(57)【要約】【課題】パターン照射法だけを用いながら、繰り返しパターンの各領域を信頼性良く特定できるようにする。【解決手段】プロジェクタ１から、各々π／４だけ位相のずれた正弦波パターンを３枚照射し、位相シフト法の原理によって、各反射画像から画素毎に相対位相ψｒを求める。相対位相ψｒから周期２πの不定性を除いた絶対位相ψａは照射角度に対応し、三角測量の原理から画素ごとに距離を計算できる。次にプロジェクタ１は、階段状のパターン３種と白色の平坦状パターンとを照射する。この階段状パターンは赤青緑（ＲＧＢ）の３色の各々で分布がずれている。この合計４パターンの反射画像から３色の平坦状パターンに対する強度比を取ると、サブパターンごとに３色の強度比が異なるので、繰り返しパターンのサブパターン番号を特定でき、相対位相ψから絶対位相が求められる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繰り返しパターンを照射する照射装置と、該照射装置が照射した対象を異なる位置から撮像する撮像装置と、該撮像装置が撮像した画像中に生じる繰り返しパターンの変形を用いて形状計測を行う計算手段とを備えてなる光学式形状測定システムであって、
前記照射装置が、前記繰り返しパターン中で繰り返しの１周期分であるサブパターンが現れる位置にサブパターンごとに異なるパターンからなる分離パターンを照射するよう構成され、
前記計算手段は、前記撮像装置により撮像された前記分離パターンを用いてサブパターンを特定することを特徴とする光学式形状測定システム。
【請求項２】
前記分離パターンが、サブパターン内で光量が一定であり、サブパターン間で異なる離散化された光量値であることを特徴とする請求項１記載の光学式形状測定システム。
【請求項３】
前記照射装置の照射する分離パターンが複数であり、各々の分離パターンの光量の組み合わせがサブパターンごとに一意化されており、前記計算手段は該光量の組み合わせからサブパターンを特定することを特徴とする請求項１又は２記載の光学式形状測定システム。
【請求項４】
前記照射装置の照射する分離パターンが２種類（Ａ、Ｂ）であり、該２種類の分離パターンの強度比（Ａ／Ｂ）がサブパターンごとに一意化されており、前記計算手段は前記強度比からサブパターンを特定することを特徴とする請求項１又は２記載の光学式形状測定システム。
【請求項５】
前記分離パターンＢの光量が、場所によらず一定であることを特徴とする請求項４記載の光学式形状測定システム。
【請求項６】
前記照射装置の照射する分離パターンが３種類（Ａ、Ｂ、Ｃ）であり、該３種類の分離パターンの強度比（（Ａ−Ｃ）／（Ｂ−Ｃ））がサブパターンごとに一意化されており、前記計算手段は前記強度比からサブパターンを特定することを特徴とする請求項１又は２記載の光学式形状測定システム。
【請求項７】
前記分離パターンＢ及びＣの光量が、場所によらず一定で、互いに異なる光量であることを特徴とする請求項６記載の光学式形状測定システム。
【請求項８】
前記照射装置が照射する分離パターンの光量に周波数変調をかけ、サブパターンごとに該変調周波数スペクトルが一意化されており、前記計算手段は前記変調周波数スペクトルからサブパターンを特定することを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の光学式形状測定システム。
【請求項９】
前記照射装置の照射する分離パターンがｎ個（ｎは整数）であり、該ｎ個の分離パターンを各々ｎ色の色に割り当てたことを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の光学式形状測定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＷｅｂ等の３Ｄコンテンツ作成、３Ｄモデリングのためのデータ入力、物体認識、物体選別、顔認識、ジェスチャ認識などに用いられて、物体の形状と距離計測を行なう光学式形状測定システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、物体の３次元の形状測定を行なう光学式形状測定システムとして、測定物体（測定対象）に繰り返しパターンを照射し、その反射光を照射方向と異なる視野から撮像し、得られた画像で生じる物体形状に応じたパターンの変形量から、３角測量の原理を用いて形状測定するシステムがある。
【０００３】
こうした従来の光学式形状測定装置として、例えば、特開２０００−９４４４号公報（特許文献１）がある。
いわゆる光切断法のように光のスリットを走査するのではなく、スリットを敷き詰めたパターン光を一括で照射するパターン照射法の一種であるが、パターン光のどの位置がどのスリットに相当するか分からないため、あらかじめ何らかの方法でスリット番号との対応、つまりスリット光源からどの照射角度で照射されたかの情報を、照射されたパターン光自体に付加しておく。繰り返しパターンを照射する形状測定装置とは、このパターン光が繰り返し構造をもっているものをさす。
【０００４】
繰り返しパターンは繰り返しの１周期分（以下、サブパターンと呼ぶ）の内部では、光量や波長が異なるなどの光情報の差を利用して相互にスリットを区別できるが、同じサブパターンが何度も繰り返されるため、撮像された光量の情報からは別のサブパターンとは区別がつかない。一方、繰り返しがないパターンであればスリット番号を一意に決められるが、一般に繰り返さしのないパターンは測定精度が低い。これは光量のアナログ値を一括検知するための撮像素子、例えばＣＣＤなど、の光量分解能に制限があるためである。撮像素子の光量分解能が低いと、撮像したパターンの変形画像の受光セル毎の光量差が分離できないが、繰り返しパターンはこの状況を緩和できる。照射パターンが同じダイナミックレンジで照射された場合、パターンに繰り返しがあると、繰り返し数だけ視差方向に対する光量変化が大きくなるため、隣接する受光セル間の光量変化を大きくすることができ、その結果形状精度があがるためである。
【０００５】
上記した特開２０００−９４４４号公報は、図６に示すように、位相のずれた正弦波を投影し、正弦波の位相を検知する方法である（位相シフト法）。
この手法では、サブパターンは正弦波の光量分布をとる（パターンマスク３の像が照射される）。光切断法のスリット番号に相当する絶対位相が分かれば、つまりサブパターンの番号が分かれば、三角測量の原理から測定物の距離が求められるが、実際に計測できるのは２π周期で折りたたまれた位相（相対位相）である。一般には、位相の連続性を仮定して、絶対位相の分かった基準点から位相の飛びがあったら２πだけ位相を増減させることで絶対位相を求める処理（アンラッピング）を行う。
この方法では孤立した測定領域は位相を接続できないため、絶対座標が求まらない問題がある。特開２０００−９４４４号公報では、物体の像のコントラストがカメラの焦点位置に測定物体が場合に最大になることを利用した焦点法を併用することで位相の曖昧さを除き、絶対位相との対応づけを行っている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−９４４４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、繰り返しパターンは形状精度が高い利点があるが、同じパターンが繰り返されるため、繰り返される領域間の判別をする必要がある。
上記した特開２０００−９４４４号公報は、位相シフト法の絶対位相を特定する、つまりサブパターンの番号を特定するため焦点法を併用しているが、２つの異なる手法を測定装置内（測定システム内）に設ける必要があるので、コストがかさむ原因となり、パターン照射法だけで周期番号を特定できるのが望ましい。
【０００８】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、パターン照射法だけを用いながら、繰り返しパターンの各領域を信頼性良く特定することができる光学式形状測定システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は以下の特徴を有する。
請求項１記載の発明は、繰り返しパターンを照射する照射装置と、該照射装置が照射した対象を異なる位置から撮像する撮像装置と、該撮像装置が撮像した画像中に生じる繰り返しパターンの変形を用いて形状計測を行う計算手段とを備えてなる光学式形状測定システムであって、照射装置が、繰り返しパターン中で繰り返しの１周期分であるサブパターンが現れる位置にサブパターンごとに異なるパターンからなる分離パターンを照射するよう構成され、計算手段は、分離パターンを用いてサブパターンを特定することを特徴とする。
【００１０】
繰り返しパターンを照射するパターン照射法では、サブパターン内でのスリット番号に相当する量（位相シフト法を用いる場合は位相、強度比法を用いる場合は強度比）は容易に求められるが、どのサブパターンに属するかを決めるサブパターン番号はそのままでは求まらない。上記技術的手段では、別パターンを照射し、サブパターン番号を特定する方式をとっている。この時、必要なのはサブパターン番号だけを信頼性よく求めればよいので、サブパターンごとに異なる、容易に区別できるパターンを設けたパターン（分離パターン）を照射すればよい。
【００１１】
請求項２記載の発明は、上記した分離パターンが、サブパターン内で光量が一定であり、サブパターン間で異なる離散化された光量値であることを特徴とする。
【００１２】
照射されたパターンの光量分布を撮像するための２次元撮像素子は、一般的にＣＣＤやＣＭＯＳが使われているが、光量のダイナミックレンジも光量の分解能も広いとはいえず、光量の誤差が大きい。上記技術的手段によれば、各サブパターンに対応する分離パターンの光量が離散化しているので、サブパターン境界が明確となり、光量誤差が大きな撮像素子を用いても、信頼性よくサブパターンを分離することができる。
たとえば、光量をｍ値に多値化しておき、個々のサブパターンに各々異なる光量を照射する分離パターンを用いることで、ｍ個のサブパターンを分離することができる。
【００１３】
請求項３記載の発明は、照射装置の照射する分離パターンが複数であり、各々の分離パターンの光量の組み合わせがサブパターンごとに一意化されており、計算手段は該光量の組み合わせからサブパターンを特定することを特徴とする。
【００１４】
上記技術的手段は、サブパターン番号を特定するために、各サブパターンに照射する光量の組み合わせでサブパターンをコード化するので、空間コード化法の一般化とも考えられる。しかし、空間コード化法では白黒の２値を用いており、照射すべき分離パターンの数が容易に増加するのに対し、上記技術的手段では光量が２値である制限をおいていないため、光量を多値化することで分離パターンの数を必要最小限で済ませることができる。
特定すべきサブパターン数をｐとすると、空間コード化法でサブパターンを特定するためには、少なくともｌｏｇ（ｐ）／ｌｏｇ（２）枚の分離パターンが必要になる。ここでｌｏｇは対数を意味する。例えばサブパターン数が２０なら５枚、１００なら７枚必要となる。上記技術的手段ではｍ値に多値化した分離パターンを用いる。１枚の分離パターンを構成するパターン種の数をｍ（つまりｍ値の離散化光量）とすると、必要なブロック数はｌｏｇ（ｐ）／ｌｏｇ（ｍ）となり、空間コード化法より分離パターン数を減らせる。
【００１５】
請求項４記載の発明は、照射装置の照射する分離パターンが２種類（Ａ、Ｂ）であり、該２種類の分離パターンの強度比（Ａ／Ｂ）がサブパターンごとに一意化されており、上記した計算手段は強度比からサブパターンを特定することを特徴とする。
【００１６】
強度比法の原理により、光量そのものではなく強度比を用いることで、測定物の反射率のキャンセルすることができる。つまり、照射光源と撮像素子と測定物体の空間的配置が変わらない条件で、背景光Ｘのもとで、光量ＡおよびＢで照射したときの反射光量は、各々Ｋ・Ａ＋Ｘ、Ｋ・Ｂ＋Ｘ、となる。ここでＫは、照射光源と撮像素子と測定物体の空間的配置に依存した係数で、測定物体の反射率に比例する。撮像側で両者の比率である強度比Ｒを取れば、Ｒ＝（Ｋ・Ａ＋Ｘ）／（Ｋ・Ｂ＋Ｘ）となる。背景光Ｘが無視できる場合はＡ／Ｂとなって、照射側の強度比がそのまま観察され、測定物体の反射率や光学系の空間配置に依存しない。上記技術的手段によれば、強度比Ｒがサブパターンごとに異なる値をとるので、測定物体の反射率に依存せずに各サブパターンを特定できる。
【００１７】
背景光Ｘが無視できる条件は、背景光の存在しない環境で測定するか、あるいは分離パターンＡ、Ｂの輝度が背景光にくらべて十分高い場合である。請求項２記載の技術的手段に比べて分離パターンの枚数が１枚増えるが、測定物体の反射率に依存しないで精度良くサブパターンの分離ができる。
例えば、分離パターンＡは視差方向に対して、サブパターンごとの光量が順次増加するパターン、分離パターンＢは視差方向に対して、サブパターンごとの光量が順次減少するパターンなどを選択しうるが、各サブパターンごとに強度比が異なればよいので、必ずしも順次変化しなくてもよい。
【００１８】
請求項５記載の発明は、上記した分離パターンＢの光量が、場所によらず一定であることを特徴とする。
【００１９】
繰り返しパターンや分離パターンを照射するには、光源と光量を変調する装置が必要である。いちばん簡単な構造は、透過率を変調したマスクを光源で背面から照射する方法である。この時本請求項のような全面を場所によらずに照明しようとすると、このマスクなしで照明すればよいことになり、分離マスクとして必要なのは分離パターンＡのためのマスクだけで済む。その結果、上記技術的手段によれば照明系を簡単な構成にできる。
【００２０】
請求項６記載の発明は、照射装置の照射する分離パターンが３種類（Ａ、Ｂ、Ｃ）であり、該３種類の分離パターンの強度比（（Ａ−Ｃ）／（Ｂ−Ｃ））がサブパターンごとに一意化されており、計算手段は強度比からサブパターンを特定することを特徴とする。
【００２１】
上述した請求項４記載の技術的手段では、背景光Ｘが無視できる状況を考えたが、上記技術的手段によれば、もう分離パターン数をもう一枚増やすことで背景光の影響を減らすことができる。
光量Ａ、ＢおよびＣで照射したときの反射光量は、各々Ｋ・Ａ＋Ｘ、Ｋ・Ｂ＋Ｘ、Ｋ　・Ｃ＋Ｘとなる。ここでＫは、照射光源と撮像素子と測定物体の空間的配置に依存した係数で、測定物体の反射率に比例する。撮像側で上記の強度比Ｒ’をとると、Ｒ’＝（（Ｋ・Ａ＋Ｘ）−（Ｋ・Ｃ＋Ｘ））／（（Ｋ・Ｂ＋Ｘ）−（Ｋ・Ｃ＋Ｘ））＝（Ａ−Ｃ）／（Ｂ−Ｃ）となり、測定物体の反射率と背景光に依存せずに、照射側の強度比Ｒ’を得られる。本請求項では、強度比Ｒがサブパターンごとに異なる値をとるので、測定物体の反射率と背景光に依存せずに各サブパターンを特定できる。
【００２２】
請求項７記載の発明は、上記した分離パターンＢ及びＣの光量が、場所によらず一定で、互いに異なる光量であることを特徴とする。
【００２３】
分離パターンＢとＣが場所によらず一定であれば、請求項５記載の技術的手段で説明したような、透過率を変調したマスクと光源の組み合わせによる照明装置を簡単化することができる。ＢとＣの差は、光源の照射強度を変えるだけでよいので、分離マスクとして必要なのは分離パターンＡのためのマスクだけで済む。
【００２４】
請求項８記載の発明は、照射装置が照射する分離パターンの光量に周波数変調をかけ、サブパターンごとに該変調周波数スペクトルが一意化されており、計算手段は変調周波数スペクトルからサブパターンを特定することを特徴とする。
【００２５】
上記技術的手段の分離パターンでは、サブパターンごとに周波数の異なる正弦波を重畳した光量パターンを用いる。特定の周波数で変調した部分は画像をバンドパスフィルタに通することで求められる。変調をかける方向は、例えば視差方向と視差に垂直方向に対してかけることで、各方向に対して独立に変調情報を付加することができる。変調周波数だけが意味を持つので、照射パターンの光量のダイナミックレンジは全面でほぼ一定にできるため、撮像素子のダイナミックレンジが狭くとも検知が容易である。
【００２６】
請求項９記載の発明は、照射装置の照射する分離パターンがｎ個（ｎは整数）であり、該ｎ個の分離パターンを各々ｎ色の色に割り当てたことを特徴とする。
【００２７】
例えば赤、緑、青の３色の照射パターンに各々独立なパターンを割り当て、撮像素子としてカラーカメラを用いると、赤緑青の３色の色情報を独立に検知できるので、白色物体などの色依存性がない測定物体の場合、分離できるサブパターン数を３倍にふやせる。照射部と撮像部で分離できる色数を増やせば、同時に照射できる分離パターン数をさらに増やすことができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る光学式形状測定システムを、図１から図５を用いて詳細に説明する。
【００２９】
本発明の第１の実施形態としての光学式形状測定システムは、図１に示すように、繰り返しパターンを照射するプロジェクタ（照射装置）１と、照射された測定対象を異なる位置から撮像するカメラ２（撮像装置）と、撮像された画像中に生じる繰り返しパターンの変形を用いて形状計測を行うＰＣ（計算手段）３とを備え、そのプロジェクタ１とカメラ２とがＰＣ３に接続されて構成される。
【００３０】
上記のプロジェクタ１は、光源と、カラー液晶パネルと、結像レンズとを備えてなり、光源から発した光は液晶パネルで光量が変調され、その透過光量を結像レンズで測定物体（測定対象）上に照射する。
撮像するカメラ２は、結像レンズとカラーＣＣＤとを備えてなり、測定物体の反射光分布を撮像する。この反射物体（測定対象）上に照射された光パターンは上記カラーＣＣＤで２次元的に検知（撮像）される。
【００３１】
また、ＰＣ３は、ＣＰＵなどの主制御部とＨＤＤなどの記憶部とキーボードやマウスなどの入力部とを備え、その記憶部に記憶されたプログラムにより動作し、プロジェクタ１による照射を制御すると共にカメラ２により撮像された画像を用いて後述する計算方法などでサブパターンの特定を行い、対象までの距離を算出し、測定物体の形状を測定する。
本実施形態としての光学式形状測定システムのプロジェクタ１とカメラ２とは測定物体を含めて暗箱で覆われており、このことにより背景光の影響は無視できる。
【００３２】
プロジェクタ１が照射するパターンのＸ方向の光量分布を図２（ａ）に示す。本実施形態の照射系ではプロジェクタ１から、各々π／４だけ位相のずれた正弦波パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３を３枚照射し、位相シフト法の原理によって、
ψｒ−π／４＝ｔａｎ（（Ｐ３−Ｐ２）／（Ｐ１−Ｐ２））
の関係式を用い、各反射画像から画素毎に相対位相ψｒを求める。相対位相ψｒから周期２πの不定性を除いた絶対位相ψａは、図１に示すプロジェクタ１からの照射角度に対応する。
図１に示す画素ごとの受光角度は、撮像した反射像の画素位置から決定できるので、絶対位相ψａが分かれば、三角測量の原理から画素ごとに距離を計算できる。ここまでは従来の手法をそのまま用いる。
【００３３】
次にプロジェクタ１は、図２（ｂ）に示す階段状のパターンＢｒ、Ｂｇ、Ｂｂを照射する。このパターンは赤青緑（ＲＧＢ）の３色の各々で分布がずれており、各色の階段状パターンは、正弦波Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の３周期（サブパターン）内では光量が一定で、連続する３つのサブパターンを１グループとして、異なるグループでは光量値が異なる離散的な光量分布をとる。
【００３４】
プロジェクタ１が照射するもう一つのパターンは、図２（ｃ）に示す白色の平坦状パターンＣである。パターンＢｒ、Ｂｇ、Ｂｂ、Ｃの反射画像から３色に対する強度比Ｂｒ／Ｃ、Ｂｇ／Ｃ、Ｂｂ／Ｃを取ると、サブパターンごとに３色の強度比が異なるので、繰り返しパターンのサブパターン番号を特定でき、相対位相ψから絶対位相が求められる。
【００３５】
本実施形態では強度比をもとにサブパターンを分離するので、各色の階段状パターンと白色平坦パターンを組にして１つの分離パターンを構成する。例えば、各色ごとの階段状パターンが８レベルとすると、３色全部で２４種類のサブパターンまで分離できる。パターンＢｒ、Ｂｇ、Ｂｂは色が異なっており同時に照射できるので、分離パターンを構成するパターン数は４パターンだが、照射と撮像はパターンＢｒ、Ｂｇ、Ｂｂをまとめた１回と、パターンＣの１回、合計２回の追加となる。
【００３６】
本実施形態のプロジェクタ１では照射パターンを動的に変えられる液晶パネルを用いているので、繰り返しパターンも分離パターンの照射も、単に液晶パネルの分布を変えるだけで照射できる。このため、このプロジェクタ１による照射は、ユーザがＰＣ３の入力手段から操作することにより切り替えることもできる。
【００３７】
次に、本発明の第２の実施形態としての光学式形状測定システムについて説明する。この第２の実施形態は、各装置の基本構成としては上述した第１の実施形態と同じであるが、分離パターンを構成するのに、図２（ｃ）の白色平坦パターンＤを追加したものである。
このパターンＤはパターンＣと同じく白色の平坦な分布だが、光量レベルが異なる。
【００３８】
パターンＢｒ、Ｂｇ、Ｂｂ、Ｃ、Ｄの反射画像から３色に対する強度比（Ｂｒ−Ｃ）／（Ｄ−Ｃ）、（Ｂｇ−Ｃ）／（Ｄ−Ｃ）、（Ｂｂ−Ｃ）／（Ｄ−Ｃ）を取ると、サブパターンごとに３色の強度比が異なるので、繰り返しパターンのサブパターン番号を特定でき、相対位相ψから絶対位相が求められる。プロジェクタ１による照射とカメラ２による撮像の手間はパターンＤの１回分が追加されるが、このパターンＤを追加したことで、背景光の影響を除去できるので、この第２の実施形態によれば上述した第１の実施形態と異なり、ＰＣ３以外のシステム全体を暗箱で覆う必要がなくなることとなる。
【００３９】
次に、本発明の第３の実施形態としての光学式形状測定システムについて説明する。この第３の実施形態は、各装置の基本構成としては上述した第１の実施形態と同じであるが、繰り返しパターンのサブパターンを判別する分離パターンを構成するのに、図３（ａ）に示すパターンＡ、Ｂ、Ｃと、図３（ｂ）に示すパターンＤとの４パターンを用いている。ここでＹ方向は、図１の紙面に対して垂直方向である。
【００４０】
本実施形態での繰り返しパターンの繰り返し数は３２（サブパターン数が３２）であり、これを分離パターンで分離する。図３（ａ）のＡはサブパターン４つごとに光量が変化する階段状パターンで、Ｂは隣接するサブパターンごとに光量が変化する、サブパターン４つごとに繰り返し構造を持つ階段状パターンである。Ｃは平坦パターンである。ＤはＸ方向を２グループに分割する。各グループは８個のサブパターンを含む。グループ１はＹ方向は変調がなく一定で、グループ２が一定光量にＹ方向へ空間周波数ｆの正弦波を重畳したパターンを照射する。
【００４１】
カメラ２のＣＣＤで受光したパターンＤの反射光量分布とパターンＣの分布の強度比Ｃ／ＤをＹ方向にフーリエ変換し、周波数ｆのピーク周辺を取り出して逆フーリエ変換すれば周波数ｆで変調されたグループ２だけを抜き出すことができる。ここでは、パターンＤの反射光量をそのまま用いるのではなく、平坦パターンＣとの強度比を取ることで、測定物体の反射率依存性をキャンセルしている。
【００４２】
このパターンＤにより３２のサブパターンのうち２つのグループのどちらに属すかは判別できる。さらに１つのグループに含まれる１６のサブパターンは、強度比Ａ／Ｃ、Ｂ／Ｃから判別できるため、パターンＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄからなる分離パターンによりすべてのサブパターンを判別することができる。
【００４３】
本実施形態では、サブパターンの分類には色情報を用いず強度比と空間周波数による分類だけを用いているため、測定物体の色依存性をなくすことができる。また強度比の分類をＡとＣ及びＢとＣの２つの分離パターンに分けているので、上述した第１の実施形態に比べて分離パターンあたりの強度比のレベル数が減ることとなり、形状測定の確実性をより増大させることができる。
【００４４】
次に、本発明の第４の実施形態としての光学式形状測定システムについて説明する。この第４の実施形態は、上述した第１の実施形態に対してプロジェクタ１の構成を変更したものである。
【００４５】
この第４の実施形態におけるプロジェクタ１の照射光学系は、２系統で構成される。まず、図４（ａ）に示すように、第１の光学系は分布が固定の濃度マスクＭａ、Ｍｂを背面から光源Ｌａ、Ｌｂで照射し、２つハーフミラーで合成する。また図４（ｂ）に示すように、第２の光学系は、濃度マスクなしで光源Ｌｃだけを用いてパターンを照射する。この両者の照射光学系は図４（ｃ）のように、Ｙ方向に積み重なってプロジェクタ１を構成する。
【００４６】
第１の光学系の濃度マスクＭａ、Ｍｂで照射するパターンをＡ、Ｂとし、第２の光学系の光源Ｌｃで照射されたパターンをＣとすると、各々の分布は図５（ａ）、（ｂ）のようになる。図５（ａ）に示すように、パターンＡのＸ方向の光量分布は６回の繰り返しをもつピラミッド型で、頂点の左右がサブパターンに相当し、全部で１２のサブパターンをもつ。また、図５（ｂ）に示すように、パターンＢｒ、Ｂｇ、Ｂｂは３色の階段状パターンである。これらは、図５（ｂ）に示す分布のように、連続する３つのサブパターンを１グループとして、異なるグループでは光量値が異なる離散的な光量分布をとる。パターンＣは、図５（ａ）に示すように平坦状である。
【００４７】
実施形態１と同様に、パターンＢｒ、Ｂｇ、Ｂｂ、Ｃの反射画像から３色に対する強度比Ｂｒ／Ｃ、Ｂｇ／Ｃ、Ｂｂ／Ｃを取ると、サブパターンごとに３色の強度比が異なるので、繰り返しパターンのサブパターン番号を特定できる。その結果、各サブパターンごとに、パターンＡとパターンＣの強度比Ａ／Ｃから詳細な照射角度情報、つまり測定物体の距離情報をサブパターンの曖昧さなしに決定できる。
【００４８】
プロジェクタ１による照射とカメラ２による撮像とは、パターンＡの照射、パターンＢｒ、Ｂｇ、Ｂｂの一括照射、パターンＣの照射の合わせて３回である。本実施形態は濃度マスクの１枚で繰り返しパターンを照射し、分離パターンの１枚を赤緑青のカラー濃度マスクで、強度比の基準をパターンＣで照射するので、プロジェクタの構成を非常に簡単にすることができる。
【００４９】
次に、本発明の第５の実施形態としての光学式形状測定システムについて説明する。この第５の実施形態は、各装置の基本構成としては上述した第４の実施形態と同じであるが、分離パターンを構成するのに、図５（ａ）の平坦パターンＤを追加したものである。
パターンＤは図５（ａ）のパターンＣと同じく平坦な分布で、光源Ｌｃの光量レベルを変えて撮像する。
【００５０】
パターンＢｒ、Ｂｇ、Ｂｂ、Ｃ、Ｄの反射画像から３色に対する強度比（Ｂｒ−Ｃ）／（Ｄ−Ｃ）、（Ｂｇ−Ｃ）／（Ｄ−Ｃ）、（Ｂｂ−Ｃ）／（Ｄ−Ｃ）を取ると、サブパターンごとに３色の強度比が異なるので、繰り返しパターンであるパターンＡのサブパターン番号を特定できる。照射と撮像の手間はパターンＤの１回分が追加されるが、パターンＤを追加したことで、背景光の影響を除去できる。
【００５１】
なお、上述した各実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することが可能である。
例えば、計算する計算手段をプロジェクタ１とカメラ２とに接続されたＰＣ３として説明したが、この計算手段は計算可能であればこのものに限定されず、カメラ２に内蔵されたＣＰＵなどであってもよい。この場合、本発明に係る光学式形状測定システムは、プロジェクタ１とカメラ２とが接続されたものとなり、ユーザはカメラ２により計算指示などの操作を行うこととなる。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、照射装置が繰り返しパターン中で繰り返されるサブパターンごとに異なるパターンからなる分離パターンを照射することで、計算手段は画素ごとにサブパターンを特定するので、形状に対する何らの推定なしに絶対位置を求めることができる。
【００５３】
また、サブパターンを特定する分離パターンが、ブロックごとに光量を離散化しているので、撮像素子の光量検知誤差によるサブパターン番号の判定誤りを抑えることができる。こうしてサブパターンを特定することにより、測定対象の形状を精度よく測定することができる。
【００５４】
また、複数の分離パターンの光量の組み合わせからサブパターンを特定することにより、光量検知だけでサブパターンを特定でき、画素ごとにサブパターン番号を特定することができる。こうしてサブパターンを特定することにより、測定対象の形状を精度よく測定することができる。
【００５５】
また、サブパターンの特定に２種類の分離パターンの強度比を用いることにより、測定物体の反射率に依存せずにサブパターンの特定ができる。こうしてサブパターンを確実に特定することにより、測定対象の形状を精度よく測定することができる。
【００５６】
また、サブパターンのうち１つを単なる平坦分布とすることにより、パターン照射系（照射装置）の構造を簡単化することができる。
【００５７】
また、サブパターンの特定に３種類の分離パターンの差と強度比を用いることにより、測定物体の反射率と背景光に依存せずにサブパターンを特定することができる。こうしてサブパターンを確実に特定することにより、測定対象の形状を精度よく測定することができる。
【００５８】
また、サブパターンのうち２つが単なる平坦分布とすることにより、パターン照射系（照射装置）の構造を簡単化することができる。
【００５９】
また、サブパターンの特定に周波数変調を用いることにより、測定物体の反射率と背景光に依存せずにサブパターンを特定することができる。こうしてサブパターンを確実に特定することにより、測定対象の形状を精度よく測定することができる。
【００６０】
また、多色の分離パターンを用いることにより、特定できるサブパターン数を容易に増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態としての光学式形状測定システムの構成例とその動作例とを示す図である。
【図２】第１の実施形態におけるプロジェクタ１が照射するパターンを例示する波形図である。
【図３】第３の実施形態におけるプロジェクタ１が照射するパターンを例示する波形図である。
【図４】第４の実施形態におけるプロジェクタ１の構成例を示す図であり、（ａ）第１の光学系における横断面図、（ｂ）第２の光学系における横断面図、（ｃ）プロジェクタ１の概要を示す正面図、である。
【図５】第４の実施形態におけるプロジェクタ１が照射するパターンを例示する波形図である。
【図６】位相シフト法を用いる従来の光学式形状測定装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１　プロジェクタ（照射装置）
２　カメラ（撮像装置）
３　ＰＣ（計算手段）
【図１】
2004108950.tif 000003
【図２】
2004108950.tif 000004
【図３】
2004108950.tif 000005
【図４】
2004108950.tif 000006
【図５】
2004108950.tif 000007
【図６】
2004108950.tif 000008