(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元パターンが形成される基準面に投影装置から空間を分割して数値化できる空間分割パターンを投影することにより、試料物体の計測を行う全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置に一体化されたメモリボードであって、
コンピュータと通信可能とする制御手段と、
前記コンピュータにより、前記基準面に形成される２次元パターンを撮影した第１撮影画像及び前記基準面に投影した空間分割パターンを撮影した第２撮影画像の解析をそれぞれ画素ごとに行うことにより生成された、画素ごとに空間分割パターンの位相と、空間座標及び属性情報とが１対１で対応付けられた変換テーブルを、前記コンピュータから取得して格納する変換テーブル用記憶手段と、
前記試料物体に投影した前記空間分割パターンを撮影した第３撮影画像を前記コンピュータから取得し、前記変換テーブルと前記第３撮影画像とに基づいて求めた当該試料物体の空間座標と、前記属性情報とを前記コンピュータに出力する計測データ出力手段と、
を備えることを特徴とする全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置に一体化されたメモリボード。
【請求項２】
前記属性情報は、画素ごとに計測結果をモニタに表示させるか否かを表すマスクフラグデータを含むことを特徴とする、
請求項１に記載の全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置に一体化されたメモリボード。
【請求項３】
前記属性情報は、画素ごとに前記変換テーブルの値の確からしさを表す評価値を含むことを特徴とする、
請求項１又は２に記載の全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置に一体化されたメモリボード。
【請求項４】
更に、前記第２撮影画像の前記空間分割パターンの輝度値と該空間分割パターンの位相値とが対応付けられた位相解析テーブルを格納する位相解析テーブル用記憶手段を備え、
前記コンピュータから入力される前記第３撮影画像から、前記位相解析テーブルを参照して前記第３撮影画像の画素ごとの前記空間分割パターンの位相を求めることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置に一体化されたメモリボード。
【請求項５】
更に、前記第３撮影画像を格納する位相シフト画像用記憶手段を備え、
前記投影装置は格子を振動させることにより前記空間分割パターンの位相をシフトさせており、
前記格子が右側から左側へ水平方向、又は上側から下側へ垂直方向に移動する経路を第１の経路とし、前記格子が前記第１の経路と正反対の方向に移動する経路を第２の経路としたときに、
前記格子が第１の経路を移動する時にのみ前記第３撮影画像を前記位相シフト画像用記憶手段に格納するか、又は前記格子が第１の経路を移動する時及び第２の経路を移動する時に前記第３撮影画像を前記位相シフト画像用記憶手段に格納することを特徴とする、
請求項１から４のいずれか一項に記載の全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置に一体化されたメモリボード。
【請求項６】
２次元パターンが形成される基準面に投影装置から空間を分割して数値化できる空間分割パターンを投影することにより、試料物体の形状計測を行う全空間テーブル化手法を適用した計測装置であって、
請求項１から５のいずれか一項に記載の全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置に一体化されたメモリボードと、
前記基準平板に前記空間分割パターンを投影する投影装置と、
前記基準面に形成される２次元パターンを撮影して第１撮影画像を取得し、前記基準面に投影した前記空間分割パターンを撮影して第２撮影画像を取得し、試料物体に投影した前記空間分割パターンを撮影して第３撮影画像を取得する撮影装置と、
前記撮影装置から入力される前記第１撮影画像と前記第２撮影画像の解析をそれぞれ画素毎に行うことにより前記空間分割パターンの位相と空間座標とが１対１で対応付けられた変換テーブルを生成し、該変換テーブルと前記撮影装置から入力される前記第３撮影画像とを前記メモリボードに出力し、前記メモリボードから前記空間座標を取得するコンピュータと、
を備えることを特徴とする、全空間テーブル化手法を適用した三次元形状計測装置。
【請求項７】
前記投影装置は、等間隔格子を備え、
前記等間隔格子を水平方向又は垂直方向に振動させることにより前記空間分割パターンの位相をシフトさせ、該位相がシフトした複数の格子画像を投影することを特徴とする、
請求項６に記載の全空間テーブル化手法を適用した三次元形状計測装置。
【請求項８】
前記投影装置は、放射状格子を備え、
前記放射状格子を回転させることにより前記位相をシフトさせ、該位相がシフトした複数の格子画像を投影することを特徴とする、
請求項６に記載の全空間テーブル化手法を適用した三次元形状計測装置。
【請求項９】
２次元パターンが形成される基準面に投影装置から空間を分割して数値化できる空間分割パターンを投影することにより、試料物体の形状計測を行う全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置であって、
前記基準面に形成される２次元パターンを撮影して第１撮影画像を取得し、前記基準面に投影した前記空間分割パターンを撮影して第２撮影画像を取得し、試料物体に投影した前記空間分割パターンを撮影して第３撮影画像を取得する手段と、
前記第１撮影画像及び前記第２撮影画像の解析をそれぞれ画素毎に行うことにより、前記空間分割パターンの位相と空間座標及び属性情報とが１対１で対応付けられた変換テーブルを生成する手段と、
前記変換テーブルを格納する変換テーブル用記憶手段と、
前記第２撮影画像の前記空間分割パターンから、該空間分割パターンの輝度値と該空間分割パターンの位相とが対応付けられており、前記第３撮影画像から、前記第３撮影画像の画素ごとの前記空間分割パターンの位相を求める位相解析テーブルを生成する手段と、
前記位相解析テーブルを格納する位相解析テーブル用記憶手段と、
前記位相解析テーブルと前記変換テーブルとに基づいて求めた当該試料物体の空間座標と、前記属性情報とを出力する手段と、
を備えることを特徴とする全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置。
【請求項１０】
２次元パターンが形成される基準面に投影装置から空間を分割して数値化できる空間分割パターンを投影することにより、試料物体の形状計測を行う全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置であって、
前記試料物体に投影した前記空間分割パターンを撮影した画像を、請求項１から５のいずれか一項に記載の全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置に一体化されたメモリボードに、直接転送することを特徴とする、全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体や人体等の試料物体の計測を非接触かつ高精度で行い得る多数の基準面を用いた全空間テーブル化手法を適用した計測装置用のメモリボード、計測装置用の撮影装置、計測装置、及び微少変位計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、基準平板をその法線方向に微小量ずつ平行移動させたときの多数の基準面を、２次元パターンの形成や、空間を分割して数値化できるパターン（以下、「空間分割パターン」という）の投影に利用することにより、投影するパターンの輝度分布が余弦波状でなくても、投影するパターンのピッチが不等間隔であっても、精度良く形状計測を行い得る、多数の基準面を用いた形状計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１５に、特許文献１に記載されている形状計測装置の構成図を示す。本形状計測装置は、リアルタイム形状計測装置として構成されており、基準平板１１と、基準面１２と、移動ステージ１３と、プロジェクタ（投影装置）１４と、カメラ（撮影装置）１５と、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ）１６とを備える。
【０００４】
基準平板１１としては、例えば液晶ディスプレイを用いる。基準平板（液晶ディスプレイ）１１は、移動ステージ１３上に設置されている。液晶ディスプレイ１１の表面には、基準面１２となる光拡散板が貼り付けられている。
【０００５】
基準面１２は、光拡散板が基準平板１１の法線方向（ｚ方向）に垂直になるように、従って、ｘｙ平面と平行な平面上に取り付けられている。基準面１２には、所定の２次元パターン（例えば等間隔格子）が形成されるとともに、空間分割パターン（例えば等間隔格子）が投影される。
【０００６】
移動ステージ１３は、基準平板１１を基準平板１１の法線方向（ｚ方向）に微小量ずつ平行移動させる。
【０００７】
プロジェクタ１４は、液晶パネルと、光源と、レンズとを備えた液晶プロジェクタである。プロジェクタ１４は、移動ステージ１３のｚ方向の平行移動の各位置（Ｒ０，Ｒ１，…，ＲＮ）において、プロジェクタ１４の液晶パネルに表示されたパターン（例えば格子状の濃淡パターン）を基準面１２に投影するとともに、プロジェクタ１４に対して所定位置関係に設置された試料物体１７に、空間分割パターンとして、プロジェクタ１４の液晶パネルに表示されたパターン（例えば格子状の濃淡パターン）を投影する。なお、プロジェクタ１４は、空間分割パターンを投影する際に、所定シフト量ずつ位相シフトを行う。
【０００８】
カメラ１５は、図１５に示すように基準面１２の正面に設置されており、移動ステージ１３のｚ方向の平行移動の各位置において、基準面１２にそれぞれ形成される２次元パターンを撮影した第１撮影画像に対応する第１撮影画像信号と、基準面１２に投影した空間分割パターンを撮影した第２撮影画像に対応する第２撮影画像信号とをＰＣ１６に入力するとともに、試料物体１７に投影した空間分割パターンを撮影した第３撮影画像に対応する第３撮影画像信号をＰＣ１６に入力する。なお、位相シフトを行いながら、空間分割パターンを撮影して第２撮影画像を得る際には、カメラ１５は、前記位相シフトに同期して第２撮影画像を撮影するものとする。また、試料物体１７を撮影する際には、基準面１２をカメラ１５に対して遠ざかるように後方に移動させる。
【０００９】
ＰＣ１６は、画像投影のために投影画像信号（例えば投影格子画像信号）をプロジェクタ１４に入力し、移動ステージ１３のｚ方向位置制御のためにステージ制御信号を移動ステージ１３に入力し、所定の２次元パターン（等間隔格子）の表示のために生成した表示画像信号（等間隔格子画像信号）を基準平板１１に入力し、カメラ１５から撮影画像信号（第１撮影画像信号、第２撮影画像信号、第３撮影画像信号）を入力される。
【００１０】
図１６に、特許文献１に記載されている形状計測装置のＰＣ１６の機能ブロック図を示す。ＰＣ１６は、校正処理部２１と、連続撮影部２２と、実時間解析部２３と、精密解析部２４とを備える。
【００１１】
校正処理部２１では、校正を行う。ここでは、投影された格子の位相と３次元座標との対応関係をカメラの画素毎に求めておくことを校正と呼ぶ。校正を行うために、校正処理部２１は、基準面１２に表示する表示画像や、プロジェクタ１４から投影する投影画像（例えば格子画像）を生成したり、移動ステージ１３へのステージ制御信号を生成したりする。これらを所定のタイミングに合わせて出力して、カメラ１５によって基準面１２の画像を撮影する。また、カメラ１５によって撮影された撮影画像から画素毎に位相解析を行って投影格子の位相θを得たり、基準面１２に表示された格子の位相からｘ座標及びｙ座標をそれぞれ得たりする。ｚ座標に関しては、基準面１２が移動する位置（基準平板１１の移動量）がｚ座標に対応するため、その値を用いる。これらから、等間隔に位相を分割したときのｘ座標，ｙ座標，ｚ座標をそれぞれ補完により算出することで、空間分割パターンの位相と空間座標とを１対１で対応付けたテーブル（以下、「位相−座標テーブル」という）を作成し、作成した位相−座標テーブルを記憶装置（例えばハードディスク）へ保存する。
【００１２】
連続撮影部２２では、試料物体１７の形状計測をリアルタイムに行うために、ＤＭＡ転送を用いてカメラ１５で撮影された全ての撮影画像をリングメモリに記録する。このとき、プロジェクタ１４には、撮影のタイミングに合わせて空間分割パターン画像（例えば格子画像）を位相シフトさせながら投影画像として入力する。リングメモリに保存された時系列の撮影画像は、計測終了後に精密解析を行うために記憶装置へも保存される。
【００１３】
実時間解析部２３では、連続撮影部２２のリングメモリから最新の連続する４フレームの画像Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を取り出してバッファメモリに格納する。それぞれの画像から１画素ずつＩ２−Ｉ０及びＩ３−Ｉ１を求め、それぞれの結果から位相解析テーブルを用いて空間分割パターンの位相θを求める。得られた位相θから、校正処理部２１で作成した位相−座標テーブルを用いて、ｘ座標又はｙ座標と、ｚ座標とを求め、表示画像処理を行って、ｚ座標の分布をモニタに表示する、あるいは、ｘ座標，ｙ座標及びｚ座標を用いて立体画像（３Ｄ画像）をモニタに表示する。この一連の処理が終了すると、再度実時間解析部２３の処理の始めに戻り、再度同一内容の処理を繰り返す。
【００１４】
精密解析部２４では、連続撮影部２２で保存された時系列の撮影画像に対して順に連続する４フレームの画像Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を取り出してバッファメモリに格納する。それぞれの画像から１画素ずつＩ２−Ｉ０及びＩ３−Ｉ１を求め、それぞれの結果から位相解析テーブルを用いて位相θを求める。得られた位相θから、校正処理部２１で作成した位相−座標テーブルを用いて、ｘ座標、ｙ座標及びｚ座標をそれぞれ求め、記憶装置に形状計測結果として保存する。精密解析部２４では、実時間解析部２３とは異なり、全フレームに対して時系列の形状計測結果が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００８−２８１４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、ソフトウェアのみで上述の計測処理を行うと、座標分布の出力速度は数枚/秒に抑えられ、リアルタイム形状計測のためには、さらなる高速化が求められていた。
【００１７】
また、全空間テーブル化手法の公知例によれば、予め位相−座標テーブルをメモリに格納することで、実際の試料計測時に高速に結果を得ることができるが、精度を上げるためには、テーブル数を増やす必要がある。しかし、テーブル数が増えるとＰＣ内のメモリを多量に消費してしまう。例えば、６４０×４８０画素について、ｘ座標、ｙ座標、ｚ座標、及びその他の情報がそれぞれ４バイトとすると、テーブル１枚につき約４．７ＭＢ必要であり、１０００枚準備すると約４．７ＧＢにもなる。そのため、さらに精度を向上させるには多量のメモリを扱えることが求められていた。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述の課題を解決するために、本発明に係る全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置に一体化されたメモリボードは、２次元パターンが形成される基準面に投影装置から空間を分割して数値化できる空間分割パターンを投影することにより、試料物体の計測を行う全空間テーブル化手法を適用した計測装置用のメモリボードであって、コンピュータと通信可能とする制御手段と、前記コンピュータにより、前記基準面に形成される２次元パターンを撮影した第１撮影画像及び前記基準面に投影した空間分割パターンを撮影した第２撮影画像の解析をそれぞれ画素ごとに行うことにより生成された、画素ごとに空間分割パターンの位相と、空間座標及び属性情報とが１対１で対応付けられた変換テーブルを、前記コンピュータから取得して格納する変換テーブル用記憶手段と、前記試料物体に投影した前記空間分割パターンを撮影した第３撮影画像を前記コンピュータから取得し、前記変換テーブルと前記第３撮影画像とに基づいて求めた当該試料物体の空間座標と、前記属性情報とを前記コンピュータに出力する計測データ出力手段と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係る全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置に一体化されたメモリボードにおいて、前記属性情報は、画素ごとに計測結果をモニタに表示させるか否かを表すマスクフラグデータを含むことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明に係る全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置に一体化されたメモリボードにおいて、前記属性情報は、画素ごとに前記変換テーブルの値の確からしさを表す評価値を含むことを特徴とする。
【００２３】
また、本発明に係る全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置に一体化されたメモリボードにおいて、更に、前記第２撮影画像の前記空間分割パターンの輝度値と該空間分割パターンの位相値とが対応付けられた位相解析テーブルを格納する位相解析テーブル用記憶手段を備え、前記コンピュータから入力される前記第３撮影画像から、前記位相解析テーブルを参照して前記第３撮影画像の画素ごとの前記空間分割パターンの位相を求めることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明に係る全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置に一体化されたメモリボードは、更に、前記第３撮影画像を格納する位相シフト画像用記憶手段を備え、前記投影装置は格子を振動させることにより前記空間分割パターンの位相をシフトさせており、前記格子が右側から左側へ水平方向、又は上側から下側へ垂直方向に移動する経路を第１の経路とし、前記格子が前記第１の経路と正反対の方向に移動する経路を第２の経路としたときに、前記格子が第１の経路を移動する時にのみ前記第３撮影画像を前記位相シフト画像用記憶手段に格納するか、又は前記格子が第１の経路を移動する時及び第２の経路を移動する時に前記第３撮影画像を前記位相シフト画像用記憶手段に格納することを特徴とする。
【００２５】
さらに、本発明に係る全空間テーブル化手法を適用した三次元形状計測装置は、２次元パターンが形成される基準面に投影装置から空間を分割して数値化できる空間分割パターンを投影することにより、試料物体の形状計測を行う全空間テーブル化手法を適用した計測装置であって、上記の全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置に一体化されたメモリボードと、前記基準平板に前記空間分割パターンを投影する投影装置と、前記基準面に形成される２次元パターンを撮影して第１撮影画像を取得し、前記基準面に投影した前記空間分割パターンを撮影して第２撮影画像を取得し、試料物体に投影した前記空間分割パターンを撮影して第３撮影画像を取得する撮影装置と、前記撮影装置から入力される前記第１撮影画像と前記第２撮影画像の解析をそれぞれ画素毎に行うことにより前記空間分割パターンの位相と空間座標とが１対１で対応付けられた変換テーブルを生成し、該変換テーブルと前記撮影装置から入力される前記第３撮影画像とを前記メモリボードに出力し、前記メモリボードから前記空間座標を取得するコンピュータと、を備えることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明に係る全空間テーブル化手法を適用した三次元形状計測装置において、前記投影装置は、等間隔格子を備え、前記等間隔格子を水平方向又は垂直方向に振動させることにより前記空間分割パターンの位相をシフトさせ、該位相がシフトした複数の格子画像を投影することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明に係る全空間テーブル化手法を適用した三次元形状計測装置において、前記投影装置は、放射状格子を備え、前記放射状格子を回転させることにより前記空間分割パターンの位相をシフトさせ、該位相がシフトした複数の格子画像を投影することを特徴とする。
【００２８】
さらに、本発明に係る全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置は、２次元パターンが形成される基準面に投影装置から空間を分割して数値化できる空間分割パターンを投影することにより、試料物体の形状計測を行う全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置であって、前記基準面に形成される２次元パターンを撮影して第１撮影画像を取得し、前記基準面に投影した前記空間分割パターンを撮影して第２撮影画像を取得し、試料物体に投影した前記空間分割パターンを撮影して第３撮影画像を取得する手段と、前記第１撮影画像及び前記第２撮影画像の解析をそれぞれ画素毎に行うことにより、前記空間分割パターンの位相と空間座標及び属性情報とが１対１で対応付けられた変換テーブルを生成する手段と、前記変換テーブルを格納する変換テーブル用記憶手段と、  前記第２撮影画像の前記空間分割パターンから、該空間分割パターンの輝度値と該空間分割パターンの位相とが対応付けられており、前記第３撮影画像から、前記第３撮影画像の画素ごとの前記空間分割パターンの位相を求める位相解析テーブルを生成する手段と、  前記位相解析テーブルを格納する位相解析テーブル用記憶手段と、前記位相解析テーブルと前記変換テーブルとに基づいて求めた当該試料物体の空間座標と、前記属性情報と出力する手段と、を備えることを特徴とする。
【００２９】
さらに、全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置は、２次元パターンが形成される基準面に投影装置から空間を分割して数値化できる空間分割パターンを投影することにより、試料物体の形状計測を行う全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置であって、前記試料物体に投影した前記空間分割パターンを撮影した画像を、上記の全空間テーブル化手法を適用した計測装置用の撮影装置に一体化されたメモリボードに、直接転送することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、ソフトウェアで行っていた処理をハードウェアで処理することで高速化を図れるようになる。また、座標以外のマスクフラグ情報を有することにより、座標分布の出力速度を高速化することができる。
【００３１】
また、メモリボードを使用することによって大量のメモリを扱うことができ、テーブルを大量に準備できるため、計測精度を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による全空間テーブル化手法を適用した計測装置用のメモリボードを用いた形状計測装置を上から見た図である。
【図２】本発明による全空間テーブル化手法を適用した計測装置用のメモリボードを用いた形状計測装置を横から見た図である。
【図３】ＰＣ及び本発明による全空間テーブル化手法を適用した計測装置用のメモリボードの機能ブロック図である。
【図４】本発明による全空間テーブル化手法を適用した計測装置用のメモリボードの第１の構成例を示す図である。
【図５】本発明による全空間テーブル化手法を適用した計測装置用のメモリボードの第２の構成例を示す図である。
【図６】本発明による全空間テーブル化手法を適用した計測装置用のメモリボードの第３の構成例を示す図である。
【図７】本発明による全空間テーブル化手法を適用した計測装置用のメモリボードの入出力について説明する図である。
【図８】本発明による全空間テーブル化手法を適用した計測装置用のメモリボードに格納される位相解析テーブルについて説明する図である。
【図９】本発明による全空間テーブル化手法を適用した計測装置用のメモリボードに格納される位相−座標変換テーブルについて説明する図である。
【図１０】本発明による全空間テーブル化手法を適用した計測装置用のプロジェクタの一実施例を示す構成図である。
【図１１】本発明による全空間テーブル化手法を適用した計測装置用のメモリボード内のバッファメモリへ位相シフト画像を格納する際の格納順番を説明する図である。
【図１２】メモリボードとしてＦＰＧＡメモリボードを使う場合のＰＣ側のソフトウェアの処理フロー図である。
【図１３】プロジェクタ及びカメラを一体型化したケースを、ＰＣ及び本発明による全空間テーブル化手法を適用した計測装置用のメモリボードに接続した図である。
【図１４】放射状格子の一例を示す図面代用写真である。
【図１５】従来の形状計測装置を表す図である。
【図１６】従来の形状計測装置のＰＣの機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
コンピュータに接続された撮影装置が撮影した画像のそれぞれの画素毎から得られる値Ａと、値Ａ毎に決まる少なくとも１つの計測値Ｂとが１対１で対応付けられた変換テーブルを用いた計測手法を、「全空間テーブル化手法」と呼ぶ。この全空間テーブル化手法の適用の一つに形状計測がある。以下、形状計測に適用した実施例について、図面を参照して詳細に説明するが、変位計測やひずみ計測等にも適用可能である。
【００３４】
図１は、本発明による全空間テーブル化手法を適用した計測装置用のメモリボード（以下、単に「メモリボード」という）を用いた形状計測装置１を上からみた図である。図１５に示した従来の形状計測装置と比較して、ＰＣ１６の代わりに、メモリボード１０が接続されたＰＣ１８を用いる点が異なる。本発明は、メモリボード１０を用いることにより、高速かつ大容量のメモリに位相−座標テーブルを格納できるようになる。
【００３５】
図２は、本発明によるメモリボードを用いた形状計測装置１を横から見た図である。液晶ディスプレイ１１の表面には光拡散板１２が貼り付けられており、液晶ディスプレイ１１に表示された画像をバックライト光源からの照明光によって光拡散板１２に背面から投影する構造になっている。液晶ディスプレイ１１は、ｚ方向に移動する移動ステージ１３上に、ディスプレイ表面がｚ軸に対して垂直になるように取り付けられている。移動ステージ１３は、メモリボード１０が接続されたＰＣ１８からの移動ステージ制御信号によってｚ方向の位置を制御されている。
【００３６】
図３は、ＰＣ１８とメモリボード１０の機能を示す機能ブロック図である。図１６に示した従来の形状計測装置のＰＣ１６と比較して、ＰＣ１８は実時間解析部２３を備えず、メモリボード１０が実時間解析部２３の機能を担う点が異なる。また、メモリボード１０内のメモリに位相−座標テーブルを格納するため、校正処理部２１にはメモリに位相−座標テーブル用のメモリは不要となる。さらに、メモリボード１０が従来の実時間解析部２３では有していなかった属性情報αを有している点が異なる。属性情報αについては後述する。
【００３７】
図４は、メモリボード１０の第１の構成例を示す図である。第１の例では、メモリボード１０は、位相解析テーブル用メモリ１０１と、位相−座標テーブル用メモリ１０２と、位相シフト画像用バッファメモリ１０３と、プロセッサ１０４とを備えており、インターフェース１０５を介してＰＣ１８と接続される。
【００３８】
位相解析テーブル用メモリ１０１には、後述する位相解析テーブル１０６が格納され、位相−座標テーブル用メモリ１０２には、後述する位相−座標テーブル１０７が格納され、位相シフト画像用バッファメモリ１０３には、後述する位相シフト画像２２１が格納される。位相解析テーブル用メモリ１０１及び位相シフト画像用バッファメモリ１０３には高速メモリを使用し、位相−座標テーブル用メモリ１０２には大容量メモリを使用する。メモリボード１０には１個のプロセッサ１０４が搭載される。なお、これらのメモリのうちの２つ又は全てを１つのメモリに統合することもできる。この点については、以下に説明する図５及び図６についても同様である。
【００３９】
図５は、メモリボード１０の第２の構成例を示す図である。第２の例では、メモリボード１０は、２つの位相解析テーブル用メモリ１０１（１０１−１及び１０１−２）と、２つの位相−座標テーブル用メモリ１０２（１０２−１及び１０２−２）と、２つの位相シフト画像用バッファメモリ１０３（１０３−１及び１０３−２）と、２つのプロセッサ１０４（１０４−１及び１０４−２）とを備えており、インターフェース１０５を介してＰＣ１８と接続される。メモリボード１０には２個のプロセッサ１０４が搭載され、それぞれのプロセッサ１０４がそれぞれ異なるメモリにアクセスできる。
【００４０】
この第２の例では、位相解析テーブル用メモリ１０１と、位相−座標テーブル用メモリ１０２と、位相シフト画像用バッファメモリ１０３と、プロセッサ１０４とを２組ずつ有する。メモリの使用方法としては、２組のメモリ（１０１，１０２，１０３）うちの一方には、位相解析テーブル１０６、位相−座標テーブル１０７、及び位相シフト画像２２１（以下、これらをまとめて「テーブル類」という）の上半分を格納し、他方には、テーブル類の下半分を格納する。一方のプロセッサ１０４は上半分にアクセスし、他方のプロセッサ１０４は下半分にアクセスすることで、分散処理を行う。第２の例のメモリボード１０の変形例として、メモリ（１０１，１０２，１０３）及びプロセッサ１０４をそれぞれ３組以上備え、テーブル類を分割して格納することもできる。
【００４１】
図６は、メモリボード１０の第３の構成例を示す図である。第３の例では、位相解析テーブル用メモリ１０１と、位相−座標テーブル用メモリ１０２と、位相シフト画像用バッファメモリ１０３と、プロセッサ１０４とを備えたメモリボード１０（すなわち、第１の例と同じ構成のメモリボード）を複数枚有しており（１０−１，１０−２，…）、各メモリボード１０は、各インターフェース１０５（１０５−１，１０５−２，…）を介してＰＣ１８と接続される。入力画面が分割されて、各メモリボード１０に送られ、各メモリボード１０が分散処理を行う。この場合も、第２の例と同様に、テーブル類を分割し、複数のメモリボード１０内の各メモリに格納する。
【００４２】
次に、メモリボード１０の動作について図７から図９を参照して説明する。図７は、メモリボード１０の入出力について説明する図である。メモリボード１０には、図２に示した連続撮影部２２から、連続する位相シフト画像２２１が４枚（２２１−１〜２２１−４）入力され、位相シフト画像用バッファメモリ１０３へ書き込まれる。ここで、位相シフト画像２２１とは、プロジェクタ１４から基準面１２に投影される位相がずれた（位相をシフトさせた）格子画像を、カメラ１５で撮影した画像のことである。基準面１２を移動させた各位置において本実施例では４回ずつプロジェクタ１４から投影しており、この場合には位相シフト量はπ／２となる。ｎ回ずつ投影する場合には、位相シフト量は２π／ｎとなる。位相シフト画像２２１の輝度値Ｉｉ,ｊは、０〜２５５の範囲の値を有する。ここで、添え字の（ｉ,ｊ）は位相シフト画像２２１の水平方向にｉ番目、垂直方向にｊ番目の画素を表している。
【００４３】
図８は、位相解析テーブル用メモリに格納された位相解析テーブル１０６について説明する図である。位相解析テーブル１０６は、入力された４枚の位相シフト画像２２１から１枚の位相画像を導き出すためのテーブルであり、位相シフト画像２２１−１〜２２１−４の輝度値をそれぞれＩ０〜Ｉ３としたとき、Ｉ０とＩ２との輝度値の差をｘ軸、Ｉ１とＩ３との輝度値の差をｙ軸として用いることで空間分割パターンの位相を得られるようにするテーブルである。位相は、各画像の輝度値から式（１）によって算出される。
【００４４】
【数１】
0005557131.tif 000002
ここで、Ｉｎ（ｎ＝０〜３）は、位相シフト画像２２１−ｎ（ｎ＝０〜３）の輝度値である。０≦Ｉｎ≦２５５であるため、−２５５≦Ｉ０−Ｉ２≦２５５であり、−２５５≦Ｉ１−Ｉ３≦２５５である。位相解析テーブル１０５の容量は、位相θを４バイトで表現すると、５１１×５１１×４バイト必要となる。
【００４５】
位相解析テーブル１０６を参照して画素ごとの位相が得られると、この位相に基づいて位相−座標テーブル１０７を参照し、位相から座標への変換が行われる。図９は、メモリボード１０内部に格納された位相−座標変換テーブル１０７について説明する図である。各画素の空間分割パターンの位相に対応付けられたx座標、ｙ座標、z座標及び属性情報αのデータ（ｘ，ｙ，ｚ，α）をＶとし、このＶをテーブル数分まとめたものをＰとすると、このＰを１画像分まとめたものが、位相−座標変換テーブル１０７である。
【００４６】
基準平板１１をその法線方向に微少量ずつ平行移動させた場合、各位置において画素ごとに位相が定められる。そのため、データＶ（ｘ，ｙ，ｚ，α）を示すＶテーブルは基準平板１１の移動回数分必要となる。また、実際の移動間隔の間におけるデータを補完するための補完テーブルを有することもできる。補完テーブルを含むＶテーブルを識別するために、Ｖテーブルにはテーブル番号が付される。テーブル番号を０，１，２，…，nTableとしたとき、nTableはテーブル数を表す。テーブル番号と位相値の対応を表１に示す。
【００４７】
【表１】
0005557131.tif 000003
例えば、テーブル数（nTable）が１００であり、１画素目の位相θが位相解析テーブル１０６によって４π／１００と決定された場合には、まず１画素目のＰ０,０を参照しにいく。次に、位相θ＝４π／１００、nTable＝１００であるため、テーブル番号が２のＶ２を参照しにいく。このような手順により、データＶ（ｘ，ｙ，ｚ，α）を取得し、計測データ２３１として出力する。
【００４８】
なお、Ｖテーブルは、空間における位置を表す位置データであれば、x座標、ｙ座標、z座標のデータに限られない。例えば、（ｘ，ｙ，ｚ）の代わりに変位データ(Δｘ,Δｙ,Δｚ)とすることもできる。また、（ｘ，ｙ，ｚ）のうちのいずれか１つ又は２つのデータのみを有してもよく、例えば、x座標、ｙ座標のみの形状を測定する場合には（ｘ，ｙ）のみを有するようにすることもできる。
【００４９】
ここで、属性情報αには、用途に応じて様々な属性情報を持たせることができる。すなわち、属性情報として、αだけではなく、α，β，γ，…と複数有してもよい。また、位相θと関連付けられない情報であってもよい。属性情報は、例えば、画素ごとに計測結果をモニタに表示させるか否かを表すマスクフラグデータや、複数台のカメラで撮影した場合のカメラ番号や、モニタに表示する際の色情報や、位相−座標テーブルを分割して複数のメモリボード１０に格納する場合の位置情報や、極座標などである。例えば、マスクフラグデータを用いれば、試料物体１７の配置位置対応する画素のみフラグを１とし、その他の画素のフラグを０とすることにより、フラグが０の画素の表示画像処理が不要となるため、モニタへの表示速度を向上させることができる。
【００５０】
また、属性情報αに、校正時に得られる位相−座標テーブル１０７の確からしさを示す情報を格納することもできる。従来、複数の縞画像計測データを合成する際に評価値を用いる方法が知られている（例えば、特許第３８３７５６５号明細書参照）。属性情報αとして、この評価値を用いることで、形状計測の測定精度をより向上させることができる。
【００５１】
評価値は、位相シフトされた１周期分の輝度データから、画素ごとに決定する。位相シフト画像２２１の輝度値をＩ１，Ｉ２，…，Ｉｎとすると、評価値Ｅｉ,ｊは、Ｅｉ,ｊ＝ｆ{Ｉ１（ｉ,ｊ），Ｉ２（ｉ,ｊ），…，Ｉｎ（ｉ,ｊ）}のような評価関数によって定義できる。ここで、添え字の（ｉ,ｊ）は位相シフト画像２２１の水平方向にｉ番目、垂直方向にｊ番目の画素を表している。格子の振幅で評価値を決める評価関数の第１例は以下の式（２）のように定義する。
【００５２】
【数２】
0005557131.tif 000004
ここで、ａｉ,ｊは格子の振幅値、Ｉｎ（ｉ,ｊ）は格子の輝度値である。４回位相シフトする場合にはｎ＝４である。ＩｍａｘとＩｍｉｎは、それぞれカメラ１５が撮影できる最高輝度値と最低輝度値とを表す。撮影されるｎ枚の輝度データのうち、１つでもＩｍｉｎより低い輝度値、又はＩｍａｘより高い輝度値がある場合、評価値を０とする。そうでない場合、評価値を格子の振幅とする。この例の場合、コントラストが良いと評価値が高くなる。
【００５３】
格子の一次周波数と高次周波数との比で評価値を決める評価関数の第２例は以下の式（３）のように定義する。
【００５４】
【数３】
0005557131.tif 000005
は、それぞれ、基本周波数成分とその高次周波数成分である。この例の場合、評価値が高いものはノイズに強い（ＳＮ比が高い）ということになる。
【００５５】
次に、プロジェクタ１４の構成及び位相シフト画像２２１の書込みについて、図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は、リアルタイム形状計測におけるプロジェクタ１４の一例を示す構成図である。図１０（ａ）は上から見た図であり、図１０（ｂ）は横から見た図である。プロジェクタ１４は、光源（ＬＥＤ）１４１と、フレネルレンズ１４２と、ディフューザ１４３と、ピエゾステージ１４４と、格子ガラス１４５と、ピエゾステージ制御回路（図示しない）とを備える。格子投影のために格子ガラス１４５を用い、格子ガラス１４５はピエゾステージ１４４の上に配置される。
【００５６】
ピエゾステージ１４４は、ストローク０．５ｍｍの移動ステージである。ＰＣ１８から移動命令がピエゾステージ制御回路に送られると、ピエゾステージ制御用回路はピエゾステージ１４４を移動させる。４回位相シフトさせる場合、０Ｖ，２．５Ｖ，５Ｖ，７．５Ｖの電圧を与えて、それぞれピエゾステージ１４４を０μｍ，１２５μｍ，２５０μｍ，３７５μｍの位置に移動させる。ピエゾステージ１４４を移動させることで格子ガラス１４５を位相シフトさせ、位相がシフトした位相シフト画像を基準面１２に投影する。カメラ１５は、基準面１２に投影された位相シフト画像を撮影し、撮影した画像をＰＣ１８に送る。位相シフト画像の送り方として、以下に２つの例を示す。
【００５７】
図１１（ａ）は、位相シフト画像用バッファメモリ１０３へ位相シフト画像２２１の輝度値データを格納する際の第１の格納順番例を説明する図である。位相シフト画像用バッファメモリ１０３の格納領域をＭ（Ｉ０）〜Ｍ（Ｉ３）とすると、第１の例では、Ｍ（Ｉ０），Ｍ（Ｉ１），Ｍ（Ｉ２），Ｍ（Ｉ３），Ｍ（Ｉ０），Ｍ（Ｉ１），Ｍ（Ｉ２），Ｍ（Ｉ３），…の順番で、位相シフト画像２２１の輝度値データを格納する。この場合、ピエゾステージ１４４に与える電圧は、０Ｖ，２．５Ｖ，５Ｖ，７．５Ｖ，０Ｖ，２．５Ｖ，５Ｖ，７．５Ｖ，…である。すなわち、ピエゾステージ１４４の往復運動について、往路の移動時にのみ、輝度値データを上記順番でバッファメモリに格納し、復路の移動時には輝度値データを格納しない。
【００５８】
図１１（ｂ）は、位相シフト画像用バッファメモリ１０３へ位相シフト画像２２１の輝度値データを格納する際の第２の格納順番例を説明する図である。第２の例では、Ｍ（Ｉ０），Ｍ（Ｉ１），Ｍ（Ｉ２），Ｍ（Ｉ３），Ｍ（Ｉ２），Ｍ（Ｉ１），Ｍ（Ｉ０），Ｍ（Ｉ１），…の順番で、位相シフト画像２２１の輝度値データを格納する。この場合、ピエゾステージ１４４に与える電圧は、０Ｖ，２．５Ｖ，５Ｖ，７．５Ｖ，５Ｖ，２．５Ｖ，０Ｖ，２．５Ｖ，…である。すなわち、ピエゾステージ１４４の往復運動について、往路及び復路の移動時に、輝度値データを上記順番で位相シフト画像用バッファメモリ１０３に格納する。第２の例の順番で格納すると、第１の例の順番で格納する場合と比較して、復路の移動時にも輝度値データをバッファメモリに格納することができるため、より高速な処理が可能となる。
【００５９】
また、プロジェクタ１４から基準面１２や試料物体１７に投影する空間分割パターンとして、不等間隔格子である放射状格子を用いることもできる。図１４は、放射状格子の一例を示す図面代用写真である。この放射状格子は、円板に１ピッチ３°の矩形格子を多数描いて構成されており、図１４に示す放射状格子の一部分だけを使って投影を行う。位相シフトは、この放射状格子が描かれた円板を放射状格子回転投影装置（図示しない）に取り付けて、ステッピングモータを駆動することにより行う。
【００６０】
図１２は、メモリボード１０としてＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）メモリボードを使う場合のＰＣ１８側のソフトウェアの処理フロー図である。メモリボード１０をＰＣ１８のソフトウェアから制御するために用いるＡＰＩ（Application Program Interface）関数の例が図示されている。初めに、ステップＳ１２１では、ＤＬＬの初期化を行う。
【００６１】
ステップＳ１２２にて、ＰＣ１８のテーブル作成ボタンが押下されると、ステップＳ１２３に処理が進み、キャリブレーション結果である位相解析テーブル１０５及び位相−座標テーブル１０６をメモリボード１０内の位相解析テーブル用メモリ１０１及び位相−座標テーブル用メモリ１０２に書き込む。
【００６２】
ステップＳ１２４にて、ＰＣ１８の形状計測ボタンが押下されると、ステップＳ１２５に処理が進み、ＰＣ１８はカメラ１５から入力される位相シフト画像２２１をリングメモリに格納し、連続する４枚の位相シフト画像２２１をメモリボード１０内の位相シフト画像用バッファメモリ１０３に書込む。
【００６３】
ステップＳ１２６にて、ＰＣ１８はメモリボード１０の計測ステータスを読み込み、計測処理が完了するまでステータスを監視する。
【００６４】
ステップＳ１２７にて、ＰＣ１８は、メモリボード１０から出力される計測データ２３１を読み込む。
【００６５】
ステップＳ１２８にて、ＰＣ１８は、計測が終了したか否かを判定する。ＰＣ１８は、計測が終了したと判定した場合には、処理を終了し、計測が終了していないと判定した場合には、ステップＳ１２５に処理を戻す。
【００６６】
図１３は、プロジェクタ１４と、カメラ１５と、プロジェクタ１４を制御する制御回路１９と、電源（図示しない）とをケース２０に一体化し、その一体型ケース２０をＰＣ１８とメモリボード１０に接続した図である。一体化することで装置全体を小型化でき、可搬性が向上し、コンタミネーションを防止することができる。また、一体型ケース２０を移動しても光学系が大きくずれることなく計測できる。
【００６７】
上述の実施例は、代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができことは当業者に明らかである。従って、本発明は、上述の実施例によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、メモリボード１０を、レーザ干渉縞解析を行う微小変位計測装置（例えば、特許第３２６５４７６号明細書に記載されている装置）に適用することもできる。メモリボード１０を備えるレーザ干渉縞解析を行う微小変位計測装置は、従来に比べて、計測速度及び精度を向上させることができる。
【００６８】
また、ＰＣ１８には連続撮影部２２を備えず、カメラ１５が連続撮影部２２に相当する機能を備える構成とすることができる。この場合、カメラ１５で撮影した位相シフト画像２２１を、ＰＣ１８を介さずに直接メモリボード１０に転送できるため、ＰＣ１８らメモリボード１０へのＤＭＡ転送がなくなり、処理時間を短縮することができる。
【００６９】
さらに、カメラ１５がＰＣ１８の校正処理部２１、連続撮影部２２、精密解析部２４、及びメモリボード１０に相当する機能を備える構成とすることもできる。カメラ１５とＰＣ１８とメモリボード１０とを一体化することで、装置全体を小型化できるとともに、カメラ１５、ＰＣ１８及びメモリボード１０間でデータをやりとりする際のノイズを軽減することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
このように、本発明によるメモリボードを用いれば高速かつ高精度の計測が可能となるので、物体の形状計測（例えば製造業における形状検査等）や、人体の形状計測（例えば医療福祉分野や服飾分野等）などの任意の用途に有用である。
【符号の説明】
【００７１】
１０  メモリボード
１１  基準平板
１２  基準面
１３  移動ステージ
１４  プロジェクタ
１５  カメラ
１７  試料物体
１８  ＰＣ
１０１  位相解析テーブル用メモリ
１０２  位相−座標テーブル用メモリ
１０３  位相シフト画像用バッファメモリ
１０４  プロセッサ
１０５  インターフェース
１０６  位相解析テーブル
１０７  位相−座標テーブル
２２１  位相シフト画像
【図１】
0005557131.tif 000006
【図２】
0005557131.tif 000007
【図３】
0005557131.tif 000008
【図４】
0005557131.tif 000009
【図５】
0005557131.tif 000010
【図６】
0005557131.tif 000011
【図７】
0005557131.tif 000012
【図８】
0005557131.tif 000013
【図９】
0005557131.tif 000014
【図１０】
0005557131.tif 000015
【図１１】
0005557131.tif 000016
【図１２】
0005557131.tif 000017
【図１３】
0005557131.tif 000018
【図１４】
0005557131.tif 000019
【図１５】
0005557131.tif 000020
【図１６】
0005557131.tif 000021