(57)【要約】【課題】位相接続時におけるノイズ等の影響によるエラー又はエラーの伝播を起こりにくくし、正確な位相接続処理を行うこと。【解決手段】複数の位相シフト画像データから位相値データと振幅値データとを求め、振幅値データに対してマスキング処理する閾値を初期閾値ｔ１から終了閾値ｔｎまで変動幅Δｔ毎に順次低下し、これら閾値の変化毎に、当該各閾値よりマスクされなかった振幅値データの部分を位相接続可能と判断して順次位相接続処理を行うことを繰り返す。【選択図】      図３
2006079275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期性を有する平行縞のパターン光を対象物に投影し、前記パターン光と前記対象物とを相対的にシフトしてそれぞれ位相の異なる複数の位相シフト画像データを取得し、これら位相シフト画像データ間の各位相値データを位相接続する位相接続方法において、
前記各位相シフト画像データから前記位相値データと振幅値データとを求め、
前記振幅値データに対してマスキング処理する閾値を予め設定された変動幅で予め設定された初期閾値から終了閾値まで変化させ、
前記各閾値の変化毎に、当該各閾値よりマスクされなかった前記振幅値データの部分を位相接続可能と判断して前記位相接続処理を行うことを繰り返す、
ことを特徴とする位相接続方法。
【請求項２】
前記初期閾値、前記終了閾値及び前記変動幅は、それぞれ調整可能であることを特徴とする請求項１記載の位相接続方法。
【請求項３】
前記初期閾値、前記終了閾値及び前記変動幅は、それぞれ複数記憶され、前記対象物の種類、前記位相接続処理に要する時間又は前記位相処理の精度に応じて選択可能であることを特徴とする請求項１記載の位相接続方法。
【請求項４】
前記位相接続処理は、前記初期閾値によりマスクされなかった前記振幅値データの部分に含む接続開始点から位相接続を行うことを特徴とする請求項１記載の位相接続方法。
【請求項５】
前記位相接続処理は、前記閾値よりマスクされなかった前記振幅値データの部分を接続可能部分と判断し、前記接続可能部分のうち前記位相接続された部分を接続済み部分に変更することを特徴とする請求項１記載の位相接続方法。
【請求項６】
前記位相接続処理は、前記接続可能部分のうち接続の対象点を決定し、前記対象点に近傍する複数点のうちマスクされていない未接続点を求め、前記対象点と前記未接続点との位相差の絶対値が最小となる前記未接続点と前記対象点とを接続し、当該接続された前記未接続点を次の前記対象点に設定することを繰り返すことを特徴とする請求項１記載の位相接続方法。
【請求項７】
周期性を有する平行縞のパターン光を対象物に投影し、前記パターン光と前記対象物とを相対的にシフトしてそれぞれ位相の異なる複数の位相シフト画像データを取得し、これら位相シフト画像データ間の各位相値データを位相接続する位相接続装置において、
前記各位相シフト画像データから前記位相値データと振幅値データとを求める第１の処理部と、
前記第１の処理部で求められた前記振幅値データに対してマスキング処理する閾値を予め設定された変動幅に従って予め設定された初期閾値から終了閾値まで変化させる第２の処理部と、
前記第２の処理部による前記各閾値の変化毎に、当該各閾値よりマスクされなかった前記振幅値データの部分を位相接続可能と判断して前記位相接続処理を行うことを繰り返す位相接続処理部と、
を具備することを特徴とする位相接続装置。
【請求項８】
前記初期閾値、前記終了閾値及び前記変動幅を入力するパラメータ入力部を有することを特徴とする請求項７記載の位相接続装置。
【請求項９】
前記初期閾値、前記終了閾値及び前記変動幅をそれぞれ調整するパラメータ調整部を有することを特徴とする請求項７記載の位相接続装置。
【請求項１０】
前記初期閾値、前記終了閾値及び前記変動幅をそれぞれ複数記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記各初期閾値、前記各終了閾値及び前記各変動幅の中から前記対象物の種類、前記位相接続処理に要する時間又は前記位相処理の精度に応じた前記初期閾値、前記終了閾値及び前記変動幅を選択するパラメータ選択部と、
を有することを特徴とする請求項７記載の位相接続装置。
【請求項１１】
前記位相接続処理部は、前記初期閾値によりマスクされなかった前記振幅値データの部分に含む接続開始点から位相接続を行うことを特徴とする請求項７記載の位相接続装置。
【請求項１２】
前記位相接続処理部は、前記閾値よりマスクされなかった前記振幅値データの部分を接続可能部分と判断し、前記接続可能部分のうち前記位相接続された部分を接続済み部分に変更することを特徴とする請求項７記載の位相接続装置。
【請求項１３】
前記位相接続処理部は、前記接続可能部分のうち接続の対象点を決定し、前記対象点に近傍する複数点のうちマスクされていない未接続点を求め、前記対象点と前記未接続点との位相差の絶対値が最小となる前記未接続点と前記対象点とを接続し、当該接続された前記未接続点を次の前記対象点に設定することを繰り返すことを特徴とする請求項７記載の位相接続装置。
【請求項１４】
周期性を有する平行縞のパターン光を対象物に投影すると共に、前記パターン光と前記対象物とを相対的にシフトさせて取得される各位相の異なる複数の位相シフト画像データ間の各位相値データを位相接続させる処理をコンピュータに実行させる位相接続プログラムにおいて、
前記各位相シフト画像データから前記位相値データと振幅値データとを求めさせる第１の処理と、
前記振幅値データに対してマスキング処理する閾値を予め設定された変動幅に従って予め設定された初期閾値から終了閾値まで変化させる第２の処理と、
前記各閾値の変化毎に、当該各閾値よりマスクされなかった前記振幅値データの部分を位相接続可能と判断して前記位相接続処理を行うことを繰り返す第３の処理と、
を前記コンピュータに実行させることを特徴とする位相接続プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば対象物の三次元形状を非接触で計測する手法に係り、周期性を有する平行縞のパターン光をシフトさせながら対象物に投影し、対象物からの反射光を撮像して取得される複数の位相シフト画像データ間の各位相値データを位相接続させる位相接続方法及びその装置並びに位相接続プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物として例えば物体の３次元形状を非接触で計測する手法としては、例えば特許文献１に記載されているように位相シフトを用いる縞パターン投影法が用いられている。この方法は、正弦波状に変化する照度分布を有する縞パターンを物体に投影し、かつこの縞パターンを物体上に横ずらし（シフト）させ、物体からの反射光を撮像してそれぞれ位相の異なる複数の位相シフト画像データを取得し、これら位相シフト画像データから初期位相値及び振幅値（コントラスト値）を算出する。このように複数の位相シフト画像データを取得して位相値及び振幅値を算出する手法を位相シフト法と称する。これら位相シフト画像データは、位相値が０〜２πの範囲毎に変化し、２πを過ぎると０に戻る。
【０００３】
ここで、位相値の算出は、次のように行われる。例えば４枚の位相シフト画像データを取得した場合について説明すると、位相シフト画像データＩ(x,y)は、
Ｉ(x,y)＝ａ(x,y)＋ｂ(x,y)cos（２πｆｘ＋φ(x,y)）                …（１）
により表わされる。Ｉ(x,y)は座標ｘ，ｙでの画像データ上の輝度を示し、ａ(x,y)はバイアス成分、ｂ(x,y)は縞パターンの振幅成分を示す。これらバイアス成分ａ(x,y)、縞パターンの振幅成分ｂ(x,y)は、物体の模様や反射率の違いなどによって変化する。ｆは縞パターンの空間周波数を示し、φ(x,y)が求める位相値である。
【０００４】
縞パターンを例えばπ／２づつＸ方向にシフトとして取得された各位相シフト画像データＩi(x,y)は、
Ｉi(x,y)＝ａ(x,y)＋ｂ(x,y)cos（２πｆｘ＋φ(x,y)＋πｉ／２）    …（２）
ｉ＝０，１，２，３
により表わされる。これら式から位相値φ(x,y)は、
φ(x,y)＝atan｛（（Ｉi(x,y)−Ｉ３(x,y)）／（Ｉ０(x,y)−Ｉ２(x,y)）｝  …（３）
を演算することにより求められる。このように位相値φ(x,y)を演算して求めるときには、atan（アークタンジェント）の演算が含まれるので、位相値は、−πからπに対応して０〜２πの範囲に畳み込まれる。
【０００５】
振幅値の算出は、次のように行われる。例えば２／３πづつ縞パターンの位相が異なる３枚の位相シフト画像データ（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３）を用いる場合、振幅値Ｉｐは、
Ｉｐ＝［（Ｉ１−Ｉ２）２＋（Ｉ１−Ｉ３）２＋（Ｉ２−Ｉ３）２］１／２       …（４）
を演算することにより求められる。
【０００６】
このように位相値及び振幅値が算出されると、位相シフト法により求めた不連続の各位相値を接続して物体の三次元形状が一意に求められる。
【０００７】
ここで、各位相値を接続するのは、位相値は０〜２πの範囲毎に変化し、２πを過ぎると０に戻るので、物体の高さが連続に変化していても、２π〜０になるところで位相値が不連続になるため、２π〜０になったところで位相値に周期分のオフセットを加えて連続に変化するような値にするためである。
【０００８】
位相の接続では、隣り合う画素間で滑らかになるようにしているが、ノイズや物体の複雑な形状、背景と物体との境界等によって隣り合う位相同士が滑らかに接続できない状況が発生する。このような状況を考慮した位相接続方法としては、例えば非特許文献１及び特許文献２に開示されている技術がある。非特許文献１には、位相接続処理を行う際に、振幅情報を用いて全ての点に関する位相情報の信頼性の判定を行い、信頼性の低い領域に対して自動的にマスキングを行って移動接続を行うことが開示されている。
【０００９】
特許文献２には、振幅値を用いて位相情報の信頼性を数種類に分ける手法、例えばデータの信頼性を正確度を用いて表現するもので、この正確度は、例えば位相値として意味がないと考えられるＮ（No−good）、値はあるが怪しいと考えられるＤ（Doubt）、正確な値として扱ってもよいＧ（good）、値として処理する必要がないマスク（Mask）の４種類であり、これら正確度によって振幅値を分類することが開示されている。
【特許文献１】特開２０００−９４４４号公報
【特許文献２】特開平８−１３８０５６号公報
【非特許文献１】「光技術コンタクト」ｖol.39．Ｎｏ．２、２００１年、ｐ．９２−１０１、「特集：光三次元計測時技術の現状と将来動向、実時間３次元画像計測、桑島茂純著」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
非特許文献１の方法では、マスキングでの閾値のレベルによって振幅値が低いと判定された部分すなわちマスクされた部分に対しては位相接続は行われず、このマスクされた部分の位相値が正確であっても未接続部分として残ってしまう。特許文献２の方法では、正確度によって振幅値を数種類に分類しているが、信頼性の異なる振幅値間の位相接続が同時に行われるので、接続エラーの伝播が発生する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、周期性を有する平行縞のパターン光を対象物に投影し、パターン光と対象物とを相対的にシフトしてそれぞれ位相の異なる複数の位相シフト画像データを取得し、これら位相シフト画像データ間の各位相値データを位相接続する位相接続方法において、各位相シフト画像データから位相値データと振幅値データとを求め、振幅値データに対してマスキング処理する閾値を予め設定された変動幅で予め設定された初期閾値から終了閾値まで変化させ、各閾値の変化毎に、当該各閾値よりマスクされなかった振幅値データの部分を位相接続可能と判断して位相接続処理を行うことを繰り返す位相接続方法である。
【００１２】
本発明は、周期性を有する平行縞のパターン光を対象物に投影し、パターン光と対象物とを相対的にシフトしてそれぞれ位相の異なる複数の位相シフト画像データを取得し、これら位相シフト画像データ間の各位相値データを位相接続する位相接続装置において、各位相シフト画像データから位相値データと振幅値データとを求める第１の処理部と、第１の処理部で求められた振幅値データに対してマスキング処理する閾値を予め設定された変動幅に従って予め設定された初期閾値から終了閾値まで変化させる第２の処理部と、第２の処理部による各閾値の変化毎に、当該各閾値よりマスクされなかった振幅値データの部分を位相接続可能と判断して位相接続処理を行うことを繰り返す位相接続処理部とを具備する位相接続装置である。
【００１３】
本発明は、周期性を有する平行縞のパターン光を対象物に投影すると共に、パターン光と対象物とを相対的にシフトさせて取得される各位相の異なる複数の位相シフト画像データ間の各位相値データを位相接続させる処理をコンピュータに実行させる位相接続プログラムにおいて、各位相シフト画像データから位相値データと振幅値データとを求めさせる第１の処理と、振幅値データに対してマスキング処理する閾値を予め設定された変動幅に従って予め設定された初期閾値から終了閾値まで変化させる第２の処理と、各閾値の変化毎に、当該各閾値よりマスクされなかった振幅値データの部分を位相接続可能と判断して位相接続処理を行うことを繰り返す第３の処理とをコンピュータに実行させる位相接続プログラムである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、位相接続時におけるノイズ等の影響によるエラー又はエラーの伝播を起こりにくくし、正確な位相接続処理ができる位相接続方法及びその装置並びに位相接続プログラムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は位相接続装置を用いた三次元形状計測装置の構成図である。テーブル１上には、対象物である観察物体２が載置されている。テーブル１は、例えば駆動機構３によってＸＹ方向に移動可能である。
【００１７】
観察物体２の斜め上方には、パターン光投影光学系４が設けられている。このパターン光投影光学系４は、周期性を有する平行縞のパターン光を観察物体２の斜め上方から投影する。この平行縞のパターン光は、例えば図２に示すようにライン状の明部５ａと暗部５ｂとを所定のピッチ間隔で平行に配列してなる平行縞である。この平行縞のパターン光の光強度は、ラインｃ−ｃ上で正弦波状に変化している。このパターン光投影光学系４は、観察物体２に対して入射角θで平行縞のパターン光を投影する。なお、パターン光投影光学系４は、当該光学系４自体の傾き角度が可変で、平行縞のパターン光の観察物体２に対して入射角θを調整可能になっている。
【００１８】
具体的にパターン光投影光学系４は、光軸Ｐ１上に光を照射する光源６、照明光学系７、パターン走査機構８及び投影レンズ系９を設けている。照明光学系７は、光源６から出射された光を光軸Ｐ１に対して平行な平行光にする。パターン走査機構８は、平行縞のパターン光を作成するために、例えば複数のスリットが互いに平行に形成されたパターン板８ａを備えている。このパターン走査機構８は、パターン板８ａを光軸Ｐ１に対して垂直方向（矢印Ａ方向）、すなわちライン状の明部５ａ及び暗部５ｂのライン方向に対して垂直方向に一定速度で走査可能としている。このパターン板８ａの走査は、例えば所定ピッチ毎にシフトさせたり、又は連続的にシフトさせる。投影レンズ系９は、パターン板８ａを通過した平行縞のパターン光を観察物体２上に投影する。
【００１９】
観察物体２の上方には、撮像装置１０が設けられている。この撮像装置１０は、平行縞のパターン光が投影された観察物体２からの反射光を撮像してその画像信号を出力する。この撮像装置１０は、例えばパターン板８ａが所定ピッチ毎にシフトする毎に撮像動作したり、又はパターン板８ａが連続的にシフトしている状態に所定の時間毎に撮像動作する。この撮像装置１０は、結像レンズ系１１と、例えばＣＣＤからなるカメラ１２とを有する。
【００２０】
コンピュータ２０は、撮像装置１０から出力された画像信号を入力して例えばパターン板８ａが所定ピッチ毎にシフトする毎の各位相シフト画像データを取得し、これら位相シフト画像データから位相値データと振幅値データとを求め、振幅値データに対してマスキング処理する閾値を予め設定された変動幅に従って初期閾値から終了閾値まで変化させ、これら閾値の変化毎に、当該各閾値よりマスクされなかった振幅値データの部分を位相接続可能と判断して位相接続処理を行うことを繰り返す。
【００２１】
このコンピュータ２０には、パラメータ入力部２１及び液晶ディスプレイ等を有する表示部２２が接続されている。パラメータ入力部２１は、オペレータ（ユーザ）の操作によって入力される位相接続するときの接続開始点、マスキング処理するときの初期閾値ｔ１及びその終了閾値ｔｎ、マスキング処理するときの閾値を初期閾値ｔ１から終了閾値ｔｎまで変化させるときの変動幅Δｔなどのパラメータをコンピュータ２０に渡す。
【００２２】
又、パラメータ入力部２１は、パターン光投影光学系４と撮像装置１０とに関連する各パラメータ、例えばパターン光投影光学系４による平行縞のパターン光の観察物体２への入射角θなどをコンピュータ２０に渡す。なお、これらパラメータは、オペレータによって任意に調整された値が入力されてもよいし、予め後述するパラメータ記憶部２４に記憶しておいてもよい。
【００２３】
コンピュータ２０は、画像保存部２３、パラメータ記憶部２４、パラメータ調整部２５、パラメータ選択部２６、第１の処理部２７、第２の処理部２８、位相接続処理部２９、プログラムメモリ３０及び駆動制御部３１を有する。
【００２４】
画像保存部２３は、撮像装置１０から出力された画像信号を入力し、例えばパターン板８ａが所定ピッチ毎にシフトする毎の複数の位相シフト画像データを保存する。
【００２５】
パラメータ記憶部２４は、パラメータ入力部２１から入力された接続開始点、初期閾値ｔ１、終了閾値ｔｎ及び変動幅Δｔをそれぞれテーブル化して記憶する。これら接続開始点、初期閾値ｔ１、終了閾値ｔｎ及び変動幅Δｔは、各テーブル毎にそれぞれ観察物体２の種類、位相接続処理に要する時間又は位相処理の精度に応じて複数の値が記憶されている。なお、初期閾値ｔ１と終了閾値ｔｎとは、ｔ１≧ｔｎの関係があり、かつ変動幅Δｔは、Δｔ≧０である。
【００２６】
パラメータ調整部２５は、パラメータ記憶部２４に記憶された初期閾値ｔ１、終了閾値ｔｎ及び変動幅Δｔをそれぞれ調整する。
【００２７】
パラメータ選択部２６は、パラメータ記憶部２４に記憶された複数の初期閾値ｔ１、複数の終了閾値ｔｎ及び複数の変動幅Δｔの中から観察物体２の種類、位相接続処理に要する時間又は位相処理の精度に応じた初期閾値ｔ１、終了閾値ｔｎ及び変動幅Δｔを選択する。
【００２８】
第１の処理部２７は、画像保存部２３に保存されている複数の位相シフト画像データから位相値データと振幅値データとを求める。位相値データの算出は、上記同様に、例えば４枚の位相シフト画像データを取得した場合について説明すると、位相シフト画像データＩ(x,y)は、上記式（１）により表わされる。パターン光投影光学系４によって平行縞のパターン光を観察物体２の斜め上方から投影し、かつこの平行縞のパターン光を観察物体２上に例えばπ／２又は２／３πづつＸ方向にシフトとして取得された各位相シフト画像データＩi(x,y)は、上記式（２）により表わされる。これら式から位相値φ(x,y)は、上記式（３）を演算することにより求められる。
【００２９】
振幅値の算出は、例えば２／３πづつ平行縞のパターン光の位相が異なる３枚の位相シフト画像データ（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３）を用いる場合、振幅値Ｉｐは、上記式（４）を演算することにより求められる。
【００３０】
第２の処理部２８は、図３に示すように第１の処理部２７で求められた振幅値データに対してマスキング処理する閾値をパラメータ記憶部２４に記憶されている変動幅Δｔに従って初期閾値ｔ１から終了閾値ｔｎまで変化させる。初期閾値ｔ１と終了閾値ｔｎとは、ｔ１≧ｔｎ、Δｔ≧０の関係があるので、第２の処理部２８は、閾値を初期閾値ｔ１から終了閾値ｔｎまで変動幅Δｔ毎に下げる。この第２の処理部２８は、例えば閾値を計算式ｔ１−Δｔ・ｉ、ｉ＝ｉ＋１により更新する。
【００３１】
位相接続処理部２９は、第２の処理部２８による変動幅Δｔ毎の閾値の変化毎に、当該各閾値よりマスクされなかった振幅値データの部分を位相接続可能と判断して位相接続処理を繰り返す。この位相接続処理部２９は、位相接続処理を実行する場合、以下の各処理を実行する。
【００３２】
位相接続処理部２９は、初期閾値ｔ１によりマスクされなかった位相接続可能な振幅値データの部分に含む接続開始点から位相接続を開始する。
【００３３】
位相接続処理部２９は、変動幅Δｔ毎の閾値よりそれぞれマスクされなかった振幅値データの部分を接続可能部分と判断し、この接続可能部分のうち位相接続された部分を接続済み部分に変更する。
【００３４】
位相接続処理部２９は、接続可能部分のうち位相接続するための対象点を決定し、この対象点に近傍する複数点、すなわち対象点と隣り合うマスクされていない例えば４点又は８点の未接続点を求め、対象点と各未接続点との各位相差のうち絶対値が最小となる１点の未接続点と対象点とを接続し、この接続された未接続点を次の対象点に設定することを繰り返す。この場合、位相接続処理部２９は、対象点に近傍する複数点の全てが接続済み点又は接続不可能な点のいずれか一方又は両方であれば、この複数点を接続の必要ない点にする。
【００３５】
位相接続処理部２９は、複数点を接続の必要ない点にすると、新たな接続開始点を検索して位相接続処理を再開する。この位相接続処理を再開する場合、位相接続処理部２９は、前回の接続開始点から振幅値データをラスタ走査して接続済み点を探す第１のループと、振幅値データの全ての点に対してラスタ走査して接続済み点を探す第２のループとを実行して接続済み点を新たな接続開始点として検索する。
【００３６】
プログラムメモリ３０には、複数の位相シフト画像データから位相値データと振幅値データとを求めさせる第１の処理と、振幅値データに対してマスキング処理する閾値を変動幅Δｔに従って初期閾値ｔ１から終了閾値ｔｎまで変化させる第２の処理と、閾値の変化毎に、当該各閾値よりマスクされなかった振幅値データの部分を位相接続可能と判断して位相接続処理を行うことを繰り返す第３の処理とコンピュータ２０に実行させる位相接続プログラムが記憶されている。
【００３７】
駆動制御部３１は、パターン光投影光学系４に備えられているパターン走査機構８のパターン板８ａを光軸Ｐ１に対して垂直方向（矢印Ａ方向）、すなわちライン状の明部５ａ及び暗部５ｂのライン方向に対して垂直方向に一定速度で走査駆動する。この駆動制御部３１は、例えばパターン板８ａを所定ピッチ毎にシフトさせたり、又は連続的にシフトさせる。
【００３８】
コンピュータ２０は、必要に応じてデータ、特性図、観察物体２の三次元を表示部２２に表示する。又、コンピュータ２０は、閾値を変動幅Δｔ毎に初期閾値ｔ１から終了閾値ｔｎまで変化させたときの各段階における各閾値及び各位相接続結果を表示可能であり、かつ各段階における各位相接続結果を区別するために各段階別に表示色を異ならせて各位相接続結果をカラー表示することが可能である。
【００３９】
又、コンピュータ２０は、閾値を変動幅Δｔ毎に初期閾値ｔ１から終了閾値ｔｎまで段階的に変化させて各位相接続処理したときの様子、すなわちｔ１≧ｔｎの関係から振幅値の高い（信頼性の高い）接続可能部分から振幅値の低い（信頼性の低い）接続可能部分の各位相接続の構築の様子を表示部２２に連続表示、例えば動画表示することも可能である。
【００４０】
次に、上記の如く構成された装置の位相接続処理について図４に示す位相接続処理フローチャートに従って説明する。
【００４１】
パターン光投影光学系４において、光源６から光が放射されると、この光は、照明光学系７により光軸Ｐ１に対して平行な平行光になってパターン走査機構８に入射する。このパターン走査機構８に入射した平行光は、パターン板８ａを通過することにより図２に示すような周期性を有する平行縞のパターン光になる。この平行縞のパターン光は、投影レンズ系９により観察物体２上に投影される。図６は例えば基板上に実装された円柱状の観察物体２上に投影された平行縞のパターン光を示す。この平行縞のパターン光は、観察物体２の高さに応じて変形している。なお、図６は黒ラインをライン状の明部５ａとして示す。
【００４２】
これと共にパターン走査機構８のパターン板８ａは、駆動制御部３１の駆動制御によって光軸Ｐ１に対して垂直方向（矢印Ａ方向）に例えば所定ピッチ、例えば観察物体２上においてＸ方向にπ／２又は２／３πづつシフトしたり、又は連続的にシフトする。図７は平行縞のパターン光を観察物体２上でＸ方向にシフトした状態を示し、平行縞のパターン光の投影位置と観察物体２の高さとに応じて平行縞のパターン光は変形している。なお、図７は図６と同様に黒ラインをライン状の明部５ａとして示す。
【００４３】
撮像装置１０は、例えばパターン板８ａが所定ピッチ毎にシフトする毎に撮像動作し、平行縞のパターン光が投影された観察物体２からの反射光を撮像してその画像信号を出力する。
【００４４】
コンピュータ２０は、ステップ＃１において、撮像装置１０から出力された画像信号を入力して例えばパターン板８ａが所定ピッチ毎にシフトする毎の複数の位相シフト画像データ、例えば４枚の位相シフト画像データを取得し、これら位相シフト画像データを画像保存部２３に保存する。
【００４５】
次に、第１の処理部２７は、ステップ＃２において、画像保存部２３に保存されている複数の位相シフト画像データ、例えば平行縞のパターン光を観察物体２上にπ／２づつＸ方向にシフトとして取得された４枚の位相シフト画像データＩi(x,y)を用いて上記式（３）を演算することにより位相値φ(x,y)を求める。これと共に第１の処理部２７は、例えば２／３πづつ平行縞のパターン光の位相が異なる３枚の位相シフト画像データ（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３）を用いて上記式（４）を演算することにより振幅値Ｉｐを求める。図３は振幅値Ｉｐの画像の表示例を示す。円柱状の観察物体２の影及びエッジ部分において振幅値が小さくなっていることが分る。
【００４６】
次に、コンピュータ２０は、ステップ＃３において、位相接続処理回数の計数値ｉをｉ＝０に設定する。これと共に、コンピュータ２０は、パラメータ記憶部２４に記憶されている接続開始点、初期閾値ｔ１、終了閾値ｔｎ及び変動幅Δｔを決定する。このうち接続開始点は、オペレータの操作によってパラメータ入力部２１を通して設定されたり、又は自動設定される。
【００４７】
又、パラメータ選択部２６は、例えばオペレータの指示によって複数の初期閾値ｔ１、複数の終了閾値ｔｎ及び複数の変動幅Δｔの中から観察物体２の種類、位相接続処理に要する時間又は位相処理の精度に応じた初期閾値ｔ１、終了閾値ｔｎ及び変動幅Δｔを選択する。パラメータ調整部２５は、オペレータの指示によってパラメータ記憶部２４に記憶された初期閾値ｔ１、終了閾値ｔｎ及び変動幅Δｔをそれぞれ調整する。なお、オペレータの指示がなければ、パラメータ選択部２６はパラメータの選択を行わず、パラメータ調整部２５もそれぞれパラメータの調整を行ない。
【００４８】
次に、第２の処理部２８は、ステップ＃４において、図３に示す初期閾値ｔ１によりマスクを発生し、このマスクにより振幅値データをマスキング処理する。このマスキング処理により初期閾値ｔ１よりも高い振幅値を有する部分Ｓ１、すなわちマスクされなかった基板面上に対応する部分が接続可能部分として残る。
【００４９】
次に、位相接続処理部２９は、ステップ＃５において、第２の処理部２８によるマスキング処理により初期閾値ｔ１よりマスクされなかった振幅値データの部分Ｓ１を位相接続可能と判断し、この位相接続可能な振幅値データの部分に含む接続開始点から位相接続を開始する。この位相接続処理は、例えば後述する図５に示す位相差最小値接続法のフローチャートに従って行われる。位相接続処理部２９は、位相接続処理により位相接続された部分を接続済み部分に変更する。これにより、第１段目の位相接続処理が終了する。
【００５０】
次に、第２の処理部２８は、ステップ＃６において位相接続処理回数の計数値ｉをカウントアツプし、次のステップ＃７において計算式ｔ１−Δｔ・ｉにより閾値をｔ２に更新する。
【００５１】
次に、第２の処理部２８は、再びステップ＃４に戻り、更新された閾値ｔ２に決定し、この閾値ｔ２によりマスクを発生し、このマスクにより振幅値データをマスキング処理する。このマスキング処理により初期閾値ｔ２よりも高い振幅値を有する部分Ｓ２、すなわち観察物体２の上面の部分が接続可能部分として残る。
【００５２】
次に、位相接続処理部２９は、再びステップ＃５において、閾値ｔ２よりマスクされなかった振幅値データの部分Ｓ２を位相接続可能と判断し、この位相接続可能な振幅値データの部分に含む接続開始点から例えば図５に示す位相差最小値接続法のフローチャートに従って位相接続処理を行い、位相接続された部分を接続済み部分に変更する。これにより、第２段目の位相接続処理が終了する。
【００５３】
再び、第２の処理部２８は、ステップ＃６において位相接続処理回数の計数値ｉをカウントアツプし、次のステップ＃７において計算式ｔ１−Δｔ・ｉにより閾値をｔ３に更新する。第２の処理部２８は、再びステップ＃４において、更新された閾値ｔ３によりマスクを発生し、このマスクにより振幅値データをマスキング処理する。これにより、閾値ｔ３よりも高い振幅値を有する部分Ｓ３、すなわち観察物体２により生じた影の部分が接続可能部分として残る。
【００５４】
次に、位相接続処理部２９は、再びステップ＃５において上記同様に、閾値ｔ３よりマスクされなかった振幅値データの部分Ｓ３に含む接続開始点から位相接続処理を行い、位相接続された部分を接続済み部分に変更する。これにより、第３段目の位相接続処理が終了する。
【００５５】
このように振幅値データを閾値をｔ１、ｔ２、ｔ３の順に低下させて各マスキング処理を行い、振幅値の高い部分から低い部分に向って、この場合、図３に示すように各閾値ｔ１、ｔ２、ｔ３の順にマスキングされない高い振幅値を有する各部分Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の順に各位相接続処理を実行する。このとき、閾値を低下させる変動幅Δｔを小さく設定すれば、位相接続処理の精度を高めることが可能である。又、初期閾値ｔ１、終了閾値ｔｎ及び変動幅Δｔをそれぞれ調整することで、位相接続時間の調整が簡単に可能である。
【００５６】
以上のように位相接続処理を実行し、終了閾値ｔｎを「０」に設定すると、マスクされる振動値データがなくなり、全ての点における位相接続処理が終了する。この結果、振動値データは、位相値０〜２πの範囲毎に２π〜０になるところの位相値が連続に変化する結果になる。
【００５７】
次に、コンピュータ２０は、ステップ＃８に移り、位相接続処理した結果の振動値データを用いて観察物体２の高さを示す高さデータを算出し、この観察物体２の高さを表示部２２に表示する。
【００５８】
なお、位相接続処理を行っているとき、コンピュータ２０は、例えば変動幅Δｔ毎に初期閾値ｔ１から終了閾値ｔｎまで変化させたときの各段階における各閾値及び各位相接続結果を表示し、かつ各段階における各位相接続結果をそれぞれ各表示色により区別してカラー表示する。又、コンピュータ２０は、閾値を変動幅Δｔ毎に初期閾値ｔ１から終了閾値ｔｎまで段階的に変化させたときの各位相接続の構築の様子を表示部２２に連続表示、例えば動画表示する。
【００５９】
次に、位相接続処理部２９よるステップ＃５における位相接続処理について図５に示す位相差最小値接続法のフローチャートに従って説明する。位相接続処理部２９は、位相接続誤差を最小化するために位相差最小値位相接続法を用いる。
【００６０】
先ず、位相接続処理部２９は、ステップ＃１０において、位相接続の開始点を決定する。この位相接続の開始点は、パラメータ記憶部２４に記憶されされている接続開始点を読み出して自動設定したり、又は観察物体２の計測の都度にオペレータによってパラメータ入力部２１を介して入力された接続開始点を設定する。
【００６１】
この接続開始点は、振幅値の高いデータを有する点を選択する。この理由は、最初の接続開始点が振幅値の低い点に設定すると、閾値が当該接続開始点の振幅値よりも高い場合、位相接続の処理が開始されないからである。この最初の接続開始点は、そのまま接続済み点となり、かつその位相値は最終位相結果になる。さらに、最初の接続開始点は、次の接続への対象点になる。
【００６２】
次に、位相接続処理部２９は、ステップ＃１１において、図８に示すように対象点である接続開始点Ｆに近傍する複数点、例えば接続開始点Ｆと隣り合う例えば４点Ｒ１〜Ｒ４の中でマスクされていない未接続点を求める。なお、接続開始点に近傍する複数点は、接続開始点と隣り合う８点の中からマスクされていない未接続点を求めてもよい。位相接続処理部２９は、マスクされていない各未接続点Ｒ１〜Ｒ４と対象点Ｆとの間の各位相差を求める。
【００６３】
次に、位相接続処理部２９は、ステップ＃１２において、各未接続点Ｒ１〜Ｒ４と対象点Ｆとの間の各位相差の各絶対値を求め、これら絶対値のうち最小値となる未接続点Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３又はＲ４を判断し、この最小値となる例えば未接続点Ｒ１と対象点Ｆとを接続する。位相接続処理部２９は、次のステップ＃１３において、接続された未接続点Ｒ１を接続済みの点とすると共に次の対象点Ｆ１とする。
【００６４】
次に、位相接続処理部２９は、ステップ＃１４において、図９に示すように新しい対象点Ｆ１と隣り合う例えば４点Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｆ（接続済み）の中でマスクされていない未接続点のうち接続可能な点の存在の有無を判断し、例えば各点Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７が存在していれば、再びステップ＃１１に戻り、各未接続点Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７と対象点Ｆとの間の位相差を求める。以下、上記同様に、位相接続処理部２９は、ステップ＃１２において、各未接続点Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７と対象点Ｆ１との間の各位相差の各絶対値を求め、これら絶対値のうち最小値となる未接続点Ｒ５、Ｒ６又はＲ７を判断し、この最小値となる例えば未接続点Ｒ７と対象点Ｆ１とを接続する。位相接続処理部２９は、次のステップ＃１３において、接続された未接続点Ｒ７を接続済みの点とすると共に次の対象点Ｆ２とする。
【００６５】
これ以降、位相接続処理部２９は、各ステップ＃１１〜＃１４を繰り返して例えば図３に示す各閾値ｔ１、ｔ２、ｔ３で分けられた第１段目、第２段目及び第３段目の各位相接続処理を行う。この位相接続処理の結果、誤差が最小になる方向に順次位相接続が行われる。
【００６６】
なお、位相接続処理部２９は、各ステップ＃１１〜＃１４を繰り返すことで位相接続を行う場合に位相飛び基準（例えばπ）というパラメータを設定し、例えば対象点と未接続点との位相差の絶対値が位相飛び基準よりも大きいか否かを判断し、対象点と未接続点との位相差（例えば未接続点Ｒ１と対象点Ｆとの位相差）の絶対値が位相飛び基準よりも大きければ、位相が２π〜０に変わったことを判定する。
【００６７】
又、位相接続処理部２９は、ステップ＃１４において、例えば図９に示す新しい対象点Ｆｍと隣り合う例えば４点の中でマスクされていない未接続点のうち接続可能な点の存在が無い、すなわち対象点に近傍する４点の全てが接続済み点又は接続不可能な点のいずれか一方又は両方であれると判断すると、ステップ＃１５に移る。
【００６８】
位相接続処理部２９は、ステップ＃１５において、位相接続を進めなくなった対象点Ｆｍを接続の必要ない点に設定する。この設定により当該対象点Ｆｍから再び近傍演算をすることが無くなり、位相接続の処理速度を高速化できる。
【００６９】
次に、位相接続処理部２９は、ステップ＃１６、＃１７において、新たな接続開始点を検索して位相接続処理を再開する。位相接続処理を再開する場合、位相接続処理部２９は、前回の接続開始点、例えば対象点Ｆから振幅値データをラスタ走査して接続済み点を探す内ループ（第１のループ）と、振幅値データの全ての点に対してラスタ走査して接続済み点を探す外ループ（第２のループ）とを実行する。なお、内又は外ループのうちいずれか一方又は両方を実行して新たな接続開始点として検索してもよい。
【００７０】
これらループの実行により接続済みの点が存在することが判断されると、位相接続処理部２９は、この接続済み点を新しい接続開始点（対象点）として再びステップ１１に戻り、各ステップ＃１１〜＃１４を繰り返すことで位相接続を再開する。なお、位相接続処理部２９は、外ループの実行が終了しても接続済み点を検索できない場合、位相接続を終了する。
【００７１】
このように上記一実施の形態によれば、複数の位相シフト画像データから位相値データと振幅値データとを求め、振幅値データに対してマスキング処理する閾値を初期閾値ｔ１から終了閾値ｔｎまで変動幅Δｔ毎に順次低下し、これら閾値の変化毎に、当該各閾値よりマスクされなかった振幅値データの部分を位相接続可能と判断して順次位相接続処理を行うことを繰り返すので、初期閾値ｔ１よりも高い振幅値を有する信頼性の高い部分すなわちノイズ等の影響を受けない部分から位相接続を開始するものとなり、これによりノイズ等の影響によるエラー又はエラーの伝播が起こりにくくなり、位相値０〜２πの範囲毎に２π〜０になるところの位相値を連続に変化させた正確な位相接続処理ができる。
【００７２】
又、位相接続処理するときの閾値を低下させる変動幅Δｔを小さく設定すれば、位相接続処理の精度を高めることができる。これら変動幅Δｔ毎の各段階目（例えば第１段階目〜第２段階目）毎にマスキング処理を行って位相接続するので、各段階目の各位相接続は、振幅値の大きく離れた各振幅値データ間で位相接続されることはない。これにより各振幅値の間隔の小さな各振幅値データ間でしか位相接続されず、たとえ各振幅値データ間の位相接続でエラーが発生しても、このエラーの伝播範囲を最小限に留めることができる。
【００７３】
初期閾値ｔ１、終了閾値ｔｎ及び変動幅Δｔをそれぞれ調整することで、位相接続時間の調整が簡単にできる。
【００７４】
位相接続処理部２９は、位相接続を実行中に、位相接続を進めなくなった対象点Ｆｍを接続の必要ない点に設定するので、対象点Ｆｍから再び近傍演算をすることが無くなり、位相接続の処理速度を高速化できる。
【００７５】
位相接続処理部２９は、内ループと外ループとを実行して新たな接続開始点を検索して位相接続処理を再開するので、接続済み点の判断処理量を大幅に減少でき、これにより位相接続の処理速度を高速化できる。
【００７６】
このような位相接続装置を用いた三次元形状計測装置であれば、精度の高い位相接続処理の結果の振動値データを用いて観察物体２の高さを示す高さデータを算出し、この観察物体２の高さを表示部２２に表示できる。観察物体２の計測では、観察物体２の種類、位相接続処理に要する時間又は位相処理の精度に応じて接続開始点、初期閾値ｔ１、終了閾値ｔｎ及び変動幅Δｔを選択でき、オペレータの要求に応じた観察物体２の計測の条件を設定できる。
【００７７】
次に、本発明の他の特徴とするところについて説明する。
【００７８】
第１の本発明は、前記閾値は、前記初期閾値から前記終了閾値まで前記変動幅毎に下げることを特徴とする請求項１記載の位相接続方法である。
【００７９】
第２の本発明は、前記対象点に近傍する前記複数点は、前記対象点と隣り合う前記マスクされていない前記未接続点であることを特徴とする請求項６記載の位相接続方法である。
【００８０】
第３の本発明は、前記位相接続処理は、前記対象点に近傍する前記複数点の全てが接続済み点又は接続不可能な点のいずれか一方又は両方であれば、当該複数点を接続の必要ない点にすることを特徴とする請求項６記載の位相接続方法である。
【００８１】
第４の本発明は、前記位相接続処理は、前記複数点を接続の必要ない前記点にすると、新たな接続開始点を検索して前記位相接続処理を再開することを特徴とする第３の本発明に記載の位相接続方法である。
【００８２】
第５の本発明は、前記新たな接続開始点の検索は、前回の前記接続開始点から前記振幅値データをラスタ走査して前記接続済み点を探す第１のループと、前記振幅値データの全ての点に対してラスタ走査して前記接続済み点を探す第２のループとを有し、前記第１又は第２のループのうちいずれか一方又は両方を実行して前記接続済み点を前記新たな接続開始点として設定することを特徴とする第４の本発明に記載の位相接続方法である。
【００８３】
第６の本発明は、前記第２の処理部は、前記閾値を前記初期閾値から前記終了閾値まで前記変動幅毎に下げることを特徴とする第７の本発明に記載の位相接続装置である。
【００８４】
第７の本発明は、前記位相接続処理部は、予め位相飛び基準を設定し、前記対象点と前記未接続点との位相差の絶対値が前記位相飛び基準よりも大きいか否かを判断し、前記対象点と前記未接続点との前記位相差の前記絶対値が前記位相飛び基準よりも大きければ、位相が２π〜０に変わったことを判定することを特徴とする請求項１３記載の位相接続装置である。
【００８５】
第８の本発明は、前記位相飛び基準は、πに設定されることを特徴とする第７の本発明に記載の位相接続装置である。
【００８６】
第９の本発明は、前記位相接続処理部は、前記対象点と隣り合う前記マスクされていない前記未接続点を前記対象点に近傍する前記複数点とすることを特徴とする請求項１３記載の位相接続装置である。
【００８７】
第１０の本発明は、前記位相接続処理部は、前記対象点に近傍する前記複数点の全てが接続済み点又は接続不可能な点のいずれか一方又は両方であれば、当該複数点を接続の必要ない点にすることを特徴とする請求項１３記載の位相接続装置である。
【００８８】
第１１の本発明は、前記位相接続処理部は、前記複数点を接続の必要ない前記点にすると、新たな接続開始点を検索して前記位相接続処理を再開することを特徴とする第１０の本発明に記載の位相接続装置である。
【００８９】
第１２の本発明は、前記位相接続処理部は、前回の前記接続開始点から前記振幅値データをラスタ走査して前記接続済み点を探す第１のループと、前記振幅値データの全ての点に対してラスタ走査して前記接続済み点を探す第２のループとを有し、前記第１又は第２のループのうちいずれか一方又は両方を実行して前記接続済み点を前記新たな接続開始点として検索することを特徴とする第１１の本発明に記載の位相接続装置である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明に係る位相接続装置の一実施の形態を用いた三次元形状計測装置を示す構成図。
【図２】同装置により観察物体上に投影する平行縞のパターン光を示す図。
【図３】同装置により振幅値データに対して閾値を初期閾値から終了閾値まで変動幅毎に低下させる動作を示す模式図。
【図４】同装置における位相接続処理フローチャート。
【図５】同装置における位相差最小値接続法のフローチャート。
【図６】同装置により円柱状の観察物体上に投影された平行縞のパターン光を示す図。
【図７】同装置により平行縞のパターン光を観察物体上でＸ方向にシフトした状態を示す図。
【図８】同装置の位相接続処理部による位相接続の開始処理を示す模式図。
【図９】同装置の位相接続処理部による位相接続の処理状況を示す模式図。
【符号の説明】
【００９１】
１：テーブル、２：観察物体、３：駆動機構、４：パターン光投影光学系、５ａ：明部、５ｂ：暗部、６：光源、７：照明光学系、８：パターン走査機構、８ａ：パターン板、９：投影レンズ系、１０：撮像装置、１１：結像レンズ系、１２：カメラ、２０：コンピュータ、２１：パラメータ入力部、２２：表示部、２３：画像保存部、２４：パラメータ記憶部、２５：パラメータ調整部、２６：パラメータ選択部、２７：第１の処理部、２８：第２の処理部、２９：位相接続処理部、３０：プログラムメモリ、３１：駆動制御部。
【図１】
2006079275.tif 000003
【図２】
2006079275.tif 000004
【図３】
2006079275.tif 000005
【図４】
2006079275.tif 000006
【図５】
2006079275.tif 000007
【図６】
2006079275.tif 000008
【図７】
2006079275.tif 000009
【図８】
2006079275.tif 000010
【図９】
2006079275.tif 000011