(57)【要約】【課題】合焦点法に基づく三次元座標測定方法においては、通常、測定対象の画像の全画素について合焦度を評価し合焦度の大きな高コントラスト領域を測定点として選択する必要があるため、広視野測定において合焦度の評価と測定点の選択にぼう大な計算時間を要し測定点の分布も不均一となる。【解決手段】上記課題を解決するために、対物レンズ２の像空間に固定横倍率で焦点調節を行う焦点調節機構を配置して撮像システムを前記対物レンズ２の前側焦点Ｆを投影中心とする透視投影系となし、レーザ光源１０の出力光１４を一次元の離散的発散光線束群に変換し半透明鏡１３を通して測定対象１に輝線列を投影せしめ、半透明鏡１３を通して見た見かけの位置において、離散的発散軸が投影中心の半透明鏡１３による鏡像の点を通る配置として、合焦距離に関わらず輝線列を固体撮像カメラ９の二次元画像センサ上の固定位置に結像させ、予め輝線列上に設定された測定点の近傍画像について合焦点法を適用するようにした。【選択図】図１
2012026998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定点近傍の画像の合焦度に基づいて測定点の三次元座標を求める三次元座標測定方法において、対物レンズ、横倍率が一定の焦点調節機構および二次元画像センサから構成され、焦点調節に起因する投影中心の移動がない透視投影系を実現する撮像システムを用いて、前記焦点調節機構を構成するレンズの位置、屈折力あるいはそれらを調節する物理量またはその変換信号を焦点調節のための操作量とし、複数の異なる値に設定された個々の操作量について、前記対物レンズと前記焦点調節機構により形成される測定点近傍の像を前記二次元画像センサで受像し、二次元画像センサの画像信号出力を処理して測定点近傍の画像の合焦度を操作量毎に算出して合焦度が最大となる操作量を検出し、操作量毎に事前に求めておいた、測定点の合焦距離として定義される、設定操作量に対して合焦度が最大となる測定点を含む前記撮像システムの光軸に垂直な測定平面の光軸上の基準点から光軸に沿って測った光学距離と設定操作量との対応関係および合焦距離にある測定点の横倍率と設定操作量との対応関係から、前記の検出された合焦度が最大となる操作量に対応する測定点の合焦距離と横倍率を決定して測定点の三次元座標を求める三次元座標測定方法において、前記撮像システムの光軸に傾斜させて配置した半透明鏡を通して離散的発散光線束群を測定平面に投影し、同平面上に離散的に分布する照明領域を同時に、あるいは時系列的に設定し、一つの発散軸の回りに離散的に発散する光線束群の投影により一次元の離散的な分布をする照明領域を測定平面上に設定する場合には、前記半透明鏡を通して見た見かけ上の前記離散的発散軸が前記撮像システムの投影中心の前記半透明鏡による鏡像の点を通るように設定し、互いに直交する二つの発散軸のそれぞれのまわりに、離散的に発散方向を指定された発散光線束群により二次元の離散的照明領域を測定平面上に設定する場合には、前記半透明鏡を通して見た見かけ上の二つの離散的発散軸が共に前記撮像システムの投影中心の前記半透明鏡による鏡像の点を通るように設定し、前記離散的発散光線束群の投影によって生じる離散的な分布をする照明領域に測定点を設定して、測定点近傍の像を合焦距離に関わらず二次元画像センサ上の固定した領域に結像し、測定点近傍の画像の合焦度評価値により測定点の三次元座標を求めることを特徴とする三次元座標測定方法。
【請求項２】
測定点近傍の画像の合焦度に基づいて測定点の三次元座標を求める三次元座標測定装置において、対物レンズ、横倍率を一定にして焦点調節を行う焦点調節装置および二次元画像センサからなり透視投影系を構成する撮像システムと、レーザ光源と発散光学素子により一次元または二次元の離散的な発散光線束群を同時的あるいは時系列的に発生する発散光源装置と、前記発散光線束群を前記撮像システムに導入するための半透明鏡とを有し、一次元の離散的な発散光線束群を発生させる場合においては一つの離散的発散軸が、二次元の離散的な発散光線束群を発生させる場合においては互いに直交する二つの離散的発散軸が、それぞれ前記半透明鏡を通して見た見かけ上の位置において、前記撮像システムの投影中心の前記半透明鏡による鏡像の点を通る配置をとり、前記発散光線束群の投影により生じた離散的照明領域に測定点を設定することにより、測定点近傍の透視投影像を合焦距離に関わらず前記二次元画像センサ上の固定した領域で受像できるようにしたことを特徴とする三次元座標測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、測定対象上の測定点近傍（測定点を含む）の画像を用いて測定点の三次元座標を測定する技術に関するものである。特に、単一のカメラから得られる焦点合わせ距離の異なる測定点近傍の画像の系列を用いて焦点が最もあった画像を検出し、検出画像の対応する焦点合わせ距離から測定点の三次元座標を決定する技術に関するものである。本技術は、被写界深度内にある対象の画像を固定焦点で二つ以上のカメラにより異なる方向から撮像し、同一測定点の複数のカメラ画像の間で対応関係を検出して三角測量の原理により測定点の三次元座標を決定するステレオ法とは、システム構成上必要なカメラ数と焦点調節の有無において対照的であり、ステレオ法のカメラ間で起こる、二つのカメラで同時に観測できない測定不能のオクルージョン領域の発生がないことを利点とする三次元座標測定技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  単一のカメラから得られる、焦点合わせ距離の異なる、測定対象上の測定点近傍の画像の系列から測定点の三次元座標を決定する従来の一般的方法では、対物レンズと焦点調節機構と二次元画像センサから構成される撮像システムにおいて、三次元座標系の原点は座標変換の数理により任意に設定できるので撮像システムの光学系の光軸上に任意に設定された基準点を原点とすると、測定点の光軸方向の座標成分、すなわち前記光軸上の基準点から測定点を含む光軸に垂直な平面（以下、測定平面という）にいたる光軸上の光学距離（以下、簡易表現として測定平面の距離という）について、前記焦点調節機構を構成するレンズの位置、屈折力あるいはそれらを調節することができる他の物理量またはその変換信号を焦点調節のための操作量とし、複数の異なる値に設定された個々の前記操作量について、前記対物レンズと前記焦点調節機構により形成される測定点近傍の像を前記二次元画像センサで受像し、二次元画像センサの画像信号出力を処理して測定点近傍の画像の焦点の合っている度合い（以下、簡易表現として合焦度という）を数値として評価して合焦度が最大となる前記操作量を検出し、設定操作量毎に事前に求めておいた設定操作量に対する合焦度が最大となる測定点を含む測定平面の距離（以下、測定点の合焦距離という）の対応関係と、設定操作量に対する合焦距離にある測定点の光軸からの高さの横倍率（以下、単に測定点の横倍率と記述する）の対応関係から、検出された前記の合焦度が最大となる操作量に対応する測定点の合焦距離と横倍率を決定し、合焦距離を測定点の光軸方向の三次元座標成分とし、また測定点の像点の像平面座標（二次元画像センサの受像面に設定された、受像面と光軸との交点を原点とする二次元座標で、行列配置された画素の配列番号で画像上の像点を表わす二次元画素座標から同座標面の光軸との交点の画素座標を減算して画素間隔を乗じた座標）を横倍率で除して測定点の残り二つの三次元座標成分として、これら三つの三次元座標成分を併せて撮像システムの光軸上の基準点を原点とする測定点の三次元座標測定値とする。このような三次元座標測定方法は合焦点法、合焦法あるいは焦点法とも呼ばれる。合焦度は測定点近傍の画像のコントラストあるいは鮮鋭度の度合いとして数量化することができる。通常、測定点に合焦したときに合焦度が最大になるように合焦度が定義されるが、時に合焦時に合焦度が最小値をとるように定義している場合があり、その場合は、本発明の以下の記述で合焦度が最大とあるところを最小と読み替えればよい。【０００３】  合焦度は種々の定義により計算されている。例えば、非特許文献１に種々の計算方法が比較して示されている。一般的に、一つの画像領域が合焦しているとき、非合焦時に比較して領域内の明暗変化（輝度変化）のコントラストは高く、明暗変化に含まれる空間周波数成分も高域に渡っている。多くの合焦度は、このような画像領域内の明暗変化の特徴を反映する画像特徴量を用いて定義されている。大別すると、画像領域の空間周波数分布の高周波成分を直接的にフーリエ変換により求め合焦度を評価する方法と、計算処理を高速化するため高周波数成分を間接的に反映する画像特徴量を用��て合焦度を定義する方法がある。後者の方法としては、注目画素の近傍領域（注目画素を含む）において、画素の輝度値の隣接画素間の差（一次差分）の絶対値、あるいは一次差分の絶対値を近傍領域内の全画素について総和し、その総和量を注目画素の合焦度とするもの、輝度分布の二次差分量の絶対値を全近傍画素に渡って総和したものを注目画素の合焦度とするもの、近傍領域の画素の輝度の変動の大きさを表す統計量である輝度の分散を注目画素の合焦度とするものなどがある。この他にも種々の合焦度の評価法があるが、いずれも注目画素の近傍領域における明るさ（輝度）変動の大きさを評価し、焦点が合っている領域は変動が大きく、焦点から外れている領域は変動が小さいことを利用していて、測定対象の表面の性状に応じて、合焦度の変化に対する感度が高く、かつ雑音の影響の少ない、また普及している画像処理の手法の組み合わせによって得られ、少ない計算量で算出できる画像特徴量を定義し合焦度の評価を行っている。また合焦度の計算には多大な時間を要するので、操作量の設定間隔を最大限にとって操作量の設定数を最小限にし、一つの三次元座標の測定値を得るための合焦度の全計算量を低減して測定の高速化を図るため、操作量の変化に対する合焦度の変化曲線を二次曲線あるいはガウス曲線と見做し、これらを補間曲線として操作量の少数の飛び飛びの設定値における合焦度の計算値から合焦度が最大となる操作量を内挿により推定し、合焦距離の決定を高速化することが行われている（例えば、非特許文献２参照。）。【０００４】  合焦点法においては焦点調節機構が必須である。従来、合焦点法は、主に顕微鏡画像システムに適用されてきた。同システムでは、ピエゾアクチュエータを用いて対物レンズを光軸に沿って平行移動することによって、対物レンズの移動量を操作量として、焦点調節を行う方法が主に用いられている。したがって、３０ヘルツ程度の往復動作時、焦点調節範囲は１００ミクロン程度に限定されてきた。工業製品の組立て作業における卓上作業空間のような遥かに広い空間で高速焦点調節を行うためには焦点調節機構に相当の工夫が必要になる。そのような課題に応える機構として、二つの収束レンズの中間に焦点距離の大きさが等しい位置固定の凸レンズと位置可変の凹レンズの対からなる可変焦点レンズを配置して、前側の第１の収束レンズの後側焦点の位置に可変焦点レンズの前側主点を一致させ、可変焦点レンズの焦点距離（屈折力の逆数）を物点の距離に応じて凹レンズの位置により調節し、第１の収束レンズによる物点の中間像を常に無限遠に生じるようにして、無限遠の中間像を第２の収束レンズの焦平面に再結像させることによって、第２の収束レンズの焦点距離と第１の収束レンズの焦点距離の比に等しい一定の横倍率により固定した像面（第２の収束レンズの焦平面）に物点の像を再結像させることができる横倍率一定の焦点調節機構が特許文献１に開示されている。また同機構を像側テレセントリックレンズの像空間に配置して透視投影系をなす撮像システムを構成することによって、透視投影系の投影中心を前記像側テレセントリックレンズの前側焦点に固定した状態で同像側テレセントリックレンズの物体空間にある物体に焦点合わせを行うことができ、さらに位置可変の微小質量の凹レンズをピエゾアクチュエータによって高速移動することにより、焦点調節の奥行き約１５０ミリメートルの範囲で、焦点調節の往復動作を５０ヘルツの速さで行うことができることが報告されている（例えば、非特許文献３を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】  特許第４１８９７９８号、可変焦点レンズを用いた定倍率結像方法と装置
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】  エリック・クロツコフ著、「フォーカシング」、インターナショナル・ジャーナル・オブ・コンピュータ・ビジョン、巻１、頁２２３‐頁２３７、１９８７年（原題：Ｅｒｉｃ  Ｋｒｏｔｋｏｆ，“Ｆｏｃｕｓｉｎｇ，”Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｖｉｓｉｏｎ，Ｖｏｌ．１，ｐｐ．２２３−２３７（１９８７），Ｋｌｕｗｅｒ  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ｂｏｓｔｏｎ）
【非特許文献２】  石原満宏、佐々木博美著、「合焦法による高速三次元形状計測」、精密工学会誌、巻６３、第１号、頁１２４−頁１２８、１９９７年
【非特許文献３】  石井  明著、「フォーカス・プラスマシンビジョンの新展開」、映像情報メディア学会技術報告、巻３３、第４９号、頁１‐頁６、２００９年１１月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  従来の合焦点法では、補間曲線を用いることによって測定点毎の合焦度評価の計算量は軽減できたが、測定対象の三次元形状を高精度に把握するためには、測定対象の表面全体に渡って一様に、かつ最小限の密度で分布する測定点の配列を効率的に設定する方法に課題が残されている。一般に、測定対象の画像において、高コントラストの画像領域は必ずしも一様に分布するわけではなく、また必ずしも事前に高コントラスト領域の位置が分かっているわけではないので、画像の全画素について合焦度評価を行った上で信頼性の高い測定が望める大きな合焦度をもつ画像領域を選択し、そこに測定点を設定しなければならない。したがって、依然、合焦度評価の全画素に渡る総計算量は大きく、合焦点法は多大の測定時間を要するという難点を克服できていない。また画像コントラストは画像内で変動があるため測定点の選定も限定され、測定点の分布が偏ることになるので、測定表面全域に渡って一様に高い精度で形状を把握することはできない。したがって、個々の測定点において、合焦度が最大となる焦点調節操作量の決定に補間計算を適用して計算量の低減を図っても、全測定点の合焦度評価時間の短縮には限界があり、さらに表面形状の高精度の測定に必要な測定点設定の均一化の課題が重要な解決すべき課題として残されている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本発明においては、上記課題を解決するために、像側テレセントリック特性を有する対物レンズの後方に横倍率が一定の焦点調節機構を有し、焦点調節によって投影中心が変動することのない透視投影系をなす撮像システムにおいて、レーザ光源と入射レーザ光を発散させる発散光学素子を用いて、同時的または時系列として発生させた離散的な発散光線束群を測定平面全域に渡って一様に、かつ対象表面の形状測定において十分な精度を確保するのに必要な分布密度で投影し、高輝度の離散的に分布する個々の照明領域に測定点を設定することによって、高コントラストの測定点近傍画像が測定対象の測定表面の画像全体に渡って一様に設定できるようにした。そして離散的な発散光線束群を生成するための前記レーザ光源と前記発散光学素子からなる発散光源系と撮像システムの投影中心との間に半透明鏡を設置することによって、半透明鏡を通過させて前記離散的な発散光線束群を撮像システム光学系に導入して前述のように離散的な発散光線束群を測定平面に投影し、前記半透明鏡を通して前記発散光源系を見たときに、一次元の離散的な分布をする照明領域を測定平面上に設定する場合にあっては、離散的発散の中心軸が撮像システムの投影中心の前記半透明鏡による鏡像の点を通るように配置し、互いに直交する二つの離散的発散の中心軸のそれぞれの回りに離散的に発散方向を指定された発散光線束群により二次元の離散的照明領域を測定平面上に設定する場合にあっては、二つの離散的発散の中心軸が共に撮像システムの投影中心の前記半透明鏡による鏡像の点を通るように配置して、離散的な分布をする照明領域に予め設定された測定点近傍のそれぞれの高コントラストの透視投影像を、合焦距離に関わらず、カメラの二次元画像センサ上のそれぞれの対応する固定した領域に前記対物レンズと前記焦点調節機構により結像するようにした。
【発明の効果】
【０００９】  測定対象の全測定表面に渡って一様に、また予め測定前に画像のコントラストを高く、したがって画像の合焦度の大きな測定点を設定することができるので、表面全体に渡って一様に高精度の形状測定が可能となり、また合焦距離に関わらず測定点の位置する照明領域がカメラの二次元画像センサの対応する固定した領域に結像され受像されることになるので、位置が既知の測定点近傍の像領域のみについて合焦度計算を実施すればよいので、大きな合焦度が得られる測定点の選定のため画像の全画素について合焦度の計算を行う必要が無くなり、合焦度の算出にかかる全計算時間を最小限にすることができる。これらの測定精度の向上と計算時間の短縮の効果により、オクルージョン領域のない合焦点法による三次元座標測定方法の実用性を一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】  本発明における三次元座標測定方法の第１の実施例を機能的に説明するために三次元座標測定装置の構成について主として撮像システムの光学系の部分を示した平面図で、ほぼ等間隔に並んだ輝線列を離散的照明領域として同時的に測定平面に投影することを特徴とする構成を示している。
【図２】  第１の実施例において、測定平面に発散光線束群の投影により形成されたほぼ等間隔に並んだ輝線列の配置を端部と中央の輝線について概念的に示したもので、それらの輝線間の他の輝線列は破線で省略表現した撮像システムの光学系側から見た輝線列の立面図である。
【図３】  本発明の実施形態において用いられる可変焦点レンズの構成例の動作を説明するための焦点距離の大きさの等しい一対の凸レンズと凹レンズとから構成される可変焦点レンズを示す平面図である。
【図４】  測定平面上の個々の輝線上の測定点近傍画像の合焦度について計算例を示すためのカメラの出力画像上の画素配列と輝線の強度分布との関係を示す図である。
【図５】  図１に示す第１の実施例に付加されるもので、一次元の離散的発散光線束群の投影によって形成される輝線を離散的発散軸の方向に輝線自身に沿って微小移動させるための平行移動鏡を含む光学系の実施例の作用について概念的に示す側面図である。
【図６】  本発明における三次元座標測定方法の第２の実施例を機能的に説明するための三次元座標測定装置の構成を示す平面図で、測定平面上で直線状にほぼ等間隔で並んだ一つの輝点列として離散的照明領域を形成する反射型一次元回折格子板を一定間隔で回転して輝点列の移動により測定平面を走査し、時系列として複数の輝点列を測定平面上に形成することを特徴とする構成を示している。
【図７】  本発明の第２の実施例において、輝点列を生ぜしめる発散光線束群が撮像システム光学系の半透明鏡を透過した後、測定平面に到達する経路を示す側面図である。
【図８】  本発明の第２の実施例において、反射型一次元回折格子板から射出した発散光線束群が回折格子板の一定間隔の回転毎に測定平面上に形成する輝点列の位置の移動により時系列的に形成される二次元の離散的照明領域を撮像システムの光学系側から見た立面図で示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】  以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して具体的に説明する。ここでは、本発明の作用を簡明に説明するため、近軸結像理論であるガウス光学に基づき記述するが、このことにより発明の作用と効果が制約されるものではない。
【実施例１】
【００１２】  図１は本発明における三次元座標測定方法の代表的な実施形態である第１の実施例（以下、実施例１と記す）を説明するための三次元座標測定装置の機能的構成図である。１は測定平面上の測定対象（実質的には測定平面と測定対象との交点、交線あるいは接点の、それらを含む近傍の対象上の物点の集合、換言すれば測定平面により標本化された測定対象上の測定点近傍の物点の集合であるが、以下、このような簡明な表現をとる）で、右向き矢印で示している。２は焦点距離がｆｐ（図ではｆは斜字体半角文字、ｐは下付き斜字体半角文字）の対物レンズである。同レンズの前側焦点をアルファベットのＦで、後側焦点をダッシュ付Ｆで示している。図上では半角でニュータイムズ・ローマン体の斜字体で表記している。以下、図上のアルファベットとアラビア数字は、引出線に付した明朝体半角の符号を除き、上付きあるいは下付き文字数字を含め、全て同様の字体表記である。本発明では、本実施例および後述の第２の実施例（以下、実施例２と記す）の記述を含め、撮像システムにおける透視投影系の投影中心は対物レンズ２の前側焦点Ｆにある。１３は対物レンズ２の前にあり、対物レンズ２の光軸（紙面内にあり対物レンズ２以降の撮像システムの光軸をなす）に対して４５度の傾斜角で紙面に垂直に設置された広帯域誘電体多層膜を合成石英製平行平面基板にコーティングした半透明鏡で、本実施例では、撮像システム光学系の光軸は半透明鏡１３のところで直角に方向が変えられている。ここで、対物レンズ２以降の撮像システム光学系の半透明鏡１３による鏡像を考えると、鏡像の光学系は、その光軸を測定対象１側の撮像システム光学系の光軸の延長線上に有し、透視投影像の形成の点で同じ測定対象１に対する透視投影光学系として、図１に示した本実施例の撮像システム光学系と等価であると言える。このことは、本実施例における透視投影系の働きと合焦点法による三次元座標測定については、前記撮像システム光学系の鏡像にあたる等価な透視投影系についても言えることである。撮像システム光学系の光軸が半透明鏡１３の鏡面で屈曲していることは、半透明鏡１３を通して後述の離散的発散光線束群を撮像システム光学系へ導入するために同半透明鏡を設置したために生じたもので、透視投影系の作用には直接関係するものではない。測定対象１から屈曲した光軸に沿って対物レンズ２の前側焦点Ｆに至る光学距離と、同測定対象１から対物レンズ２の前側焦点Ｆの鏡像の点にいたる光学距離は等しく、また前側焦点Ｆとその鏡像の点は、共に二つの等価な透視投影光学系のそれぞれの投影中心となっている。したがって測定点の三次元座標の光軸方向の成分（合焦距離）の原点、さらには三次元座標系の原点を前記対物レンズ２の前側焦点Ｆの鏡像すなわち本実施例の撮像システムの投影中心の鏡像の点にとることができる。３は測定対象１の対物レンズ２による中間像で破線の下向き矢印で表わしている。４は焦点距離がｆの収束レンズで、その前側焦点は対物レンズ２の後側焦点Ｆ（ダッシュ付）から距離ｑｏ（図ではｏは下付き斜字体半角文字）だけ後方にあって焦点調節を行う最大合焦距離を決定している。したがって収束レンズ４の前側主点は、対物レンズ２の後側焦���Ｆ（ダッシュ付）から距離ｆ＋ｑｏの位置にある。５は開口絞りで収束レンズ４の後側焦点に位置し対物レンズ２の前側焦点Ｆに入射瞳を形成している。したがって対物レンズ２は像側テレセントリックレンズとしての結像特性を有し、像側では主光線（入射瞳と開口絞りの中心を通る光線）は光軸に平行となり、合焦点法の適用に望ましい構成となっている。開口絞り５は開口径を制御できるオートアイリスであってもよい。６は可変焦点レンズで焦点距離の大きさが等しくｆｄ（図ではｄは下付き斜字体半角文字）の凸レンズ（収束レンズ）と凹レンズ（発散レンズ）の対で構成され、前側の凸レンズを固定し凹レンズを光軸に沿って移動することによってできる、凸レンズの後側主点と凹レンズの前側主点の間の間隔ｇを操作量として、両レンズの合成である可変焦点レンズ６の焦点距離ｆｄ×ｆｄ／ｇを調節することができる。ここで／は除算を示す。７は焦点距離ｆの収束レンズである。可変焦点レンズ６の前側主点すなわち前記凸レンズと凹レンズの対からなる合成レンズの前側主点は、前記凸レンズの前側主点から前方に焦点距離ｆｄの距離に位置して収束レンズ４の後側焦点（開口絞り５の位置）に一致するように配置してある。この配置において、可変焦点レンズ６の前記構成レンズの主点間の間隔が値ｇに調節されていて、対物レンズ２の後側焦点Ｆ（ダッシュ付）から距離ｑｏ＋（ｆ／ｆｄ）×（ｆ／ｆｄ）×ｇ（この距離は図１にはｑと表記されていて後述でもｑとして引用する）の位置に中間像３が生じていると、収束レンズ４と可変焦点レンズ６により中間像３は無限遠に再結像され、この無限遠像は最終的に収束レンズ７の焦平面に実像８（実線矢印で表記）として結像する。このとき中間像３および実像８と共役関係にある測定対象１上の測定点群の対物レンズ２の前側焦点Ｆの半透明鏡１３による鏡像の点を原点とする光軸方向の三次元座標成分（合焦距離）は、対物レンズ２の前側焦点Ｆから測定平面までの光軸に沿う光学距離ｐ（図１では逆Ｌ字型二方向矢印で表示されている）に等しくｆｐ×ｆｐ／ｑとなる。逆に、可変焦点レンズ６の構成レンズの間隔ｇを、合焦距離ｐに対する焦点調節操作量として（（ｆｐ×ｆｐ／ｐ）−ｑｏ）×（ｆｄ／ｆ）×（ｆｄ／ｆ）に等しく設定することにより、任意距離ｐにある測定対象１に合焦することができ、撮像システム光学系全体の横倍率（ｆｐ／ｐ）×（収束レンズ７の焦点距離）／（収束レンズ４の焦点距離）で対物レンズ２の前側焦点Ｆまたはその前記鏡像の点を投影中心とする透視投影変換に合致した測定対象１の実像８が得られる。９は撮像レンズを外した状態の二次元画像センサを内蔵する固体撮像カメラで、同カメラの内蔵二次元画像センサにより実像８を受像して光電変換し、測定対象１上の測定点近傍の画像信号を出力する。固体撮像カメラ９が通常のカメラの画像信号出力形式で画像出力するのであれば、本実施例の撮像システム光学系の像は、対物レンズ２による通常の上下左右の反転に加えて、途中、半透明鏡１３における反射によって左右反転を、収束レンズ４、可変焦点レンズ６および収束レンズ７からなる一定横倍率の焦点調節機構によって上下左右の反転を受けるので、固体撮像カメラ９の上下左右の設置の向きが対物レンズ２の像を直接受像するときの通常の設置状態の向きと同じであれば上下が反転した画像が得られ、通常と上下逆の向きの設置であれば左右が反転した画像が得られるので、画像データの処理結果については画像の向きを考慮して判断する必要がある。１０は単一波長の光を出力するレーザ光源、１１は円柱レンズで円柱面の母線は紙面に平行であり入射光線束を紙面に垂直な方向に連続的に発散させる。１２は紙面に垂直に設置された一次元回折格子板で格子の配列方向は紙面に平行な方向にあって、入射光線束を紙面に垂直な中心軸のまわりに離散的に発散する回折光線束群に変換する。この回折光線束群は本発明の構成要素の一つである離散的な発散光線束群の代表例である。前記一次元の離散的発散をする回折光線束群の中心軸を含め、以下、様々な一次元の離散的な発散光線束群の中心軸を離散的発散軸と総称することとする。１４はレーザ光源１０の出力光で円柱レンズ１１、一次元回折格子板１２そして半透明鏡１３を経て、一次元の離散的発散光線束群として測定平面に到達するときには、幅の狭い線状の照明領域の列を形成し、その輝度分布の状態は撮像システムからは互いに平行な輝線列として観測される。したがって出力光１４は、レーザ光源１０から出力される際に、図１には明示されていないが、その光ビーム径は高コントラストの輝線列が得られるように収束レンズにより調整されていなければならない。輝線列が測定平面上に形成される状況をさらに詳しく述べる。出力光１４は円柱レンズ１１により一次元回折格子板１２上に紙面内で線状に収束された後、一次元回折格子板１２上の線状収束領域に平行な中心軸のまわりに紙面に垂直な面内で前方に板状の光線束として連続的に発散させられる。また出力光１４は、円柱レンズ１１により前記板状連続発散を受けると同時に、一次元回折格子板１２により紙面に垂直な離散的発散軸のまわりに回折次数に応じた異なる回折角度をもつ複数の板状回折光束に分離され前記板状連続発散面に対して垂直な方向に離散的に発散させられる。出力光１４は円柱レンズ１１と一次元回折格子板１２の発散効果の違いにより前者によって連続的に、後者によって離散的に、互いに直交する発散軸のまわりに発散させられる。１３Ｃは、半透明鏡１３と同じ基板材料で作られ同じ板厚を有し、半透明鏡１３と紙面に垂直に設置された透明平行平面板で、半透明鏡１３の傾斜によって起こる離散的発散光線束の発散方向に依存した非対称な横ずれを透明平行平面板１３Ｃの逆方向の非対称横ずれにより打ち消して、発散軸の横ずれを補正する機能を有する。出力光１４は、透明平行平面板１３Ｃと半透明鏡１３を透過した後、一次元の離散的発散光線束群となって測定対象１を照射し、測定平面上に輝線列をなす離散的照明領域を形成する。１４−１、１４−２および１４−３は測定に使用する板状の離散的発散光線束群の一部で、１４−１と１４−３は測定に使用する離散的な板状発散光線束群の両端に位置する板状発散光線束をそれぞれ示し、１４−２は光軸に沿う板状発散光線束を示している。また１５、１６、１７は、板状発散光線束１４−１、１４−２、１４−３が測定対象１により拡散または反射されて撮像システム光学系に入射する光線のうち、入射瞳の中心すなわち対物レンズ２の前側焦点Ｆ（投影中心）を通り、さらに開口絞り５の中心を通る主光線を示したもので、特に、主光線１５は光軸に沿って伝搬するものである。本発明では、図１に示す実施例におる二つの発散軸の中で、少なくとも回折による離散的発散軸は、投影中心となっている対物レンズ２の前側焦点Ｆの半透明鏡１３に関する鏡像の点を通過する必要がある。このときの離散的発散軸とは、正しくは、半透明鏡１３を透過した後の離散的発散光線束群を幾何光学的に逆行させたときに収束する、測定対象１側から半透明鏡１３を通して見たときの見かけ上の離散的発散軸でなければならない。ニトロセルロース膜を基板とした板厚２ミクロン程度の特殊な半透明鏡であるペリクルミラーを除けば、光軸に対して斜めに置かれた３ミリメートル程度の板厚をもつ一般の半透明鏡では、表面および裏面における屈折効果により、半透明鏡の前後で板厚に応じて光軸が横にずれるので、半透明鏡１３を通して測定対象１の側から見た見かけ上の離散的発散軸は実際の離散的発散軸から多かれ少なかれ位置的にずれることを考慮する必要がある。したがって本発明を特徴付ける離散的発散軸は、この見かけ上の離散的発散軸でなければならず、特に断らなければ、本発明の離散的発散軸とは、測定対象１側から見た、この見かけ上の離散的発散軸を指すものとする。前述の透明平行平面板１３Ｃは半透明鏡１３による離散的発散軸の横ずれを補正する効果を有する。また横ずれが実用上問題にならないほど抑えられても透明平行平面板１３Ｃと半透明鏡１３の板厚に見合った光軸方向の移動は生じるので、光軸方向の移動も見かけ上の離散的発散軸の位置を決定することに留意する必要がある。投影中心となっている対物レンズ２の前側焦点Ｆの半透明鏡１３に関する鏡像の点も半透明鏡１３による反射を通じて測定対象１の側から見た見かけ上の投影中心であり、本発明における離散的発散軸と投影中心の間の配置上の拘束条件は、測定対象１の側から見たそれぞれの見かけ上の位置関係について述べたもので、以下、離散的発散軸と投影中心の間の配置上の拘束条件を述べるときに、特に断らない限り「見かけ上の」という修飾語は投影中心についても省略して述べることとする。上記の離散的発散軸と投影中心の間の配置上の拘束条件があるとき、離散的発散光線束１４−１、１４−２、そして１４−３を含む前記一次元の離散的発散光線束群により測定平面に投影された輝線列の各輝線は、合焦距離に関わらず、離散的発散軸が通る投影中心から、それぞれ一定の方位角に位置するから、本発明の構成要素である撮像システム光学系の透視投影に基づく結像特性によって、輝線列の各輝線の像は、測定平面の合焦距離に関わらず、固体撮像カメラ９の二次元画像センサ上の固定した位置に結像する。したがって輝線列の像に沿って二次元画像センサ上に測定点近傍画像の固定した検出領域を設定することができる。同時に、測定点検出領域に対応する測定平面上の測定点が指定されることになる。また、対物レンズ２は像側テレセントリックの特性を有するから、焦点調節操作量が合焦時の値からずれても注目測定点近傍の焦点外れの画像の中心は合焦時の位置とほとんど変わらないので、固定検出領域で注目測定点近傍画像の合焦度の変化を追従することができる。一方、離散的発散軸が投影中心を通過するだけの拘束条件であると、円柱レンズ１１による板状連続発散の中心軸（測定対象１から見た見かけ上の中心軸で、以下、板状連続発散軸と略称する）の投影中心からのずれが大きいと、撮像システム光学系の主光線と測定平面に入射する発散光線束の方向が大きくずれるので測定対象１の像に測定対象の凹凸部による影が生じる可能性がある。板状連続発散軸も投影中心を通過するように配置上の拘束条件を強めて、すなわち発散光線束群全体の中心となる、離散的発散軸と板状連続発散軸の交点が投影中心と一致するように配置条件を強化すると、撮像システム光学系の主光線と同じ方向から照明が行われるため影のない像が得られ、光学系の配置調整の工数は増えるが影による輝線列の像の欠落を抑えることができる。上記輝線列は、レーザ光源１０の出力光１４から一次元回折格子板１２の回折作用により生成された離散的発散光線束群の投影により形成されたものであるから、レーザ光の直進性によって輝線列の焦点深度は深く、測定平面の距離の増大に伴う輝線の幅の拡がりは測定の奥行き区間において小さく抑えられるので、輝線上に測定点を設定することにより測定の全区間に渡って高コントラストで大きな最大合焦度をもつ測定点近傍画像を得ることができる。輝線列を生成する方法としてはスライドプロジェクタにより縞画像を測定対象に投影する方法もあるが、焦点深度が浅いため測定の奥行き区間に渡って高いコントラストを維持することはできない。したがって本発明の実施形態としては、レーザ光の直進性を利用した前記輝線列投影法が最も適していると言える。図を簡明に表現するため、可変焦点レンズ６を通過する主光線の経路についてはレンズ表面での屈折を忠実に描くことはしていないが、可変焦点レンズ６の作用は前記の通りである。また可変焦点レンズ６の前側主点を収束レンズ４の後側焦点に一致させる配置を取る限り、特許文献１に開示されているように、実施例以外の可変焦点レンズを用いても横倍率を一定に維持して焦点調節を行うことは可能である。また、前記収束レンズ４と可変焦点レンズ６の組合せを一つの合成レンズと見るとき、その合成焦点距離は収束レンズ４の焦点距離に等しく、可変焦点レンズの焦点距離の調節により合成レンズの前側主点の位置が前後に移動するレンズの結像作用の変調機能が実現されている。このことは、可変焦点レンズを用いる代わりに収束レンズ４を移動して、その前側焦点を中間像３の結像位置に一致させるようにしても、本発明の主要な構成要素である横倍率一定の焦点調節機構を実現できることを意味しており、そのような実施形態をとっても、図１に示した実施例と同様な発明の効果が得られる。しかし一般に、収束レンズ４は測定に必要な高解像力性能を得るために多数枚のレンズを用いた複雑な複合レンズとする必要があるので、高速焦点調節を行う方法としては質量の大きな収束レンズ４を移動する方法は適当ではない。また収束レンズ４を移動するには大型の移動ステージが必要となる。一方、上記可変焦点レンズ６では、二つの構成レンズの中、凹レンズ（発散レンズ）のみを移動すれば良く、しかも移動凹レンズは平行光線束に近い光線束が入射するように配置されているので、アクロマチックレンズ（ダブレット）などの少数の屈折面で構成されるレンズを使用できるので軽量化が可能である。【００１３】  図１の構成で、レーザ光源１０から一次元回折格子板１２までの離散的発散光線束群生成光学系をその光軸回りに９０度回転したものも本発明の一つの実施例となることは明らかである。また離散的発散光線束群生成光学系をその光軸回りに９０度回転しても本発明の効果が得られることを利用して回転機構を図１の実施例の同光学系に付加し、回転動作を挟んで、直交する二つの輝線列の各々について逐次測定を行うことにより、エッジ部分のような測定対象の直線に近い形状境界を含む測定において、輝線と直線形状部が平行になることによって測定漏れが起きることを回避できる利点が得られ、これも図１の構成から誘導された本発明の他の実施例となる。さらに固体撮像カメラ９も光軸の回りに９０度回転することができるが、輝線の方向を固体撮像カメラ９の画素行列の行に一致させる場合と、列に一致させる場合とのどちらが発明の個々の実施状況に適合するかで判断すればよい。固体撮像カメラ９に読み出し行を任意に選択する機能が備わっている場合、輝線の方向を行と一致させると輝線近傍の画素データのみを選択的に読み出すことができるのでカメラ画像の読み出し速度を高速化するのに有効である。また、半透明鏡１３は広帯域誘電体多層膜をコーティングしたもので、可視光域に渡り入射光を反射光と透過光に、ほぼ半々に分割する能力を有するから、レーザ光源１０を消灯して、通常の白色光源により測定対象１を直接照明すれば、測定対象１の通常画像も併せて取得することができる。【００１４】  図２は測定平面に発散光線束群が投影する輝線列を発散光線束１４‐１に対する輝線１４‐１‐Ｔ、発散光線束１４−２に対する輝線１４−２‐Ｔおよび発散光線束１４−３に対する輝線１４−３‐Ｔについて示したもので、それらの輝線間の他の輝線は破線で省略表現した撮像システム光学系から見た輝線列の立面図である。【００１５】  図３は実施例１に使用されている可変焦点レンズ６の構成と開口絞り５との位置関係を示したものである。２１は凸の単レンズで中心の厚さはｔｃ１である。２２は凹の単レンズである。凸レンズ２１の前側主平面は２３で、左端から距離ｔｃ１／ｎに位置する。ｎはレンズ材料の屈折率である。２４は凸レンズ２１の後側主平面で右端の球面の頂点を通る位置にある。同様に、中心の厚さがｔｃ２の凹レンズ２２において、２５は前側主平面で左端の球面の頂点を通る位置にあり、２６は後側主平面で右端から距離ｔｃ２／ｎに位置する。この構成において、凹凸両レンズの主点間の間隔ｇは両レンズの球面の頂点間の距離となる。２７は光軸である。前記間隔ｇは、光軸に沿って平行移動する凹レンズ２２を図面には明示されていないピエゾアクチュエータにより駆動することにより高精度に制御することができる。制御間隔の範囲は現状のアクチュエータの製品では最大０．５ミリメートル以下と小さいが、中間像３に対する焦点調節効果としては、図１に示した実施例１の説明で述べたように、凹凸両レンズ間の間隔ｇの（ｆ／ｆｄ）×（ｆ／ｆｄ���倍の光学的に拡大された焦点移動量が得られる。現状の技術では、３倍程度の光学的拡大と５０ヘルツの繰返し動作が可能であることが非特許文献３の報告に見られる。図３の実施例は可変焦点レンズの最も簡明な構成を示したものであり、凸レンズと凹レンズは、それぞれ平凸の単レンズと平凹の単レンズであるが、入射光が平行光線束に近く、レンズ間隔ｇも微小なため大きな収差は発生せず可変焦点機能が達成されている。原理的には、正の焦点距離をもつ凸レンズ（あるいは収束レンズ）と負の焦点距離をもつ凹レンズ（あるいは発散レンズ）を対にして両レンズの主点間の間隔を可変にすることで可変焦点レンズを構成できるので、ベンディング操作により他の単レンズ形状を追及したり、単レンズをダブレット以上の複合レンズに置き換えたり、あるいはレンズ材料の屈折率の選択の最適化を図ることによって、図３の実施例よりも収差が少なく、多色光で解像力の優れた可変焦点レンズを実現することは、市場のレンズ設計技術の範囲で容易に対応できるものである。いずれにしても、本発明の実施にあたっては、一定の横倍率をもつ焦点調節機構が必要であり、特に高速度で動作する機構における可変焦点レンズの原型として、移動レンズを軽量にできる点で図３に示した実施例は有用である。【００１６】  図４は投影された輝線列の各輝線上に設定された測定点の近傍画像について合焦度を計算する方法を示すために、固体撮像カメラ９の二次元画像センサの出力画像における画素配列と輝線像との関係を示す図である。図示の画素配列はカメラの出力画像の一部の領域について個々の画素を正方形として示している。２８は、図２に示した輝線列の中の一つの輝線の画像がｊ列目の画素列に結像するものとして、その輝線像の一点鎖線で示した中心線で、２９は輝線像の中心線に垂直な方向の強度分布を二次元画素配列のｉ行目について概略的に示したものである。Ｉｉ，ｊ−１、Ｉｉ，ｊ、Ｉｉ，ｊ＋１は、それぞれ画素（ｉ，ｊ−１）、画素（ｉ，ｊ）、画素（ｉ，ｊ＋１）における固体撮像カメラ９の輝度信号値である。合焦度の評価は、中央の値Ｉｉ，ｊそのもの、隣接画素の平均値と中央の値の差を２倍した２×（Ｉｉ，ｊ）−（Ｉｉ，ｊ−１）−（Ｉｉ，ｊ＋１）の絶対値、強度の傾き（Ｉｉ，ｊ）−（Ｉｉ，ｊ−１）の絶対値などを輝線像の鮮鋭度あるいはコントラストとして計算し評価する。これらの合焦度の評価値は、焦点調節操作量が測定平面の合焦距離に対応する合焦度最大操作量からずれるにつれて強度分布２９の頂点が低くなり分布が横に広がる状況を捉えている。しかし、測定中の種々の雑音の混入により、大きく偏移した合焦度の値が算出されることがあるので、画素（ｉ，ｊ）での合焦度の評価だけでなく、近傍の画素の合焦度を考慮して、近傍領域の合焦度の平均値を求める、近傍の合焦度分布の中央値を注目画素（ｉ，ｊ）の合焦度とするなどの平滑化処理を行うことが有効な場合がある。また合焦度計算の前に強度分布についても、前処理として、ある程度近傍領域内で平滑化を行っておくことが安定した合焦度評価値を得るのに有効であることが多い。特に、照明領域が輝線の場合、予め輝線に沿う方向の近傍画素について強度分布を平滑化しておいて合焦度を計算するか、さらに合焦度についても輝線に沿って近傍の合焦度値を用いて平滑化すれば、平滑化に伴う測定の空間分解能の低下を最小限に止めて合焦度評価値の安定化を図ることができる。なお、上記合焦度の計算例では隣接画素間の計算が主体であったが、画素間隔に比較して輝線の強度分布の広がりが大きい場合には、差分計算などの計算の対象となる画素の間隔を一つあるいは二つ置きの画素間に設定することで、効果的に合焦度変化を捉えることができる場合がある。また基本的には画素の大きさは、輝線の幅の大小に応じて合焦度の評価に適した大きさとしておく必要がある。光学系の収差等により輝線の配列間隔が不均等なとき、あるいは画素の配列間隔に対し輝線の配列間隔が整数倍ではないときには、図４に示すように輝線像の中心線が画素の中央に位置するとは限らない。そのような場合には、レーザビームの性質から輝線の幅方向の強度分布がガウス関数で近似できることを利用して測定点近傍画素の輝度値をガウス関数に当てはめ、ガウス関数の最大点のサブピクセル座標値、最大値および標準偏差値を求めて、例えば、標準偏差値そのもの、あるいは最大値と標準偏差値の比で合焦度を評価し、また最大点のサブピクセル座標値を測定点の像点の精密な画素座標値とする方法が適用できる。最大点を求めるのにガウス関数を当てはめる方法以外の方法としては、輝線像の幅方向の強度分布が対称形であれば強度分布の重心を求める簡便な方法がある。非対称であれば３次以上の多項式で近似し、その最大点の画素配列の列方向の系列を中心線とすることができる。このように、測定点の実際上の設定は、輝線像の中心線を画像処理により検出し、中心線に沿って一定の画素間隔で測定点の像点座標を指定することにより行うことができる。しかも離散的発散光線束群の離散的発散軸が投影中心を通る配置条件が満たされていれば、各輝線像の位置は前述したように合焦距離に関わらず固定するので、前記画像処理により測定に先立って一度だけ測定点の設定手続きを行えばよく、測定時には、決定済みの測定点の像点座標の近傍についてのみ合焦度の評価計算を行えばよい。【００１７】  焦点調節の操作量である可変焦点レンズのレンズ間隔ｇと合焦距離ｐおよび横倍率との対応関係は、予め測定点の像点の画素座標毎に決定しておくことができるから、測定点の像点の画素座標毎に合焦度の評価値が最大となるレンズ間隔ｇの値を決定すれば、測定点の像点の画素座標に対応する測定点の光軸方向の三次元座標成分（合焦距離ｐ）を求めることができる。また同時に、測定点の測定平面内の残りの三次元座標成分は、測定点の像点の画素座標から光軸通過点の画素座標を減算した値に撮像システム光学系の全横倍率の逆数と画素間隔を乗じて求められる。こうして測定点の全ての三次元座標成分が求められる。【００１８】  測定対象の表面が粗面である場合、平滑化処理によりランダム雑音成分を除いても輝線像の強度分布（輝度分布）に欠落や高輝度スポットの生起による不連続的な変動が残り、強度分布の尾根線に相当する明確な中心線の存在を確認できない場合には、前記のように中心線に垂直な方向の近傍画素群の間の合焦度計算とその計算結果の中心線に沿った平滑化だけでは安定した合焦度��価値が得られない場合がある。その場合には、計算の対象となる近傍画素は直線的な配列のものに限定しないで、測定点の像点の画素座標を中心とする面的な拡がりをもった近傍領域で輝線像の輝度分布を捉え、前記の従来の各種合焦度計算法に準じて近傍領域内画素の輝度値の分散など画像の鮮鋭度（コントラスト）を反映する評価値を合焦度として計算することが有効である。その場合でも計算領域は離散的に設定された小領域に制限できるので計算時間短縮の有効性が著しく損なわれることはない。【００１９】  図５は、図１の実施例において、輝線画像の輝度分布が輝線の長手方向に滑らかに連続的に変化するようにして合焦度の評価値の安定化を図るための、一次元の離散的発散光線束群の測定平面上の投影位置が輝線の長手方向に揺動する効果が得られる、平行移動する可動光路変更鏡を含む付加的光学系を示したもので、図１の平面図に対して側面図となっている。図１の一体として配置されている円柱レンズ１１と一次元回折格子板１２に対して互いに平行に配置された二つの光路変更鏡１１１と１１２ｄを円柱レンズ１１の前方に位置するように配置し、かつ一方の光路変更鏡１１１は円柱レンズ１１の直前の位置に固定し、他方の光路変更鏡１１２ｄは光路変更鏡１１１とレーザ光源１０の中間にあるように配置する。さらに光路変更鏡１１２ｄは図５には示されていないアクチュエータによって駆動され光路変更鏡１１１に対して平行移動するように構成されていて、光路変更鏡１１２ｄに入射したレーザ光源１０の出力光１４は、光路変更鏡１１１を出るとき光路変更鏡１１２ｄの移動量に応じて平行移動する。１１２ｅは光路変更鏡１１２ｄが移動したときの移動後の位置の例を示していて、この移動位置における出力光１４の進行経路が破線で示されていて実線で示された経路に対して平行移動している。平行移動した出力光１４は円柱レンズ１１によりその焦点面にある一次元回折格子板１２上に収束された後、板状発散光線束群として進行する。１４−２ｄは平行移動前の出力光１４から生じる発散光線束群であり、１４−２ｅは平行移動後の出力光１４から生じる発散光線束群で、発散の中心軸の位置は変わらないが発散方向が傾くため、測定平面に入射するときは輝線方向に沿って発散光線束群全体が移動することになる。したがって、光路変更鏡１１２ｄが周期的に平行移動すると、測定平面に入射する発散光線束群は全体として輝線方向に沿って周期的に揺動することになり、カメラ９の露光期間中、発散光線束群の照射強度の輝線に沿った平均化が行われ、輝線画像の輝線に沿った強度分布の一様化が行われる。揺動は測定点近傍程度の範囲で輝線に沿った一方向のみに起こるので、輝線列の各輝線の画像は、輝線に垂直な方向には二次元画像センサ上で移動しないので、図１に示した実施例における本発明の効果は損なわれない。光路変更鏡１１２ｄを駆動するアクチュエータとしては、揺動速度と揺動振幅に応じて電磁式バイブレータ、圧電バイブレータ等を使用することができる。【００２０】  前記三次元座標測定方法および装置の実施例においては、レーザ光源の点灯制御、可変焦点レンズの焦点調節を行うアクチュエータの制御、固体撮像カメラの画像取得制御、画像デー���に基づく合焦度計算、そして最大合焦度操作量の検出と測定点の三次元座標の計算にコンピュータに代表されるデータ処理装置と機器制御装置が必要であるが、これらの装置は既存技術の範囲で容易に実現できるものであるので、前記実施例の説明ではこれらを明示していない。同様な理由により、以下の第２の実施例の説明においても、これらデータ処理装置および機器制御装置については明示していない。
【実施例２】
【００２１】  一次元の離散的発散をする光線束群を投影する第１の実施例（実施例１）に対して、図６は二次元の離散的発散をする光線束群を投影する、本発明の第２の実施例（実施例２）を示す平面図である。１０Ａは単一波長の光を出力するレーザ光源、１８は光路変更鏡である。１９は反射型の一次元回折格子板で図示はしていない回転装置の紙面に垂直な回転軸に装着されていて、回転軸を含み紙面に垂直な平面内でレーザ光源１０Ａの出力光２０を回折し低次から高次の回折光線束からなる離散的発散光線束群を生成する。２０−１、２０−２、２０−３は、それぞれ回転する反射型一次元回折格子板１９により一定回転角毎に時系列で生じる回転軸を発散軸とする離散的発散光線束群で太めの点線、実線および破線により区別され、細めの実線で示した主光線１５、１６、１７と共に重ねて描かれている。本実施例では、反射型一次元回折格子板１９自体の回折作用による同時の離散的発散と、反射型一次元回折格子板１９の回転により発生する時系列の離散的発散からなる二次元の離散的発散光線束群を使用するので、半透明鏡１３を通して測定対象１側から見た見かけの二つの直交する離散的発散軸は、共に測定対象１から見た見かけの投影中心となる対物レンズ２の前側焦点Ｆの半透明鏡１３による鏡像の点を通過していなければならない。この場合に限り、測定平面の距離に関わらず、透視投影の原理により投影された輝点列の像を固体撮像カメラの受像面の固定した位置に結像させることができる。図６の実施例２の構成図では、図１の実施例１の構成図と異なり離散的発散光線束群が半透明鏡１３を通過する際に起きる光線束群の非対称の横ずれを補正するための透明平行平面板１３Ｃが描かれていないが、これは図面が錯綜するために図示することを割愛したためで、実施例２においても透明平行平面板１３Ｃを実施例１と同様に半透明鏡１３の前に垂直に設置することにより、離散的発散光線束群の非対称な横ずれ効果を補正することができる。【００２２】  図６に示した実施例２の構成で、反射型一次元回折格子板１９を単なる回転鏡に置き換え、反射型一次元回折格子板１９のあった位置と光路変更鏡１８の間に円柱レンズを設置し、紙面に垂直な面内で連続的に発散する板状連続発散光を生成させれば、回転鏡の回転と同期した間歇的な板状連続発散光の投影によって、実施例１の輝線列と同様な輝線列を時系列で発生させることができ、実施例１と同様な測定点の像位置の固定化を実現することができる。しかも、露光時の回転鏡の角度を制御することにより、固体撮像カメラ９の二次元画像センサ上の輝線像による露光位置を正確に画素位置に合わせることができるので、合焦度計算の領域を最小限に縮小でき、本発明の効果である測定点の像位置の固定化による合焦度計算の短縮化を一層効率よく達成することができる。【００２３】  図７は図６の実施例２の構成で、発散光線束群２０−２を搆成するｎ個の発散する回折光線束２０−２−１、２０−２−２、２０−２−３、・・・、２０−２−ｎ−１、２０−２−ｎの配列を示す側面図である。２０−２−Ｔは、発散光線束群２０−２の照射により測定対象１上に生成する輝点列をドット列として示したもので、全体を破線の長楕円で囲んで示している。【００２４】  図８は前記輝点列を生ぜしめる離散的発散光線束群が反射型一次元回折格子板１９の回転により偏向を受けて移動しながら、一定の間隔で測定平面を照射するとき、その移動経路に生じる輝点列の位置を撮像システム光学系から見た立面図としてドット列でプロットしたものである。一部の輝点列は点線と破線で省略表現している。輝点像の合焦度の計算は図４について述べた計算法に準じて行うことができる。輝点像の中央の輝度値の大きさＩｉ，ｊを評価する方法、また図４では主に一次元の強度分布を対象としたが、輝点像の場合、二次元の強度分布を考慮して、左右、上下それぞれの隣接画素の輝度値の平均値と中央の値の差の２倍である２×（Ｉｉ，ｊ）−（Ｉｉ，ｊ−１）−（Ｉｉ，ｊ＋１）と２×（Ｉｉ，ｊ）−（Ｉｉ−１，ｊ）−（Ｉｉ＋１，ｊ）の絶対値和、強度の傾き（Ｉｉ，ｊ）−（Ｉｉ，ｊ−１）、（Ｉｉ，ｊ）−（Ｉｉ−１，ｊ）の絶対値和などを評価する方法がある。輝点像の中心が画素の中心と一致しない場合は、輝点像の重心を基準として合焦度の計算領域を定め合焦度計算を行うことができることは、図４の輝線列について述べた合焦度計算法と同様である。合焦度の計算は、ドット列の移動毎に毎回撮像し、その都度計算するか、全てのドット列の像を多重露光して二次元のドット列の画像を作成してから一枚の画像について一括して合焦度を計算することもできる。【００２５】  反射型一次元回折格子板１９を回転する代わりに、固定した反射型二次元回折格子板を用いれば、二次元の回折光による離散的発散光線束群の生成により図８と同様な二次元の輝点行列を一度に得ることができる。二次元回折格子板の作製法としては、レーザビームの照射を受けて二次元格子状の輝点行列を再生するホログラムを作製する方法がある。また時系列にはなるが、ガルバノミラー偏向器などの機械式偏向器、あるいは二酸化テルル結晶を用いた超音波光偏向器を二台組み合わせて、単一レーザビームから二次元の離散的発散光束群を完全な時系列として生成することもできる。いずれも二次元の離散的発散の中心は、撮像システムの投影中心の半透明鏡１３による鏡像の点に一致していなければならない。【００２６】  上記二つの実施例の説明を含め、本発明の開示のための記述において、本発明の作用効果を簡明に表現するため、三次元座標の原点として撮像システムの光軸上の基準点、特に透視投影の中心となる対物レンズ２の前側焦点Ｆの半透明鏡１３による鏡像の点を選択して説明したが、測定点の三次元座標の表現としては、その原点を任意に設定できることは座標変換の数理から当然であり、本発明の実施において三次元座標の原点の設定に原理的制約はない。
【産業上の利用可能性】
【００２７】  産業界では二台のカメラによるステレオ法が三次元座標測定方法として一般的である。しかし、欠点として、製品組立てのような物体が錯綜する近接作業空間においては、左右二眼のカメラのいずれかに視線が届かない物体の陰が生ずる（オクルージョンと称す）ことが多く、この場合、両眼立体視が成り立たない。また近接空間では左右のカメラの見る方向が互いに大きく異なるため、同一の物体表面でも左右の画像は異なる。そのため測定点の座標を三角測量で求める際に必要となる左右の画像上の対応する測定点の像点の検出に誤差が生じ易いという問題がある。左右のカメラ画像の像点の対応を容易にするために測定点を設定する線状光を測定対象に投影する方法（光切断法と呼ばれる）もあるが上記問題点の根本的解決にはなっていない。横倍率の大きな近接空間では焦点深度が浅く、ぼけによる画質劣化も測定精度低下の原因となる。合焦点法では、単一のカメラの視野に入る画像について画素毎に合焦度を評価して画素に対応する測定点の距離を決定するので、上記ステレオ法における問題は起こらない。また近接空間では被写界深度が浅く合焦点法に有利である。このように、ステレオ法に比べ、合焦点法には多くの利点があるものの、合焦度の計算量が大きいため、試験研究の手段として用いられるほかは、製造業など一般の産業分野の測定現場で用いる効率的な三次元座標測定方法としてはあまり普及していなかった。本発明によって、合焦点法による三次元座標測定の欠点である測定効率の低さの問題が解決し、電子、機械製造業、農業分野など産業の各分野で、画像による非接触で高精度の三次元形状測定技術として合焦点法の利点を生かした展開が期待される。
【符号の説明】
【００２８】１  測定平面上の測定対象
２  対物レンズ
３  測定対象の中間像
４  収束レンズ
５  開口絞り
６  凸レンズと凹レンズの対による可変焦点レンズ
７  収束レンズ
８  測定対象の実像
９  固体撮像カメラ
１０  レーザ光源
１０Ａ  レーザ光源
１１  円柱レンズ
１１１  光路変更用固定鏡
１１２ｄ  光路変更用平行移動鏡
１１２ｅ  光路変更用平行移動鏡１１２ｄが平行移動したときに占める位置の一例
１２  一次元回折格子板
１２Ｃ  コリメータレンズ
１３  半透明鏡
１３Ｃ  透明平行平面板
１４  レーザ光源の出力光
１４‐１  離散的発散光線束群の端部の発散光線束
１４‐３  離散的発散光線束群の端部の発散光線束
１４‐２  光軸を連続発散面に含む発散回折光
１４‐２ｄ  光軸を連続発散面に含む発散回折光
１４‐１‐Ｔ  発散光線束１４‐１が測定平面を照射して形成する輝線
１４‐２‐Ｔ  発散光線束１４‐２が測定平面を照射して形成する輝線
１４‐３‐Ｔ  発散光線束１４‐３が測定平面を照射して形成する輝線
１４‐２ｅ  照射範囲を発散面内で移動させられた光軸を発散面に含む発散回折光
１５  光軸に沿う主光線
１６  主光線
１７  主光線
１８  光路変更鏡
１９  回転する反射型一次元回折格子板
２０  レーザ光源１０の出力光
２０‐１  一次元回折格子板の回転で生じる発散光線束群
２０‐２  一次元回折格子板の回転で生じる発散光線束群
２０‐３  一次元回折格子板の回転で生じる発散光線束群
２０‐２‐１、２０‐２‐２、・・・、２０‐２‐ｎ  発散光線束群２０‐２を構成するｎ個の回折光線束
２０‐２‐Ｔ  発散光線束群２０‐２が測定平面を照射して形成する輝点列（破線の長楕円で囲まれたドット列で表示）
２１  凸の単レンズ
２２  凹の単レンズ
２３  凸の単レンズ２１の前側主平面
２４  凸の単レンズ２１の後側主平面
２５  凹の単レンズ２２の前側主平面
２６  凹の単レンズ２２の後側主平面
２７  光軸
２８  一つの輝線の像の強度分布の中心線
２９  輝線像の強度分布
【図１】
2012026998.tif 000003
【図２】
2012026998.tif 000004
【図３】
2012026998.tif 000005
【図４】
2012026998.tif 000006
【図５】
2012026998.tif 000007
【図６】
2012026998.tif 000008
【図７】
2012026998.tif 000009
【図８】
2012026998.tif 000010