(57)【要約】      （修正有）【課題】被測定面の形状測定に当たり、従来よりも準備作業を簡素化することの可能な、表面形状測定装置及び方法を提供する。【解決手段】演算部２０は、第１の撮像手段１４Ａの第１の受光素子に入射した反射光と被測定面２２上の反射点を同一にする反射光を受光した、第２の撮像手段１４Ｂの第２の受光素子を求める。さらに、第１の受光素子と第２の受光素子の光軸から、測定面２２上の反射点の位置を求める。演算部２０は、第２の受光素子を求める際に、第１の受光素子に対応する、第２の撮像手段１４Ｂの撮像面２４Ｂのエピポーラ線を求めるとともに、エピポーラ線上の受光素子２６の中から、第２の受光素子を求める。【選択図】図１
2014106143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定面に光を照射する光源と、
前記被測定面からの反射光を受光する第１の撮像手段と、
前記第１の撮像手段とは異なる角度から前記被測定面からの反射光を受光する、第２の撮像手段と、
前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、それぞれ格子を有する複数の光学素子と、
前記複数の光学素子の前記光路上の間隔を変化させる変位手段と、
前記第１及び第２の撮像手段の受光情報に基づいて、前記被測定面の形状を算出する、演算部と、
を備え、
前記演算部は、
前記光学素子の間隔の変化に応じた、前記第１及び第２の撮像手段の受光素子の輝度変化の周期と、前記光学素子における格子のピッチと、前記受光素子の光軸の角度とから、前記第１の撮像手段の第１の受光素子に入射した反射光と前記被測定面上の反射点を同一にする反射光を受光した、前記第２の撮像手段の第２の受光素子を求め、
前記第１の受光素子と前記第２の受光素子の光軸から、前記反射点の位置を求め、
前記第２の受光素子を求める際に、前記第１の受光素子に対応する、前記第２の撮像手段の撮像面のエピポーラ線を求めるとともに、前記エピポーラ線上の受光素子の中から、前記第２の受光素子を求めることを特徴とする、表面形状測定装置。
【請求項２】
光源から被測定面に光を照射し、
第１の撮像手段に前記被測定面からの反射光を受光させ、
第２の撮像手段に、前記第１の撮像手段とは異なる角度から、前記被測定面からの反射光を受光させ、
前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、それぞれ格子を有する複数の光学素子の、前記光路上の間隔を、前記反射光の受光時に変化させ、
前記第１及び第２の撮像手段の受光情報に基づいて、前記被測定面の形状を算出する、
表面形状測定方法であって、
前記被測定面の形状を算出する際に、
前記光学素子の間隔の変化に応じた、前記第１及び第２の撮像手段の受光素子の輝度変化の周期と、前記光学素子における格子のピッチと、前記受光素子の光軸の角度とから、前記第１の撮像手段の第１の受光素子に入射した反射光と前記被測定面上の反射点を同一にする反射光を受光した、前記第２の撮像手段の第２の受光素子を求め、
前記第１の受光素子と前記第２の受光素子の光軸から、前記反射点の位置を求め、
前記第２の受光素子を求める際には、前記第１の受光素子に対応する、前記第２の撮像手段の撮像面のエピポーラ線を求めるとともに、前記エピポーラ線上の受光素子の中から、前記第２の受光素子を求めることを特徴とする、表面形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面形状測定装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被測定面の三次元形状を非接触に測定する、表面形状測定装置が知られている。このような表面形状測定装置として、被測定面にモアレ縞等のパターンを投影するとともにこの投影像を撮像し、その撮像データをもとにして、被測定面の三次元形状を算出する装置が知られている。
【０００３】
例えば非特許文献１では、縞パターンを被測定面に投影する光源と、縞パターンが投影された被測定面を撮像する２台の撮像器を用いて、被測定面における光の反射点の法線ベクトルを求めている。被測定面上の複数の反射点の法線ベクトルを求め、これらの法線ベクトルに対して積分処理を行うことで、被測定面の三次元形状を算出することができる。ここで、非特許文献１では、光源と２台の撮像器の相対位置を予め求めておき、この三者の相対位置を利用して、反射点の法線ベクトルを算出している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】エム  シー  クナウアー（M.C.Knauer）、他２名、「位相測定型偏向計測法：自由造形鏡面に対する計測の新しいアプローチ（Phase measuring deflectometry: a new approach to measure specular free-form surfaces）」、生産工学における光計測会議報告書（Proc. Optical Metrology in Production Engineering ）、（米国）、国際光工学会（The international Society for Optical Engineering, SPIE）、２００４年、第５４５７巻、ｐ．３６６−３７６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、被測定面の形状測定に先立って行われる、光源と撮像器の相対位置を求めるなどの準備作業は、往々にして煩雑であり、その簡素化が求められている。そこで、本発明は、被測定面の形状測定に当たり、従来よりも準備作業を簡素化することの可能な、表面形状測定装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る表面形状測定装置は、被測定面に光を照射する光源と、前記被測定面からの反射光を受光する第１の撮像手段と、前記第１の撮像手段とは異なる角度から前記被測定面からの反射光を受光する、第２の撮像手段と、前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、それぞれ格子を有する複数の光学素子と、前記複数の光学素子の前記光路上の間隔を変化させる変位手段と、前記第１及び第２の撮像手段の受光情報に基づいて、前記被測定面の形状を算出する演算部と、を備える。前記演算部は、前記光学素子の間隔の変化に応じた、前記第１及び第２の撮像手段の受光素子の輝度変化の周期と、前記光学素子における格子のピッチと、前記受光素子の光軸の角度とから、前記第１の撮像手段の第１の受光素子に入射した反射光と前記被測定面上の反射点を同一にする反射光を受光した、前記第２の撮像手段の第２の受光素子を求め、前記第１の受光素子と前記第２の受光素子の光軸から、前記反射点の位置を求める。さらに、前記第２の受光素子を求める際に、前記第１の受光素子に対応する、前記第２の撮像手段の撮像面のエピポーラ線を求めるとともに、前記エピポーラ線上の受光素子の中から、前記第２の受光素子を求める。
【０００７】
また、本発明に係る表面形状測定方法は、光源から被測定面に光を照射し、第１の撮像手段に前記被測定面からの反射光を受光させ、第２の撮像手段に、前記第１の撮像手段とは異なる角度から前記被測定面からの反射光を受光させ、前記光源と前記被測定面との間の光路上に設けられ、それぞれ格子を有する複数の光学素子の、前記光路上の間隔を、前記反射光の受光時に変化させ、前記第１及び第２の撮像手段の受光情報に基づいて、前記被測定面の形状を算出する。前記被測定面の形状を算出する際に、前記光学素子の間隔の変化に応じた、前記第１及び第２の撮像手段の受光素子の輝度変化の周期と、前記光学素子における格子のピッチと、前記受光素子の光軸の角度とから、前記第１の撮像手段の第１の受光素子に入射した反射光と前記被測定面上の反射点を同一にする反射光を受光した、前記第２の撮像手段の第２の受光素子を求め、前記第１の受光素子と前記第２の受光素子の光軸から、前記反射点の位置を求める。さらに、前記第２の受光素子を求める際には、前記第１の受光素子に対応する、前記第２の撮像手段の撮像面のエピポーラ線を求めるとともに、前記エピポーラ線上の受光素子の中から、前記第２の受光素子を求める。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、被測定面の形状測定に当たり、従来よりも準備作業を簡素化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る表面形状測定装置の構成を例示する斜視図である。
【図２】反射点の算出方法について説明する図である。
【図３】反射点の算出方法について説明する図である。
【図４】反射点の算出方法について説明する図である。
【図５】反射点の算出方法について説明する図である。
【図６】反射点の算出方法について説明する図である。
【図７】本実施形態に係る表面形状測定のフローを説明する図である。
【図８】反射点の算出方法について説明する図である。
【図９】反射点の算出方法について説明する図である。
【図１０】反射点の算出方法について説明する図である。
【図１１】本実施形態に係る表面形状測定の実施例を説明する図である。
【図１２】本実施形態に係る表面形状測定の実施例を説明する図である。
【図１３】本実施形態に係る表面形状測定の実施例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１に、本実施形態に係る表面形状測定装置１０を例示する。なお、図１では、光学素子１６の走査方向に平行な軸をＸ軸とし、光学素子１６の高さ方向に平行な軸をＺ軸とし、Ｘ軸及びＺ軸に垂直な軸をＹ軸とする。表面形状測定装置１０は、光源１２、撮像器１４Ａ，１４Ｂ、光学素子１６、光学素子用ステージ１８、被測定物用ステージ１９、及び演算部２０を含んで構成される。
【００１１】
光源１２は、光学素子１６の格子縞の像を、被測定面２２に投影する。撮像器１４Ａ，１４Ｂが被測定面２２を撮像する際に、影が映りこむことを防止するため、光源１２は、被測定面２２の全面を照射可能であることが好適である。例えば光源１２は、面光源から構成される。
【００１２】
撮像器１４，１４Ｂは、被測定面２２からの反射光を受光する撮像手段である。撮像器１４Ｂは、撮像器１４Ａとは異なる角度から、被測定面２２の反射光を受光する。撮像器１４Ａ，１４Ｂは、それぞれ、撮像面２４Ａ，２４Ｂを有しており、撮像面２４Ａ，２４Ｂには、複数の受光素子２６が配列されている。撮像器１４Ａ，１４Ｂは、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサを搭載したカメラであってよい。
【００１３】
また、後述するように、撮像器１４Ａ，１４Ｂの開口角が広く設定されていると、１つの受光素子２６に対して様々な角度から光線が入射して、光学素子１６Ａ〜１６Ｄの間隔変化に伴う輝度変化の周期性が低下するおそれがある。そこで、撮像器１４Ａ，１４Ｂの開口角は十分に絞り込まれていることが好適である。例えば、撮像器１４Ａ，１４Ｂの開口角は、１０ｍｒａｄ以下とすることが好適である。また、撮像器１４Ａ，１４Ｂは、その角度や位置を調節するためのステージに保持されていてもよい。
【００１４】
光学素子１６は、光学的格子２７を備えた素子である。光学素子１６は、格子方向の等しい組から構成される。図１に示す実施形態では、表面形状測定装置１０は、Ｚ軸に平行な一次元格子（平行直線格子）を備えた光学素子１６Ａ，１６Ｂと、Ｙ軸に平行な一次元格子を備えた光学素子１６Ｃ，１６Ｄを備える。光学素子１６Ａ〜１６Ｄは、それぞれ、光源１２と被測定面２２との間の光路上に設けられる。
【００１５】
光学素子１６は、例えば、ガラスや石英等の透光性基材の表面に、非透光性の格子パターンを形成することにより形成される。光学素子１６は、例えば、５９本／ｃｍ（１５０本／インチ）の平行線が配列された一次元格子を備えるロンキー格子素子であってよい。
【００１６】
光学素子用ステージ１８は、光学素子１６Ａ〜１６Ｄの光路上の間隔を変化させる変位手段である。光学素子用ステージ１８は、それぞれの光学素子１６Ａ〜１６Ｄを移動可能としてもよいし、いくつかの光学素子１６Ａ〜１６Ｄを固定するとともに、その他の光学素子１６Ａ〜１６Ｄを移動可能としてもよい。この場合、光学素子用ステージ１８は、固定ステージ１８Ａと移動ステージ１８Ｂとを備える。図１に示す実施形態では、光学素子１６Ａ及び光学素子１６Ｄが固定ステージ１８Ａに保持され、光学素子１６Ｂ及び光学素子１６Ｃが移動ステージ１８Ｂに保持される。光学素子用ステージ１８は、それぞれが平行となるように、光学素子１６Ａ〜１６Ｄを保持することが好適である。
【００１７】
被測定物用ステージ１９は、被測定物２８を保持する保持手段である。被測定物用ステージ１９は、被測定物２８の被測定面２２上に、光学素子１６Ａ〜１６Ｄの格子縞模様が投影されるとともに、その投影像を撮像器１４Ａ，１４Ｂが撮像できるように、被測定面２２の角度、位置を調整することが可能な、調整機構を備えていてもよい。
【００１８】
演算部２０は、撮像器１４Ａ，１４Ｂの受光情報に基づいて、被測定面２２の形状を算出する算出手段である。演算部２０は、被測定面２２の形状算出が可能なＣＰＵ等の演算回路と、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ及びハードディスク装置等の記憶手段を備えたコンピュータであってよい。
【００１９】
演算部２０は、無線または有線の通信手段によって、撮像器１４Ａ，１４Ｂと信号の授受が可能となっている。また、演算部２０は、光学素子用ステージ１８に対して、光学素子１６Ａ〜１６Ｄを移動させる移動指令を送信可能であってよい。さらに、光学素子用ステージ１８から、光学素子１６Ａ〜１６Ｄの位置情報を受信可能であってよい。
【００２０】
次に、本実施形態に係る表面形状測定の原理について説明する。本実施形態では、被測定面２２上の光の反射点の３次元的な位置（空間座標）を特定することで、被測定面２２の３次元的な形状を算出する。
【００２１】
反射点の位置は、以下のようにして求めることができる。まず、所定の反射点で反射した反射光を受光した、撮像器１４Ａ及び撮像器１４Ｂのそれぞれの受光素子２６を特定する。次に、これらの受光素子２６の光軸の交点座標を求める。受光素子２６の光軸は、その受光素子２６に入射した反射光の軌跡に等しいと考えることができるから、受光素子２６の光軸の交点座標は、反射点の座標となる。
【００２２】
同一の反射点から反射した反射光を受光した、撮像器１４Ａの受光素子２６と撮像器１４Ｂの受光素子２６の特定は、撮像器１４Ａ，１４Ｂのそれぞれの受光素子２６が受光した光線が、そこから遡って、被測定面２２上の反射点に入射したときの、入射角αを用いて行うことができる。
【００２３】
図２には、入射角αを用いて受光素子２６を特定する方法について説明する模式図が示されている。この図において、撮像器１４Ａの受光素子２６Ａと、撮像器１４Ｂの受光素子２６Ｂは、同一の反射点３１から反射した光線を受光している。受光素子２６Ａに入射した光線は、光源１２から、入射光３０Ａとして入射角α１にて反射点３１に入射した後、反射点３１から反射光３２Ａとして反射角β１にて受光素子２６Ａに入射する。同様にして、受光素子２６Ｂに入射した光線は、光源１２から、入射光３０Ｂとして入射角α２にて反射点３１に入射した後、反射点３１から反射光３２Ｂとして反射角β２にて受光素子２６Ｂに入射する。なお、本実施形態では、入射角αは、光学素子１６Ｂの走査方向に平行な軸に対する角度を表し、反射角βは、所定の基準軸（例えば、撮像面２４Ａに垂直な軸）に対する角度を表している。上述の場合において、入射角α１と入射角α２の角度差αＭと、反射角β１反射角β２の角度差βＣは等しくなる。
【００２４】
また、上記の説明をベクトル表示を用いて言い換えると、入射光３０Ａのベクトルｓ１と入射光３０Ｂのベクトルｓ２を用いて、入射角度差αＭは下記数式（１）により求めることができる。
【００２５】
【数１】
2014106143.tif 000003
【００２６】
また、反射光３２Ａのベクトル（受光素子２６Ａの光軸ベクトル）ｒ１と反射光３２Ｂのベクトル（受光素子２６Ｂの光軸ベクトル）ｒ２を用いて、反射角度差βＣは下記数式（２）により求めることができる。
【００２７】
【数２】
2014106143.tif 000004
【００２８】
上述の説明から、撮像器１４Ａ及び撮像器１４Ｂのすべての、または特定の受光素子２６ごとに、入射光角度α及び反射光角度β（または、入射光線ベクトルｓ及び光軸ベクトルｒ）を特定するとともに、撮像器１４Ａの任意の受光素子２６の入射光角度α１及び反射光角度β１（または、入射光線ベクトルｓ１及び光軸ベクトルｒ１）と、撮像器１４Ｂの任意の受光素子２６の入射角度α２及び反射角度β２（または、入射光線ベクトルｓ２及び光軸ベクトルｒ２）の、入射角度差αＭ及び反射角度差βＣを求めることで、同一の反射点からの反射光を受光した受光素子２６を特定することができる。
【００２９】
受光素子２６ごとの反射光角度βは、その受光素子２６の光軸角度に等しいことから、いわゆるカメラキャリブレーションを行うことによって、反射光角度βを求めることができる。例えば図３に示すように、三次元構造が既知である対象物体（テストパターン）を撮像器１４Ａ，１４Ｂによって撮像し、撮像面２４Ａ，２４Ｂ上の受光素子２６の座標と対象物体の三次元座標とを対応付けることで、各受光素子２６の光軸の角度を特定することができる。
【００３０】
また、受光素子２６ごとの入射光角度αは、以下のようにして求めることができる。図４には、光源１２から光学素子１６Ａ，１６Ｂを通過する入射光３０の模式図が示されている。光学素子１６Ｂを初期位置ｘ０から変位させると、光学素子１６Ｂの変位に伴い、光源１２から被測定面２２に向かう入射光３０の輝度が変化する。例えば、光学素子１６Ｂの位置がｘ１であるときに、入射光３０は光学素子１６Ｂに遮られてその輝度は極小値となる。
【００３１】
また、光学素子１６Ｂが光学素子１６Ａから離れる方向に変位するにしたがって、入射光３０の輝度は増加する。さらに入射光３０の輝度が極大値を取った後、光学素子１６Ｂの変位に伴って輝度は減少する。光学素子１６Ｂが位置ｘ２に到達した時点で、入射光３０の輝度は再び極小値となる。
【００３２】
このように、光学素子１６Ａと光学素子１６Ｂの間隔の変化に応じて、入射光３０の輝度が変化する。入射光３０の輝度変化に伴い、その入射光が被測定面２２で反射した反射光３２の輝度も変化する。その反射光３２を受光した受光素子２６における輝度も、光学素子１６Ａと光学素子１６Ｂの間隔の変化に応じて変化する。
【００３３】
ここで、図４から、輝度変化の周期λ、光学素子１６Ａ，１６Ｂの格子ピッチΛ、及び入射光３０の入射角αを用いて、下記数式（３）を導くことができる。
【００３４】
【数３】
2014106143.tif 000005
【００３５】
周期λは、光学素子１６Ａと光学素子１６Ｂの間隔を測定することで得ることができる。また、格子ピッチΛは既知である。したがって、ピッチΛ及び周期λに基づいて、入射角αを求めることができる。
【００３６】
なお、図４の模式図に示されるように、入射角αは、格子線の延伸方向に垂直な平面（図４のＸ−Ｙ平面）における角度となる。被測定面２２の三次元形状を求める上で、入射角αを求めた平面に直交する平面（Ｘ−Ｚ平面）における、入射光３０の角度を求めることが好適である。そこで、本実施形態では、図１のように、格子線がＺ軸方向に延びる光学素子１６Ａ，１６Ｂと、格子線がＹ軸方向に延びる光学素子１６Ｃ，１６Ｄを備えている。
【００３７】
光学素子１６Ａ〜１６Ｄは同一の光路上に配置されており、配置によっては、入射光αを求める上で互いに干渉する場合がある。そこで、本実施形態では、光学素子１６Ａ〜１６Ｄが互いに干渉しないように、それぞれの配置を定めている。
【００３８】
図２〜４では受光素子２６に受光する入射光を１本の光線で表したが、実際には図５に示すように、撮像器１４の開口角γに応じて、さまざまな角度から光が受光素子２６に入射する。つまり、受光素子２６の輝度は、これらの光線の輝度の重ねあわせとなる。受光素子２６への入射角の違いから、これらの光線にはわずかな位相差がある。光学素子１６Ａ，１６Ｂの間隔が拡がるにつれて、この位相差の影響は大きくなり、輝度の振幅が減衰する。受光素子２６に結像される光の強度（輝度）は、以下の数式（４）のように表すことができる。
【００３９】
【数４】
2014106143.tif 000006
【００４０】
ここで、Ｉ（ｘ）は受光素子２６が受光した光の輝度を表し、ｘは光学素子１６Ａと１６Ｂの間隔を表している。撮像器１４Ａ，１４Ｂの開口角γが入射角αよりも十分に小さく、開口角γは０に近いとすると、ｔａｎ（α＋γ）はｔａｎ（α）＋γに近似することができる。この近似を用いて、数式（４）は下記数式（５）のように変形することができる。
【００４１】
【数５】
2014106143.tif 000007
【００４２】
図６に、数式（５）の輝度変化のグラフが例示する。輝度振幅が０になる、光学素子１６Ａと１６Ｂの間隔ｘＤは、数式（５）のＳｉｎ項が０になる位置であることから、π・λ・ｘＤ／Λ＝πより、ｘＤ＝Λ／λとなる。
【００４３】
上記の計算結果を利用して、光学素子１６Ａ〜１６Ｄの配置を定める。上述したように、光学素子同士の間隔がｘＤより離れている場合に、その光学素子同士の相対位置を変化させても、それによる輝度振幅は０になる。したがって、複数の光学素子が同一の光路上に並んでいても、それらの間隔がｘＤより離れていれば、これらの光学素子同士を変位させても、基本的にはそれによって輝度変化は生じない。
【００４４】
この特性を活かして、輝度変化させたい光学素子の一組のみ、間隔をｘＤ以内として、残りの光学素子同士をｘＤより離間させれば、受光素子２６の輝度は、輝度変化させたい光学素子以外の光学素子の影響を受けなくなる。例えば、光学素子１６Ａ，１６Ｂの間隔をｘＤ以下とするときには、光学素子１６Ｂと１６Ｃの間隔、及び、光学素子１６Ｃと１６Ｄの間隔を、ｘＤより大きなものとする。
【００４５】
次に、図７を用いて、本実施形態に係る表面形状測定プロセスについて説明する。当該プロセスでは、演算部２０が、上記した種々の演算を行って、撮像器１４Ａの所定の受光素子２６（以下、第１の受光素子２６Ａと呼ぶ）が受光した光線と同一の反射点から反射した光線を受光した、撮像器１４Ｂの受光素子２６（以下、第２の受光素子２６Ｂと呼ぶ）を特定する。この特定の際に、演算負荷の軽減のため、後述するように、第１の受光素子２６Ａに対応する、撮像器１４Ｂの撮像面２４Ｂのエピポーラ線Ｌを求めるとともに、このエピポーラ線Ｌ上の受光素子２６の中から、第２の受光素子２６Ｂを特定する。
【００４６】
まず、本実施形態に係る表面形状測定装置１０に対して、カメラキャリブレーションを行う（Ｓ１０）。カメラキャリブレーションの方法は、三次元空間中の点の座標を利用するＺｈａｎｇ法や、三次元平面状の点の像対応を利用するＴｒｉｇｇｓ法等の、既知の方法を用いてよい。カメラキャリブレーションを実施することにより、撮像器１４Ａ及び１４Ｂのすべての、または特定の受光素子２６の光軸角度（光軸ベクトル）、撮像器１４Ａの撮像面２４Ａのエピポール（エピポーラ点）ＥＡ、及び撮像器１４Ｂの撮像面２４ＢのエピポールＥＢを求めることができる。エピポールＥＡは、図８に示すように、撮像器１４Ａの光学中心ＰＡと撮像器１４Ｂの光学中心ＰＢを結ぶ直線（ベースライン）と、撮像器１４Ａの撮像面２４Ａとの交点を指す。また、エピポールＥＢは、ベースラインと撮像器１４Ｂの撮像面２４Ｂの交点を指す。
【００４７】
図７に戻り、被測定物２８を被測定物用ステージ１９に保持させるとともに、光源１２から光を照射して、光学素子１６Ａ〜１６Ｄの格子像を被測定面２２上に投影させる（Ｓ１２）。またこの投影像を撮像器１４Ａ及び１４Ｂに撮像させる。この撮像は、光学素子１６Ａ〜１６Ｄのそれぞれの間隔が変化するごとに行う。
【００４８】
次に、演算部２０は、受光素子２６の輝度変化の周期λと、光学素子１６Ａ〜１６Ｄの格子ピッチΛから、当該受光素子２６に入射した光線が、被測定面２２上の反射点に入射した時の入射角αを算出する。この算出処理は、撮像器１４Ａ及び撮像器１４Ｂのすべての、または特定の受光素子２６に対して行う（Ｓ１４）。
【００４９】
次に、演算部２０は、撮像器１４Ａの受光素子２６の中から、第１の受光素子２６Ａを選択する（Ｓ１６）。次に、演算部２０は、撮像器１４Ｂの撮像面２４Ｂに対して、第１の受光素子２６Ａに対応するエピポーラ線Ｌを算出する（Ｓ１８）。エピポーラ線Ｌは、図８に示すように、撮像器１４Ａの光学中心ＰＡ、エピポールＥＡ、及び第１の受光素子２６Ａを通る平面（エピポーラ面）と撮像器１４Ｂの撮像面２４Ｂとの交線を指す。
【００５０】
２つの撮像器１４Ａ，１４Ｂの互いの位置関係が既知であるとき、第１の受光素子２６Ａに対応する撮像器１４Ｂの第２の受光素子２６Ｂは、エピポーラ線Ｌ上にあることが知られている（エピポーラ制約）。つまり、第１の受光素子２６Ａに対応する第２の受光素子２６Ｂを特定するに当たり、第２の受光素子２６Ｂの候補を、撮像器１４Ｂの撮像面２４Ｂ上にあるすべての受光素子２６から、エピポーラ線Ｌ上の受光素子２６に絞り込むことができる。
【００５１】
図７に戻り、演算部２０は、エピポーラ線Ｌ上の任意の受光素子２６を選択する（以下、選択受光素子２６Ｃと呼ぶ）（Ｓ２０）。さらに、演算部２０は、第１の受光素子２６Ａの入射角α及び反射角β（光軸角に等しい）と、選択受光素子２６Ｃの入射角α及び反射角βから、入射角度差αＭ及び反射角度差βＣを求める（Ｓ２２）とともに、両者を対比する（Ｓ２４）。両者が同一であれば、選択受光素子２６Ｃを第２の受光素子２６Ｂとして設定するとともに、第１の受光素子２６Ａ及び第２の受光素子２６Ｂの光軸の交点座標を、被測定面２２の反射点の座標とする（Ｓ２６）。両者が不一致である場合には、エピポーラ線上の他の受光素子２６を選択して（Ｓ２８）、ステップＳ２２及びＳ２４を実行する。
【００５２】
なお、エピポーラ線上の受光素子２６の探索を容易にするために、図９に示すように、エピポーラ線と処理画像の行軸または列軸とが平行になるように、平行化処理を行ってもよい。
【００５３】
また、輝度変化λの取得に当たり、受光素子２６の輝度データにはノイズが含まれている場合があり、正確な入射角αを求めるのが困難となる場合がある。このような場合には、図１０に示すような、平均化処理を行うようにしてもよい。例えば、選択受光素子２６Ｃとその周辺の受光素子２６Ｄ〜２６Ｋは、それぞれ、被測定面２２の微小平面内の反射点に対応しており、実際の入射角αの変動は少ないものと考えられる。そこで、演算対象の受光素子２６Ｃとのその周辺の受光素子２６Ｄ〜２６Ｋについてそれぞれ入射角αを求めるとともに、これらの平均値を、受光素子２６Ｃの入射角αとして置き換えてもよい。
【００５４】
図７に戻り、演算部２０は、ステップＳ１８〜Ｓ２６までの処理を、撮像器１４Ａのすべての、または特定の受光素子２６に対して繰り返し行う（Ｓ３０，Ｓ３２）。すべての、または特定の受光素子２６について、被測定面２２の反射点の座標の算出が終了すると、演算部２０は、これらの反射点座標を積分処理して、被測定面の三次元形状を算出する（Ｓ３４）。
【００５５】
なお、反射点座標を積分処理する代わりに、それぞれの反射点の法線ベクトルを求め、この法線ベクトルに対して積分処理を行ってもよい。法線ベクトルの角度θは、入射角αを用いて算出することができる。被測定面２２の測定により得られた入射角をαＯＢＪ、形状が既知である参照平面の測定により得られた入射角をαＲＥＦとすると、法線ベクトルの角度θは、下記数式（６）から求めることができる。
【００５６】
【数６】
2014106143.tif 000008
【００５７】
以上説明したように、本実施の形態では、表面形状測定の準備作業として、撮像器１４Ａ，１４Ｂの相対位置を求めておけばよく、従来のように、光源１２を相対位置の算出に組み入れる必要がない。したがって、従来よりも準備作業を簡便に行うことが可能となる。
【実施例１】
【００５８】
本実施形態の表面形状測定装置を用いて、図１１に示す、スターテックサービス（Star Tech Service）社製造の、ボデー塗装の検体として用いられる、スピードシェイプ（Speed shape）の表面形状を測定した。図１２にスピードシェイプの計測範囲４０を示す。また、図１３に本実施形態に係る表面形状測定を行った結果得られた三次元プロファイルを示す。この三次元プロファイルに示されるように、本実施形態に係る表面形状測定によれば、被測定面の三次元形状を良好に復元することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１０  表面形状測定装置、１２  光源、１４  撮像器、１６  光学素子、１８  光学素子用ステージ、１９  被測定物用ステージ、２０  演算部、２２  被測定面、２４  撮像面、２６  受光素子、２７  光学的格子、２８  被測定物、３０  入射光、３１  反射点、３２  反射光。
【図１】
2014106143.tif 000009
【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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