(57)【要約】【課題】３次元計測で、微細な構造の被計測物体の測定を可能とし、且つ高さ方向に距離が大きい被計測物体でも正確な計測を行うことが可能とする３次元計測装置を提供する。【解決手段】Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列した格子３０と、被計測物体５０に対して、格子３０の面をＺ軸方向に移動させる格子位置制御部４と、それぞれ互いに空間周波数の異なる２種類の正弦波で示される、被計測物体５０の２種類のモアレ縞を同時に形成するように格子３０に平行光を照射する照射系（１ａ，１ｂ）と、格子３０を介して２種類のモアレ縞を取り込む第１及び第２受光部２ａ，２ｂと、２種類の正弦波を加算し合成波を形成し、この合成波の包絡線の振幅の変化から、被計測物体５０のＺ軸方向に測った高さを算出する画像処理部６０とを備える。【選択図】      図１
2004361142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列した格子と、
被計測物体に対して、前記Ｘ−Ｙ平面からなる格子の面を前記Ｘ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させる格子位置制御部と、
それぞれ互いに空間周波数の異なる２種類の正弦波で示される、前記被計測物体の２種類のモアレ縞を同時に形成するように前記格子に平行光を照射する照射系と、
前記格子を介して前記２種類のモアレ縞を取り込む第１及び第２受光部と、
前記第１及び第２受光部から得られた２種類の正弦波を加算し合成波を形成し、該合成波の包絡線の振幅の変化から、前記被計測物体のＺ軸方向に測った高さを算出する画像処理部
とを備えることを特徴とする３次元計測装置。
【請求項２】
前記照射系は、前記格子に対する照射角度が互いに異なる平行光を照射する第１照射系と第２照射系とからなることを特徴とする請求項１に記載の３次元計測装置。
【請求項３】
前記高さの算出は、前記包絡線の振幅を規定する正弦波の位相の変化を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の３次元計測装置。
【請求項４】
被計測物体に対して、Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列した格子の面を前記Ｘ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させるステップと、
互いに空間周波数の異なる２種類の正弦波で示される２種類のモアレ縞が同時に形成されるように、前記格子に平行光を照射するステップと、
前記格子を介して形成された前記被計測物体の２種類のモアレ縞の画像を取り込むステップと、
前記２種類の正弦波を加算し合成波を形成し、該合成波の包絡線の振幅の変化から、前記被計測物体のＺ軸方向に測った高さを算出するステップ
とを含むことを特徴とする３次元計測方法。
【請求項５】
前記格子に平行光を照射するステップは、それぞれ互いに前記格子に対する照射角度が異なる２つの平行光を照射することを特徴とする請求項４に記載の３次元計測方法。
【請求項６】
前記高さの算出は、前記包絡線の振幅を規定する正弦波の位相の変化を用いることを特徴とする請求項４又は５に記載の３次元計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モアレトポグラフィを用いた３次元計測装置及び３次元計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な工業部品等の非接触の３次元計測装置として、安価、且つ高精度な計測結果を得られる光切断法が最も頻繁に使用されている。しかし、光切断法は２次元的な走査を行うために、撮像時間が長くなる。そのため、生体のような被計測物体を固定することが難しい計測には向かない。また、光切断法の装置は目に対して有害なレーザ光線を使用するため、美容分野において主な計測部位となる生体顔面部に使用するには問題がある。そこで、生体に対して無害な白色光源を用いて高速、且つ高精度に計測を行えるモアレトポグラフィが注目されている。モアレトポグラフィは、モアレ縞によって対象物体の等高線画像を得る非接触の３次元計測法である。
【０００３】
モアレトポグラフィには、モアレ縞を利用した位相シフト法（縞走査法）方法がある。モアレ縞は規則的な模様を重ねる、又は、標本化することで３次元計測をすることができる。例えば、直線格子の影が対象物に投影されると、格子線の影は物体の形状に応じて変形する。物体上の影と直線格子を重ね合わせることで、影と直線格子との干渉によるモアレ縞が観測される。光学系を適宜配置することにより、モアレ縞は物体の等高線に対応した画像となる。
３次元計測技術としてのモアレトポグラフィは、工学、医学、歯学及びファッション関係等の分野で利用されている。モアレトポグラフィによる形状計測には、大別して２つの方法がある。被計測物体の直前に格子を置き、格子の影と直前に置いた格子によりモアレ縞を発生させる方法（格子照射型）と、モアレ格子を被計測物体に投射し、被計測物体の形状により変化した格子の像を、結像レンズにより同じピッチの格子上に結像してモアレ縞を発生させる方法（格子投射型）である。格子照射型は、数１０μｍ程度から数ｃｍの凹凸までの計測に適用される。また、格子投射型は、比較的大きな凹凸（数ｍｍ〜数ｃｍ）の被計測物体を計測するときに適用される。また、モアレトポグラフィの光源は、モアレ縞の縞間隔Δｈを計測位置により一意的に決定するために単一で計測される。
【０００４】
従来の３次元計測は、位相シフト法による計測において、位相導出を行う際の位相連結の問題を逆正接関数により解決している。（例えば、特許文献１参照。）。また、モアレ縞を形成する格子からの反射を格子の角度を調整し、且つ偏向子を回転することにより、被測定物体からの反射光と基板からの反射回折光を区別して測定しているものもある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
ここで、単一の光源で、干渉光の波長、即ちモアレ縞の縞間隔Δｈより大きい高さＡ−Ｂを有する被計測物体の３次元計測をモアレ法によって計測する場合を考えてみる。図１１（ａ）に示すように、被計測物体５２ａの形状がＡ−Ｂ間で線型な変化している場合は、干渉光の波長より大きい高さＡ−Ｂを有していても、形状変化に相当したモアレ縞が形成される。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１２４５３４号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平７−３３２９５６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１１（ｂ）に示す被計測物体５２ｂの形状のように、高さ方向の距離Ａ−Ｂが干渉光の波長（モアレ縞の縞間隔Δｈ）より大きく、且つその変化が不連続である場合、高さＡ−Ｂに波長の整数倍の任意性が発生する。結果として、図１１（ａ）と図１１（ｂ）では、被計測物体５２ａ，５２ｂの形状が異なるのに、全く同じモアレ縞を形成してしまうことがありうる。このため、高さＡ−Ｂが干渉光の波長より大きい場合は、被計測物体の形状を正確に計測をすることができない。
【０００９】
微細な被計測物体の計測を目的とする場合、格子のピッチｐを小さくすれば良い。しかし、格子のピッチｐを小さくすると、モアレ縞の縞間隔Δｈも小さくなるので、モアレ縞の縞間隔Δｈよりも大きな高さを有する被計測物体の計測が不正確になる。逆に、高さ方向に距離の大きい被計測物体に対応するために、格子のピッチｐを大きくしてΔｈを大きくすると、微細な構造の被計測物体の計測を正確に行えなくなってしまう。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、モアレ法に位相シフト法を組合わせた３次元計測で、微細な構造の被計測物体の測定を可能とし、且つモアレ縞の縞間隔Δｈよりも高さが大きい任意の被計測物体でも正確な計測を行うことが可能な３次元計測装置及び３次元計測方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴は、（イ）Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列した格子と、（ロ）被計測物体に対して、Ｘ−Ｙ平面からなる格子の面をＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させる格子位置制御部と、（ハ）それぞれ互いに空間周波数の異なる２種類の正弦波で示される、被計測物体の２種類のモアレ縞を同時に形成するように格子に平行光を照射する照射系と、（ニ）格子を介して２種類のモアレ縞を取り込む第１及び第２受光部と、（ホ）第１及び第２受光部から得られた２種類の正弦波を加算し合成波を形成し、この合成波の包絡線の振幅の変化から、被計測物体のＺ軸方向に測った高さを算出する画像処理部とを備える３次元計測装置であることを要旨とする。
【００１２】
本発明の第２の特徴は、（イ）被計測物体に対して、Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列した格子の面をＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させるステップと、（ロ）互いに空間周波数の異なる２種類の正弦波で示される２種類のモアレ縞が同時に形成されるように、格子に平行光を照射するステップと、（ハ）格子を介して形成された被計測物体の２種類のモアレ縞の画像を取り込むステップと、（ニ）２種類の正弦波を加算し合成波を形成し、この合成波の包絡線の振幅の変化から、被計測物体のＺ軸方向に測った高さを算出するステップとを含む３次元計測方法であることを要旨とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の第１〜第３実施の形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１４】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置は、図１及び図２に示すように、Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列した格子３０と、（ロ）被計測物体５０に対して、Ｘ−Ｙ平面からなる格子３０の面をＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させる格子位置制御部４と、（ハ）それぞれ互いに空間周波数の異なる２種類の正弦波で示される、被計測物体５０の２種類のモアレ縞を同時に形成するように格子３０に平行光を照射する照射系（１ａ，１ｂ）と、（ニ）格子３０を介して２種類のモアレ縞を取り込む第１受光部２ａ及び第２受光部２ｂと、（ホ）第１受光部２ａ及び第２受光部２ｂから得られた２種類の正弦波を加算し合成波を形成し、この合成波の包絡線の振幅の変化から、被計測物体５０のＺ軸方向に測った高さを算出する画像処理部６０とを備える３次元計測装置とを備える。格子３０は、Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチｐでＸ−Ｙ平面に配列している。
【００１５】
図２に示す第１照射系１ａは、図１に示す第１光源１０ａと、第１光源１０ａから照射した照明光を平行光に変換する第１コリメータレンズ１１ａとを備える。そして、図２に示す第１受光部２ａは、図１に示す第１受光レンズ２１ａと、第１受光レンズ２１ａにより集光された光を更に絞り込む第１ピンホール板２２ａと、第１のモアレ縞の画像を取り込む第１イメージセンサ２０ａとを備える。第１ピンホール板２２ａを備えることにより、第１受光部２ａはテレセントリックレンズを構成している。第１受光部２ａは、格子３０を通って被計測物体５０の被計測面で反射した格子３０の像と格子３０との重ね合わせにより形成される第１のモアレ縞の画像を受光する。即ち、第１受光部２ａは、第１照射系１ａから照射される平行光により形成される被計測物体５０の第１のモアレ縞の画像を取り込む。
【００１６】
一方、図２に示す第２照射系１ｂは、第１照射系１ａと同様に、図１に示す第２光源１０ｂと、第２光源１０ｂから照射した照明光を平行光に変換する第２コリメータレンズ１１ｂとを備える。図２に示す第２受光部２ｂは、第２受光レンズ２１ｂと、第２受光レンズ２１ｂにより集光された光を更に絞り込む第２ピンホール板２２ｂと、第２のモアレ縞の画像を取り込む第２イメージセンサ２０ｂとを備える。第２ピンホール板２２ｂを備えることにより、第２受光部２ｂはテレセントリックレンズを構成している。第２受光部２ｂは、格子３０を通って被計測物体５０の被計測面で反射した格子３０の像と格子３０との重ね合わせにより形成される第２のモアレ縞の画像を集光する。即ち、第２受光部２ｂは、第２照射系ｂから照射される平行光により形成される被計測物体５０の第２のモアレ縞の画像を取り込む。
【００１７】
第１照射系１ａと第２照射系１ｂとは格子３０に対して照射する平行光の入射角が互いに異なる。第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂとが、格子３０にそれぞれ入射角の異なる平行光を照射することで、縞間隔Δｈが違う２種類の被計測物体５０のモアレ縞を形成する。図２に示すように、第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂには、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂの光強度を調整する光源駆動回路７０が接続されている。
【００１８】
縞間隔Δｈは、平行光の格子３０に対する入射角をθとし、格子３０の一定のスリット間隔をｐとすると、
Δｈ＝ｐ／２ｔａｎθ                            ・・・・・（１）
で表される。縞間隔Δｈは、式（１）に示すように、平行光の格子３０に対する入射角θに依存する。例えば、第１照射系１ａと第２照射系１ｂから照射した平行光が格子３０に入射し、それぞれの入射角をθ１，θ２とする。そして、入射角θ１が入射角θ２より大きい場合（θ１＞θ２）、式（１）より、
2004361142.tif 000003
となる。入射角θ１のときの縞間隔をΔｈ１とし、入射角θ２のときの縞間隔をΔｈ２とすると、式（２）はΔｈ１＜Δｈ２と表すことができる。つまり、平行光の入射角が異なると、異なる縞間隔Δｈのモアレ縞を得ることができる。即ち、空間周波数の異なる２種類の被計測物体のモアレ縞が得られる。
【００１９】
入射角θ１の第１照射系１ａのモアレ縞から得られる光強度をＩ１とし、入射角θ２の第２照射系１ｂのモアレ縞から得られる光強度をＩ２とすると、
【数１】
2004361142.tif 000004
と表すことが可能である。図３の下段及び中段には、縞間隔の異なる２種類の正弦波Ｉ１及びＩ２を示した。即ち、空間周波数の異なる２種類の被計測物体のモアレ縞が得られる。図３の下段及び中段では、縦軸にモアレ縞の光強度を、横軸に格子３０から計測点までの距離を表している。図３において、Ｉ１は、第１照射系１ａから照射する平行光により形成される第１の干渉光（モアレ縞）の光強度Ｉ１、Ｉ２は第２照射系１ｂから照射される平行光により形成される第２の干渉光（モアレ縞）の光強度Ｉ２を示す波形である。式（３）及び（４）で示したモアレ縞を加算すると、
【数２】
2004361142.tif 000005
ここで
2004361142.tif 000006
である。式（５）は２種類のモアレ縞Ｉ１及びＩ２のビート信号を意味する。
【００２０】
【数３】
2004361142.tif 000007
とすれば、式（５）は、
【数４】
2004361142.tif 000008
と表される。したがって、図３の最上段に示すように、Ｉ１＋Ｉ２の包絡線の振幅は、２Ａ１Ａ２ｃｏｓ（φ）の関数で変化するので、０＜φ＜πの範囲で単調減少関数となる。ここで、
2004361142.tif 000009
を定義し、式（９）において、（１／Δｈ１）と（１／Δｈ２）との平均の逆数を４で割った値を用いると、
【数５】
2004361142.tif 000010
となる。式（１１）〜（１４）において、（Δｈ２−Δｈ１）≪（Δｈ１＋Δｈ２）となるように、第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂのそれぞれの入射角θ１及びθ２を選定すれば、ξｍ＝０と近似できる。そこで、
2004361142.tif 000011
とすれば、式（１１）〜（１４）は、それぞれ、
【数６】
2004361142.tif 000012
となる。合成波の包絡線の振幅２Ａ１Ａ２Ａ＊は、コサイン関数Ａ＊＝ｃｏｓ（φ）に従って変化するが、式（１６）〜（１９）から、
【数７】
2004361142.tif 000013
であることが分かる。式（２０）は、合成波の包絡線の振幅２Ａ１Ａ２Ａ＊を規定するコサイン関数Ａ＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φを求めることにより、より大きな段差の測定ができることを意味する。
【００２１】
式（２０）の右辺のＡ１及びＡ２は、第１照射系１ａの位相α１（０＜｜α１｜＜π）が異なる５枚のモアレ縞、及び第２照射系１ｂの位相α２（０＜｜α２｜＜π）が異なる５枚のモアレ縞からそれぞれ求めることができる。ここで、
2004361142.tif 000014
の関係がある。例えば、図４に示すように位相α１で異なる５枚の像を、第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂのそれぞれで撮像するとする。実際には、位相シフト法により得られるモアレ縞の成分がノイズの大きな画像である場合、計測誤差が大きくなってしまう。そこで、同じ位相α１でのモアレ縞の画像を複数回取り込み平均化することで計測誤差が起こりにくいようする。即ち、第１照射系１ａでは、
2004361142.tif 000015
とすると、
【数８】
2004361142.tif 000016
の５枚の像が撮像され、これから
【数９】
2004361142.tif 000017
が求められる。同様に、
【数１０】
2004361142.tif 000018
が求められる。第１照射系１ａの位相ψ１は、
【数１１】
2004361142.tif 000019
が求められる。同様に、第２照射系１ｂの位相ψ２は、
2004361142.tif 000020
とすると、
【数１２】
2004361142.tif 000021
となる。図５に、合成波の包絡線の振幅２Ａ１Ａ２Ａ＊を規定するコサイン関数Ａ＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φと、式（３０）が表す第１照射系１ａにより形成される５枚の像から得られる第１の干渉光（モアレ縞）の光強度Ｉ１の位相ψ１を示す。
【００２２】
式（１６）〜（１９）に示す合成波の包絡線の振幅２Ａ１Ａ２Ａ＊を規定するコサイン関数Ａ＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φの変化と高さ方向の距離ｚとは互いに相関するので、振幅２Ａ１Ａ２Ａ＊を規定するコサイン関数Ａ＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φの変化が分かることで、不連続な高さ方向の変化を有する被計測物体５０に対する計測でも、正確な高さを得ることができる。
【００２３】
但し、式（２０）が示すコサイン関数Ａ＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φは、ξｍ＝０の近似を用いているので、多少ムラが認められる。しかし、式（３０）が表す光強度Ｉ１の位相ψ１が、図５に示すように不連続に跳んでも、振幅２Ａ１Ａ２Ａ＊の位相φは連続であるので、より大きな高さの測定が可能になる。例えば、単一の照射系による計測では、図１１（ｂ）のような不連続な形状の場合、Ａ点とＢ点の高さ間にモアレ縞の縞間隔Δｈがいくつ入っているのか不明である。しかし、図５に示す合成波の包絡線の振幅２Ａ１Ａ２Ａ＊の位相φと光強度Ｉ１の位相ψ１から、その高さを正確に求めることができる。
【００２４】
図５に示すように、合成波の包絡線の振幅２Ａ１Ａ２Ａ＊の位相φは、０〜πの間で単調増加であるため、Δｈ２とΔｈ１の差が小さいほど単調増加の区間が長くなり、より大きな段差まで測定が可能となる。測定できる最大段差ｚｍａｘは、式（８）のＨ１２を用いると、
2004361142.tif 000022
である。また、Δｈ２とΔｈ１の差が大きくなりすぎると式（１１）〜（１４）中のξｍによる誤差が大きくなり、合成波の包絡線の振幅２Ａ１Ａ２Ａ＊の位相φが単調増加しなくなる。しかし、Δｈ２−Δｈ１≦Δｈ２／２の範囲であれば、光強度Ｉ１の位相ψ１の不連続点での振幅位相φの値はｚの増加に対して増加しているため、問題にはならない。
【００２５】
図６は、鏡面状の物体（２０ｍｍ角）を測定した結果を示す。本発明を使用して形状測定した結果は、図６（ａ）に示すようになるが、位相とびを考慮しない形状測定結果は、図６（ｂ）に示すように、段差がでてしまう。
【００２６】
図２に示す格子位置制御部４は、移動機構４１と、この移動機構４１を駆動する駆動部（ステージコントローラ）４２とを備え、制御システム４３から制御信号等を供給され位置移動を制御される。即ち、制御システム４３は、駆動部４２に制御信号等を供給し、移動機構４１の動作を制御する。移動機構４１は、ステップモータ等の駆動部４２により駆動させられる。図示を省略しているが、移動機構４１の移動位置は、例えばレーザ干渉計等により測定され、制御装置６１にフィードバックされる。或いは位置変化に伴うインダクタンスを測定し電磁制御して、位置制御しても良い。制御システム４３は、画像処理部６０と、画像処理部６０に接続された制御装置６１を備える。格子位置制御部４は、格子３０の面を水平に保ち、被計測物体５０に対して格子３０をＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させる。
【００２７】
画像処理部６０は、２種類の正弦波Ｉ１及びＩ２の相互演算をして、合成波の包絡線の振幅２Ａ１Ａ２Ａ＊を規定するコサイン関数Ａ＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φ（式（２０））と、式（３０）が表す第１照射系１ａから照射する平行光により形成される５枚の像から得られる第１の干渉光（モアレ縞）の光強度Ｉ１の位相ψ１から、計測物体の高さを算出する。即ち、画像処理部６０は、第１受光部２ａ及び第２受光部２ｂに取り込まれたモアレ縞の画像データである２種類の正弦波Ｉ１及びＩ２を式（１１）〜（１４）のように、加算し、２次的信号として、式（２０）及び（３０）を得て、これらの２次的信号に基づき高さ方向の距離が大きい被計測物体５０の３次元計測データを取得、且つ保存する機能を備える。このため画像処理部６０は、出力側を制御ボード６２に接続し、入力側を画像取り込みボード６３にそれぞれ接続したマイクロプロセッサ若しくはパーソナルコンピュータで校正すれば良い。
【００２８】
図示を省略しているが、画像処理部６０は、更に、横分解能を求めるための横分解能計測手段（モジュール）及び等高線の縞間隔Δｈを求めるためのΔｈ計測手段（モジュール）を備える。また、画像処理部６０は、位相アンラップ法の設定手段（モジュール）、位相アンラップ開始点の設定手段（モジュール）、平均化回数の設定手段（モジュール）、計測面の傾きを補正するための任意の領域の設定手段（モジュール）、被計測物体５０が存在しない場所を自動的に検出してその場所のデータを削除する設定手段（不良点抽出設定手段）、及び、不良点を抽出するための閾値設定手段（モジュール）等を更に備える。平均化回数の設定手段（モジュール）は、上述したように、同じ位相α１，α２でのモアレ縞の画像を複数回取り込み平均化することで計測誤差が起こりにくいようにするときの画像取り込み回数を設定する。これらの計測手段及び設定手段に基づき、画像処理部６０は、計測したモアレ縞の画像から、被計測物体５０の３次元の画像データを取得、且つ保存する機能を有する。
【００２９】
制御装置６１は、入力側が画像処理部６０に、出力側が光源駆動回路７０、駆動部４２、第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂ及び移動手段（ステージ）８０にそれぞれ接続された制御ボード６２と、入力側が第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂに、出力側が画像処理部６０にそれぞれ接続された画像取り込みボード６３とを備える。
【００３０】
図７に示すフローチャートを参照して、以下に、本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測方法を説明する。
【００３１】
（イ）先ず、３次元計測に用いる格子３０、被計測物体５０等を用意する。そして、ステップＳ１００において、被計測物体５０を移動手段（ステージ）８０に載置する。ここで、画像処理部６０から制御信号ＣＳが出力され、制御ボード６２に入力される。そして、制御ボード６２からシフト信号ＳＳが出力され、移動手段（ステージ）８０に入力される。入力されたシフト信号ＳＳによって、移動手段（ステージ）８０に載置された被計測物体５０がモアレ縞の計測を行うのに好適な箇所まで移動される。
【００３２】
（ロ）次に、制御ボード６２から輝度信号ＬＣが出力され、光源駆動回路７０に入力される。輝度信号ＬＣは、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂから照射される光の光強度をそれぞれ調整するための信号である。ステップＳ１１０において、被計測物体５０の個々に違う反射率を考慮し、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂから照射される光が、輝度信号ＬＣにより最適な光強度に調整される。
【００３３】
（ハ）次に、ステップＳ１２０において、３次元計測を行う計測環境（測定条件）が画像処理部６０に設定される。ステップＳ１２０における画像処理部６０にする測定条件の設定は、位相アンラップ法の設定、位相アンラップ開始点の設定、平均化回数の設定、計測面の傾きを補正するための任意の領域の設定、被計測物体５０が存在しない場所を自動的に検出してその場所のデータを削除する設定（不良点抽出設定）、及び、不良点を抽出するための閾値設定等である。
【００３４】
（ニ）次に、ステップＳ１３０において、測定とデータの取り込みがなされる。先ず、ステップＳ１３１において、制御ボード６２から格子位置制御信号が出力され、図１に示した格子位置制御部（駆動部）４に入力される。格子位置制御信号を入力された格子位置制御部（駆動部）４は、被計測物体５０に対して、格子３０をＺ軸方向に移動させる。ここで、格子３０は、Ｙ軸方向に延びるスリットを一定のピッチでＸ−Ｙ平面に配列している。ステップＳ１３１において、格子３０の面をＸ−Ｙ平面に直交するＺ軸方向に移動させながら、ステップＳ１３２において、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂから照射光が照射され、それぞれ第１コリメータレンズ１１ａ及び第２コリメータレンズ１１ｂに入射する。第１コリメータレンズ１１ａ及び第２コリメータレンズ１１ｂに入射した光は、平行光となり格子３０に入射する。格子３０に照射された平行光のうち、格子３０のスリットを通った平行光によって、被計測物体５０の上方に２種類のモアレ縞Ｉ１及びＩ２が形成される。形成されたそれぞれのモアレ縞Ｉ１及びＩ２は、第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂから異なる入射角θ１，θ２の平行光によって形成されるので縞間隔Δｈ１，Δｈ２を異にする。モアレ縞の縞間隔Δｈ１，Δｈ２が違うということは、モアレ縞は各々違う正弦波Ｉ１及びＩ２の空間周波数を有するということである。更に、ステップＳ１３３において、制御ボード６２からシャッター信号ＦＣ１，ＦＣ２が位相２α１，α１，０，−α１，−２α１；２α２，α２，０，−α２，−２α２で出力され、第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂにそれぞれ入力される。第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂにそれぞれシャッター信号ＦＣ１，ＦＣ２が入力されると、第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂのシャッターを位相２α１，α１，０，−α１，−２α１；２α２，α２，０，−α２，−２α２で開き、第１受光レンズ２１ａ及び第２受光レンズ２１ｂと第１ピンホール板２２ａ及び第２ピンホール板２２ｂで集光された被計測物体５０に生じるモアレ縞の画像が５枚、それぞれ取り込まれる。一方、制御ボード６２からステージ制御信号ＰＳが出力され、駆動部４２に入力される。ステージ制御信号ＰＳを入力された駆動部４２は、移動機構４１を制御し、駆動することができる。現実には、ステップＳ１３０において、ステップＳ１３１、Ｓ１３２，Ｓ１３３が同時に実施される。
【００３５】
（ホ）ステップＳ１４０においては、ステップＳ１３０において取り込まれたデータの解析がなされる。先ず、ステップＳ１４１において、モアレ縞の画像は第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂからそれぞれ５枚分ずつ、画像アナログ信号ＧＡ１，ＧＡ２として出力され、両者の和がそれぞれ算出される。ステップＳ１４１において算出された画像アナログ信号ＧＡ１，ＧＡ２の和から、ステップＳ１４２において、合成波の包絡線の振幅２Ａ１Ａ２Ａ＊の位相相φと光強度Ｉ１の位相ψ１が、求められる。そして、ステップＳ１４３において、合成波の包絡線の振幅２Ａ１Ａ２Ａ＊の位相φと光強度Ｉ１の位相ψ１から、３次元計測データとして詳細な高さｚのデータが算出される。
【００３６】
（ヘ）ステップＳ１５０においては、画像信号の処理がなされる。具体的には、ステップＳ１５１において、画像取り込みボード６３に入力された画像アナログ信号ＧＡ１，ＧＡ２は、デジタル信号化され、画像デジタル信号として出力される。ステップＳ１５２においては、画像処理部６０に画像デジタル信号が入力され、画像処理部６０において、画像処理がなされ、３次元画像のデータが得られる。
【００３７】
（ト）そして、ステップＳ１５０において、３次元画像のデータが、記憶装置に保存される。最後に、ステップＳ１６０において、３次元画像のデータが、画像表示装置に表示される。
【００３８】
本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法によれば、モアレ法に位相シフト法を組合わせた３次元計測で、微細な構造の被計測物体５０の測定を可能とし、且つ高さ方向に距離が大きい被計測物体５０でも正確な計測を行うことができる。
【００３９】
（第２の実施の形態）
図１においては第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂの２つ照射系を用いて、それぞれ互いに空間周波数の異なる２種類の正弦波で示される２種類のモアレ縞を同時に形成した。本発明の第２の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法においては、図８に示すように、光源１０と、光源１０から照射した照明光を平行光に変換するコリメータレンズ１１とからなる単一の照射系を備えている。単一の照射系から照射された平行光が、格子３０に入射したときに図８に示すように生じる次数の異なる複数の回折光を利用することにより、被計測物体５０からの複数のモアレ縞を同時に形成している。
【００４０】
第２の実施の形態に係る３次元計測装置では、被計測物体５０の表面が、鏡面状で正反射成分が支配的である測定対象のみ利用できる。図８に示すように、コリメータレンズ１１から照射された平行光が、投影側の格子３０で回折を起こし、被計測物体５０の表面に入射する。被計測物体５０の表面で正反射された光はまた格子３０を通過することにより、回折を受けてそれぞれ同じ次数の回折光同士がモアレを作る。それを受光レンズ２１ｃでフーリエ変換し、特定の次数のモアレだけを取り出す。回折の次数によって被計測物体５０の表面への入射角（＝反射角）が違うので、モアレの等高線間隔が次数によって結象位置が異なる現象を利用しているのである。
【００４１】
即ち、受光レンズ２１ｃでフーリエ変換した光は、０次、１次、２次、・・・・・の回折成分を有するので、複数の回折成分の内から、受光系で生じる次数の異なる２つの回折光を選択することにより、被計測物体５０の２種類のモアレ縞Ｉ１及びＩ２を同時に形成可能である。
【００４２】
２種類の正弦波Ｉ１及びＩ２を合成して、合成波の包絡線の振幅２Ａ１Ａ２Ａ＊を規定するコサイン関数Ａ＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φ（式（２０））と、単一の照射系（１０，１１）により形成される５枚の像から得られる干渉光（モアレ縞）の光強度の位相から、被計測物体５０の高さを算出する等の処理は、第１の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法と同様であり、重複した説明を省略する。
【００４３】
このように、被計測物体５０の表面が、鏡面状で正反射成分が支配的である場合でも、光学系における回折光を利用することにより、第１の実施の形態と同様に、異なる２種類の縞間隔Δｈ１，Δｈ２を有するモアレ縞を形成できるので、不連続に高さが急変し、且つモアレ縞のピッチよりも大きな高さを有する被計測物体５０の高さであっても正確に測定できる。且つ、微細な構造の被計測物体５０の測定も同時に可能である。
【００４４】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法においては、図９に示すように、光源１０と、光源１０から照射した照明光を平行光に変換するコリメータレンズ１１とからなる単一の照射系を備えている点では、図８に示した第２の実施の形態と同様である。
【００４５】
第３の実施の形態に係る３次元計測装置の構成は、被計測物体５０の表面の表面が粗面（例えばセラミック基板のような）の場合に利用できる。被計測物体５０の表面が、粗面の場合は、被計測物体５０の表面において、図９に示すような拡散反射をするため、結像部の角度が正反射角でなくてもモアレを形成することができる。しかし、被計測物体５０の表面が鏡面の場合は正反射成分が支配的になるため、この方法は難しい。
【００４６】
この場合も、２種類の正弦波Ｉ１及びＩ２を合成して、合成波の包絡線の振幅２Ａ１Ａ２Ａ＊を規定するコサイン関数Ａ＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φ（式（２０））と、単一の照射系（１０，１１）により形成される５枚の像から得られる干渉光（モアレ縞）の光強度の位相から、計測物体５０の高さを算出する等の処理は、第１の実施の形態に係る３次元計測装置及び３次元計測方法と同様である。
【００４７】
図９に示す粗面における拡散反射を利用することでも、第１の実施の形態と同様に、異なる２種類の縞間隔Δｈ１，Δｈ２を有するモアレ縞を形成できるので、不連続に高さが急変し、且つモアレ縞のピッチよりも大きな高さを有する被計測物体５０の高さであっても正確に測定できる。且つ、微細な構造の被計測物体５０の測定も同時に可能である。
【００４８】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。
【００４９】
例えば、第１の実施の形態では、式（３）及び（４）で示したモアレ縞を加算し、式（５）を導いた。しかし、式（３）及び（４）で示したモアレ縞の位相の差Δφ＝φ１−φ２を用いる方法も可能である。即ち、入射角θ１の第１照射系１ａのモアレ縞から得られる光強度をＩ１とし、入射角θ２の第２照射系１ｂのモアレ縞から得られる光強度をＩ２とすると、図１０（ａ）のグラフに示すような縞間隔Δｈ１，Δｈ２を示す２種類の正弦波Ｉ１及びＩ２が得られる。即ち、空間周波数の異なる２種類の被計測物体のモアレ縞が得られる。図１０（ａ）では、縦軸にモアレ縞の光強度を、横軸に格子３０から計測点までの距離を表している。図１０（ａ）において、実線Ｉ１は、第１照射系１ａから照射する平行光により形成される第１の干渉光（モアレ縞）の光強度Ｉ１、破線Ｉ２は第２照射系１ｂから照射される平行光により形成される第２の干渉光（モアレ縞）の光強度Ｉ２を示す波形である。
【００５０】
図１０（ａ）の２種類の正弦波Ｉ１及びＩ２のグラフは、光強度Ｉ１及びＩ２と同時に第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂから照射する平行光により形成される第１及び第２の干渉光（モアレ縞）の２π周期の位相φ１及びφ２を示している。位相シフト法によりそれぞれの位相を求めると、
【数１３】
2004361142.tif 000023
図１０（ｂ）は、縦軸に第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂから照射した平行光により形成されるモアレ縞の−π〜＋πまで繰り返し変化する位相φ１及びφ２を表し、横軸に格子３０から計測点までの距離を表している。図１０（ｂ）において、実線φ１は第１照射系１ａからの、破線φ２は第２照射系１ｂからの照射される平行光により形成されるモアレ縞の位相の変化について示す。図１０（ｂ）のグラフに示した実線φ１と破線φ２から２つのモアレ縞の位相差φ１−φ２＝Δφが求められる。
【００５１】
【数１４】
Δφ＝（２πｚＨ１２）＋２（ｌ−ｍ）π                ・・・・・（４０）
ここで
【数１５】
Ｈ１２＝（１／Δｈ１）−（１／Δｈ２）                  ・・・・・（４１）
である。図１０（ｂ）は、高さ方向の距離ｚが進むにつれて、２つのモアレ縞の位相差Δφ＝φ１−φ２も次第に大きくなることを示している。このモアレ縞の位相差Δφと高さ方向の距離ｚの相関関係は、図１０（ｃ）で示される。図１０（ｃ）は、縦軸に図１０（ｂ）で示した第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂから照射する平行光により形成されるそれぞれのモアレ縞の位相差Δφを表し、横軸に格子３０から計測点までの距離ｚを表している。図１０（ｃ）から明らかなように、モアレ縞の位相差Δφと高さの変化ｚとの関係は線型の変化を示す。即ち、２つのモアレ縞の位相差Δφを調べることにより、その高さｚを求めることが可能になる。但し式（４０）においてφ１＜φ２の場合、Δφ＝φ１−φ２に２πを加算する位相アンラップを行う。「位相アンラップ」とは、モアレ法に位相シフト法を組合わせた測定方法において、位相計算をすると２π単位で不連続になるので、補正して図１０（ｂ）に示すように、連続にすることである。位相アンラップは、周りの位相データから連続になるように２πｎ（ｎは０でない整数）を加算、又は、減算して位相を繋ぎ合わせる。「位相アンラップの開始点」は、位相計算を最初に行う箇所である。そこで被計測物体５０がないところを計測の開始点とすると、モアレ縞が存在しないので、位相アンラップを行うことができない。被計測物体５０があるところ（モアレ縞が存在する座標）を計測の開始点として指定することにより、破綻のない位相アンラップを行える。図１０（ｂ）に示すように、φ１及びφ２は、−π〜＋πを超えると不連続になるが、Δφは、
｜ｌ−ｍ｜＜２                                        ・・・・・（４２）
の範囲で連続となる。モアレ縞の位相の差Δφを用いる方法では、若干複雑になるが、以下のように、前もって、標準計測物体を用いて、モアレ縞の位相差Δφと高さ方向の距離の相関関係を校正データ（校正曲線）として取得しておく：
（イ）先ず、図１１（ａ）に示すような、高さが線型に変化する標準計測物体（モニタ）５０ａを用いて、予備的計測（モニタリング）を行う。ここで、第１照射系１ａと第２照射系１ｂからの回折光の最大値が同じ光強度になるように、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂの出力を調整しておく。この結果、第１の実施の形態で説明した図１０（ａ）のグラフに示すような縞間隔Δｈ１，Δｈ２を示す２つのモニタ正弦波が得られる。図１０（ａ）の縦軸にモニタ・モアレ縞の光強度を、横軸に格子３０から計測点までの距離を表している。図１０（ａ）において、実線ａ１は、第１照射系１ａから照射する平行光により形成される標準計測物体からの第１のモニタ干渉光（モニタ・モアレ縞）の光強度、破線ｂ１は第２照射系１ｂから照射される平行光により形成される第２のモニタ干渉光（モニタ・モアレ縞）の強度を示す波形に対応する。
【００５２】
（ロ）図１０（ａ）のモニタ正弦波のグラフは、第１の実施の形態で説明したように、光強度と同時に第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂから照射する平行光により形成される第１及び第２のモニタ干渉光（モニタ・モアレ縞）の２π周期の位相を示していることに対応する。すると、図１０（ｂ）は、縦軸に第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂから照射した平行光により形成されるモニタ・モアレ縞の−π〜＋πまで繰り返し変化する位相を表し、横軸に格子３０から計測点までの距離を表していることに対応する。図１０（ｂ）において、実線ａ２は第１照射系１ａからの、破線ｂ２は第２照射系１ｂからの照射される平行光により形成されるモニタ・モアレ縞の位相の変化について示す。
【００５３】
（ハ）図１０（ｂ）のグラフに示した実線ａ２と破線ｂ２から標準計測物体からの２つのモニタ・モアレ縞の位相差が求められる。図１０（ｂ）は、高さ方向の距離が進むにつれて、２つのモニタ・モアレ縞の位相差も次第に大きくなることを示していることに対応する。このモニタ・モアレ縞の位相差と高さ方向の距離の相関関係は、図１０（ｃ）で示される。図１０（ｃ）は、縦軸に図１０（ｂ）で示した第１照射系１ａ及び第２照射系１ｂから照射する平行光により形成されるそれぞれのモニタ・モアレ縞の位相の差を表し、横軸に格子３０から計測点までの距離を表している。図１０（ｃ）から明らかなように、モニタ・モアレ縞の位相差と高さの変化との関係は線型の変化を示す。即ち、標準計測物体からの２つのモニタ・モアレ縞の位相差を調べることにより、その高さを校正することが可能になる。こうして、図１０（ｃ）に示すようなモニタ・モアレ縞の位相差と高さの変化との関係を標準計測物体を用いて、予め調べておき校正曲線を得ておけば、未知の被計測物体が不連続な高さの変改を示していても、被計測物体から得られる２つのモニタ・モアレ縞の位相差を調べることにより、その高さを求めることができる。
【００５４】
以下に、校正データ（校正曲線）を用いた３次元計測方法を、第１の実施の形態で用いた図２を参照しながら、説明する。
【００５５】
（イ）先ず、第１の実施の形態と同様に、格子３０、被計測物体５０等を用意する。そして、被計測物体５０を移動手段８０に載置する。そして、制御ボード６２から輝度信号ＬＣが出力され、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂから照射される光が、輝度信号ＬＣにより最適な光強度に調整される。更に、３次元計測を行う計測環境が画像処理部６０に設定される。
【００５６】
（ロ）次に、第１光源１０ａ及び第２光源１０ｂから照射光が照射され、それぞれ第１コリメータレンズ１１ａ及び第２コリメータレンズ１１ｂに入射する。第１コリメータレンズ１１ａ及び第２コリメータレンズ１１ｂに入射した光は、平行光となり格子３０に入射する。格子３０に照射された平行光のうち、格子３０のスリットを通った平行光によって、被計測物体５０の上方に２種類のモアレ縞が形成される。
【００５７】
（ハ）次に、制御ボード６２からシャッター信号ＦＣ１，ＦＣ２が出力され、第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂにそれぞれ入力される。第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂにそれぞれシャッター信号ＦＣ１，ＦＣ２が入力されると、第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂのシャッターを開き、第１受光レンズ２１ａ及び第２受光レンズ２１ｂと第１ピンホール板２２ａ及び第２ピンホール板２２ｂで集光された被計測物体５０に生じるモアレ縞の画像が取り込まれる。一方、制御ボード６２からステージ制御信号ＰＳが出力され、駆動部４２に入力される。ステージ制御信号ＰＳを入力された駆動部４２は、移動機構４１を制御し、駆動することができる。
【００５８】
（ニ）次に、モアレ縞の画像は第１イメージセンサ２０ａ及び第２イメージセンサ２０ｂからそれぞれ画像アナログ信号ＧＡ１，ＧＡ２として出力され両者の位相差が求められる。そして、予め測定された図１０（ｃ）に示す校正曲線と比較することにより、３次元計測データを算出する。画像取り込みボード６３に入力された画像アナログ信号ＧＡ１，ＧＡ２は、図１０（ｃ）に示す校正曲線から得られた高さの情報と共に、デジタル信号化され、画像デジタル信号として出力され、画像処理部６０に入力される。
【００５９】
こうして、予め得られた校正曲線から情報を得ても、微細な構造の被計測物体の測定が可能であり、且つ高さ方向に距離が大きい被計測物体でも正確な計測を行うことができる。
【００６０】
以上の様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、モアレ法に位相シフト法を組合わせた３次元計測で、微細な構造の被計測物体の測定を可能とし、且つモアレ縞の縞間隔よりも高さが大きい任意の被計測物体でも正確な計測を行うことが可能な３次元計測装置及び３次元計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測方法の原理を示す概念図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測装置の具体的な構成例を示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測方法の原理を示す概念図で、合成波の包絡線の振幅の変化を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測方法の原理を示す概念図で、５フレーム法で採用される位相２α，α，０，−α，−２αの関係を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測方法の原理を示す概念図で、合成波の包絡線の振幅２Ａ１Ａ２Ａ＊を規定するコサイン関数Ａ＊＝ｃｏｓ（φ）の位相φと、第１の干渉光（モアレ縞）の光強度Ｉ１の位相ψ１の変化を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測方法により、鏡面状の物体を測定した結果を示す図で、位相とびを考慮しない場合は、図６（ｂ）に示すように段差がでてしまうを示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る３次元計測方法の具体的な処理を説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る３次元計測を示す概念図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る３次元計測を示す概念図である。
【図１０】図１０（ａ）は、光強度とモアレ縞の格子３０からの距離の関係を示すグラフであり、図１０（ｂ）は、位相とモアレ縞の格子３０からの距離の関係を示すグラフであり、図１０（ｃ）は、縞間隔の異なるモアレ縞の位相差とモアレ縞の格子３０からの距離の関係を示すグラフである。
【図１１】図１１（ａ）は、線型な変化を示す被計測物体に対するモアレ縞を示す図であり、図１１（ｂ）は、非線型（不連続）な高さの変化を示す被計測物体に対するモアレ縞を示す図であり
【符号の説明】
１ａ…第１照射系
１ｂ…第２照射系
２ａ…第１受光部
２ｂ…第２受光部
４…格子位置制御部
１０ａ…第１光源
１０ｂ…第２光源
１１ａ…第１コリメータレンズ
１１ｂ…第２コリメータレンズ
２０ａ…第１イメージセンサ
２０ｂ…第２イメージセンサ
２１ａ…第１受光レンズ
２１ｂ…第２受光レンズ
２２ａ…第１ピンホール板
２２ｂ…第２ピンホール板
３０…格子
４１…移動機構
４２…駆動部
４３…制御システム
５０，５０ａ，５２ａ，５２ｂ…被計測物体
６０…画像処理部
６１…制御装置
６２…制御ボード
６３…ボード
７０…光源駆動回路
８０…移動手段
ＣＳ…制御信号
ＬＣ…輝度信号
ＰＳ…ステージ制御信号
ＳＳ…シフト信号
【図１】
2004361142.tif 000024
【図２】
2004361142.tif 000025
【図３】
2004361142.tif 000026
【図４】
2004361142.tif 000027
【図５】
2004361142.tif 000028
【図６】
2004361142.tif 000029
【図７】
2004361142.tif 000030
【図８】
2004361142.tif 000031
【図９】
2004361142.tif 000032
【図１０】
2004361142.tif 000033
【図１１】
2004361142.tif 000034