(57)【要約】【課題】パターン光を照射するマスパターンの数を最小限にしながら、パターン光を簡単な機構で位相制御する小型の装置を実現すること。【解決手段】測定物体に対し、パターン投影法により複数でかつ照射光源とＣＣＤ１４に反射光を結像する結像レンズ１３とが成す基線２０方向に周期的なパターン光を基線２０方向に並行移動しながら投影し、測定物体から反射される光分布をＣＣＤ１４に取り込み、当該光分布から三角測量の原理に基づいて測定物体の３次元形状を測定する装置において、照射光源は、基線２０上に所定間隔で複数配置され、マスクパターンが形成され、照射光源から照射される光を透過または反射し、パターン光を発する１つのマスク１１と、複数の照射光源の点灯を制御するドライバ１５、ＰＣ１７と、を備える。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定物体に対し、パターン投影法により複数でかつ照射光源と撮像手段に反射光を結像するレンズとが成す基線方向に周期的なパターン光を前記基線方向に並行移動しながら投影し、前記測定物体から反射される光分布を前記撮像手段に取り込み、当該光分布から三角測量の原理に基づいて前記測定物体の３次元形状を測定する光学的形状測定装置において、
前記照射光源は、前記基線上に所定間隔で複数配置され、
マスクパターンが形成され、前記照射光源から照射される光を透過または反射し、パターン光を発する１つのマスクと、
前記複数の照射光源の点灯を制御する点灯制御手段と、
を備えたことを特徴とする光学的形状測定装置。
【請求項２】
測定物体に対し、パターン投影法により複数でかつ照射光源と撮像手段に反射光を結像するレンズとが成す基線方向に周期的なパターン光を前記基線方向に並行移動しながら投影し、前記測定物体から反射される光分布を前記撮像手段に取り込み、当該光分布から三角測量の原理に基づいて前記測定物体の３次元形状を測定する光学的形状測定装置において、
前記照射光源は、前記基線上に所定間隔で複数配置され、
前記照射光源ごとに異なるマスクパターンが形成され、前記照射光源から照射される光を透過または反射し、パターン光を発する複数のマスクと、
前記複数の照射光源の点灯を制御する点灯制御手段と、
を備えたことを特徴とする光学的形状測定装置。
【請求項３】
前記照射光源は、それぞれ点状光源で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光学的形状測定装置。
【請求項４】
前記照射光源は、それぞれ線状光源で構成され、前記線状光源の長手方向が前記基線方向と直交する方向に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の光学的形状測定装置。
【請求項５】
前記照射光源は、前記基線上に形成される縮小像であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学的形状測定装置。
【請求項６】
前記照射光源は、スリットアレイで多重化された単一光源の放射光であり、前記スリットアレイの各スリットを透過した光を光シャッタにより独立に選択可能に構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光学的形状測定装置。
【請求項７】
前記光シャッタは、液晶シャッタで構成されることを特徴とする請求項６に記載の光学的形状測定装置。
【請求項８】
前記光シャッタは、メカニカルシャッタで構成されることを特徴とする請求項６に記載の光学的形状測定装置。
【請求項９】
前記スリットアレイのスリット部分に、当該スリットに集光するシリンドリカルレンズを設けたことを特徴とする請求項６に記載の光学的形状測定装置。
【請求項１０】
前記照明光源ごとにプリズムを設けることを特徴とする請求項１または２に記載の光学的形状測定装置。
【請求項１１】
複数のパターン光による反射光量の線形結合により、テキスチャ画像を取得することを特徴とする請求項６に記載の光学的形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｗｅｂなどの３Ｄコンテンツ作成、工場のラインの異常検知、物体認識、３Ｄモデリングのためのデータ入力、ジェスチャ認識などに利用され、物体に対してパターン光を一括投影し、その反射光を撮像素子に取り込んで物体の形状と距離計測を行なう光学的形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、物体の３次元の形状測定装置として、スリット状のレーザ光を測定対象の物体に照射し、スリットの長手方向と直交する方向に走査しながらスリット光の照射方向と異なる視野から観察することにより生じる物体形状に応じたスリット光の変形を、三角測量の原理を用いて測定するものが知られている。この方法を以下、光切断法と記述する。
【０００３】
図１４は、従来における光切断方法を用いた光学的形状測定装置の構成を示す説明図であり、産業用によく用いられている。この光学的形状測定装置は、図１４に示すように、半導体レーザユニット１、ガルバノミラー２、シリンドリカルレンズ３からなる照明光学系と、結像レンズ７、ＣＣＤ８からなる検知光学系から構成されるのが一般的である。
【０００４】
半導体レーザユニット１からビーム状に放射された光がガルバノミラー２で図示上において左右方向に走査され、シリンドリカルレンズ３で上下方向に拡大されて縦に長いスリット光５となって測定物体４に照射される。このとき、スリット光５が走査される方向、すなわち基線方向にずれた位置から、結像レンズ７を通して測定物体４から反射される反射光６を受光素子であるＣＣＤ８で観察すると、測定物体４の奥行き方向の凹凸に応じてＣＣＤ８上で直線状のスリット光５の変形と結像位置の移動が生じる。
【０００５】
ＣＣＤ８で反射光６の像を観察することは、反射光６が結像レンズ７に入射する測定物体４の各点の位置を三角測量していることになり、スリット光５を照射する位置とＣＣＤ８の基線方向の位置の差（基線長）があらかじめわかれば、この変形からスリット光５が照射されている部分の測定物体４の形状を測定することができる。ガルバノミラー２を振動させることにより、スリット光５を測定物体４全体に走査しながら形状測定を繰り返し実行することで、測定物体４全体の形状を得ることができる。
【０００６】
さらに、図１５を参照して三角測量の原理について説明する。この三角測量の原理の構成などについては、たとえば、吉澤徹著、「光三次元計測」、ｐｐ２９−３０、新技術コミュニケーションズ、１９９３年、に開示されている。
【０００７】
図１５において、スリット光源２（図１４のガルバノミラー２のビーム光の反射位置に相当）と受光器５（図１４のＣＣＤ８に相当）が基線長Ｌだけ離れているとする。スリット光源２から角度θで放射された光が測定物体３ａの位置にある測定物体３の表面で反射され、受光器５のある位置に角度φで入射して結像する場合、下記式１の関係が成立する。
【０００８】
【数１】
2004053532.tif 000003
【０００９】
結像レンズ１０と受光器５の距離ｄと、基線長に対向する測定物体３ａまでの距離Ｚａがあらかじめ分かっていると、角度φが求まる。もし、測定物体が３ｂの位置にある場合、受光器５での結像位置に対してｘだけずれて結像したとすると、Ψ＝ａｒｃｔａｎ（ｘ／ｄ）の関係からΨがわかるので、下記式２から距離Ｚｂが求まる。このように、スリット光２を測定物体３ａ（３ｂ）全体を照射するように角度θで放射・走査し、各θごとに上記の過程を繰り返すことにより、測定物体３ａ（３ｂ）の各反射点と基線との距離Ｚａ（Ｚｂ）、すなわちその形状が求められる。
【００１０】
【数２】
2004053532.tif 000004
【００１１】
さて、スリット光を測定物体に順次走査する光切断法の短所は、各スリット光を走査する光走査光学系が必要であり、通常、図１４のガルバノミラー２のような可動部品が用いられるため、装置の振動が発生することや、角度θごとに形状測定を繰り返す必要があるため、計測時間が長くなるということが挙げられる。また、測定物体の表面の反射率に依存して受光器５で観測される光量に変動が生じ、受光器５のどこに測定物体の像が結像しているかは、結像光量の最大値などから推定することが必要になる。
【００１２】
スリット光を順次に走査する必要があるという光切断法の短所を改良した形状計測方法に、パターン光投影法がある。これは、スリット光を走査する代わりに、複数のスリット光を１つのパターン光として測定物体上に一括に照射する方法である。ただし、そのままではパターン光のどの位置がどのスリット光に相当するかが分からないため、あらかじめ何らかの方法でスリット光との対応、すなわちどの照射角度で照射されたかを、照射されたパターン光自体に情報を付加（インデクス付け）しておく必要がある。
【００１３】
パターン光投影法で照射するパターン光には、図１５における照射角θに対して一意な強度分布のパターン光を照射する方法（θに対し２色のパターン光を照射するレインボー法（特開昭６１−７５２１０号公報「レンジファインダ」参照）、２つの異なる強度分布のパターン光を照射する強度比法（Ｂ．Ｃａｒｒｉｈｉｌｌ　ａｎｄ　Ｒ．Ｈｕｍｍｅｌ，“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　Ｒａｔｉｏ　Ｄｅｐｔｈ　Ｓｅｎｓｏｒ”，Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｖｉｓｉｏｎ，Ｇｒａｐｈｉｃｓ，ａｎｄ　Ｉｍａｇｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｖｏｌ．３２，ｐｐ３３７−３５８，１９８５年、あるいは特開平１０−４８３３６号公報「実時間レンジファインダ」を参照）と、周期的なパターン光を照射する方式（位相シフト法）がある。後者の周期パターンを照射する方法には、周期的なパターン光を照射する方式（以下、多領域法という）も含まれる。ここでは、周期的パターン光を照射する方法の代表として位相シフト法について説明する。
【００１４】
位相シフト法は、測定物体に相互に位相を変えた複数の縞状の高度を持つ正弦波のパターン光を照射し、測定物体での反射光の強度情報を利用して、測定物体の凹凸による位相の変化を求める方式である。位相変化は奥行き情報を持っているため、位相情報から形状情報が求められる。ここで、たとえば、吉澤徹著、「光三次元計測」、ｐｐ１１５−１１６、新技術コミュニケーションズ、１９９３年に開示されている方法にしたがうと、位相変調された反射光Ｙは、背景光をａ、照射した正弦波パターンの振幅強度をｂ、観測される縞パターンの位相をω、あらかじめ与えることができる位相をω０とすると、下記式３となる。
【００１５】
Ｙ（ω０）＝ａ＋ｂ×ｃｏｓ（ω＋ω０）　　　・・・（式３）
【００１６】
ここで、位相ωは、図１５の照射角θに相当する。ω０として、０、π／２、πとした縞パターンを照射し、それぞれの測定物体で反射された反射光Ｙ（０）、Ｙ（π／２）、Ｙ（π）から、位相差が下記式４によって求められる。位相ωが分かれば形状が求められる。
【００１７】
ω＝ａｒｃｔａｎ（（Ｙ（π）−Ｙ（π／２））／（Ｙ（０）−Ｙ（π／２））＋π／４　　　　・・・（式４）
【００１８】
位相シフト法の利点は、正弦波という形状が分かった縞パターンを投影するので、同じく照射されたパターン光の強度分布から形状を求めているにもかかわらず、レインボー法や強度比法に比べて、高精度の形状情報が得られるということである。また、強度比法と同じ振幅の光量変化が与えられたとすると、位相シフト法の方が短い周期の間で大きな光量の変化を与えることができるので、強度比法に比べて実質的にＳ／Ｎが改善される。受光量Ｙの比を用いて位相、すなわち形状を求めているので、測定物体の反射率に依存しないという点は、強度比法と同じである。
【００１９】
一方、位相から奥行き情報を求める場合に、位相情報が０から２πの間でしか求まらないため、真の位相値との間に２πの整数倍の次数の不安定性が生じ、本質的に位相、すなわち奥行き情報の決定に曖昧さがともなう問題がある。通常は位相値の連続性などを仮定し、測定された位相ωから真の位相を計算する（位相のアンラッピングと呼称される）必要がある。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、周期的なパターン光を照射する場合、周期的なパターン光をずらしながら何度か照射する必要がある。したがって、通常は、位相シフト法でも多領域法でも、複数のパターン光を照明するための複数のマスクパターンをあらかじめ用意し、機械的に切り換えて照射するため、マスクパターンの数が増加すると共に、切り換え機構が大掛かりになるなど装置自体を小型にすることができないという問題点があった。
【００２１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、パターン光を照射するマスパターンの数を最小限にしながら、パターン光を簡単な機構で位相制御する小型の光学的形状測定装置を実現することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１にかかる光学的形状測定装置にあっては、測定物体に対し、パターン投影法により複数でかつ照射光源と撮像手段に反射光を結像するレンズとが成す基線方向に周期的なパターン光を前記基線方向に並行移動しながら投影し、前記測定物体から反射される光分布を前記撮像手段に取り込み、当該光分布から三角測量の原理に基づいて前記測定物体の３次元形状を測定する光学的形状測定装置において、前記照射光源は、前記基線上に所定間隔で複数配置され、マスクパターンが形成され、前記照射光源から照射される光を透過または反射し、パターン光を発する１つのマスクと、前記複数の照射光源の点灯を制御する点灯制御手段と、を備えたものである。
【００２３】
この発明によれば、周期的なパターン光を並行移動しながら反射光分布を複数回測定する光学的形状測定装置において、パターン光の並行移動を、マスクパターンが形成された１つのマスクに対し、基線方向にずらして配置した複数の照射光源の点灯タイミングを切り換えながら照明を行なうことにより、位相パターンの照射が可能になる。
【００２４】
また、請求項２にかかる光学的形状測定装置にあっては、測定物体に対し、パターン投影法により複数でかつ照射光源と撮像手段に反射光を結像するレンズとが成す基線方向に周期的なパターン光を前記基線方向に並行移動しながら投影し、前記測定物体から反射される光分布を前記撮像手段に取り込み、当該光分布から三角測量の原理に基づいて前記測定物体の３次元形状を測定する光学的形状測定装置において、前記照射光源は、前記基線上に所定間隔で複数配置され、前記照射光源ごとに異なるマスクパターンが形成され、前記照射光源から照射される光を透過または反射し、パターン光を発する複数のマスクと、前記複数の照射光源の点灯を制御する点灯制御手段と、を備えたものである。
【００２５】
この発明によれば、基線上に所定間隔で複数配置された照射光源を用意し、その照射光源ごとに異なるパターンを照射する構成とすることにより、照明光学系のコンパクト化が可能になる。
【００２６】
また、請求項３にかかる光学的形状測定装置にあっては、前記照射光源は、それぞれ点状光源で構成されるものである。
【００２７】
この発明によれば、請求項１または２において、照射光源を点状光源とすることにより、光源のサイズに依存した精度劣化を抑制することが可能になる。
【００２８】
また、請求項４にかかる光学的形状測定装置にあっては、前記照射光源は、それぞれ線状光源で構成され、前記線状光源の長手方向が前記基線方向と直交する方向に配置されるものである。
【００２９】
この発明によれば、請求項１または２において、照射光源として線状光源を用いることにより、光の利用効率を向上させ、光源の低出力化、低コスト化が実現する。
【００３０】
また、請求項５にかかる光学的形状測定装置にあっては、前記照射光源は、前記基線上に形成される縮小像とするものである。
【００３１】
この発明によれば、請求項１または２において、複数の光源の縮小像を生成し、照射光源を実質上の点光源とすることにより、光源のサイズに依存した精度劣化を抑制することが可能になる。
【００３２】
また、請求項６にかかる光学的形状測定装置にあっては、前記照射光源は、スリットアレイで多重化された単一光源の放射光であり、前記スリットアレイの各スリットを透過した光を光シャッタにより独立に選択可能に構成されるものである。
【００３３】
この発明によれば、請求項１または２において、照射光源を１つにし、多重化されたスリットアレイの各スリットを透過した光を光シャッタにより独立に選択可能に構成することにより、光源ごとの光量ばらつきを補正する必要がなくなる。
【００３４】
また、請求項７にかかる光学的形状測定装置にあっては、前記光シャッタは、液晶シャッタで構成されるものである。
【００３５】
この発明によれば、請求項６において、光シャッタとして液晶シャッタを用いることにより、光シャッタの構成を簡単に実現可能になる。
【００３６】
また、請求項８にかかる光学的形状測定装置にあっては、前記光シャッタは、メカニカルシャッタで構成されるものである。
【００３７】
この発明によれば、請求項６において、光シャッタとしてメカニカルシャッタを用いることにより、低コストの光シャッタを実現することが可能になる。
【００３８】
また、請求項９にかかる光学的形状測定装置にあっては、前記スリットアレイのスリット部分に、当該スリットに集光するシリンドリカルレンズを設けたものである。
【００３９】
この発明によれば、請求項６において、スリットアレイのスリット部分にシリンドリカルレンズを設けることにより、光の利用効率を高めることが可能になる。
【００４０】
また、請求項１０にかかる光学的形状測定装置にあっては、前記照明光源ごとにプリズムを設けるものである。
【００４１】
この発明によれば、請求項１または２において、複数の照射光源ごとにプリズムを設けることにより、放射角度を基線方向に調整することが可能になり、かつ各光源で照射する範囲をマスクパターン範囲に合わせることが可能になる。
【００４２】
また、請求項１１にかかる光学的形状測定装置にあっては、複数のパターン光による反射光量の線形結合により、テキスチャ画像を取得するものである。
【００４３】
この発明によれば、請求項６において、３次元形状測定に用いたパターン光の線形結合から測定物体のテキスチャ画像を取得することにより、３次元モデリングなどでよく必要とされるテキスチャ画像を物体形状の情報と同時に取得可能になる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる光学的形状測定装置の好適な実施の形態について添付図面を参照し、詳細に説明する。なお、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
【００４５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる光学的形状測定装置の構成を示す説明図である。図２は、図１における全体構成を斜視により示す説明図である。この実施の形態１にかかる光学的形状測定装置は、下記の構成要素を備えている。図において、符号１０ａ，１０ｂ，１０ｃは照明光源としての半導体レーザ、符号１は正弦波状に透過率を分布させた位相シフトパターンが形成され、光照射により縞状のパターン光を発するマスク、符号１２は測定面、符号１３は測定面１２で反射された光をつぎのＣＣＤに集光し結像する結像レンズ、符号１４は結像レンズ１３により導かれた光をその強弱に応じた電気信号（画像信号）に変換し出力するＣＣＤ（固体撮像素子）、符号１５は半導体レーザ１０ａ，１０ｂ，１０ｃを駆動するドライバ、符号１６はＣＣＤ１４で取得された画像信号を取り込み、Ａ／Ｄ変換や各種の補正を実行する画像処理部、符号１７はドライバ１５に対する制御や画像処理後の画像信号から形状データを求めるパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと記述する）である。
【００４６】
なお、半導体レーザ１０ａ，１０ｂ，１０ｃは実際には図２に示すように一体化されたレーザアレイ１０で構成され、以下、支障がない限りレーザアレイ１０として記述する。また、符号２０は、半導体レーザ１０ａ，１０ｂ，１０ｃと結像レンズ１３とを結ぶ直線で形成される基線である。すなわち、この基線２０上に半導体レーザ１０ａ，１０ｂ，１０ｃが所定の間隔で配置されている。
【００４７】
なお、上記に示す光学的形状測定装置は、たとえば具体的にはつぎのような数値で配置されている。結像レンズ１３と測定面１２との距離は３００ｍｍ、結像レンズ１３とレーザアレイ１０までの距離である基線２０の長さは２００ｍｍ、マスク１１とレーザアレイ１０との距離が３０ｍｍ、マスク１１の透過率周波数が１０で、１周期あたりマスク１０上で２ｍｍ、半導体レーザ１０ａ，１０ｂ，１０ｃの間隔が１／４周期に相当する０．５ｍｍとする。
【００４８】
以上のように構成された光学的形状測定装置において、まず、ＰＣ１７は、ドライバ１５を制御し、半導体レーザ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ（レーザアレイ１０）を駆動する。ここで発光されたレーザ光は、マスク１１に放射され、そこで縞状のパターン光として測定面１２に照射される。さらに、測定面１２からの反射光を結像レンズ１３によりＣＣＤ１４に結像させる。このＣＣＤ１４により反射光の強度と位置情報が画像信号として画像処理部１６によって処理され、ＰＣ１７に取り込まれる。
【００４９】
この過程において、半導体レーザ１０ａ，１０ｂ，１０ｃの発光を切り換えることにより、測定面１２上における照度分布が変わり、π／４ずつ位相がずれた３つの位相シフトパターンを照射する。計測された３種類の縞状のパターンの反射光分布から、位相シフト法の原理を用い、形状データを得る。
【００５０】
マスク１１に設けられた位相シフトパターンは、マスク１１上のｘ方向に対し、図３に示すような透過率分布を有する。レーザ光の発光位置が基線２０上で相互に異なるため、レーザそれぞれの照射角度が異なり、マスク１１の透過率の投影像が基線２０の方向にずれる。そこで、半導体レーザ１０ａ，１０ｂ，１０ｃの発光を電気的に切り換えることにより、図４に示すように３種類の位相のずれた縞パターン光が測定面１２上に照射される。基線長２００ｍｍに対して０．５ｍｍの光源位置があると、形状の相対精度は０．５／２００＝０．２５％となる。これは、十分に小さい相対誤差である。
【００５１】
このように、本構成ではマスク１１を動かさずに半導体レーザ１０ａ，１０ｂ，１０ｃの点灯制御のみでパターン光を切り換えるので、機械的な振動に強く、かつ簡便な光学系が実現する。また、レーザをパルス状に照射し、ＣＣＤ１４の電子シャッタを開けるタイミングと同期させることにより、照射光に対する背景光の重なりの影響を十分小さくする利点もある。
【００５２】
すなわち、この実施の形態１では、パターン光を一括投影するパターン光投影法により三角測量の原理を用いて物体の３次元形状を測定し、照射するパターン光が複雑で、かつ基線方向に周期的であり、そのパターン光を基線方向に並行移動しながら複数回固定した反射光分布から３次元形状を求める光学的形状測定装置において、基線２０の方向にずらして配置された半導体レーザ１０ａ，１０ｂ，１０ｃが、１種類のマスクパタ−ン（マスク１１）を照明し、上記３つの照明光源の点灯を切り換えることにより、パターン光を基線２０の方向に並行移動させる。
【００５３】
位相シフト法を例にとると、係数を別にしてｃｏｓ、ｃｏｓ（ω＋π／４）、ｃｏｓ（ω＋π／２）という位相のずれた３つのパターン光を照射すればよい。これらのパターン光は位相がずれているだけで、パターンの形は同じなので、同じマスクパターンを用い、位相ずれ０、π／４、π／２に相当する照射角ずれを与えた照明条件で照射すれば十分である。
【００５４】
この実施の形態１では、位相シフト法のｃｏｓに相当するパターンを与えるマスクパターンとして透過型（あるいは反射型）のマスク１１を１つ用意し、パターン光照射法の基線を与える受光系（結像レンズ１３、ＣＣＤ１４）と照明系（半導体レーザ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ、マスク１１）の延長線上に複数の光源（半導体レーザ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）を配置することにより、照射角ずれを与える。マスク１１の位置は固定であり、かつ複数の光源（半導体レーザ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）の位置が固定であるため、各光源（半導体レーザ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）とマスク１１の位置関係で決まる照射方向を、光源の点灯切り換えで変化させる。
【００５５】
実際には、基線２０の方向に光源が移動すると基線長が変わるため、光源を固定してマスク１１を基線方向に移動させる場合とは条件が異なるが、基線長に対して光源の移動量が十分小さければ形状精度にほとんど影響を与えずに計測することができる。三角測量法では、奥行き方向の距離をｙ、基線長をＬとすると、ｙはＬに比例するため、それぞれδｙ、δＬだけ誤差が生じたとすると、奥行き方向の相対精度（δｙ／ｙ）は、基線長の相対精度（δＬ／Ｌ）に比例する。もし、計測装置の測定精度が０．５％であるならば、光源の移動距離を最大でＬの０．５％程度にすれば、誤差は十分無視できるものとなる。
【００５６】
また、この実施の形態１では、複数の照射光源として、半導体レーザ１０ａ，１０ｂ，１０ｃのようにそれぞれ点状光源を用いる。パターン光投影法は三角測量の原理から形状測定を行なうので、角度を測定する測量点（照射光源の中心と受光器（ＣＣＤ）のレンズの主点に相当）は厳密に点である必要がある。実際に理想的な点は作れないので、点からの広がりが計測誤差を生じる。この計測誤差を最小に抑えるためには照明光源として点状光源を採用するのが適切である。たとえば、レーザやＬＥＤなどの数ｕｍ〜数１００ｕｍ程度の大きさの発光サイズの光源を用いれば十分に現実的な測定精度を確保することができる。
【００５７】
（実施の形態２）
さて、点状光源は、精度を確保する上では有利であるが、発光サイズが点状であるために、高輝度の光源が必要になり、光源の種類など選択の自由度が狭い。そこで、この実施の形態２では、前述の実施の形態１において光源を点状光源を用いたのに対し、線状光源を用い、線状光源の長手方向が基線方向と垂直である構成とする。以下、具体的に説明する。
【００５８】
図５は、本発明の実施の形態２にかかる光学的形状測定装置における照明系の構成を示す説明図であり、図６は、その斜視図である。本構成は、先に述べた図１の光学的形状測定装置に対し、照明系が異なり、他の構成は同一であるので、省略し、異なる部分について図示する。
【００５９】
これらの図において、符号３０ａ，３０ｂは独立に駆動できる線状光源であるフラッシュ管、符号３１はフラッシュ管３０ａ，３０ｂの縮小像を形成する縮小レンズ、符号３２ａ，３２ｂは先に述べた実施の形態１の光源に相当する縮小像である。
【００６０】
このように、この実施の形態２では、点状光源の代わりに線状光源であるフラッシュ管３０ａ，３０ｂを用い、光源の選択の幅を広げられるようにする。線状光源（フラッシュ管３０ａ，３０ｂ）は点状より発光面積が広いため、光源の全光量を上げやすい利点がある。一方、線状光源では、長手方向に複数の光源が連続して並んでいるのと等価であるので、得られる形状の測定誤差が生じやすい。三角測量では基線方向への位置の誤差よりも、基線に垂直方向の位置誤差の方が許容度が大きいため、この実施の形態２では、線状光源の長手方向を基線に垂直方向にして形状誤差を減らすようにしている。
【００６１】
図７にこの実施の形態２にかかるマスク１１の透過率分布を示す。つまり、この透過率分布は、多領域法に強度比法を適用したパターン光であり、光量の像域を繰り返すパターンとなる。ドライバ１５を介してフラッシュ管３０ａ，３０ｂを切り換えて点灯制御することにより、測定面１２上で、図８に示すように、照度の像域が逆に重なる２種類のパターン光を照射する。多領域法の原理にしたがって、ＣＣＤ１４で受光した２つのパターン光を光量データから、形状データを取得する。
【００６２】
フラッシュ管３０ａ，３０ｂ自体は１ｍｍ程度であるが、縮小レンズ３１を用いることにより基線２０上の縮小の点のサイズと間隔を狭めることができる。また、フラッシュ管３０ａ，３０ｂの発光と同期させてＣＣＤ１４の受光を行なうことにより、高輝度の光源であるフラッシュ管３０ａ，３０ｂの特性を利用し、背景光の影響の少ない形状測定を行なうことができる。
【００６３】
（実施の形態３）
この実施の形態３では、スリットアレイで多重化された単一光源の放射光を複数の照明光源として用い、各スリットを透過した光を光シャッタで独立に選択できる構成とする。この実施の形態３にかかる光学的形状測定装置の構成を図９に示す。本構成は、先に述べた図１の光学的形状測定装置に対し、照明系が異なり、他の構成は同一であるので、省略し、異なる部分について図示する。
【００６４】
図９において、符号４０はフラッシュ管、符号４１はコンデンサレンズ、符号４２は偏光板、符号４３は液晶シャッタ、符号４４はスリットアレイである。
【００６５】
この実施の形態３における光学的形状測定装置の照明系は、図９に示すように、単一のフラッシュ管４０の発光をコンデンサレンズ４１で集光し、偏光板４２で偏光した後、液晶シャッタ４３を介して液晶シャッタ４３直後の２つのスリットを持つスリットアレイ４４を透過させて２つに独立した線状光源を生成する。液晶シャッタ４３は、２つのスリットアレイ４４の光路を独立に切り換えるために用いる。
【００６６】
この実施の形態３では、スリットアレイ４４に設けられたスリットが、先に述べた実施の形態２における複数の線状光源に相当し、フラッシュ管自体はスリットアレイ４４を照射することができればよく、小さくても構わない。
【００６７】
複数の光源を用いると、光源の電気的なオン・オフで照射角度を切り換えられる利点があるが、一方、光源ごとの光量のばらつきを補正する必要がある。この実施の形態３では、光源が１つなので、複数の光源を用いた場合と異なり、光源ごとの光量変動を考慮する必要がなくなる。
【００６８】
すなわち、この実施の形態３では、１つの光源（フラッシュ管４０）を用い、この光をスリットアレイ４４で透過（あるいは反射）させることにより複数の光源として作動させ、スリットごとに光シャッタを設け、それぞれのスリットを独立に選択する。光源の位置はスリットで規定され、光源ごとのオン・オフは、光シャッタで行なうことにより、各スリットが独立の光源であるのと等価になる。
【００６９】
この実施の形態では、光シャッタとして液晶シャッタ４３を用いる。この場合、スリットごとのオン・オフだけ行なえばよいので、通常の微小ピクセルが２次元状に並んだ液晶パネルではなく、スリット数だけ電極構造が形成された簡単で低コストな液晶シャッタを用いることができる。
【００７０】
（実施の形態４）
この実施の形態４の光学的形状測定装置は、実施の形態３で示した光学的形状測定装置に対し、図１０に示すように、液晶シャッタ４４の代わりに結像レンズ４６付きの可動スリット４５を設けたものであり、他の構成は実施の形態３の図９と同一である。
【００７１】
可動スリット４５をモータ（図示せず）で基線２０の方向に移動させ、スリットアレイ４４と可動スリット４５のスリット位置を合わせることにより光路を選択する。可動スリット４５にシリンドリカルレンズである結像レンズ４６を設け、コンデンサレンズ４１で集光された光を効率よくスリットに導入させる。可動スリット４５を採用することで可動部分が生じるが、可動スリット４５は光路を切り換えるだけでよいことや、光源幅の精度はスリットアレイで決まることから、可動スリット４５自身の精度と移動精度は低くてもよく、可動部があっても信頼性を高めながら低コスト化が実現する。
【００７２】
このように、この実施の形態４では、光シャッタとしてメカニカルシャッタ（可動スリット４５）を用いることにより、低コストなシャッタ機構が実現する。たとえば、図１０に示すように、スリットアレイ４４と可動スリット４５のスリット幅を同じにして両者を重ね合わせ、スリットの並び方向にシフトさせ、スリットアレイ４４と可動スリット４５とが重なった部分だけ光を透過（あるいは反射）させる。
【００７３】
また、可動スリット４５のスリットにシリンドリカルレンズ（結像レンズ４６）を設けることにより、スリット近傍に入射した光やスリットに対して斜めに入射した光をスリット内に取り込むことができるので、スリットに入射する光を有効に利用することができる。
【００７４】
（実施の形態５）
この実施の形態５の光学的形状測定装置は、パターン光を一括投影するパターン光投影法により三角測量の原理を用いて３次元形状を測定し、照射するパターン光が複数であり、パターン光の反射光分布から３次元形状を求める際に、基線方向にずらして配置された複数の照射光源が、光源ごとに異なるマスクパターンを照明し、照明光源を切り換えることによってパターン光を切り換える構成とする。
【００７５】
複数のパターン光を照射する三角測量の原理から形状計測を行なう手法では、理想的には照射光源と撮像系と測定物体の位置関係（距離）が照射するパターン光にかかわらず同じであることが望ましい。もし異なるパターン光ごとに位置関係が変わると、測定物体に反射率の入射角依存性があった場合、撮像系で観察される光量分布に反射率依存性が生じる。一方、現実の光学的形状測定装置の測定精度には限界があるので、その精度限界に影響しなければ多少光源位置が変わっても実質上はその影響を無視できる。
【００７６】
たとえば、市販の工業用のカメラと１０ｂｉｔのＡ／Ｄ変換ボードを組み合わせた撮像系から測定物体までの測定距離が６００ｍｍで、カメラとスライドプロジェクタを用いた光源までの基線長が２００ｍｍである場合、強度比法を用いた測定の相対精度は、撮像系のノイズのため約１％程度となる。このとき、光源位置が１ｍｍ程度左右に動いても、その影響は１％より十分に小さく、無視できる量である。このように、光源位置の配置可能な範囲は測定精度に依存する。
【００７７】
すなわち、測定精度に影響を与えない範囲に光源間隔を制限すれば、パターン光を生成する光源と同じ位置に配置する必要はなく、複数の光源を用いて別々に光源の点灯を切り換えることにより、複数のパターン光を照射することができるので、複数の光源位置を厳密に合わせるための光学系の簡略化、あるいは省略が可能になり、照明系のサイズの縮小や低コスト化が実現する。
【００７８】
図１１は、本発明の実施の形態５にかかる光学的形状測定装置の構成を示す説明図であり、図１で示した構成に対し、２つのフラッシュ３０ａ，３０ｂと、２つのマスク１０ａ，１０ｂの部分が異なる。なお、符号５０は測定物体である。したがって、他の構成要素は図１と同じであるので図１と同一符号を付し、説明は省略する。
【００７９】
図１１に示すように、この実施の形態５の光学的形状測定装置は、２つの点光源として２つのフラッシュ３０ａ，３０ｂを用いている。フラッシュ３０ａ，３０ｂはドライバ１５で個別に制御される。パターン光を測定面１２に照射するため、２分割されたマスク１１ａ，１１ｂが設けられ、それぞれがフラッシュ３０ａ，３０ｂのみの光強度を変調する。マスク１１ａはｘ方向に透過率が増加し、マスク１１ｂはｘ方向に透過率が減少する。
【００８０】
したがって、マスク１１ａ，１１ｂに設けられた濃度パターンで測定面１２を照明したｘ方向の光量分布は、図１２に示すようになる。この比率にしたがって、強度比法の原理から測定物体５０の形状が再現される。
【００８１】
光源（フラッシュ３０ａ，３０ｂ）から測定物体５０までの距離は約５００ｍｍ、結像レンズ１３の中心とフラッシュ３０ａ，３０ｂとの間隔である基線長は２００ｍｍ、フラッシュ３０ａとフラッシュ３０ｂとの間隔は２ｍｍ、フラッシュ自身は直径１ｍｍの円筒状である。フラッシュ同士の距離が２ｍｍと十分近いため、フラッシュ３０ａとフラッシュ３０ｂで基線長が異なっても、測定精度には影響しない。
【００８２】
光源の光量分布がわかり、さらにＣＣＤ１４の各セルごとにフラッシュ３０ａ，３０ｂと測定物体５０の距離がわかっているので、測定物体５０上に均一光量の光が照射された場合の光量を推定することができる。
【００８３】
すなわち、フラッシュ３０ａから見た測定物体５０の方向は、測定物体５０の形状から計算することができる。ＣＣＤ１４のあるセル位置に対応する方向のフラッシュ３０ａの光強度は、フラッシュ３０ａから見た方向のマスク１１ａ上の濃度Ｔ１に比例する。ＣＣＤ１４で観察されたフラッシュ３０ａの反射光量に既知の量１／Ｔ１をかけると、擬似的に測定物体５０に均一光量の光が照射された場合の反射光量、つまりテキスチャ画像が得られる。
【００８４】
マスク１１ａは左側で照射光量が少ないため、１／Ｔ１に誤差が生じやすいため、フラッッシュ３０ｂの反射光量とマスク１１ｂから得られた透過率Ｔ２を用いた方が誤差の少ないテキスチャ画像が得られる。２者の平均、あるいは２者の反射光量の大きい方により重み付けを行なって平均することにより、照射光量が少ない場所でも精度よくテキスチャ画像を取得することができる。取得されたテキスチャ画像を形状データの上にマッピングすることにより、測定物体５０の形状と見た目の情報の両方を重ね合わせて表示することができる。カラーのテキスチャ画像を取り込む場合には、ＣＣＤ１４の部分にカラー用のＣＣＤを用いればよい。
【００８５】
ところで、３次元カタログやＣＧ用のモデリングなどのために形状測定を行なう場合、物体の形状情報以外に、形状データの上に貼るためのテキスチャ画像を取り込むことが必須となる。テキスチャ画像を取り込むために、形状測定とは別の専用光源を持たせると光源の数が増えるので、この実施の形態では形状測定用の光源をテキスチャ画像を取り込む光源と兼用させる。
【００８６】
テキスチャ画像を取り込むためには、通常のカメラの照明のように、物体をほぼ均一に照明することが必要である。この実施の形態では、この均一な照明の条件を、形状測定のために照射した複数のパターン光の反射光量の線形結合を用いる。パターン光の光量分布はあらかじめ分かっており、さらに測定点での３次元形状も分かっているので、本装置の撮像系で得られた形状の点ごとに、どのような強度の光が照射されたかがわかる。なお、この場合、物体の反射率が一定でない場合、物体の形状情報がないと測定された２次元画像だけからは測定点ごとの光強度を推定することができないことを考慮する。
【００８７】
さらに、画像の各点ごとに照射光量が同じレベルになるように、パターン光の光量の逆数の重みをつけて反射光の光量の線形結合を取ることにより、擬似的に均一光を照射した場合の反射光の光量分布、すなわちテキスチャ画像を得ることができる。
【００８８】
また、あるパターン光が物体に一部にしか照射されていない場合でも、他のパターン光がその部分に照射していれば、物体全体のテキスチャ画像を取り込むことができる。
【００８９】
テキスチャ画像を取り込むのに適したパターン光照射法の例を上げると、正弦波を照射する縞格子投影法、鋸歯状のパターンを照射する強度比法、白黒のデジタルパターンを照射する空間符号化法など、分布はあるが照射面内を全面照射している手法が望ましい。なお、多重スリット光を投影するモアレ法などでは、モアレの位相をずらして複数回撮影を行なうなどでスリットの間の画像情報を得る工夫が必要になる。
【００９０】
（実施の形態６）
この実施の形態６は、図１３に示すように、前述した実施の形態５の光学的形状測定装置（図１１）に対し、照明系および撮像系が異なる。したがって、図１と同一の機能要素については同一の符号を付し、説明は省略する。
【００９１】
この光学的形状測定装置は、照明系として、面発光レーザ５１ａ，５１ｂと、プリズムアレイ５２とを一体的に有する照射ユニット５３と、撮像系として、マイクロレンズ５６と、ＣＭＯＳセンサ５７とを一体的に有する撮像ユニット５５と、を備えている。
【００９２】
すなわち、図１３において、面発光レーザ５１ａ，５１ｂの各光源ごとに角度を持たせたプリズムアレイ５２を設け、面発光レーザ５１ａ，５１ｂから出射された光線を屈折させることにより、基線２０の方向への放射方向をマスクパターン全面に照射するように調整する。照射角度方向は、屈折率とプリズム角度によって決まるが、各プリズムの角度を変えることにより、それぞれの光源ごとにマスクパターンの照射範囲を最適化することができる。また、小型のプリズムアレイ５２は一体的に作製することができ、部品コストをそれほどかけずに測定範囲および角度を調整することができる。
【００９３】
この実施の形態６では、光源ごとに異なるマスクを設け、強度比用の２種のパターン光を照明させる。光源には直径１０ｍｍの２個の面発光レーザ５１ａ，５１ｂを用い、当該レーザから３００ｕｍ離れた位置に１つが幅１００ｕｍの２種類の濃度分布を持たせたプリズムアレイ５２を設ける。濃度分布は、先に述べた図１２のように、ｘ方向に濃度が単調に増加するパターンと単調に減少するパターンとし、酸化クロム膜の蒸着により製作を行なう。
【００９４】
光源ごとにプリズム角度を変えることにより基線方向への照射角度を偏向させ、測定物全体を効率よく照射できるように、照射角度を調整する。また、光源（照射ユニット５３）から測定物体５０までの距離は約１０ｍｍ、照射ユニット５３と撮像ユニット５５との距離（基線長）は３ｍｍである。
【００９５】
面発光レーザ５１ａ，５１ｂは互いに隣接しているが、面発光の放射角度が１０度程度と狭いため、レーザアレイ（面発光レーザ５１ａ，５１ｂ）とマスクつきプリズムアレイ５２との距離を３００ｕｍに調整することにより、自動的にレーザ相互の遮光を行なうことができる。
【００９６】
また、面発光レーザ５１ａ，５１ｂは、端面発光レーザとは異なり非点収差の影響が少なく、かつ発光ダイオードに比べて電力を光に変換する効率が高いので、微小形状を測定する装置の点光源として好ましい特性を備えている。
【００９７】
撮像ユニット５５のＣＭＯＳセンサ５７のセルサイズは、６ｕｍで、６４０×４８０画素の取り込みを行なうために約３×４ｍｍのダイサイズとなる。１０ｍｍ先で１０ｍｍ角の領域を撮像するには、焦点距離が約４ｍｍのマイクロレンズ５６を用いることになるので、ＣＭＯＳセンサ５７とマイクロレンズ５６とを組み合わせた実効的な体積は約０．０５ｃｃである。
【００９８】
また、プリズムアレイ５２の幅は全体で２００ｕｍであり、高さは３００ｕｍである。このため、照射ユニット５３の体積は０．０１ｃｃより小さく、照射ユニット５３と撮像ユニット５５とを合わせても０．１ｃｃ程度の大きさで作製することができる。
【００９９】
また、強度比法を用いて形状測定を行なっているので、測定距離１０ｍｍに対して測定精度は１００ｕｍ弱程度である。また、面発光レーザとプリズムの数を３つにして縞格子投影法を用いることにより、構成は多少複雑になるものの、さらに測定精度を向上させることができる。
【０１００】
また、このような光学的形状測定装置を用いることにより、近距離に配置した測定面の変形や傾きを、一括測定で数１０ｕｍ精度で計測することができる。この程度の精度の測定は、レーザ走査方式や共焦点方式などを用いることによって従来も可能であったが、レーザの走査機構のスペースが小さくできなかったり、測定に時間がかかる。これに対し、この実施の形態のようにパターン光照射方式を採用することにより、装置自体を小型化し、かつビデオレートで形状センシングを行なうことができる。
【０１０１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる光学的形状測定装置（請求項１）によれば、周期的なパターン光を並行移動しながら反射光分布を複数回測定する光学的形状測定装置において、パターン光の並行移動を、マスクパターンが形成された１つのマスクに対し、基線方向にずらして配置した複数の照射光源の点灯タイミングを切り換えながら照明を行なうことにより、位相パターンの照射が可能になるため、パターン光を照射するマスパターンの数を１つとした、簡単な機構でパターン光を位相制御することができる小型の装置が実現する。
【０１０２】
また、本発明にかかる光学的形状測定装置（請求項２）によれば、基線上に所定間隔で複数配置された照射光源を用意し、その照射光源ごとに異なるパターンを照射する構成とすることにより、照明光学系のコンパクト化が可能になるため、パターン光を照射するマスパターンの数を１つとした、簡単な機構でパターン光を位相制御することができる小型の装置が実現する。
【０１０３】
また、本発明にかかる光学的形状測定装置（請求項３）によれば、請求項１または２において、照射光源を点状光源としたので、光源のサイズに依存した精度劣化を抑制することができる。
【０１０４】
また、本発明にかかる光学的形状測定装置（請求項４）によれば、請求項１または２において、照射光源として線状光源を用いるので、光の利用効率を向上させ、光源の低出力化、低コスト化を図ることができる。
【０１０５】
また、本発明にかかる光学的形状測定装置（請求項５）によれば、請求項１または２において、複数の光源の縮小像を生成し、照射光源を実質上の点光源とするため、光源のサイズに依存した精度劣化を抑制することができる。
【０１０６】
また、本発明にかかる光学的形状測定装置（請求項６）によれば、請求項１または２において、照射光源を１つにし、多重化されたスリットアレイの各スリットを透過した光を光シャッタにより独立に選択可能に構成することにより、光源ごとの光量ばらつきを補正する必要がなくなるため、光量モニタが不要になり、低コスト化が実現する。
【０１０７】
また、本発明にかかる光学的形状測定装置（請求項７）によれば、請求項６において、光シャッタとして液晶シャッタを用いるので、光シャッタの構成を簡単に構成することができる。
【０１０８】
また、本発明にかかる光学的形状測定装置（請求項８）によれば、請求項６において、光シャッタとしてメカニカルシャッタを用いるので、低コストの光シャッタで構成することができる。
【０１０９】
また、本発明にかかる光学的形状測定装置（請求項９）によれば、請求項６において、スリットアレイのスリット部分にシリンドリカルレンズを設けることにより、光の利用効率を高めることが可能になるため、光源の低出力化や低コスト化が実現する。
【０１１０】
また、本発明にかかる光学的形状測定装置（請求項１０）によれば、請求項１または２において、複数の照射光源ごとにプリズムを設けることにより、放射角度を基線方向に調整することができ、かつ各光源で照射する範囲をマスクパターン範囲に合わせることが可能になるため、光利用効率を向上させることができる。
【０１１１】
また、本発明にかかる光学的形状測定装置（請求項１１）によれば、請求項６において、３次元形状測定に用いたパターン光の線形結合から測定物体のテキスチャ画像を取得するので、３次元モデリングなどで頻繁に使用されるテキスチャ画像を物体形状の情報と同時に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる光学的形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図２】図１における全体構成を斜視により示す説明図である。
【図３】図１におけるマスク上の透過率分布を示すグラフである。
【図４】図１における位相シフトパターンによる測定面上に照射される縞パターンの照度分布を示すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態２にかかる光学的形状測定装置における照明系の構成を示す説明図である。
【図６】図５における全体構成を斜視により示す説明図である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかるマスクの透過率分布を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態２による測定面上に照射される縞パターンの照度分布を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態３にかかる光学的形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態４にかかる光学的形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図１１】本発明の実施の形態５にかかる光学的形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図１２】図１１におけるフラッシュの光量分布を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施の形態６にかかる光学的形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図１４】従来における光学的形状測定装置の第１の構成例を示す説明図である。
【図１５】従来における光学的形状測定装置の第２の構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０　レーザアレイ
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ　半導体レーザ
１１，１１ａ，１１ｂ　マスク
１２　測定面
１３　結像レンズ
１４　ＣＣＤ
１５　ドライバ
１６　画像処理部
１７　パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
２０　基線
３０ａ，３０ｂ　フラッシュ管
３１　縮小レンズ
３２ａ，３２ｂ　縮小像
４０　フラッシュ
４１　コンデンサレンズ
４２　偏光板
４３　液晶シャッタ
４４　スリットアレイ
４５　可動スリット
４６　結像レンズ（シリンドリカルレンズ）
５０　測定物体
５１ａ，５１ｂ　面発光レーザ
５２　照射ユニット
５３　プリズムアレイ
５５　撮像ユニット
５６　マイクロレンズ
５７　ＣＭＯＳセンサ
【図１】
2004053532.tif 000005
【図２】
2004053532.tif 000006
【図３】
2004053532.tif 000007
【図４】
2004053532.tif 000008
【図５】
2004053532.tif 000009
【図６】
2004053532.tif 000010
【図７】
2004053532.tif 000011
【図８】
2004053532.tif 000012
【図９】
2004053532.tif 000013
【図１０】
2004053532.tif 000014
【図１１】
2004053532.tif 000015
【図１２】
2004053532.tif 000016
【図１３】
2004053532.tif 000017
【図１４】
2004053532.tif 000018
【図１５】
2004053532.tif 000019