユニット１５によって撮像された画像に含まれる光パタン１４を縞解析法によって解析し、計測対象１２の三次元形状を算出するものである。
【００５０】
さらに、本実施形態では、投光ユニット１３及び撮像ユニット１５が計測ヘッド１７として一体に設けられ、計測ヘッド１７をｚ軸方向（高さ方向）に移動させるｚ軸送り機構（変位部）１８が設けられている。そして、制御ユニット１６は、ｚ軸送り機構１８に指示して、計測ヘッド１７の高さを制御している。
【００５１】
計測ヘッド１７の構成としては、投光ユニット１３及び撮像ユニット１５が或る基体（図示せず）に設けられ、該基体がｚ軸送り機構１８によって高さ方向に移動させる構成が考えられる。この場合、上記基体は、高さ方向に移動しても、投光ユニット１３及び撮像ユニット１５の幾何学的位置関係が保持されるような剛性を有することが望ましい。また、ｚ軸送り機構１８としては、ネジ送り機構など、物体を移動させる公知の機構を利用することができる。
【００５２】
また、本実施形態では、制御ユニット１６は、ｚ軸送り機構１８が計測ヘッド１７を、或る基準位置から高さ方向に移動（変位）させた量である送り量（変位量）Δｚに基づいて、上記縞解析法によって算出された高さを補正することにより、計測対象１２の高さを算出している。そして、制御ユニット１６は、算出された計測対象１２の高さに基づいて、計測ヘッド１７を高さ方向に移動させるようにｚ軸送り機構１８を制御している。
【００５３】
従って、三次元形状計測装置の校正を行うために従来設けられている高さ調整機構をｚ軸送り機構１８に変更することにより、計測レンジを高さ方向に容易に変位させることができる。また、ｚ軸送り機構１８の校正は、従来の校正と共に行うことができるので、校正の手間の増大を抑制することができる。
【００５４】
そして、上記縞解析法によって算出された高さを、ｚ軸送り機構１８による送り量Δｚに基づいて補正することにより、高さを計測するための新たなセンサを設けること無く、計測対象の正確な高さを算出することができる。その結果、上記計測レンジを維持しつつ、計測可能な高さを簡便に拡張することができる。なお、制御ユニット１６の詳細については後述する。
【００５５】
次に、制御ユニット１６の詳細について説明する。図４に示すように、制御ユニット１６は、画像取得部４４、主制御部４５、記憶部４６、入力・設定部４７、搬送制御部４８、投光制御部４９、およびｚ軸送り制御部（変位部制御手段）５０を備える構成である。
【００５６】
主制御部４５は、搬送制御部４８、投光制御部４９、およびｚ軸送り制御部５０に各種指示を行うものである。主制御部４５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）に各種制御プログラムを実行させることによって実現される。或いはその代わりに、図示しないＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などによって実現してもよい。なお、主制御部４５の詳細については後述する。
【００５７】
記憶部４６は、各種の情報を記憶するものである。記憶部４６は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、外部記憶装置などの何れか１つまたはそれらの組合せによって実現されている。なお、記憶部４６に記憶される情報の詳細については後述する。
【００５８】
画像取得部４４は、撮像ユニット１５からの画像情報を取得するものであり、キャプチャボードなどによって構成されている。画像取得部４４は、取得した画像情報を、主制御部４５にて処理可能な画像データに変換して、主制御部４５に送信する。
【００５９】
入力・設定部４７は、ユーザからの指示入力、情報入力、設定入力などの各種入力を受け付けるものであり、例えばキーボードやボタンなどのキー入力デバイスや、マウスなどのポインティングデバイスなどによって構成される。なお、入力・設定部４７と共に、或いは入力・設定部４７の代わりに、印刷された情報を読み取るスキャナデバイス、無線または有線の伝送媒体を介して信号を受信する受信デバイス、外部または自装置内の記録媒体に記録されたデータを再生する再生デバイスなどを用いて、外部からの上記各種入力を受け付けてもよい。
【００６０】
搬送制御部４８、投光制御部４９、およびｚ軸送り制御部５０は、主制御部４５からの指示に基づき、搬送ユニット１１、投光ユニット１３、および、ｚ軸送り機構１８をそれぞれ制御するものである。
【００６１】
このような三次元形状計測システム１０に備わる各部の幾何学的位置関係について一例を用いて以下に説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００６２】
本実施形態の三次元形状計測システム１０では、撮像ユニット１５のラインセンサ３４は、その主走査方向が搬送テーブル（取付台）４１の載置面（基準面）と平行になるように設置されている。ラインセンサ３４の主走査方向と搬送テーブル４１の載置面とを平行にすることにより、計測対象１２の上面を均一な倍率で撮像することができる。また、ラインセンサ３４の主走査方向と副走査方向とを垂直にしているので、搬送しながら撮影した複数のライン画像からなる２次元画像には、直角部分が直角部分として撮像される。
【００６３】
また、投光ユニット１３は、その光軸が撮像ユニット１５の光軸に対して所定の角度を有するように設置されている。これにより、詳細は後述するが、計測対象１２に投影した光パタン１４のずれに基づいて、計測対象１２の高さを算出することができる。なお、撮像ユニット１５および投光ユニット１３の幾何学的配置は設置時に予め計測しておいてもよいし、校正により算出してもよい。
【００６４】
このような三次元形状計測システム１０の動作について説明すると以下の通りである。まず、各種機器の校正を行う。例えば、搬送テーブル４１に校正用ターゲット（図示せず）を載置し、載置された校正用ターゲットを撮像ユニット１５が撮影し、撮影された校正用ターゲットの画像を制御ユニット１６が解析して、撮像ユニット１５の光軸の傾きφを算出することにより、撮像ユニット１５の光軸の校正を行う。
【００６５】
各種校正の終了後、計測対象１２の三次元形状の計測を行う。まず、制御ユニット１６の搬送制御部４８からの命令によって、搬送ユニット１１のサーボモータ４２が搬送テーブル４１を初期設定位置にセットする。この初期設定位置は、撮像ユニット１５が計測対象１２を撮像する際の副走査方向の撮像開始位置を決定するものであり、撮像ユニット１５の撮像領域が、搬送ユニット１１の搬送テーブル４１に載せられた計測対象１２の副走査方向における端部に来るような位置であることが好ましい。
【００６６】
そして、投光ユニット１３が計測対象１２に光パタン１４を投影する。撮像ユニット１５は、光パタン１４が投影された計測対象１２を走査し、この計測対象１２の画像を取得する。撮像ユニット１５によって取得された画像は、制御ユニット１６に送信され、制御ユニット１６の画像取得部４４によってデジタルデータに変換される。そして、制御ユニット１６の主制御部４５が光パタン１４を解析することによって、計測対象１２の高さ情報が算出される。
【００６７】
ここで、本実施形態の三次元形状計測システム１０では、画像中の光パタン１４を解析する際に、空間縞解析法を用いる構成となっている。これにより、撮像ユニット１５に備わった４本のラインセンサ３４が１回走査して取得した４つのライン画像から、計測対象１２の領域であって、撮像ユニット１５の走査領域（撮像領域）内での各位置における高さを求めることができる。なお、空間縞解析法の詳細については後述する。
【００６８】
そして、搬送ユニット１４は、制御ユニット１６の制御によって、計測対象１２を副走査方向に所定の距離だけ移動させる。これにより、計測対象１２における撮像ユニット１５の撮像領域と投光ユニット１３によって投影される光パタン１４とが、所定の距離だけ副走査方向にずれることになる。この後、再び撮像ユニット１５が計測対象１２を走査し、ライン画像を取得する。ここで得られたライン画像には、計測対象１２の、先ほどの走査領域よりも所定の距離だけ副走査方向にずれた領域が含まれることになる。得られた画像は、同様に制御ユニット１６に送信され、新しい走査領域内での各位置における三次元情報が求められる。
【００６９】
このように、搬送ユニット１４が再び計測対象１２を所定の距離だけ移動させ、撮像ユニット１５が計測対象１２を撮像し、制御ユニット１６がライン画像を解析する処理を繰り返すことによって、計測対象１２の全体の三次元形状が計測される。
【００７０】
なお、計測対象１２の三次元形状情報のうち、ラインセンサ３４の主走査方向の長さおよび副走査方向の長さ情報については、公知の方法によって計測することができる。例えば、計測対象１２の主走査方向の長さ情報は、ライン画像に撮像された計測対象の主走査方向の長さに基づいて算出することができる。また、計測対象１２の副走査方向の長さ情報は、搬送ユニット１４による移動速度に基づいて算出することができる。このように、計測対象１２の主走査方向および副走査方向の長さ情報と、高さ情報とを求めることによって、計測対象１２の三次元形状情報を得ることができる。
【００７１】
なお、上記の所定の距離とは、撮像ユニット１５の撮像領域の副走査方向における長さと等しいことが好ましい。これにより、上記の工程によって計測対象１２の全領域を漏らすことなく迅速に計測することができる。
【００７２】
また、所定の距離ごとの撮像は、搬送テーブル４１を一定速度で移動させつつ、撮像ユニット１５に一定時間ごとに撮像させることによって実現することができる。この場合、搬送制御部４８が、画像取得部４４を介して、例えば数ＫＨｚオーダーの一定時間ごとに撮像駆動信号を撮像ユニット１５に送信する。撮像ユニット１５は、この駆動信号をトリガとして光パタン１４の投影された計測対象１２の画像を取得する。一方、搬送制御部４８は、同様の一定時間ごとの搬送駆動信号を搬送ユニット１４にも送信する。搬送ユニット１４のサーボモータ４２は、この搬送駆動信号をトリガとして搬送テーブル４１を一定速度で駆動する。これにより、所定の領域ずつ計測対象１２を撮像することができる。
【００７３】
また、所定の距離ごとの撮像にリニアスケーラ４３を利用してもよい。この場合、図４に示すように、リニアスケーラ４３は搬送ユニット１４に設けられ、搬送テーブル４１が所定の距離だけ移動されるたびに、搬送制御部４８に対して信号を送信する。そして、搬送制御部４８は、この信号を受信すると、撮像ユニット１５のラインセンサ３４に対して撮像駆動信号を送信する。これにより、搬送ユニット１４の搬送速度ムラなどに左右されることなく、精確に所定の距離ごとの撮像を行うことが可能になり、その結果、三次元計測の精度が向上する。
【００７４】
次に、このような三次元形状計測システム１０の利点について説明する。本実施形態では、撮像ユニット１５に含まれる読み取りセンサとして、ラインセンサ３４を用いる構成となっている。例えば主走査方向の画素数が１００００画素のラインセンサ３４を用いる場合、主走査方向の長さが１００ｍｍの計測対象を、約１０μｍの分解能で撮像することができる。これに対して、例えば横方向の画素数が６４０画素のエリアカメラを用いる場合、横方向の長さが１００ｍｍの計測対象を、約１５０μｍの分解能でしか撮像することができない。
【００７５】
また、上記のエリアカメラがラインセンサ３４と同じ分解能で撮像するためには、主走査方向に所定の距離ずつ移動し、そして撮像するといった処理工程を最低でも１２セット行う必要がある。この場合、主走査方向に撮像ユニット１５を移動させ、撮像させるために多大な時間を要してしまう。
【００７６】
これに対して、本実施形態の三次元形状計測システム１０では、ラインセンサ３４を用いることにより、計測対象１２に対して高い分解能で高速な撮像を行うことが可能になる。
【００７７】
さらに、本実施形態では、撮像ユニット１５によって読み取った各ライン画像を空間縞解析法によって解析する構成となっている。空間縞解析法では、１つのライン画像から光パタン１４の位相ずれを算出し、この位相ずれから三次元情報を算出することができる。よって、計測対象１２に対して必要な延べ走査回数が１回で済むので、走査回数が複数回必要な構成と比べると、高速に計測を行うことが可能になる。
【００７８】
さらに、１度の走査によって取得したライン画像のみに基づいて高さを計測できるため、走査と同時に三次元形状の計測を行うことも可能になる。これにより、例えば基板の検査を行う場合などに、計測対象１２となる基板上に何らかの製造上の不具合を発見した際に、最後まで撮像処理を繰り返すことなく直ちに計測を中断させることができ、基板の検査を迅速化することもできるようになる。
【００７９】
次に、制御ユニット１６の主制御部４５による画像解析の詳細について説明する。まず、本実施形態の画像解析手法の原理について、図５〜図８を参照して説明する。
【００８０】
主制御部４５は、光パタン１４の投影された計測対象１２のライン画像を空間縞解析法に基づいて解析する。空間縞解析法とは、上述したように三角測量の原理に基づくものである。三角測量の原理については、図１５を参照して上述したので、以下では、縞解析法および空間縞解析法について順番に説明する。
【００８１】
まず、縞解析法について説明する。本実施形態では、上述のように、計測対象１２に投影する光パタン１４として、正弦波状の光パタンを用いている。正弦波状の光パタンとは、輝度が正弦関数によって表されるグラデーションを有するパタンのことをいう。換言すれば、位置と輝度との関係が正弦関数によって表される光パタンのことを正弦波状の光パタンという。正弦波状の光パタンの一例を図５に示す。
【００８２】
このような光パタンを、図６の（ａ）および（ｂ）に示すような計測対象１２に投影した場合、投影される光パタンを上面から観測すると図７の（ａ）のようになる。すなわち、斜め方向から投影された光パタンは、高さを有する凸部において歪みを生じることになる。このように光パタンが投影された計測対象１２を撮像ユニット１５のラインセンサ３４によって走査すると、走査位置と輝度との関係は図７の（ｂ）のようになる。
【００８３】
図７の（ｂ）の上段に示すように、凸部のない基準面に投影された光パタンは、常に一定の周期で輝度が変化する。これに対して、図７の（ｂ）の下段に示すように、凸部に投影された光パタンは凸部の傾斜によって輝度の周期が変化し、その結果、基準面に投影された光パタンに対して位相のずれを生じることになる。よって、実際に計測対象１２に光パタンを投影して撮像した画像（ライン画像）に含まれる或る位置の画素における光パタンの位相と、基準面に光パタンを投影した場合の同画素の位相（基準位相）との差を求めれば、その画素に対応する位置における計測対象１２の高さを上記の三角測量の原理に基づいて求めることができる。
【００８４】
上記の位相差を算出するにあたって、基準位相は、基準面に光パタンを投影して撮像することなどによって予め求めておくことができる。一方、実際に計測対象１２に光パタンを投影して撮像した画像（ライン画像）に含まれる各位置の画素における光パタンの位相の求め方には、大別して２通りある。空間縞解析法と時間縞解析法との相違点は、この位相の求め方にある。
【００８５】
図７の（ｂ）に示すように、正弦関数では、或る１つの変位を与える位相が１周期内に２つ存在する。例えば、ｙ＝ｓｉｎθによって表される関数において、変位ｙ＝０を与える位相θの解は０およびπの２つである。また、変位ｙ＝１／２を与える位相θの解はπ／６および５π／６の２つである。このような理由から、撮像した画像において、単一の画素の輝度値（正弦関数の変位に相当）のみから、その画素における光パタンの位相を求めることはできない。
【００８６】
ここで、従来用いられてきた手法である時間縞解析法（位相シフト法）では、所定の量だけ位相をずらした少なくとも３つの光パタンを計測対象１２に投影して計測対象１２を撮像し、得られた画像を解析することによって位相を１つに決定する。従って、時間縞解析法を用いる場合は、計測対象１２の反射特性が厳密に一様であったとしても、計測対象１２を最低でも３回撮像しなければならない。
【００８７】
一方、空間縞解析法では、位相を求める画素（以下「注目画素」と称する）およびその周辺の画素の輝度に基づいて、注目画素における位相を算出する。例えば、上記の例において変位ｙ＝０を与える位相θは０およびπの２つあるが、ここで、注目画素における位相が０の場合とπの場合とでは、周辺の画素の輝度が異なることになる。注目画素における位相が０の場合、例えば注目画素よりも少し位相が小さい側に存在する周辺画素の輝度値は、注目画素の輝度値よりも小さくなる。一方、注目画素における位相がπの場合は、注目画素よりも少し位相が小さい側に存在する周辺画素の輝度値が注目画素の輝度値よりも大きくなる。従って、注目画素の近傍の画素に基づいて、光パタンの位相を１つに決定することができる。このように、注目画素の近傍に存在する画素の輝度値に基づいて、注目画素における位相を決定するのが空間縞解析法の特徴である。
【００８８】
本実施形態の三次元形状計測システム１０に用いられる空間縞解析法の具体的な処理工程について以下に詳述するが、本発明はこれに限定されず、上述した縞解析法の原理に基づいたものであればどのようなものであってもよい。
【００８９】
本実施形態では、撮像したライン画像から、光パタンを９０°移相した移相光パタンを仮想的に作成する。ここで、投影する光パタンを、次の式（２）
【００９０】
【数２】
2010243296.tif 000004
【００９１】
とすると、この光パタンを９０°移相した移相光パタンは、次の式（３）
【００９２】
【数３】
2010243296.tif 000005
【００９３】
と表される。従って、位置ｘにおける画素の位相φ（ｘ）は、次の式（４）
【００９４】
【数４】
2010243296.tif 000006
【００９５】
で求めることができる。
【００９６】
ここで、Ｉ（ｘ）の値は、主走査方向の位置ｘにおける画素の輝度値である。一方、Ｉ^（ｘ）（以下、ハットのついたＩ（ｘ）を便宜的にこのように記述する）の値の算出には、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換を用いる。すなわち、移相光パタンによる位置ｘにおける輝度値Ｉ^（ｘ）は、次の式（５）
【００９７】
【数５】
2010243296.tif 000007
【００９８】
で表される。ここで、取得できる輝度データは画素ごとのデータ、つまり離散的なものであるため、上記の式（５）を次の式（６）
【００９９】
【数６】
2010243296.tif 000008
【０１００】
のように近似する。この式（６）によって、Ｉ^（ｘ）の値を求めることができる。
【０１０１】
以上より、輝度値Ｉ（ｘ）を取得すれば、上記の式（６）からＩ^（ｘ）の値を求め、上記の式（４）から位相φ（ｘ）を求めることができる。そして、求めた位相φ（ｘ）と基準面における位相φ０（ｘ）との位相差Δφ（ｘ）により、上述した三角測量の原理に基づいて、位置ｘにおける高さｚを算出することができる。
【０１０２】
高さｚは、具体的には、基準面からの距離として算出され、次の式（７）
【０１０３】
【数７】
2010243296.tif 000009
【０１０４】
によって求めることができる。なお、上記の式（７）において、Ａ（ｘ，ｚ）およびＢ（ｘ，ｚ）は、パタン周期やカメラから基準面までの距離、パタンの投影角度などの幾何学的配置に依存して画素ごとに決まる関数である。ただし、これらの関数は、未知数ｚの関数なので、厳密な形を算出するのは困難である。従って、本実施形態では、予め高さが既知の校正用ターゲットを観測して、Ａ（ｘ，ｚ）およびＢ（ｘ，ｚ）の値を画素ｘごとに算出し、これを用いて直線近似やスプライン関数近似でｚの関数形を推定している。
【０１０５】
なお、本実施形態では、計測ヘッド１７が高さ方向に変位するため、上記基準面も変位することになる。従って、計測対象１２の高さは、上記式（７）から算出される高さｚに、送り量Δｚを加算したものとなる。
【０１０６】
次に、主制御部４５の構成について説明する。図１は、制御ユニット１６の要部構成、特に主制御部４５の要部構成を示している。主制御部４５は、背景除去部７２、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部７４、位相算出部（位相算出手段）７５、位相差算出部７６、高さ算出部（高さ算出手段）７７、および送り量算出部（変位部制御手段）７８を備えている。また、制御ユニット１６の記憶部４６には、逆正接ＤＢ（Database）６２、基準位相ＤＢ６３、関数ＤＢ６１、三次元形状ＤＢ６４、および送り量ＤＢ６５が存在する。
【０１０７】
逆正接ＤＢ６２は、ｙ＝ｔａｎ-1ｘによって表される関数におけるｙとｘとの対応を示すデータベースであり、ｘの値と、ｔａｎ-1ｘの値とが予め関連付けて格納されている。これにより、ｘの値に基づいて、その逆正接の値ｙを検索することができる。
【０１０８】
基準位相ＤＢ６３は、光パタンを投影した基準面（高さが常に０の平面）を撮像したライン画像の各画素における光パタンの位相（以下「基準位相」と称する。）を予め格納したデータベースである。基準位相ＤＢ６３には、ライン画像に含まれる画素の主走査方向の位置ｘと、その画素における基準位相φ０（ｘ）とが関連付けて格納されている。これにより、ライン画像に含まれる画素の位置ｘの情報に基づいて、その画素における基準位相φ０（ｘ）を検索することができる。なお、基準位相ＤＢ６３は、校正モードにおいて、記憶部４６に予め格納または更新されることが望ましい。
【０１０９】
関数ＤＢ６１は、上記の式（７）に含まれる関数Ａ（ｘ，ｚ）および関数Ｂ（ｘ，ｚ）を予め格納したデータベースである。関数ＤＢ６１には、ライン画像に含まれる画素の主走査方向の位置ｘと、校正用ターゲットを観測して推定された、その画素における関数Ａ（ｘ，ｚ）および関数Ｂ（ｘ，ｚ）とが関連づけて格納されている。これにより、ライン画像に含まれる画素の位置ｘの情報に基づいて、その画素における関数Ａ（ｘ，ｚ）および関数Ｂ（ｘ，ｚ）を検索することができる。
【０１１０】
三次元形状ＤＢ６４は、計測によって得られた計測対象１２の三次元形状情報を格納するためのデータベースである。この三次元形状ＤＢ６４には、計測対象１２の表面上の点を特定するｘ座標（主走査方向に相当）、ｙ座標（副走査方向に相当）、ｚ座標（高さに相当）が関連付けて格納される。これにより、計測終了後に、計測対象１２のｘ座標およびｙ座標に基づいて、その位置における高さ（ｚ座標）を検索することができる。
【０１１１】
送り量ＤＢ６５は、ｚ軸送り機構１８が計測ヘッド１７を或る基準位置から高さ方向に移動させた量である送り量Δｚを格納するためのデータベースである。なお、送り量ＤＢ６５には、送り量Δｚとｙ座標とを関連づけて格納されてもよい。
【０１１２】
背景除去部７２は、画像取得部４４からライン画像を取得し、取得したライン画像から背景成分を除去するものである。背景除去部７２は、背景成分を除去したライン画像をＨｉｌｂｅｒｔ変換部７４および位相算出部７５に送信する。具体的には、背景除去部７２は、光パタンを投影した状態で計測対象１２を撮像したライン画像と、光パタンを投影せずに一様な輝度の光を照射した状態で計測対象１２を撮像した対照ライン画像とを取得し、光パタンを投影した状態のライン画像における各画素の輝度値を、上記対照ライン画像の対応する画素の輝度値で除算している。
【０１１３】
図８の（ａ）は、光パタンを投影した状態の上記ライン画像の一例を示しており、図８の（ｂ）は、上記対照ライン画像の一例を示している。同図の（ｂ）に示すように、計測対象１２に一様な輝度の光を照射しても、撮像した画像にはムラ（斑）が生じていることが理解できる。これは、計測対象１２の各部位における反射特性の相違に起因する。上記ムラは、同図の（ａ）に示すように、光パタンを投影した状態のライン画像にも生じることになり、上記ライン画像を用いて算出される位相に誤差が生じることになる。
【０１１４】
光パタンを投影した状態の上記ライン画像の輝度値ｇ１（ｘ）は次の式（８）
【０１１５】
【数８】
2010243296.tif 000010
【０１１６】
で表される。ここで、Ａ（ｘ）は計測対象１２の反射率、Ｉ０は計測対象１２に照射する光の平均強度、Ｂは光パタンの振幅、ｋは光パタンの周波数、かつΦは計測対象１２の高さによる位相変調である。
【０１１７】
一方、上記対照ライン画像の輝度値ｇ２（ｘ）は次の式（９）
【０１１８】
【数９】
2010243296.tif 000011
【０１１９】
で表される。
【０１２０】
上記の式（８）を上記の式（９）で除算すると、次の式（１０）
【０１２１】
【数１０】
2010243296.tif 000012
【０１２２】
となり、計測対象１２の各部位に依存する反射率Ａ（ｘ）が除去される。
【０１２３】
本実施形態では、撮像ユニット１５には、上記ライン画像を取得するための第１のラインセンサと、上記対照ライン画像を取得するための第２のラインセンサとがラインセンサ３４として設けられている。
【０１２４】
図３は、三次元形状計測システム１０の要部構成を示している。図３の（ａ）は、撮像ユニット１５に設けられるラインセンサ３４の詳細を示している。本実施形態では、図示のように、白黒成分（輝度成分）を撮影するラインセンサ３４ｋと、青色成分、赤色成分、及び緑色成分をそれぞれ撮影するラインセンサ３４ｂ・３４ｒ・３４ｇとの４本のラインセンサを利用している。なお、以下では、ラインセンサ３４ｋ・３４ｂ・３４ｒ・３４ｇを総称する場合には、「ラインセンサ３４」記載する。
【０１２５】
図３の（ｂ）は、計測対象１２において、照射される光パタン１４と、ラインセンサ３４ｋ・３４ｂ・３４ｒ・３４ｇがそれぞれ撮影する領域である撮影領域３４ｋ´・３４ｂ´・３４ｒ´・３４ｇ´とを示している。図示のように、光パタン１４が照射される領域に、白黒成分を撮影する撮影領域３４ｋ´が含まれ、光パタン１４が照射されない領域に、青色成分、赤色成分、及び緑色成分をそれぞれ撮影する撮影領域３４ｂ´・３４ｒ´・３４ｇ´が含まれる。すなわち、ラインセンサ３４ｋが第１のラインセンサに該当し、ラインセンサ３４ｂ・３４ｒ・３４ｇが第２のラインセンサに該当することになる。
【０１２６】
従って、本実施形態では、計測対象１２に対し１回の走査を行うのみで、ラインセンサ３４ｋの撮影画像から上記ライン画像を取得でき、ラインセンサ３４ｂ・３４ｒ・３４ｇの撮影画像から、計測対象１２のカラー画像を取得できる。そして、このカラー画像を輝度画像に変換することにより、上記対照ライン画像を取得できる。取得された上記ライン画像および上記対照ライン画像から、上記式（８）〜（１０）を利用して、光パタン１４のみの画像を取得することができる。従って、計測対象１２に対し１回の走査を行うのみで、計測対象１２の高さを算出できるので、計測対象１２の三次元形状を迅速に計測することができる。
【０１２７】
Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部７４は、背景除去部７２からのライン画像データ、すなわち背景成分の除去されたライン画像データに対し、上記の式（１０）が適用された上記の式（６）に基づいて、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換を行うものである。Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部７４は、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換したライン画像データを位相算出部７５に送信する。
【０１２８】
位相算出部７５は、背景除去部７２にて背景成分が除去されたライン画像データと、さらにＨｉｌｂｅｒｔ変換部７４にてＨｉｌｂｅｒｔ変換されたライン画像データとを用いて、位置ｘにおける光パタンの位相を算出するものである。具体的には、位相算出部７５は、上記の式（１０）が適用された上記の式（４）に基づいて、位置ｘにおける光パタンの位相φ（ｘ）（＝ｋｘ＋Φ（ｘ））を算出している。位相算出部７５は、算出した位相φ（ｘ）を位相差算出部７６に送信する。なお、本実施形態では、位相算出部７５は、上記の式（４）における逆正接の値を、逆正接ＤＢ６２を参照することによって求めているが、数値演算によって求めてもよい。
【０１２９】
位相差算出部７６は、位置ｘにおける位相差（位相のずれ）Δφ（ｘ）を算出するものである。位相差算出部７６は、算出した位相差Δφ（ｘ）を高さ算出部７７に送信する。具体的には、位相差算出部７６は、まず、位相算出部７５から位置ｘにおける光パタンの位相φ（ｘ）を受信するとともに、基準位相ＤＢ６３を参照して位置ｘにおける光パタンの基準位相φ０（ｘ）（＝ｋｘ）を取得する。そして、位相差算出部７６は、上記位相φ（ｘ）から上記基準位相φ０（ｘ）を減算することによって、位置ｘにおける位相差Δφ（ｘ）（＝Φ（ｘ））を算出する。
【０１３０】
高さ算出部７７は、位置ｘにおける計測対象１２の高さｚを算出するものである。高さ算出部７７は、算出した高さｚを、主走査方向の座標ｘおよび副走査方向の座標ｙと関連付けて、三次元形状ＤＢ６４に格納すると共に、送り量算出部７８に送信する。
【０１３１】
具体的には、高さ算出部７７は、まず、位相差算出部７６から位置ｘにおける位相差Δφ（ｘ）を受信するとともに、関数ＤＢ６１を参照して位置ｘにおける関数Ａ（ｘ，ｚ）および関数Ｂ（ｘ，ｚ）を取得する。次に、高さ算出部７７は、上記位相差Δφ（ｘ）、上記関数Ａ（ｘ，ｚ）、および上記関数Ｂ（ｘ，ｚ）から、上記の式（７）に基づいて、高さｚを算出する。そして、高さ算出部７７は、算出した高さｚに、送り量ＤＢ６５からの送り量Δｚを加算することにより、上記算出した高さｚを補正する。この補正された高さｚが、位置ｘにおける計測対象１２の高さｚとなる。
【０１３２】
送り量算出部７８は、一部または全ての位置ｘに関して、高さ算出部７７からの計測対象１２の高さｚの平均値を算出し、算出した平均値が次回の走査における計測レンジの中心となるような送り量Δｚを算出し、算出した送り量Δｚをｚ軸送り制御部５０に送信すると共に、送り量ＤＢ６５に格納する。これにより、ｚ軸送り制御部５０は、計測ヘッド１７の変位量が、送り量算出部７８からの送り量Δｚとなるように、ｚ軸送り機構１８を制御して計測ヘッド１７を変位させることになる。なお、平均値の他に、最頻値、中央値などの統計量を用いてもよい。
【０１３３】
図９は、上記構成の三次元形状計測システム１０における計測ヘッド１７の動きの一例を示している。図示の例では、計測対象１２である基板１２ａが、上に凸となるように反っており、ｙ軸方向に搬送されている。この場合、計測ヘッド１７は、同図の左側から走査を開始することになり、基板１２ａの反りに対応して、計測ヘッド１７が上方に移動した後、下方に移動することになる。
【０１３４】
このように、基板１２ａの反りに対応して計測ヘッド１７を変位させる場合、部品の配置されていない位置ｘを、送り量Δｚを算出する対象とすればよい。なお、通常、基板１２ａの色は、茶色・緑色など、予め決まっているので、基板１２ａに部品が配置されているか否かは、第２のラインセンサから取得されるカラー画像によって容易に判断することができる。
【０１３５】
図１０は、図９に示す基板１２ａをｙ軸方向に断面し、ｘ軸方向に見た図である。同図の（ａ）は、本実施形態の三次元形状計測システム１０における計測レンジの変化の様子を示している。また、同図の（ｂ）は、従来の三次元形状計測システムにおける計測レンジの変化の様子を比較例として示している。
【０１３６】
図１０の（ｂ）を参照すると、従来例では、計測レンジが固定であるため、基板１２ａおよび基板１２ａに配置された部品の一部のみを計測できるが、残りが計測できないことが理解できる。これに対し、図１０の（ａ）を参照すると、本実施例では、走査ごとに、基板１２ａの高さｚが、次回の走査における計測レンジの中心となるように、計測ヘッド１７が変位するので、基板１２ａおよび上記部品の全てを計測できることが理解できる。
【０１３７】
次に、上記構成の三次元形状計測システム１０における処理動作について説明する。三次元形状計測システム１０は、まず校正モードに移行して校正を行った後に、計測モードに移行して計測対象１２の三次元形状を計測している。なお、校正モードにおける処理は、従来と同様であるので、その説明を省略する。
【０１３８】
図１１は、計測モードにおいて制御ユニット１６が行う処理を示している。制御ユニット１６は、直線状に画素が配列されたライン画像において、その一端部から他端部に向かって順次高さを算出する。従って、まず、主走査方向における画素の位置ｘを０にセットする（ステップＳ１１）。
【０１３９】
次に、制御ユニット１６は、位置ｘにおける位相φ（ｘ）を取得する（ステップＳ１２）。具体的には、まず、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部７４は、背景除去部７２にて背景成分が除去されたライン画像データに対し、上記の式（１０）が適用された上記の式（６）に基づいて、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換を行う。そして、位相算出部７５は、背景除去部７２にて背景成分が除去されたライン画像データと、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部７４にてＨｉｌｂｅｒｔ変換されたライン画像データとを用い、上記の式（１０）が適用された上記の式（４）に基づいて、位置ｘにおける光パタンの位相φ（ｘ）を算出する。
【０１４０】
次に、位相差算出部７６は、位相算出部７５にて算出された位置ｘにおける位相φ（ｘ）から、基準位相ＤＢ６３を参照して取得した位置ｘにおける基準位相φ０（ｘ）を減算することによって、位置ｘにおける位相差Δφ（ｘ）を算出する（ステップＳ１３）。
【０１４１】
次に、高さ算出部７７は、位相差算出部７６にて算出された位相差Δφ（ｘ）と、関数ＤＢ６１を参照して取得した位置ｘにおける関数Ａ（ｘ，ｚ）および関数Ｂ（ｘ，ｚ）とから、上記の式（７）に基づいて、位置ｘにおける高さｚを算出する。次に、高さ算出部７７は、算出した高さｚに、送り量ＤＢ６５に格納された送り量Δｚを加算することにより、高さｚを補正する（ステップＳ１４）。次に、高さ算出部７７は、補正後の高さｚを計測対象１２の高さｚとして、主走査方向の座標ｘおよび副走査方向の座標ｙと関連付けて、三次元形状ＤＢ６４に格納する（ステップＳ１５）。
【０１４２】
次に、送り量算出部７８は、補正後の高さｚに基づいて計測対象１２を移動させるように、ｚ軸送り制御部５０を介してｚ軸送り機構１８を制御する（ステップＳ１５）。具体的には、送り量算出部７８は、一部または全ての位置ｘに関して、高さ算出部７７からの計測対象１２の高さｚの平均値を算出し、算出した平均値が次回の走査における計測レンジの中心となるような送り量Δｚを算出し、算出した送り量Δｚをｚ軸送り制御部５０に送信すると共に、送り量ＤＢ６５に格納する。
【０１４３】
続いて、主制御部４５は、位置ｘが直線状のライン画像の終端であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。ここで、位置ｘがライン画像の終端である場合は、処理を終了する。一方、位置ｘがライン画像の終端でない場合は、注目画素の位置を主走査方向に１画素分ずらすために、ｘの値を１つ増やす（ステップＳ１７）。そして、ステップＳ１２に戻る。
【０１４４】
上記のステップＳ１２〜ステップＳ１７の処理を繰り返すことにより、三次元形状ＤＢ６４には、計測対象１２の主走査方向に沿った各位置における高さ情報が蓄積される。また、上記の画像解析処理と平行して、搬送ユニット１４が計測対象１２を副走査方向にずらしながら、撮像ユニット１５が計測対象１２を再び撮像する。そして、撮像によって得られたライン画像に基づいて再び上記の画像解析処理が行われる。これにより、三次元形状ＤＢ６４には、副走査方向に沿った各位置における高さ情報も順次蓄積され、最終的に、計測対象１２全体の三次元形状情報が蓄積される。なお、上記の画像解析処理が終了してから、搬送ユニット１４が計測対象１２を副走査方向にずらして、撮像ユニット１５が計測対象１２を再び撮像してもよい。
【０１４５】
上記のステップＳ１２からステップＳ１７の処理を繰り返すことにより、三次元形状ＤＢ６４には、計測対象１２の主走査方向に沿った各位置における高さ情報が蓄積される。また、上記の処理が終了すると、搬送ユニット１４が計測対象１２を副走査方向にずらし、その後、撮像ユニット１５が計測対象１２を再び撮像し、撮像によって得られたライン画像に基づいて再び上記の画像解析処理が行われる。これにより、三次元形状ＤＢ６４には、副走査方向に沿った各位置における高さ情報も順次蓄積され、最終的に、計測対象１２全体の三次元形状情報が蓄積される。
【０１４６】
なお、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部７４が、式（６）に基づいて位置ｘにおける移相光パタンの輝度値を求める際に、式（６）のパラメータＮの値を、入力・設定部４７を介して変更可能にすることが好ましい。これは、位置ｘにおける移相光パタンの輝度を算出する際に用いる注目画素近傍の画素の数を可変にすることを意味する。あるいは、空間縞解析法で用いるフィルタのサイズを可変にするともいえる。
【０１４７】
ここで、Ｎの値を大きくする（すなわちフィルタのサイズを大きくする）と、より多くの画素に基づいて位相を算出することになり、最終的に求められる高さ情報の算出精度が向上する。一方、Ｎの値を小さくする（すなわちフィルタのサイズを小さくする）と、Ｉ^（ｘ）の算出に必要な演算回数が少なくなり、算出速度が向上する。また、注目画素近傍の画素に黒点などの輝度の不連続点が含まれ難くなるので、不連続点による誤差伝搬の影響を抑制することもできる。
【０１４８】
また、背景除去部７２は、撮像ユニット１５によって撮像されたライン画像に対して、背景成分を除去する処理以外の前処理を行ってもよい。前処理の内容としては、例えばライン画像に含まれるノイズの除去などが挙げられる。さらに、位相算出部７５が位相を算出した後に、算出した位相に対して後処理を行ってもよい。例えば、位相算出部７５と位相差算出部７６との間にＰＬＬ（Phase Locked Loop）部をさらに設け、ノイズによる誤差を軽減することなどが挙げられる。
【０１４９】
なお、上記の前処理は、図１１に示すステップＳ１２よりも前に行えばよい。一方、上記の後処理は、図１１に示すステップＳ１２とステップＳ１３との間に行えばよい。
【０１５０】
以上により、制御ユニット１６は、高さ算出部７７が計測対象１２の高さｚを算出すると、送り量算出部７８が適当な送り量Δｚを算出して、算出した送り量Δｚに計測ヘッド１７が移動するように、ｚ軸送り制御部５０を介してｚ軸送り機構１８を制御している。この場合、計測対象１２の高さｚを算出する回数に比例して、ｚ軸送り機構１８が計測ヘッド１７を移動させる回数が増加するが、計測対象１２の高さｚに基づいて、ｚ軸送り機構１８が計測ヘッド１７を移動させるように制御すべきか否かを判断する処理を行う必要が無い。
【０１５１】
なお、本実施形態では、送り量算出部７８は、１回の走査ごとに、送り量Δｚを算出し、ｚ軸送り制御部５０を介してｚ軸送り機構１８を制御しているが、計測対象１２の高さｚの変化率が低い場合には、１回の走査置き、２回の走査置きなど、間引いて行ってもよい。この場合、ｚ軸送り機構１８が計測ヘッド１７を移動させる回数を低減することができる。
【０１５２】
また、送り量算出部７８は、高さ算出部７７が算出した計測対象１２の高さｚが、上記計測レンジに対応する高さ方向の範囲における端部に到達すると、送り量Δｚを算出し、ｚ軸送り制御部５０を介してｚ軸送り機構１８を制御してもよい。ここで、計測対象１２の高さｚが、上記端部に到達するということは、計測対象１２の高さｚが、上記範囲から外れそうになっていると考えられる。上記範囲から外れると、上述のように、正確な高さを計測できなくなる。
【０１５３】
これに対し、上記の構成によれば、計測対象１２の高さｚが上記範囲から外れそうになると、計測ヘッド１７を移動させるので、計測対象１２の高さｚが上記範囲から外れることを防止でき、その結果、計測対象１２の高さｚを適切に計測することができる。また、本実施形態の場合に比べて、計測対象１２の高さｚに応じて計測ヘッド１７を移動させるか否かを判断する処理が必要であるが、計測ヘッド１７を移動させる回数を低減することができる。
【０１５４】
また、送り量算出部７８は、今回の走査において算出された計測対象１２の高さｚを利用して送り量Δｚを算出しているが、以前の走査において算出された計測対象１２の高さｚを利用してもよい。例えば、図９に示す基板１２ａの場合、部品が密集している領域を走査することにより、基板１２ａの高さｚが精度よく計測できないことがある。このとき、今回および以前の走査において算出された基板１２ａの高さｚを利用して送り量Δｚを算出する方が、計測精度の向上を図ることができる。
【０１５５】
次に、計測対象１２に投影する光パタンの好ましい変形例について説明する。
【０１５６】
本実施形態の三次元形状計測システム１０や、上述した特許文献１や非特許文献１の装置（以下「従来の装置」と称する。）では、計測対象１２に投影する光パタンの輝度が、ラインセンサ３４の主走査方向に沿って変化する構成となっている。ここで、従来の装置では、位相をずらした最低３種類の光パタンを計測対象に投影した状態で撮像するために、光パタンの輝度の変化のピッチが最も小さくなる方向（以下「最小ピッチ方向」と称する。）を、ラインセンサの主走査方向と異ならせる必要があった。なぜならば、それら２つの方向を一致させてしまうと、ラインセンサの主走査方向に対して垂直な方向の搬送方向に計測対象を搬送しても、計測対象の同一部分に投影される光パタンの位相がずれないからである。
【０１５７】
一方、本実施形態の三次元形状計測システム１０では、光パタンが投影された計測対象１２をラインセンサ３４によって撮像して得られた１つのライン画像のみに基づいて、光パタンの位相、ひいては位相差を算出することができる。従って、光パタンの最小ピッチ方向をラインセンサ３４の主走査方向と一致させても何ら問題は生じない。
【０１５８】
ここで、ラインセンサ３４によって撮像したライン画像において、光パタンの輝度のピッチは、高さ計測を行う上で、計測精度を決定する重要な因子になる。具体的には、ピッチを小さくすればするほど計測精度が向上する。そして、ラインセンサ３４が撮像したライン画像において光パタンの輝度のピッチが最も小さくなるのは、光パタンの最小ピッチ方向が、ラインセンサ３４の主走査方向と一致する場合である。従って、本実施形態の三次元形状計測システム１０において、計測対象１２に対して投影される光パタンの最小ピッチ方向は、ラインセンサ３４の主走査方向と平行である（一致している）ことが好ましい。
【０１５９】
また、光パタンの輝度のピッチを小さくすればするほど計測精度が向上するが、高さの計測レンジも小さくなり、計測レンジを固定していた従来の方法では、測定可能な高さが小さくなっていた。これに対し、本実施形態の三次元形状計測システム１０では、計測対象１２の高さｚに基づいて計測ヘッド１７を高さ方向に移動させることにより、計測レンジが変更されると共に、算出した高さが計測ヘッド１７の送り量Δｚに基づいて補正されることにより、計測対象１２の高さｚが適切に算出されるので、測定可能な高さの範囲を増大させることができる。
【０１６０】
ところで、従来の装置では、光パタンを複数のラインセンサで撮像するため、複数のラインセンサそれぞれの撮像領域に対して光パタンを投影する必要がある。ここで、複数のラインセンサのそれぞれに個別の専用の投光ユニットを設ける場合、投影される光パタンが投光ユニットごとにバラついてしまうという問題が生じる。このような問題から、投光ユニットを１つにすることが一般的となっている。しかしながら、投光ユニットを１つにするには、複数のラインセンサの撮像領域全てカバーできる光パタンを投影する必要がある。
【０１６１】
しかしながら、本実施形態の三次元形状計測システム１０では、１本のラインセンサ３４が、計測対象１２の全領域を撮像する構成であるため、投光ユニット１３によって投影される光パタンは、１本のラインセンサ３４（輝度成分を撮影するラインセンサ３４ｋ）の撮像領域のみをカバーすればよい。よって、本実施形態の三次元形状計測システム１０において、投影する光パタンは、二次元方向に広がったものでなくてもよい。
【０１６２】
この場合、光パタンのエネルギー効率を高める上では、投光ユニット１３が、集光した光パタンを投影することが好ましい。具体的には、投光ユニット１３が、図２および図３に示すように、ラインセンサ３４の主走査方向に延在する１軸に集光した直線形状の光パタン（厳密には副走査方向に微小有限幅を有する）を計測対象１２に投影することが好ましい。この場合、投光ユニット１３は、光パタンを１軸集光するための１軸集光素子を備え、この１軸集光素子によって光パタンを主走査方向に延在する直線形状に集光すればよい。この直線形状の光パタンは、ラインセンサ３４の撮像領域をカバーするように投影される。
【０１６３】
なお、上記１軸集光素子の具体例としては、フレネルレンズまたはシリンドリカルレンズなどが挙げられる。これらのレンズを光源３１とパタン生成素子３２との間に配置すれば、計測対象１２に対して１軸に集光した光パタンを投影することができる。
【０１６４】
次に、本実施形態の三次元形状計測システム１０の変形例について説明する。上記の説明では、撮像ユニット１５が４本のラインセンサ３４を備える構成としたが、本発明はこれに限定されず、追加のラインセンサを備えていてもよい。追加のラインセンサを備えることにより、ラインセンサの輝度ノイズを統計的に除去することができ、三次元形状計測の安定性を向上させることができる。
【０１６５】
また、本実施形態では、三次元形状計測システム１０は、別々の構成となっているが、それらの構成の一部または全部を一体の構成とすることもできる。また、本実施形態では、ライン画像を空間縞解析法に基づいて解析しているが、時間縞解析法に基づいて解析することもできる。
【０１６６】
〔実施の形態２〕
次に、本発明の別の実施形態について図１２〜図１４を参照して説明する。図１２は、本実施形態に係る三次元形状計測システム１０における制御ユニット１６の要部構成、特に主制御部４５の要部構成を示している。本実施形態の三次元形状計測システム１０は、図１〜図１１に示す三次元形状計測システム１０に比べて、主制御部４５において、送り量算出部７８に代えて送り判定部（変位部制御手段）８１が設けられ、位相差算出部７６に代えて位相差算出部（位相補正手段）８２が設けられている点と、計測レンジ変更部（計測レンジ設定手段）８３と計測レンジＤＢ６６が追加されている点とが異なり、その他の構成は同様である。なお、上記実施形態で説明した構成と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【０１６７】
送り判定部８１は、高さ算出部７７が算出した計測対象１２の高さｚに基づいて、計測ヘッド１７を移動させるべきか否かを判定するものである。計測ヘッド１７を移動させるべきと判定した場合、送り判定部８１は、送り量Δｚを算出し、算出した送り量Δｚをｚ軸送り制御部５０および計測レンジ変更部８３に送信すると共に、送り量ＤＢ６５に格納する。これにより、ｚ軸送り制御部５０は、計測ヘッド１７の変位量が、送り判定部８１からの送り量Δｚとなるように、ｚ軸送り機構１８を制御して計測ヘッド１７を変位させることになる。
【０１６８】
具体的には、送り判定部８１の上記判定は、一部または全ての位置ｘに関して、高さ算出部７７からの計測対象１２の高さｚの平均値を算出し、算出した平均値が、計測ヘッド１７の被写界深度に対応する範囲の端部に到達したか否かを判定することにより行われる。また、送り量Δｚは、上記算出した平均値が次回の走査における被写界深度の中心となるような量である。なお、平均値の他に、最頻値、中央値などの統計量を用いてもよい。
【０１６９】
より具体的には、上記端部の上側は、上記被写界深度に対応する範囲の上限値と、該上限値から、上記計測レンジに対応する範囲の半分だけ下方の値との間の範囲である。また、上記端部の下側は、上記被写界深度に対応する範囲の下限値と、該下限値から、上記計測レンジに対応する範囲の半分だけ上方の値との間の範囲である。なお、上記端部の大きさは、計測対象１２の高さｚの変化率、次回走査される位置までの距離などに基づいて適宜設定することができる。また、上記端部の大きさは、所定の大きさでもよいし、例えば上記変化率に応じて変化してもよい。
【０１７０】
計測レンジＤＢ６６は、解析中の画素に対応する位置ｘの位相φ（ｘ）の取りうる範囲を示す計測レンジを格納するためのデータベースである。具体的には、計測レンジは、位置ｘの本来の位相が取りうる範囲の上限値および下限値の組である。なお、これに限らず、計測レンジは、上記下限値と、該下限値から上記上限値までの大きさとの組や、上記範囲の中央と、該中央から上限値または下限値までの差分との組であってもよい。これにより、解析中の画素に対応する位置ｘにおける計測レンジを検索することができる。
【０１７１】
位相差算出部８２は、位相算出部７５から位置ｘにおける光パタンの位相φ（ｘ）を受信すると共に、基準位相ＤＢ６３を参照して位置ｘにおける光パタンの基準位相φ０（ｘ）を取得する。次に、位相差算出部８２は光パタンの位相φ（ｘ）から基準面の位相φ０（ｘ）を減じて、補正前位相差Δφｐ（ｘ）を算出する。
【０１７２】
次に、位相差算出部８２は、計測レンジＤＢ６６を参照して計測レンジλを取得する。そして、位相差Δφｐ（ｘ）＋２ｋπが計測レンジλの範囲内の値を取るとような整数ｋを求め、求めた整数ｋを位相差Δφｐ（ｘ）＋２ｋπに代入したものを補正位相差Δφ（ｘ）とする。位相差算出部８２は、補正位相差Δφ（ｘ）を算出した位相差Δφ（ｘ）として高さ算出部７７と計測レンジ変更部８３とに送信する。
【０１７３】
計測レンジ変更部８３は、計測レンジＤＢ６６に格納する計測レンジを変更するものである。具体的には、計測レンジ変更部８３は、まず、位相差算出部８２から位置ｘにおける補正位相差Δφ（ｘ）を受信する。計測レンジ変更部８３は補正位相差Δφ（ｘ）を用いて次に解析する画素、すなわち次回の走査において対応する位置の計測レンジを算出し、算出した計測レンジで計測レンジＤＢ６６を更新する。
【０１７４】
ところで、計測ヘッド１７が変位すると、計測レンジも変位することになる。そこで、計測レンジ変更部８３は、送り判定部８１から送り量Δｚを受信すると、受信した送り量Δｚに基づいて計測レンジを変更し、変更した計測レンジで計測レンジＤＢ６６を更新する。
【０１７５】
ここで、計測対象１２の高さｚが上記端部に到達するということは、計測対象１２の高さｚが、被写界深度に対応する範囲から外れそうになっていると考えられる。上記範囲から外れると、計測ヘッド１７が撮像した画像がピントの暈けた画像となるので、正確な高さを計測できなくなる。
【０１７６】
これに対し、本実施形態では、計測対象１２の高さｚが上記範囲から外れそうになると、計測ヘッド１７を移動させて、計測対象１２の高さｚが上記範囲から外れることを防止している。その結果、計測対象１２の正確な高さを計測することができる。また、被写界深度は、計測レンジよりも広いので、計測レンジに基づいて計測ヘッド１７を移動させる場合に比べて、移動の回数を低減することができる。
【０１７７】
ところで、通常、基準面からの高さに対応する位相差が２πを超える場合でも、近くの画素同士の位相差が２πを超える可能性は低い。従って、本実施形態では、位相差算出部８２が、或る画素に関して、計測レンジに基づいて位相差が補正され、補正された位相差と、送り量Δｚとに基づいて次に走査される画素に関する計測レンジが設定されるので、位相差が計測レンジから外れる可能性が低い。その結果、被写界深度に対応する範囲内であって、本来の位相が２π以上となる場合にも対応することができる。
【０１７８】
図１３は、図９に示す基板１２ａをｙ軸方向に断面し、ｘ軸方向に見た図であり、本実施形態の三次元形状計測システム１０における被写界深度および計測レンジの変化の様子を示している。図１３において、長い太線が被写界深度を示し、細線が計測レンジを示している。また、短い太線は、被写界深度における上記端部以外の範囲を示している。
【０１７９】
従って、図１３に示すように、基板１２ａの高さｚが短い太線の範囲内である場合、計測レンジを変更することで対応する一方、基板１２ａの高さｚが短い太線の範囲を超えると、計測ヘッド１７を移動させて、被写界深度および計測レンジを変更することで対応している。その結果、図１３の例では、計測ヘッド１７の移動は５回のみで済む。
【０１８０】
次に、上記構成の三次元形状計測システム１０における計測モードの処理動作について説明する。図１４は、計測モードにおいて制御ユニット１６が行う処理を示している。まず、全てのラインの計測が終了したか否かを判断する（ステップＳ２１）。終了している場合には処理を終了する。
【０１８１】
一方、終了していない場合には、各ブロックは、計測対象１２の高さｚを算出するためのパラメータである各種の高さパラメータを選択する（ステップＳ２２）。例えば、位相差算出部８２の場合、計測レンジＤＢ６６から計測レンジを取得することになる。
【０１８２】
次に、走査を行って、１ラインの各位置ｘにおける高さｚを計測する（ステップＳ２３）。具体的には、図１１に示すステップＳ１１〜Ｓ１７のうち、計測ヘッド１７を移動させる処理以外の処理が行われることになる。
【０１８３】
次に、高さ算出部７７は、１ラインの各位置ｘが、基準面、すなわち計測対象１２において基準となる面（図１３の例では、基板１２ａの表面）であるか否かを、上記カラー画像の色で判定する（ステップＳ２４）。次に、高さ算出部７７は、基準面と判定された位置ｘの高さｚの平均値を算出する（ステップＳ２５）。
【０１８４】
次に、送り判定部８１は、算出された基準面の高さの平均値が、上記端部の上側であるか、すなわち、（被写界深度に対応する範囲の上限値）−（計測レンジに対応する範囲の半分）よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ２６）。大きい場合にはステップＳ２７に進み、それ以外の場合にはステップＳ２８に進む。
【０１８５】
ステップＳ２７において、送り判定部８１は、ｚ軸送り制御部５０を介してｚ軸送り機構１８を制御して、上記基準面の高さの平均値が被写界深度の中心となるように、計測ヘッド１７を上方に移動させる。その後、ステップＳ２１に戻って、上記動作を繰り返す。
【０１８６】
ステップＳ２８において、送り判定部８１は、算出された基準面の高さの平均値が、上記端部の下側であるか、すなわち、（被写界深度に対応する範囲の下限値）＋（計測レンジに対応する範囲の半分）よりも小さいか否かを判断する。小さい場合にはステップＳ２９に進み、それ以外の場合にはステップＳ２１に進んで上記動作を繰り返す。
【０１８７】
ステップＳ２９において、送り判定部８１は、ｚ軸送り制御部５０を介してｚ軸送り機構１８を制御して、上記基準面の高さの平均値が被写界深度の中心となるように、計測ヘッド１７を下方に移動させる。その後、ステップＳ２１に戻って、上記動作を繰り返す。
【０１８８】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【０１８９】
例えば、上記実施形態では、搬送テーブル４１の上面を基準面とし、該基準面に計測対象１２が載置されている。しかしながら、計測対象１２の中には、上記載置に不向きなものも存在する。この場合、計測対象１２を上記基準面から離間して取り付ければよい。
【０１９０】
このような計測対象１２の一例としては、両面に多数の電子部品が実装された回路基板が挙げられる。この場合、上記回路基板の基板部分の両端を、搬送テーブル４１の上面から離間した状態で着脱可能に保持する保持部材を搬送テーブル４１に設ければよい。このとき、搬送テーブル４１の上面（基準面）から、反りの無い場合の上記回路基板の上面までの距離を予め特定しておくことにより、実際の上記回路基板の高さを算出することができる。
【０１９１】
また、上記実施形態では、搬送ユニット１１は、計測対象１２を移動させる構成としているが、計測対象１２を移動させる代わりに、計測ヘッド１７を副走査方向に、さらには主走査方向に移動させる構成としてもよい。すなわち、搬送ユニット１１は、計測対象１２を計測ヘッド１７に対して相対的に移動させるものであればよい。
【０１９２】
また、上記実施形態では、計測ヘッド１７をｚ軸方向に移動させているが、搬送テーブル４１をｚ軸方向に移動させてもよいし、両方をｚ軸方向に移動させてもよい。また、上記実施形態では、撮像ユニット１５にてラインセンサ３４を採用しているが、ラインセンサの代わりにエリアカメラを使用してもよい。
【０１９３】
最後に、制御ユニット１６の各機能ブロック、特に主制御部４５は、ハードウェアロジックによって構成してもよいし、次のようにＣＰＵを用いてソフトウェアによって実現してもよい。
【０１９４】
すなわち、制御ユニット１６は、各機能を実現する制御プログラムの命令を実行するＣＰＵ、上記プログラムを格納したＲＯＭ、上記プログラムを展開するＲＡＭ、上記プログラム及び各種データを格納するメモリ等の記憶装置（記録媒体）などを備えている。そして、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウェアである制御ユニット１６の制御プログラムのプログラムコード（実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム）をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、上記制御ユニット１６に供給し、そのコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。
【０１９５】
上記記録媒体としては、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー（登録商標）ディスク／ハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ−ＲＯＭ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ等の光ディスクを含むディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ／ＥＰＲＯＭ／ＥＥＰＲＯＭ／フラッシュＲＯＭ等の半導体メモリ系などを用いることができる。
【０１９６】
また、制御ユニット１６を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを通信ネットワークを介して供給してもよい。この通信ネットワークとしては、特に限定されず、例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、ＬＡＮ、ＩＳＤＮ、ＶＡＮ、ＣＡＴＶ通信網、仮想専用網（virtual private network）、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、例えば、ＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ、電力線搬送、ケーブルＴＶ回線、電話線、ＡＤＳＬ回線等の有線でも、ＩｒＤＡやリモコンのような赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、８０２．１１無線、ＨＤＲ、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。なお、本発明は、上記プログラムコードが電子的な伝送で具現化された、搬送波に埋め込まれたコンピュータデータ信号の形態でも実現され得る。
【産業上の利用可能性】
【０１９７】
本発明によれば、計測レンジを維持しつつ、計測可能な高さを簡便に拡張できるので、例えば実装基板を検査する画像検査装置などに好適に適用することができる。
【符号の説明】
【０１９８】
１０  三次元形状計測システム（三次元形状計測装置）
１１  搬送ユニット
１２  計測対象
１３  投光ユニット
１４  光パタン
１５  撮像ユニット
１６  制御ユニット
１７  計測ヘッド
１８  ｚ軸送り機構（変位部）
３１  光源
３２  パタン生成素子
３３  光学系
３４  ラインセンサ
３５  光学系
４１  搬送テーブル（取付台）
４２  サーボモータ
４３  リニアスケーラ
４４  画像取得部
４５  主制御部
４６  記憶部
４７  入力・設定部
４８  搬送制御部
４９  投光制御部
５０  ｚ軸送り制御部（変位部制御手段）
７２  背景除去部
７４  Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部
７５  位相算出部（位相算出手段）
７６  位相差算出部
７７  高さ算出部（高さ算出手段）
７８  送り量算出部（変位部制御手段）
８１  送り判定部（変位部制御手段）
８２  位相差算出部（位相補正手段）
８３  計測レンジ変更部（計測レンジ設定手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年7月7日(2010.7.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
上記計測対象の高さの基準となる基準面を有し、上記計測対象が取り付けられる取付台と、
上記計測対象および上記基準面に上記光パタンを投影し、投影した光パタンを撮像する計測ヘッドと、
上記取付台および上記計測ヘッドの少なくとも一方の上記計測対象の高さ方向への変位を行わせる変位部と、
上記計測ヘッドが撮像した画像に含まれる、或る画素における上記光パタンの位相を算出する位相算出手段と、
該位相算出手段が算出した位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出手段と、
該高さ算出手段が算出した上記計測対象の高さに基づいて、上記変位部を制御する変位部制御手段と、
上記位相算出手段が算出した位相を、上記位相が取り得る範囲を示す計測レンジに基づいて補正する位相補正手段と、
上記位相補正手段が補正した位相と、上記取付台の基準面から上記計測ヘッドまでの高さの上記変位部による変位量とに基づいて、上記計測レンジを設定する計測レンジ設定手段とを備えており、
上記高さ算出手段は、上記位相補正手段が補正した位相に基づいて高さを算出し、算出した高さを、上記変位量に基づいて補正することにより、上記計測対象の高さを算出することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項２】
上記変位部制御手段は、上記高さ算出手段が上記計測対象の高さを算出すると、上記変位部に上記変位を行わせることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
【請求項３】
上記変位部制御手段は、上記高さ算出手段が算出した上記計測対象の高さが、上記計測レンジに対応する高さ方向の範囲における端部に到達すると、上記変位部に上記変位を行わせることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
【請求項４】
上記変位部制御手段は、上記高さ算出手段が算出した上記計測対象の高さが、上記計測ヘッドの被写界深度に対応する範囲の端部に到達すると、上記変位部に上記変位を行わせることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
【請求項５】
上記計測ヘッドは、
上記計測対象において上記光パタンが投影された領域である光パタン照射領域を撮像する第１のラインセンサと、
上記計測対象において上記光パタンが投影されていない領域である光パタン非照射領域を撮像する第２のラインセンサとを備えており、
上記位相算出手段が利用する画像は、第２のラインセンサが撮像した画像を利用して、第１のラインセンサが撮像した画像から背景成分を除去したものであることを特徴とする請求項１から４までの何れか１項に記載の三次元形状計測装置。
【請求項６】
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置の三次元形状計測方法であって、
上記計測対象と、該計測対象が取り付けられた取付台が有し、かつ上記計測対象の高さの基準となる基準面とに上記光パタンを投影し、投影した光パタンを撮像する計測ヘッドが撮像した画像に含まれる、或る画素における上記光パタンの位相を算出する位相算出ステップと、
該位相算出ステップにて算出された位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出ステップと、
該高さ算出ステップにて算出された上記計測対象の高さに基づいて、上記取付台および上記計測ヘッドの少なくとも一方を上記計測対象の高さ方向に変位させる変位部を制御する変位部制御ステップと、
上記位相算出ステップにて算出された位相を、上記位相が取り得る範囲を示す計測レンジに基づいて補正する位相補正ステップと、
上記位相補正ステップにて補正された位相と、上記取付台の基準面から上記計測ヘッドまでの高さの上記変位部による変位量とに基づいて、上記計測レンジを設定する計測レンジ設定ステップとを含んでおり、
上記高さ算出ステップは、上記位相補正ステップにて補正された位相に基づいて高さを算出し、算出した高さを、上記変位量に基づいて補正することにより、上記計測対象の高さを算出していることを特徴とする三次元形状計測方法。
【請求項７】
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置を動作させるための三次元形状計測プログラムであって、以下の各ステップをコンピュータに実行させるための三次元形状計測プログラム：
上記計測対象と、該計測対象が取り付けられた取付台が有し、かつ上記計測対象の高さの基準となる基準面とに上記光パタンを投影し、投影した光パタンを撮像する計測ヘッドが撮像した画像に含まれる、或る画素における上記光パタンの位相を算出する位相算出ステップ；
該位相算出ステップにて算出された位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出ステップ；
該高さ算出ステップにて算出された上記計測対象の高さに基づいて、上記取付台および上記計測ヘッドの少なくとも一方を上記計測対象の高さ方向に変位させる変位部を制御する変位部制御ステップ；
上記位相算出ステップにて算出された位相を、上記位相が取り得る範囲を示す計測レンジに基づいて補正する位相補正ステップ；および
上記位相補正ステップにて補正された位相と、上記取付台の基準面から上記計測ヘッドまでの高さの上記変位部による変位量とに基づいて、上記計測レンジを設定する計測レンジ設定ステップ、
ここで、上記高さ算出ステップは、上記位相補正ステップにて補正された位相に基づいて高さを算出し、算出した高さを、上記変位量に基づいて補正することにより、上記計測対象の高さを算出していることを特徴とする三次元形状計測プログラム。