(57)【要約】【課題】被測定物の見かけの形状をできるだけ歪ませることなく形状計測できると共に、長い物や連続的に移動する物であっても形状計測できる高速三次元計測装置を提供する。【解決手段】高速三次元計測装置は、被測定物の上に、一つの方向に沿って光強度が周期的に変化する縞状パターン光を照射するパターン光源と、前記被測定物からの前記縞状パターン光の反射光を前記一つの方向に沿ったラインについて一組の光信号として取り込むラインカメラと、取り込んだ一組の前記光信号について、前記縞状パターン光との関係に基づいて前記被測定物の高さを算出する計測部と、を備える。【選択図】図１
2011064482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の上に、一つの方向に沿って光強度が周期的に変化する縞状パターン光を照射するパターン光源と、
前記被測定物からの前記縞状パターン光の反射光を前記一つの方向に沿ったラインについて一組の光信号として取り込むラインカメラと、
取り込んだ一組の前記光信号について、前記縞状パターン光との関係に基づいて前記被測定物の高さを算出する計測部と、
を備えた高速三次元計測装置。
【請求項２】
前記パターン光源は、第１及び第２のパターン光源を有する、請求項１に
記載の高速三次元計測装置。
【請求項３】
前記第１のパターン光源は、第１の周期で光強度が変化する第１の縞状パターン光を照射し、前記第２のパターン光源は、第２の周期で光強度が変化する第２の縞状パターン光を照射し、
前記計測部は、前記第１の縞状パターン光と、その反射光との間の第１の位相差と、前記第２の縞状パターン光と、その反射光との間の第２の位相差と、を用いて前記被測定物の連続的な高さを算出する、請求項２に記載の高速三次元計測装置。
【請求項４】
前記第１及び第２のパターン光源を交互に照射する、請求項２又は３に記載の高速三次元計測装置。
【請求項５】
前記第１のパターン光源は、第１の色で前記第１の縞状パターン光を照射し、前記第２のパターン光源は、第２の色で前記第２の縞状パターン光を照射し、
前記第１及び第２のパターン光源を同時に照射する、請求項２又は３に記載の高速三次元計測装置。
【請求項６】
前記パターン光源は、光源から、レンズと、光透過量が周期的に変化するパターンを設けたレチクルと、を介して光を照射して、前記被測定物の上に一つの方向に沿って光強度が周期的に変化する縞状パターン光を照射する、請求項１から５のいずれか一項に記載の高速三次元計測装置。
【請求項７】
前記パターン光源は、前記レチクルの光軸を前記レンズの光軸から外して、前記レンズの光軸に垂直な面と、前記レチクルの面を含む平面と、前記被測定物の面と、が一つの線で交差するように配置される、請求項６に記載の高速三次元計測装置。
【請求項８】
前記レチクルは、一つの方向に沿って光透過量が変化する周期が等間隔のパターンが設けられている、請求項６又は７に記載の高速三次元計測装置。
【請求項９】
前記レチクルは、前記パターン光源の光軸に垂直な面と前記被測定物の面とのなす角度（θ）と、前記パターン光源の光源から光軸に沿った前記被測定物までの距離（Ｄ）と、前記パターン光源の光源と前記レチクルとの距離（ｄ）とを定数とし、前記被測定物上の前記光源からの光軸との交点からの距離（Ｌ）をパラメータとして表される下記の関係式、
Ｔ＝ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ／（Ｄ−Ｌ・ｓｉｎθ）
で規定される、前記レチクル上の前記光源からの光軸との交点からの距離（Ｔ）で、一つの方向に沿って光透過量が変化するパターンが設けられており、
前記パターン光源は、前記レチクルを介して光強度が一定周期で変化する縞状パターン光を前記被測定物の上に照射する、請求項６又は７に記載の高速三次元計測装置。
【請求項１０】
前記レチクルは、前記パターン光源の光軸に垂直な面と前記被測定物の面とのなす角度（θ）と、前記パターン光源の光軸に垂直な面と前記レチクルの面とのなす角度（φ）と、前記パターン光源の光源から光軸に沿った前記被測定物までの距離（Ｄ）と、前記パターン光源の光源と前記レチクルとの距離（ｄ）とを定数とし、前記被測定物上の前記光源からの光軸との交点からの距離（Ｌ）をパラメータとして表される下記の関係式、
Ｕ＝ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ／（Ｄ・ｃｏｓφ＋Ｌ・ｓｉｎ（φ−θ））
で規定される、前記レチクル上の前記光源からの光軸との交点からの距離（Ｕ）で、一つの方向に沿って光透過量が変化するパターンが設けられており、
前記パターン光源は、前記レチクルを介して光強度が一定周期で変化する縞状パターン光を前記被測定物の上に照射する、請求項７に記載の高速三次元計測装置。
【請求項１１】
前記パターン光源は、前記光源としてラインレーザを用いる、請求項６から１０のいずれか一項に記載の高速三次元計測装置。
【請求項１２】
前記ラインカメラは、外部からの光を取り込むレンズの光軸を前記ラインセンサの光軸から外して、前記ラインセンサの光軸に垂直な面と、前記レンズの面を含む平面と、前記被測定物の面と、が一つの線で交差するように配置される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の高速三次元計測装置。
【請求項１３】
前記計測部は、取り込んだ一組の前記光信号について、前記縞状パターン光の周期を用いた位相シフトモアレ法によって、一組の前記信号列から複数組の疑似信号列を生成し、得られた複数組の前記疑似信号列を用いて、前記被測定物の高さを算出する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の高速三次元計測装置。
【請求項１４】
前記計測部は、取り込んだ一組の前記光信号について、フーリエ変換格子法を用いて、前記縞状パターン光の光強度と前記被測定物からの反射光の光強度との位相差を求め、高さを算出する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の高速三次元計測装置。
【請求項１５】
被測定物の上に、一つの方向に沿って光強度が周期的に変化する縞状パターン光を照射するステップと、
前記被測定物からの前記縞状パターン光の反射光を前記一つの方向に沿ったラインについて一組の光信号として取り込むステップと、
取り込んだ一組の前記光信号について、前記縞状パターン光との関係に基づいて前記被測定物の高さを算出するステップと、
を含む高速三次元計測方法。
【請求項１６】
前記被測定物の高さを算出するステップでは、取り込んだ一組の前記光信号について、前記縞状パターン光の周期を用いた位相シフトモアレ法によって、一組の前記信号列から複数組の疑似信号列を生成し、得られた複数組の前記疑似信号列を用いて、前記被測定物の高さを算出する、請求項１５に記載の高速三次元計測方法。
【請求項１７】
前記被測定物の高さを算出するステップでは、取り込んだ一組の前記光信号について、フーリエ変換格子法を用いて、前記縞状パターン光の光強度と前記被測定物からの反射光の光強度との位相差を求め、高さを算出する、請求項１５に記載の高速三次元計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の形状を非接触で計測する高速三次元計測装置及び高速三次元計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、位相シフト法による３次元計測では、被測定物を固定（静止）した状態に保ち、その被測定物の全体にわたって、位相シフトさせながら縞状パターンを投影して、エリアセンサカメラで被測定物全体による格子画像を撮影していた。これによって、被測定物全体の各箇所における、投影した縞状パターンと、撮影した格子画像との間の位相差を算出し、各箇所での位相差を高低差に変換して３次元計測していた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】研究成果報告書「高精度高速形状変形計測法」和歌山大学システム工学部  光メカトロニクス学科  光波画像計測研究グループ、教授  森本吉春  他、２００１年４月
【非特許文献２】研究成果報告書「位相信頼性評価値とＤＭＤカメラを用いた三次元形状計測」和歌山大学システム工学部  李  志遠、２００７年２月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の３次元計測装置では、一方向から測定物の全体を観測した場合には被測定物は、遠近による歪みが現れるため台形形状の画像となるという問題がある。また、その遠近による歪みは形状測定の精度にも影響を生じるという問題がある。
【０００５】
さらに、被測定物の全体を同時に観測するため、被測定物を静止させて観測する必要があった。このため、長い物や連続的に移動する物は測定できなかった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、被測定物の見かけの形状をできるだけ歪ませることなく形状計測できると共に、長い物や連続的に移動する物であっても形状計測できる高速三次元計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る高速三次元計測装置は、被測定物の上に、一つの方向に沿って光強度が周期的に変化する縞状パターン光を照射するパターン光源と、
前記被測定物からの前記縞状パターン光の反射光を前記一つの方向に沿ったラインについて一組の光信号として取り込むラインカメラと、
取り込んだ一組の前記光信号について、前記縞状パターン光との関係に基づいて前記被測定物の高さを算出する計測部と、
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、前記パターン光源は、第１及び第２のパターン光源を有してもよい。
【０００９】
さらに、前記第１のパターン光源は、第１の周期で光強度が変化する第１の縞状パターン光を照射し、前記第２のパターン光源は、第２の周期で光強度が変化する第２の縞状パターン光を照射してもよい。
この場合、前記計測部は、前記第１の縞状パターン光と、その反射光との間の第１の位相差と、前記第２の縞状パターン光と、その反射光との間の第２の位相差と、を用いて前記被測定物の連続的な高さの変化を算出することができる。
【００１０】
またさらに、前記第１及び第２のパターン光源を交互に照射してもよい。
【００１１】
また、前記第１のパターン光源は、第１の色で前記第１の縞状パターン光を照射し、前記第２のパターン光源は、第２の色で前記第２の縞状パターン光を照射すると共に、前記第１及び第２のパターン光源を同時に照射してもよい。
【００１２】
さらに、前記パターン光源は、光源から、レンズと、光透過量が周期的に変化するパターンを設けたレチクルと、を介して光を照射して、前記被測定物の上に一つの方向に沿って光強度が周期的に変化する縞状パターン光を照射してもよい。
【００１３】
また、前記パターン光源は、前記レチクルの光軸を前記レンズの光軸から外して、前記レンズの光軸に垂直な面と、前記レチクルの面を含む平面と、前記被測定物の面と、が一つの線で交差するように配置してもよい。
【００１４】
また、前記レチクルは、一つの方向に沿って光透過量が変化する周期が等間隔のパターンが設けられていてもよい。
【００１５】
さらに、前記パターン光源の前記レチクルは、前記パターン光源の光軸に垂直な面と前記被測定物の面とのなす角度（θ）と、前記パターン光源の光源から光軸に沿った前記被測定物までの距離（Ｄ）と、前記パターン光源の光源と前記レチクルとの距離（ｄ）とを定数とし、前記被測定物上の前記光源からの光軸との交点からの距離（Ｌ）をパラメータとして表される下記の関係式、
Ｔ＝ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ／（Ｄ−Ｌ・ｓｉｎθ）
で規定される、前記レチクル上の前記光源からの光軸との交点からの距離（Ｔ）で、一つの方向に沿って光透過量が変化するパターンが設けられていてもよい。これによって、前記パターン光源から前記レチクルを介して光強度が一定周期で変化する縞状パターン光を前記被測定物の上に照射することができる。
【００１６】
またさらに、前記パターン光源の前記レチクルは、前記パターン光源の光軸に垂直な面と前記被測定物の面とのなす角度（θ）と、前記パターン光源の光軸に垂直な面と前記レチクルの面とのなす角度（φ）と、前記パターン光源の光源から光軸に沿った前記被測定物までの距離（Ｄ）と、前記パターン光源の光源と前記レチクルとの距離（ｄ）とを定数とし、前記被測定物上の前記光源からの光軸との交点からの距離（Ｌ）をパラメータとして表される下記の関係式、
Ｕ＝ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ／（Ｄ・ｃｏｓφ＋Ｌ・ｓｉｎ（φ−θ））
で規定される、前記レチクル上の前記光源からの光軸との交点からの距離（Ｕ）で、一つの方向に沿って光透過量が変化するパターンが設けられていてもよい。これによって、前記パターン光源は、前記レチクルを介して光強度が一定周期で変化する縞状パターン光を前記被測定物の上に照射することができる。
【００１７】
また、前記パターン光源は、前記光源としてラインレーザを用いてもよい。
【００１８】
またさらに、前記ラインカメラは、外部からの光を取り込むレンズの光軸を前記ラインセンサの光軸から外して、前記ラインセンサの光軸に垂直な面と、前記レンズの面を含む平面と、前記被測定物の面と、が一つの線で交差するように配置してもよい。
【００１９】
また、前記計測部は、取り込んだ一組の前記光信号について、前記縞状パターン光の周期を用いた位相シフトモアレ法によって、一組の前記信号列から複数組の疑似信号列を生成し、得られた複数組の前記疑似信号列を用いて、前記被測定物の高さを算出してもよい。
【００２０】
さらに、前記計測部は、取り込んだ一組の前記光信号について、フーリエ変換格子法を用いて、前記縞状パターン光の光強度と前記被測定物からの反射光の光強度との位相差を求め、高さを算出してもよい。
【００２１】
また、本発明に係る高速三次元計測方法は、被測定物の上に、一つの方向に沿って光強度が周期的に変化する縞状パターン光を照射するステップと、
前記被測定物からの前記縞状パターン光の反射光を前記一つの方向に沿ったラインについて一組の光信号として取り込むステップと、
取り込んだ一組の前記光信号について、前記縞状パターン光との関係に基づいて前記被測定物の高さを算出するステップと、
を含むことを特徴とする。
【００２２】
さらに、前記被測定物の高さを算出するステップでは、取り込んだ一組の前記光信号について、前記縞状パターン光の周期を用いた位相シフトモアレ法によって、一組の前記信号列から複数組の疑似信号列を生成し、得られた複数組の前記疑似信号列を用いて、前記被測定物の高さを算出してもよい。
【００２３】
前記被測定物の高さを算出するステップでは、取り込んだ一組の前記光信号について、フーリエ変換格子法を用いて、前記縞状パターン光の光強度と前記被測定物からの反射光の光強度との位相差を求め、高さを算出してもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の高速三次元計測装置及び高速三次元計測方法によれば、非測定物を連続搬送状態で形状計測することが可能である。また、シート状の実質的にエンドレスに延在する被測定物の検査も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る高速三次元計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】パターン光源の内部構成を示す概略図である。
【図３】ラインカメラの内部構成を示す概略図である。
【図４】パターン光源を斜め上方に配置し、ラインカメラを真上に配置する構成を示す概略図である。
【図５】パターン光源を真上に配置して、ラインカメラを斜め上方に配置する構成を示す概略図である。
【図６】パターン光源及びラインカメラを互いに相対する斜め上方に配置する構成を示す概略図である。
【図７】実施の形態１に係る高速三次元計測方法のフローチャートである。
【図８】（ａ）〜（ｋ）は、位相シフトモアレ法を説明する概略図である。
【図９】（ａ）〜（ｅ）はフーリエ変換格子法による位相差の算出を説明する概略図である。
【図１０】実施の形態２に係る高速三次元計測装置におけるパターン光源と被測定物との配置関係を示す概略図である。
【図１１】実施の形態３に係る高速三次元計測装置におけるラインカメラと被測定物との配置関係を示す概略図である。
【図１２】実施の形態４に係る高速三次元計測装置の構成を示す概略図である。
【図１３】実施の形態５に係る高速三次元計測装置の構成を示す概略図である。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は、実施の形態６に係る高速三次元計測装置の構成を示す概略図である。
【図１５】（ａ）は、実施の形態６に係る高速三次元計測装置におけるパターン光源２ｂによる周期の長い縞状パターン光を示す概略図であり、（ｂ）は、（ａ）の縞状パターン光とその反射光との位相差の変化を示す概略図であり、（ｃ）は、パターン光源２ａによる周期の短い縞状パターン光を示す概略図であり、（ｄ）は、（ｃ）の縞状パターン光とその反射光との位相差の変化を示す概略図であり、（ｅ）は、（ｂ）の結果に基づいて（ｄ）の位相差の変化について部分的に位相接続を行った概略図である。
【図１６】実施の形態７に係る高速三次元計測装置におけるパターン光源と被測定物との配置関係を示す概略図である。
【図１７】実施の形態７に係る高速三次元計測装置におけるパターン光源のレチクル上のパターンと被測定物上の縞状パターンとの関係を示す概略図である。
【図１８】実施の形態８に係る高速三次元計測装置におけるパターン光源のレチクル上のパターンと被測定物上の縞状パターンとの関係を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施の形態に係る高速三次元計測装置及び高速三次元計測方法について添付図面を用いて説明する。なお、図面において実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る高速三次元計測装置の構成を示すブロック図である。この高速三次元計測装置１０は、パターン光源２と、ラインカメラ６と、計測部９と、を備える。図１では、パターン光源２は被測定物１の斜め上方に配置され、ラインカメラ４は被測定物１の真上に配置されている。パターン光源２は、斜め上方から、被測定物１の上に、一つの方向に沿って光強度が周期的に変化する縞状パターン光を照射する。ラインカメラ６は、被測定物１からの縞状パターン光の反射光を上記一つの方向に沿ったラインについて一組の光信号として取り込む。計測部９は、取り込んだ一組の光信号について、縞状パターン光との関係に基づいて被測定物１の高さ（形状）を算出する。
【００２８】
＜パターン光源＞
図２は、パターン光源２の内部構成を示す概略図である。パターン光源２は、光源３と、レンズ４と、光透過量が周期的に変化するレチクル５とを備える。このパターン光源２によって、光源３から、レンズ４とレチクル５とを介して光を照射する。これによって、被測定物１の上に一つの方向に沿って光強度が周期的に変化する縞状パターン光を照射することができる。
【００２９】
＜ラインカメラ＞
図３は、ラインカメラ６の内部構成を示す概略図である。ラインカメラ６は、被測定物１からの反射光を、レンズ７を介して一つの方向に沿ったラインについて、ラインセンサ８で一組の光信号として取り込む。
【００３０】
＜パターン光源とラインカメラとの位置関係＞
パターン光源２とラインカメラ６とは、それぞれ被測定物１に対して真上、又は、斜め上方のいずれかの配置とすることができる。そのためパターン光源２とラインカメラ６との位置関係としては、様々な配置をとりうる。例えば、図４から図６のいずれの配置であってもよい。図４では、図１と同様にパターン光源２を斜め上方に配置して、被測定物１の上に縞状パターン光を照射している。また、ラインカメラ６を真上に配置している。図５では、図４とは逆に、パターン光源２を真上に配置して、被測定物１の上に縞状パターン光を照射し、ラインカメラ６を斜め上方に配置している。図６では、パターン光源２及びラインカメラ６を互いに相対する斜め上方に配置している。なお、パターン光源２とラインカメラ６との配置は、図４から図６の場合に限られない。
【００３１】
＜計測部＞
計測部９は、取り込んだ一組の光信号について、縞状パターン光と反射光との位相差に基づいて被測定物１の高さ（形状）を算出する。計測部９としては、例えば、コンピュータで構成されていてもよい。計測部がコンピュータで構成される場合には、ＣＰＵ１１、メモリ１２、記憶装置１３、インタフェース１４、入力装置１５、出力装置１６等を備える。
【００３２】
＜高速三次元計測方法＞
図７は、実施の形態１に係る高速三次元計測方法のフローチャートである。
ａ）被測定物１の上に、一つの方向に沿って光強度が周期的に変化する縞状パターン光を照射するステップ（Ｓ０１）と、
ｂ）被測定物１からの縞状パターン光の反射光を一つの方向に沿ったラインについて一組の光信号として取り込むステップ（Ｓ０２）と、
ｃ）取り込んだ一組の光信号について、縞状パターン光との関係に基づいて被測定物１の高さを算出するステップ（Ｓ０３）と、
を含む。
【００３３】
上記の被測定物１の高さを算出するステップ（Ｓ０３）では、例えば、
（１）位相シフトモアレ法
（２）フーリエ変換格子法
のいずれかについても用いることができる。なお、被測定物１の高さを算出するステップは、上記の２つの方法に限られない。
以下に、それぞれの方法について説明する。
【００３４】
（１）位相シフトモアレ法
取り込んだ一組の光信号について、縞状パターン光の周期を用いた位相シフトモアレ法によって、一組の信号列から複数組の疑似信号列を生成する。次いで、得られた複数組の疑似信号列を用いて、照射した縞状パターン光と被測定物１からの反射光との位相差を求め、位相差に基づいて被測定物１の高さを算出する。
【００３５】
位相シフトモアレ法では、取り込んだ一組の光信号について、作成する疑似信号列の組数に対応する画素数ごとにサンプリングして、とびとびの画素値を有する疑似信号列を作成し、サンプリングする画素をずらせて同様のサンプリングを行って、１組の信号列から複数組の疑似信号列を生成する。
【００３６】
図８（ａ）〜（ｋ）は、位相シフトモアレ法を説明する概略図である。図８（ａ）の黒点は、ラインセンサのサンプリング点（画素）を示すものである。図８（ｂ）は、パターン光源２から照射される明暗の帯が１ラインにわたって交互に繰り返された縞状パターン光のイメージを示すものである。図８（ｃ）は、図８（ｂ）の縞状パターン光の反射光の１ラインを取り込んだ光信号を示すものである。図８（ｄ）は、図８（ｃ）の信号列で、端から一つめの画素から４画素おきに間引いた疑似信号列を示すものである。この場合、４画素おきにしかデータがない。図８（ｅ）は、図８（ｃ）の信号列で、端から二つめの画素から４画素おきに間引いた疑似信号列を示すものである。図８（ｆ）は、図８（ｃ）の信号列で、端から三つめの画素から４画素おきに間引いた疑似信号列を示すものである。図８（ｇ）は、図８（ｃ）の信号列で、端から四つめの画素から４画素おきに間引いた疑似信号列を示すものである。図８（ｈ）は、図８（ｄ）の疑似信号列について、データが存在する画素に基づいて、その間のデータが存在しない画素に対して補間演算を行ってデータを生成した疑似信号列を示すものである。ただし、図８（ｈ）では間のデータは左信号と同一となっているが、補間演算によって信号の強弱は変化する。図８（ｉ）は、図８（ｅ）の疑似信号列について、データが存在する画素に基づいて、その間のデータが存在しない画素に対して補間演算を行ってデータを生成した疑似信号列を示すものである。ただし、図８（ｉ）では間のデータは左信号と同一となっているが、補間演算によって信号の強弱は変化する。図８（ｊ）は、図８（ｆ）の疑似信号列について、データが存在する画素に基づいて、その間のデータが存在しない画素に対して補間演算を行ってデータを生成した疑似信号列を示すものである。ただし、図８（ｊ）では間のデータは左信号と同一となっているが、補間演算によって信号の強弱は変化する。図８（ｋ）は、図８（ｇ）の疑似信号列について、データが存在する画素に基づいて、その間のデータが存在しない画素に対して補間演算を行ってデータを生成した疑似信号列を示すものである。ただし、図８（ｊ）では間のデータは左信号と同一となっているが、補間演算によって信号の強弱は変化する。
【００３７】
以下に位相シフトモアレ法の手順を説明する。
（ア）パターン光源２から照射される明暗の帯が１ラインにわたって交互に繰り返された縞状パターン光（図８（ｂ））の反射光の１ラインを取り込んで、図８（ｃ）で示される一組の光信号列を得る。
（イ）図８（ｃ）の光信号列について、作成しようとする疑似信号列が４組の場合には、照射する縞状パターン光（図８（ｂ））の周期に合わせて４画素おきに間引いてサンプリングする。この場合、図８（ｃ）のラインに沿って４画素ごとにサンプリングを行って、図８（ｄ）〜（ｇ）の４画素ごとにとびとびのデータを有する４組の疑似信号列を得る。
（ウ）各組の疑似信号列について、データが存在する画素に基づいて、その間のデータが存在しない画素に対して補間演算を行ってデータを生成した４組の疑似信号列（図８（ｈ）〜図８（ｋ））を得る。
【００３８】
上記位相シフトモアレ法で得られた複数組の疑似信号列を用いて、照射した縞状パターン光と被測定物１からの反射光との位相差を求め、位相差に基づいて被測定物１の高さを算出する。例えば、上記の例では４組の疑似信号列は、照射する縞状パターン光の周期が４画素であるのに対して、１画素ずつずらしてサンプリングしており、π／２ごと位相シフトさせた場合に対応する。そこで、このπ／２ごと位相シフトさせた４組の疑似信号列に基づいて、各画素ごとの位相差を求め、この位相差に基づいて高さを算出することができる。これにより、被測定物１を形状計測することができる。具体的には、上記４組の疑似信号列について、各画素ごとについて、０、π／２、π、３π／２の各位相での画素値をプロットして得られる画素値の余弦曲線から各画素での位相差を得ることができる。
今回は、４画素おきに間引いてサンプリングを行い、位相差を求めたが、３画素おき以上で間引いたサンプリングであれば、位相差を計算することができる。
なお、位相シフトモアレ法の詳細については、例えば、非特許文献１や非特許文献２などの文献に示されている。
【００３９】
（２）フーリエ変換格子法
フーリエ変換格子法では、取り込んだ一組の光信号について、反射光についてフーリエ変換を行った後、その１次高調波のみを逆フーリエ変換して、位相差を求め、位相差に基づいて高さを算出する。図９（ａ）〜（ｅ）はフーリエ変換格子法による位相差の算出を説明する概略図である。
（ア）平面に縞状パターン光を投影した場合、図９（ａ）のようになり、この反射光をフーリエ変換すると、図９（ｂ）のように縞状パターン光の周期に対応する箇所（ω１、−ω１）の２箇所に鋭いピークを生じる。
（イ）一方、凹凸面に縞状パターン光を投影した場合、凹凸部分で縞の位置が位相ω１からずれて、図９（ｃ）のようになる。この反射光をフーリエ変換すると、図９（ｄ）に示すように、縞のずれの位相ω２、ω３の対応する成分を示す。
（ウ）（イ）について、フーリエ変換後の１次調和波の付近について逆フーリエ変換を行って、縞のずれの位相ω２、ω３等の成分を求めることができる。ここで、２次高調波以上の高調波はノイズによるものであるので逆フーリエを行う必要はない。また、位相ωの正負の成分は波の進行方向を表している（図９（ｅ））。上記の場合には静止画なので、方向性がないため、正の成分（ω）のみを逆フーリエ変換すればよい。
なお、逆フーリエ変換は、
Ｉ（ｘ、ｙ）＝Ｃ１ｅｘｐ（ｊω（ｘ、ｙ））
と表すことができる。この式から複素解析的に位相ωを求める事ができる。各画素ごとに得られたω（ｘ、ｙ）は１ラインについての位相画像となる。
得られた位相差に基づいて各画素の位置の高さを求めることができる。
なお、フーリエ変換格子法の詳細については、例えば、非特許文献１などの文献に示されている。
【００４０】
（実施の形態２）
図１０は、実施の形態２に係る高速三次元計測装置におけるパターン光源２と被測定物との配置関係を示す概略図である。この高速三次元計測装置では、実施の形態１に係る高速三次元計測装置と比較すると、光源３の光軸に対して、レチクル５の光軸を傾けて配置していることを特徴とする。さらに具体的には、レンズ４の光軸に垂直な面と、レチクル５の面と、被測定物１の面とが一つの線で交差するようにレチクル５の光軸を傾けて配置する。上記の配置の条件は「シャインプルーフの原理」と呼ばれるものであり、この条件を満たす場合には、レチクル５のパターンに対応して、被測定物１の上に照射される縞状パターンの手前と奥とで同時に焦点を合わせることができる。
【００４１】
（実施の形態３）
図１１は、実施の形態３に係る高速三次元計測装置におけるラインカメラ６と被測定物１との配置関係を示す概略図である。この高速三次元計測装置では、実施の形態１に係る高速三次元計測装置と比較すると、ラインカメラ６自体の光軸に対して、レンズ７の光軸を傾けて配置していることを特徴とする。さらに具体的には、図１１に示されるように、ラインセンサ８の光軸に垂直な面と、レンズ７の面を含む平面と、被測定物１の面と、が一つの線で交差するように配置される。これはパターン光源２のレチクル５の配置と同様に「シャインプルーフの原理」と呼ばれるものであり、上記条件を満たす場合には、ラインセンサ８への光信号の取り込みにおいて被測定物の手前と奥との両方について焦点を合わせることができる。
なお、実施の形態３において、実施の形態１の構成に加えて、実施の形態２のパターン光源の構成を同時に用いてもよい。
【００４２】
（実施の形態４）
図１２は、実施の形態４に係る高速三次元計測装置の構成を示す概略図である。この高速三次元計測装置では、複数のパターン光源２ａ、２ｂを用いて、それぞれ互いに異なる方向から光を照射することを特徴とする。これによって、一方のパターン光源からだけでは影となって高さを計測できない死角となる部分に対して、もう一つのパターン光源から光を照射できるので被測定物上での死角部分を減らすことができる。この実施の形態では、２つの光源を用いたが、より多くの光源を用いて計測することもできる。
なお、この実施の形態４においても、実施の形態１の構成に加えて、実施の形態２のラインカメラ、及び／又は、実施の形態３のパターン光源の構成を同時に用いてもよい。
【００４３】
（実施の形態５）
図１３は、実施の形態５に係る高速三次元計測装置の構成を示す概略図である。この高速三次元計測装置では、複数のラインカメラを使用している。従来、一つのラインカメラを用いた場合には、カメラ位置と被測定物の形状との関係で一つのラインカメラでは観測できない部分、つまり死角部分が生じる場合があった。この高速三次元計測装置では、２台のラインカメラを用いて観測できるので、一方のラインカメラの死角部分を他方のラインカメラでカバーできるので、全体として死角部分を減らすことができる。この実施の形態では、２つのラインカメラを用いたが、より多くのラインカメラを用いて計測することもできる。
なお、この実施の形態５においても、実施の形態１の構成に加えて、実施の形態２から４の少なくとも一つの構成を同時に用いてもよい。
【００４４】
（実施の形態６）
図１４（ａ）及び（ｂ）は、実施の形態６に係る高速三次元計測装置の構成を示す概略図である。この高速三次元計測装置では、実施の形態４と比較すると、複数のパターン光源を用いる点で同様であるが、さらにそれぞれのパターン光源２ａ、２ｂから照射する縞状パターン光の周期を互いに異なるものとする点で相違する。２つのパターン光源２ａ、２ｂから照射する縞状パターン光の周期を互いに異なるものとすることによって、それぞれのパターン光源からの光の反射光から算出される位相差に対応する周期（長さ方向での周期）が異なる。例えば、図１５（ａ）では、図１５（ｃ）の場合に対して、長さ方向で２倍の周期で位相が変化する。そのため、位相差πから−πへの不連続変化となる箇所がそれぞれの反射光で異なるので、それぞれの反射光による位相差の変化を参照することによって、周囲の画素値を考慮することなく位相接続を確実に行うことができる。
尚、この実施の形態では、２つのパターン光源を用いたが、より多くのパターン光源を用いて実施することもできる。また、この実施の形態６ではパターン光源が被測定物１の真上にあるが、斜めからの照射でもかまわない。この際、実施の形態２で説明されたパターン光源を用いることができる。
なお、この実施の形態６においても、実施の形態１の構成に加えて、実施の形態２から５の少なくとも一つの構成を同時に用いてもよい。
【００４５】
図１５（ａ）は、パターン光源２ｂによる周期の長い縞状パターン光を示す概略図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の縞状パターン光とその反射光との位相差の変化を示す概略図であり、図１５（ｃ）は、パターン光源２ａによる周期の短い縞状パターン光を示す概略図であり、図１５（ｄ）は、図１５（ｃ）の縞状パターン光とその反射光との位相差の変化を示す概略図であり、図１５（ｅ）は、図１５（ｂ）の結果に基づいて図１５（ｄ）の位相差の変化について部分的に位相接続を行った概略図である。
【００４６】
一般に、一つのパターン光源からの１種類の周期の縞状パターン光の場合には、位相差の変化がπから−πへと不連続となる箇所では、実際の高さの変化が連続であると仮定して位相接続を行っている。換言すれば、実際の高さの変化が連続である場合にしか確実な位相接続を行うことができない。
これに対して、本実施の形態５に係る高速三次元計測装置では、２つのパターン光源２ａ、２ｂから、２種類の異なる周期の縞状パターン光をそれぞれ照射するので、一方の縞状パターン光の反射光についての位相差の変化がπから−πへと不連続に変化する箇所について、もう一方の縞状パターン光の反射光の位相差変化を参照することで、位相接続を確実に行うことができる。
なお、位相接続の詳細については、例えば、非特許文献１などの文献に示されている。
【００４７】
（変形例）
なお、実施の形態６の変形例として、第１のパターン光源２ａから照射する光の色と、第２のパターン光源２ｂから照射する光の色をそれぞれ異なる色としてもよい。このようにそれぞれのパターン光源２ａ、２ｂから照射する光の色を異なる色に設定することで、２つのパターン光源２ａ、２ｂから同時に照射しても、被測定物からのそれぞれの反射光を色ごとに分離することで別々に観測できる。このため、２つのパターン光源２ａ、２ｂを順に照射する場合に比べて観測時間を減らすことができ、効率的に観測できる。
【００４８】
（実施の形態７）
図１６は、実施の形態７に係る高速三次元計測装置におけるパターン光源２と被測定物１との配置関係を示す概略図である。この高速三次元計測装置では、パターン光源２のレチクル５上に設けられた光透過量が周期的に変化するパターンの明暗の間隔を非等間隔とすることを特徴とする。具体的には、レチクル５上には、被測定物１上の光源３からの光軸と被測定物１上との交点からの距離（Ｌ）をパラメータとして表される下記の関係式、
Ｔ＝ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ／（Ｄ−Ｌ・ｓｉｎθ）  ・・・（１）
で規定される、レチクル５上の光軸との交点からの距離（Ｔ）で、一つの方向に沿って光透過量が変化するパターンが設けられている。ここで、θは、パターン光源２の光軸３に垂直な面と被測定物１の面とのなす角度である。また、Ｄは、パターン光源２の光源３から被測定物１までの距離である。さらに、ｄは、パターン光源２の光源３とレチクル５との距離である。これらの角度θ、距離Ｄ、距離ｄは定数である。このレチクル５上のパターンを介して被測定物１の上に光を照射することによって、被測定物１の上に照射された縞状パターン光の明暗の間隔を等間隔とすることができる。
【００４９】
図１７は、実施の形態７に係る高速三次元計測装置におけるパターン光源２のレチクル５上のパターンと被測定物１上の縞状パターンとの関係を示す概略図である。
なお、レチクル５上の帯の位置Ｔは、被測定物１上で等間隔となる場合、つまり、長さＬを間隔ｍでｎ等分する場合（ｎ・ｍ＝Ｌ）、レチクル５上でパターンを構成する明又は暗の位置は、光軸との交点に近い順に、（１）式により
ｄ・ｍ・ｃｏｓθ／（Ｄ−ｍ・ｓｉｎθ）
２ｄ・ｍ・ｃｏｓθ／（Ｄ−２ｍ・ｓｉｎθ）
３ｄ・ｍ・ｃｏｓθ／（Ｄ−３ｍ・ｓｉｎθ）
４ｄ・ｍ・ｃｏｓθ／（Ｄ−４ｍ・ｓｉｎθ）
・・・
となる。つまり、レチクル５上のパターンを構成する明暗は非等間隔で配置される。
【００５０】
上記関係式の導出について説明する。
図１７から相似関係に基づいて、以下の関係が順に導かれる。
まず、以下の相似関係から
Ｄ：Ｑ＝Ｓ：Ｐ          ・・・（２）
が導かれる。一方、
Ｐ＝Ｓ−Ｌ・ｃｏｓθ  ・・・（３）
Ｑ＝Ｌ・ｓｉｎθ      ・・・（４）
が導かれる。（３）式と（４）式を（２）式に代入すると
Ｄ：Ｌ・ｓｉｎθ＝Ｓ：（Ｓ−Ｌ・ｃｏｓθ）
上式を変形すると以下のようになる。
Ｓ・Ｌ・ｓｉｎθ＝Ｄ（Ｓ−Ｌ・ｃｏｓθ）
Ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ＝Ｄ・Ｓ−Ｓ・Ｌ・ｓｉｎθ
Ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ＝Ｓ（Ｄ−Ｌ・ｓｉｎθ）
Ｓ＝Ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ／（Ｄ−Ｌ・ｓｉｎθ）
が導かれる。
次に、Ｓ：Ｄ＝Ｔ：ｄ  の相似関係から、
Ｔ＝ｄ・Ｓ／Ｄ＝ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ／（Ｄ−Ｌ・ｓｉｎθ）
が導かれる。
なお、この実施の形態７において、実施の形態１の構成に加えて、実施の形態２から６の少なくとも一つの構成を同時に用いてもよい。
【００５１】
（実施の形態８）
図１８は、実施の形態８に係る高速三次元計測装置におけるパターン光源２のレチクル５上のパターンと被測定物１上の縞状パターンとの関係を示す概略図である。この高速三次元計測装置では、実施の形態７に係る高速三次元計測装置と比較すると、レチクル５の面が光源３の光軸に垂直な面から傾斜させている点で相違する。また、この高速三次元計測装置では、実施の形態２に係る高速三次元計測装置と同様に、レンズ４の光軸に垂直な面と、レチクル５の面と、被測定物１の面とが一つの線で交差するようにレチクル５の光軸を傾けて配置する。上記の配置の条件は「シャインプルーフの原理」と呼ばれるものであり、この条件を満たす場合には、レチクル５のパターンに対応して、被測定物１の上に照射される縞状パターンの手前と奥とで同時に焦点を合わせることができる。これによって、被測定物１の上に等間隔に縞状パターン光を照射すると共に、手前と奥とで同時に焦点を合わせることができる。
【００５２】
この場合、レチクル５上のパターンを構成する明又は暗の位置Ｕは、実施の形態７とは異なる関係式で規定される。具体的には、光源３からの光軸と被測定物１上の交点から被測定物１上での距離（Ｌ）をパラメータとして表される下記の関係式、
Ｕ＝ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ／（Ｄ・ｃｏｓφ＋Ｌ・ｓｉｎ（φ−θ））・・・（５）
で規定される、レチクル５上の光軸との交点からの距離（Ｕ）で、一つの方向に沿って光透過量が変化するパターンが設けられている。ここで、θは、パターン光源２の光源３の光軸に垂直な面と被測定物１の面とのなす角度である。φは、パターン光源２の光源３の光軸に垂直な面とレチクル５の面とのなす角度である。また、Ｄは、パターン光源の光源３から被測定物１までの距離である。さらに、ｄは、パターン光源２の光源３とレチクル５との距離である。これらの角度θ、距離Ｄ、距離ｄは定数である。このレチクル５上のパターンを介して被測定物１の上に光を照射することによって、被測定物１の上に照射される縞状パターン光の明暗の間隔を等間隔とすることができる。
【００５３】
上記関係式の導出について説明する。
図１８から相似関係に基づいて、以下の関係が順に導かれる。
まず、
Ｓ＝Ｏ・ｃｏｓφ＋Ａ      ・・・（６）
の関係と、
Ｏ・ｓｉｎφ：Ｄ＝Ａ：Ｓ  ・・・（７）
の相似関係に基づいて、
Ｏ・ｓｉｎφ：Ｄ＝（Ｓ−Ｏ・ｃｏｓφ）：Ｓ
Ｓ・Ｏ・ｓｉｎφ＝Ｄ（Ｓ−Ｏ・ｃｏｓφ）
Ｓ・Ｏ・ｓｉｎφ＝Ｄ・Ｓ−Ｄ・Ｏ・ｃｏｓφ
Ｏ（Ｓ・ｓｉｎφ＋Ｄ・ｃｏｓφ）＝Ｄ・Ｓ
Ｏ＝Ｄ・Ｓ／（Ｓ・ｓｉｎφ＋Ｄ・ｃｏｓφ）
が導かれる。
次いで、ｄ：Ｄ＝Ｕ：Ｏの関係から、
Ｄ・Ｕ＝ｄ・Ｏ
Ｄ・Ｕ＝ｄ・Ｄ・Ｓ／（Ｓｓｉｎφ＋Ｄ・ｃｏｓφ）
Ｕ＝ｄ・Ｓ／（Ｓ・ｓｉｎφ＋Ｄ・ｃｏｓφ）
また、実施の形態７から、
Ｓ＝Ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ／（Ｄ−Ｌ・ｓｉｎθ）
であるので、
Ｕ＝ｄ（Ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ／（Ｄ−Ｌ・ｓｉｎθ））／（（Ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ／（Ｄ−Ｌ・ｓｉｎθ））・ｓｉｎφ＋Ｄｃｏｓφ）
Ｕ＝ｄ・Ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ／（Ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ・ｓｉｎφ＋Ｄ・ｃｏｓφ・（Ｄ−Ｌ・ｓｉｎθ））
Ｕ＝ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ／（Ｄ・ｃｏｓφ＋Ｌ・（ｓｉｎφｃｏｓθ−ｃｏｓφｓｉｎθ））
Ｕ＝ｄ・Ｌ・ｃｏｓθ／（Ｄ・ｃｏｓφ＋Ｌ・ｓｉｎ（φ−θ））
が導かれる。
なお、φ＝０の場合には、実施の形態７の関係式と同じとなる。
なお、この実施の形態８において、実施の形態１の構成に加えて、実施の形態２から６の少なくとも一つの構成を同時に用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明に係る高速三次元計測装置は、被測定物を連続搬送している状態での形状計測に利用できる。また、シート状の実質的にエンドレスに延在する被測定物の検査に用いることもできる。たとえば、フィルムの表面状態を計測したり、電子基板上に半田印刷されたクリーム半田の高さを計測することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０  高速三次元計測装置
１  被測定物
２、２ａ、２ｂ  パターン光源
３  光源
４  レンズ
５  レチクル
６、６ａ、６ｂ  ラインカメラ
７  レンズ
８  ラインセンサ
９  計測部
１１  ＣＰＵ
１２  メモリ
１３  記憶装置
１４  インタフェース
１５  入力部
１６  出力部
【図１】
2011064482.tif 000003
【図２】
2011064482.tif 000004
【図３】
2011064482.tif 000005
【図４】
2011064482.tif 000006
【図５】
2011064482.tif 000007
【図６】
2011064482.tif 000008
【図７】
2011064482.tif 000009
【図８】
2011064482.tif 000010
【図９】
2011064482.tif 000011
【図１０】
2011064482.tif 000012
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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