(57)【要約】【課題】チャープ光の長さに依存することなく、奥行きの計測範囲を長くすることができる３次元形状測定装置を提供する。【解決手段】３次元形状測定装置１０は、波長が規則的に経時変化するチャープ光を生成して被測定物Ｗに対して照射するチャープ機器１６と、被測定物Ｗを反射した反射チャープ光を所定タイミングで所定期間切り出す複数のシャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃと、複数のシャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃにより切り出された反射チャープ光と前記複数のシャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃの位置情報とを用いて、被測定物Ｗの複数領域の３次元情報を取得する３次元情報取得部２６とを備え、複数のシャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、被測定物Ｗの基準位置に対して距離が異なるように設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が規則的に経時変化するチャープ光を生成して被測定物に対して照射するチャープ光生成手段と、
前記被測定物を反射した反射チャープ光を所定タイミングで所定期間切り出す複数のシャッタ手段と、
前記複数のシャッタ手段により切り出された前記反射チャープ光と、前記複数のシャッタ手段の位置情報とを用いて、前記被測定物の複数領域の３次元情報を取得する３次元情報取得手段と、
を備え、
前記複数のシャッタ手段は、前記被測定物の基準位置に対して距離が異なるように設けられている
ことを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の３次元形状測定装置であって、
前記複数のシャッタ手段は、入射された前記反射チャープ光の偏光方向を変える非線形媒質を用いて、前記反射チャープ光を切り出すものであり、
各前記シャッタ手段の非線形媒質の配置間隔が前記反射チャープ光の長さ以下となるように、前記複数のシャッタ手段が設けられている
ことを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の３次元形状測定装置であって、
前記複数のシャッタ手段は、光を切出す切出し条件が互いに異なる
ことを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の３次元形状測定装置であって、
前記切出し条件は、切り出す反射チャープ光の単位時間当たりの光量を含む
ことを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項５】
請求項３に記載の３次元形状測定装置であって、
前記チャープ光と同時に前記チャープ光の波長帯域以外のインデックス光を前記被測定物に対して照射するインデックス光照射手段を備え、
前記複数のシャッタ手段は、前記被測定物を反射した前記反射チャープ光及び前記インデックス光を前記所定タイミングで前記所定の期間切り出し、
前記切出し条件は、切り出す前記インデックス光の波長帯域を含む
ことを特徴とする３次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被測定物（例えば、ワーク）の３次元情報を測定する方法として、下記に示す特許文献１に記載されているように、波長が規則的に経時変化するチャープ光を被測定物に照射してその反射光を所定タイミングで切り出して撮像することで、３次元情報を計測する方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２５００３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１１は、従来技術の３次元形状測定装置の課題を示す図であり、前記所定タイミングにおける反射光の状態を示す図である。被測定物１０２は、奥行きが異なる測定領域Ｘと測定領域Ｙとを有し、測定領域Ｘは測定領域Ｙに比べシャッタ部１００側にある。被測定物１０２の測定領域Ｘによって反射されたチャープ光は、前記所定タイミング時にシャッタ部１００に到達しているため、シャッタ部１００は、測定領域Ｘによって反射されたチャープ光を切り出すことができる。この切り出されたチャープ光は、撮像部１０４によって撮像されるので、測定領域Ｘの３次元情報を得ることができる。
【０００５】
しかしながら、測定領域Ｘよりシャッタ部１００から遠い位置にある被測定物１０２の測定領域Ｙによって反射されたチャープ光は、前記所定タイミング時にシャッタ部１００に到達していないため、シャッタ部１００は、測定領域Ｙからの反射光を切り出すことができず、測定領域Ｙの３次元情報を得ることができない。
【０００６】
逆に、測定領域Ｙによって反射されたチャープ光がシャッタ部１００に到達しているタイミングでチャープ光を切り出そうとすると、測定領域Ｘによって反射されたチャープ光は、シャッタ部１００を通過してしまい、測定領域Ｘによって反射されたチャープ光を切り出すことができない。
【０００７】
このように、測定領域Ｘと測定領域Ｙの距離差が、チャープ光の長さの１／２以上の場合は、どちらか一方の測定領域の３次元情報しか得ることができない。つまり、被測定物１０２の奥行きの計測範囲は、チャープ光の長さに依存し、前記奥行きの計測範囲より奥行きがある被測定物の３次元情報を１回の計測で得ることができない。
【０００８】
そこで、本発明は、係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、チャープ光の長さに依存することなく、奥行きの計測範囲を長くすることができる３次元形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、波長が規則的に経時変化するチャープ光を生成して被測定物に対して照射するチャープ光生成手段と、前記被測定物を反射した反射チャープ光を所定タイミングで所定期間切り出す複数のシャッタ手段と、前記複数のシャッタ手段により切り出された前記反射チャープ光と、前記複数のシャッタ手段の位置情報とを用いて、前記被測定物の複数領域の３次元情報を取得する３次元情報取得手段と、を備え、前記複数のシャッタ手段は、前記被測定物の基準位置に対して距離が異なるように設けられていることを特徴とする。
【００１０】
前記複数のシャッタ手段は、入射された前記反射チャープ光の偏光方向を変える非線形媒質を用いて、前記反射チャープ光を切り出すものであり、各前記シャッタ手段の非線形媒質の配置間隔が前記反射チャープ光の長さ以下となるように、前記複数のシャッタ手段が設けられている。
【００１１】
前記複数のシャッタ手段は、光を切出す切出し条件が互いに異なる。
【００１２】
前記切出し条件は、切り出す反射チャープ光の単位時間当たりの光量を含んでもよい。
【００１３】
前記チャープ光と同時に前記チャープ光の波長帯域以外のインデックス光を前記被測定物に対して照射するインデックス光照射手段を備えてもよく、前記複数のシャッタ手段は、前記被測定物を反射した前記反射チャープ光及び前記インデックス光を前記所定タイミングで前記所定の期間切り出し、前記切出し条件は、切り出す前記インデックス光の波長帯域を含んでもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、波長が規則的に経時変化するチャープ光を生成して被測定物に対して照射するチャープ光生成手段と、前記被測定物を反射した反射チャープ光を所定タイミングで所定期間切り出す複数のシャッタ手段と、前記複数のシャッタ手段により切り出された前記反射チャープ光と、前記複数のシャッタ手段の位置情報とを用いて、前記被測定物の複数領域の３次元情報を取得する３次元情報取得手段とを備え、前記複数のシャッタ手段は、前記被測定物の基準位置に対して距離が異なるように設けられているので、チャープ光の長さに依存することなく、奥行きの計測範囲を長くすることができる。
【００１５】
複数のシャッタ手段は、光を切り出す切り出し条件が互いに異なるので、複数のシャッタ手段により切り出される光を撮像する撮像部の数を少なくすることができ、コストが低廉になり、３次元形状測定装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１実施の形態の３次元形状測定装置の全体構成図である。
【図２】図１のシャッタ部の構成を示す図である。
【図３】第１実施の形態の所定タイミング時における反射チャープ光の状態を示す図である。
【図４】第２実施の形態の３次元形状測定装置の全体構成図である。
【図５】第２実施の形態の所定タイミング時における反射チャープ光の状態を示す図である。
【図６】第３実施の形態の３次元形状測定装置の全体構成図である。
【図７】３つの撮像素子を有し、インデックス光を撮像する撮像部の構成の一例を示す図である。
【図８】１つの撮像素子を有し、インデックス光を撮像する撮像部に設けられるフィルタ部の構成を示す図である。
【図９】図６のシャッタ部の構成を示す図である。
【図１０】第３実施の形態の所定タイミング時における反射チャープ光の状態を示す図である。
【図１１】従来技術の３次元形状測定装置の課題を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
発明に係る３次元形状測定装置を、好適な実施の形態を掲げ添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。
【００１８】
［第１実施の形態］
図１は、第１実施の形態の３次元形状測定装置１０の全体構成図である。３次元形状測定装置１０は、レーザ装置１２と、ビームスプリッタ１４と、チャープ機器１６と、拡大光学系１８と、集光光学系２０と、複数のシャッタ部２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）と、シャッタ駆動制御部２４と、３次元情報取得部２６と、を備える。
【００１９】
レーザ装置１２は、パルスのレーザ光（以下、パルス光という）を発生して、チャープ機器（チャープ光生成手段）１６に照射する。レーザ装置１２が照射するパルス光は、高エネルギーのパルス光である。
【００２０】
ビームスプリッタ１４は、レーザ装置１２とチャープ機器１６との間に介装されており、レーザ装置１２が照射したパルス光の一部を透過し、残部を反射する。ビームスプリッタ１４を透過したパルス光はチャープ機器１６に入射され、ビームスプリッタ１４を反射したパルス光は、シャッタ駆動制御部２４に入射される。
【００２１】
チャープ機器１６は、入射したパルス光を、波長が規則的に経時変化するチャープ光に変換し、拡大光学系１８を介して被測定物Ｗに該チャープ光を照射する。つまり、チャープ機器１６は、自己位相変調によりパルス光をチャープ光に変換する。拡大光学系１８は、チャープ機器１６から被測定物Ｗに対して照射されるチャープ光を拡大させるものである。
【００２２】
集光光学系２０は、被測定物Ｗからの反射したチャープ光（以下、反射チャープ光と呼ぶ）を、集光させてシャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃに照射する。
【００２３】
シャッタ駆動制御部２４は、入射されたパルス光のタイミングに基づいて、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃに入射されたチャープ光を切り出すタイミング（所定タイミング）及び切り出し期間（所定期間）を制御する。詳しくは、シャッタ駆動制御部２４は、所定タイミングでシャッタリング光をシャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃに所定期間照射する。
【００２４】
シャッタ部（シャッタ手段）２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、被測定物Ｗの基準位置（例えば、被測定物Ｗの重心）に対して距離が異なるようにそれぞれ設けられている。詳しくは、シャッタ部２２ａは、被測定物Ｗに対して最も近い位置に設けられ、シャッタ部２２ｃは、被測定物Ｗに対して最も遠い位置に設けられ、シャッタ部２２ｂは、シャッタ部２２ａとシャッタ部２２ｃとの中間の位置に設けられている。シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、シャッタ駆動制御部２４により制御された所定タイミングで、入射された反射チャープ光を所定期間だけ切り出す。詳しくは、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、シャッタリング光が入射された期間だけ入射された反射チャープ光を切り出す。シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃによって切り出された反射チャープ光は、３次元情報取得部２６にそれぞれ入射する。シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃの構成については後述する。
【００２５】
３次元情報取得部（３次元情報取得手段）２６は、複数の撮像部３０（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）と、画像処理部３２とを有する。撮像部３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃが切り出した反射チャープ光を撮像する。詳しくは、撮像部３０ａは、シャッタ部２２ａが切り出した反射チャープ光を撮像し、撮像部３０ｂは、シャッタ部２２ｂが切り出した反射チャープ光を撮像し、撮像部３０ｃは、シャッタ部２２ｃが切り出した反射チャープ光を撮像する。なお、撮像部３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、撮像素子と、チャープ光の波長帯域に含まれ、且つ、互いに異なる波長帯域の光を透過する複数のフィルタを有するフィルタ部とを有し（図示略）、複数の波長帯域の光をそれぞれ撮像する。撮像部３０ａ、３０ｂ、３０ｃがそれぞれ有する前記複数のフィルタが透過する波長帯域は、互いに完全に重複していなければよく、一部が重複していてもよい。
【００２６】
撮像部３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、撮像した画像を画像処理部３２に出力し、画像処理部３２は、撮像された画像に基づいて、被測定物Ｗのそれぞれの領域の３次元情報を求めて取得する。
【００２７】
図２は、図１のシャッタ部２２ａの構成を示す図である。なお、シャッタ部２２ｂ、２２ｃは、シャッタ部２２ａと同様の構成なのでシャッタ部２２ａのみ説明する。シャッタ部２２ａは、偏光フィルタ４０と、非線形媒質（非線形光学素子）４２と、偏光ビームスプリッタ４４とを有する。
【００２８】
偏光フィルタ４０は、入射した反射チャープ光のうち、第１偏光方向（第１偏光状態）の反射チャープ光を透過し、それ以外の反射チャープ光を遮蔽する。偏光フィルタ４０を透過した反射チャープ光は、第１偏光方向に偏光した直線偏光の反射チャープ光となる。
【００２９】
非線形媒質４２は、ＣＳ2、ＳｒＴｉＯ3等からなるものであり、シャッタ駆動制御部２４から照射されたシャッタリング光が入射された期間に、入射された反射チャープ光の偏光状態を変化させる。詳しくは、シャッタリング光が入射された期間だけ、入射された第１偏光方向の反射チャープ光を、第２偏光方向（第２偏光状態）の反射チャープ光に変化させる。
【００３０】
偏光ビームスプリッタ４４は、第１偏光方向の光を透過し、第２偏光方向の光を反射させる。この第１偏光方向と第２偏光方向とは互いに直交している。偏光ビームスプリッタ４４を透過した光は、後続のシャッタ部２２ｂに入射され、偏光ビームスプリッタ４４によって反射された反射チャープ光は、撮像部３０ａによって撮像される。このように、シャッタ部２２ａは、入射された反射チャープ光を所定タイミングで所定期間切り出すことができ、反射チャープ光を切り出さない間は、入射された反射チャープ光をそのまま透過させる。シャッタ部２２ａを透過した光は、シャッタ部２２ｂに入射し、シャッタ部２２ｂを透過した光はシャッタ部２２ｃに入射する。
【００３１】
なお、シャッタ部２２ａの非線形媒質４２、シャッタ部２２ｂの非線形媒質４２、及びシャッタ部２２ｃの非線形媒質４２の配置間隔は、チャープ光（反射チャープ光）の長さ以下であることが好ましい。前記配置間隔がチャープ光の長さより長いと、計測できない領域が発生する可能性があるからである。
【００３２】
図３は、所定タイミング時における反射チャープ光の状態を示す図である。なお、図３では、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃの非線形媒質４２、４２、４２の配置間隔ｋは、チャープ光と同じ長さである。被測定物Ｗは、奥行きが異なる３つの測定領域（測定領域Ａ、Ｂ、Ｃ）を有する。
【００３３】
被測定物Ｗの測定領域Ａからの反射チャープ光は、所定タイミング時にシャッタ部２２ｃの非線形媒質４２に到達しているため、測定領域Ａからの反射チャープ光はシャッタ部２２ｃによって切り出され、撮像部３０ｃによって撮像される。また、被測定物Ｗの測定領域Ｂからの反射チャープ光は、所定タイミング時にシャッタ部２２ｂの非線形媒質４２に到達しているため、測定領域Ｂからの反射チャープ光はシャッタ部２２ｂによって切り出され、撮像部３０ｂによって撮像される。また、被測定物Ｗの測定領域Ｃからの反射チャープ光は、所定タイミング時にシャッタ部２２ａの非線形媒質４２に到達しているため、測定領域Ｃからの反射チャープ光はシャッタ部２２ａによって切り出され、撮像部３０ａによって撮像される。
【００３４】
このように、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃを被測定物Ｗに対して互いに距離が異なるように設けるので、チャープ光の長さに依存することなく、奥行きの計測範囲を長くすることができる。
【００３５】
そして、画像処理部３２は、撮像部３０ａ、３０ｂ、３０ｃが撮像した画像に基づいて、測定領域Ａ、Ｂ、Ｃの３次元情報を求める。この３次元情報の求め方は周知技術なので詳しくは説明しないが、撮像した反射チャープ光の波長によって被測定物Ｗの３次元情報を求める。ここで、単に、撮像部３０ａ、３０ｂ、３０ｃによって撮像された画像の各画素の波長情報によって３次元情報を求めてしまうと、正確な３次元情報を得ることができない。
【００３６】
例えば、撮像部３０ａ、３０ｂ、３０ｃが撮像した画像の波長が同一の場合は、求めた測定領域Ａ、Ｂ、Ｃの３次元情報は同一、つまり、測定領域Ａ、Ｂ、Ｃの奥行きは同じとなってしまう。したがって、画像処理部３２は、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃの位置情報（配置位置）も考慮して、測定領域Ａ、Ｂ、Ｃの３次元情報を求める。例えば、撮像部３０ａ、３０ｂ、３０ｃが撮像した画像の波長が同一の場合は、撮像部３０ｂが撮像した被写体（測定領域Ｂ）の３次元情報は、撮像部３０ｃが撮像した被写体（測定領域Ａ）よりシャッタ部２２ｃとシャッタ部２２ｂの配置間隔だけ奥まった位置にあり、撮像部３０ａが撮像した被写体（測定領域Ｃ）の３次元情報は、撮像部３０ｂが撮像した被写体（測定領域Ｂ）よりシャッタ部２２ｂとシャッタ部２２ａの配置間隔だけ奥まった位置にあると求めることになる。
【００３７】
［第２実施の形態］
図４は、第２実施の形態の３次元形状測定装置５０の全体構成図である。なお、図１と同様の構成のものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３８】
３次元形状測定装置５０は、レーザ装置１２と、ビームスプリッタ１４と、チャープ機器１６と、拡大光学系１８と、集光光学系２０と、複数のシャッタ部２２（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ）と、シャッタ駆動制御部２４と、ミラー５２と、ビームスプリッタ５４、５６と、３次元情報取得部５８とを備える。
【００３９】
ミラー５２は、シャッタ部２２ａが切り出した反射チャープ光を反射させ、ビームスプリッタ５４に照射する。ビームスプリッタ５４は、シャッタ部２２ｂが切り出した反射チャープ光を反射させるとともに、ミラー５２が反射した反射チャープ光を透過させる。ビームスプリッタ５６は、シャッタ部２２ｃが切り出した反射チャープ光を反射させるとともに、ビームスプリッタ５４から入射した光を透過する。ビームスプリッタ５６からの反射チャープ光は３次元情報取得部５８に入射する。
【００４０】
３次元情報取得部（３次元情報取得手段）５８は、２つの撮像部６０（６０ａ、６０ｂ）と、画像処理部６２とを有する。撮像部６０ａは、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃを全て透過した反射チャープ光を撮像し、撮像部６０ｂは、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃがそれぞれ切り出した反射チャープ光を撮像する。撮像部６０ａ、６０ｂは、撮像素子と、チャープ光の波長帯域に含まれ、且つ、互いに異なる波長帯域の光を透過する複数のフィルタを有するフィルタ部とを有し、複数の波長帯域の光をそれぞれ撮像する。撮像部３０ａ、３０ｂ、３０ｃがそれぞれ有する前記複数のフィルタが透過する波長帯域は、互いに完全に重複していなければよく、一部が重複していてもよい。
【００４１】
撮像部６０ａ、６０ｂは撮像した画像を画像処理部６２に出力し、画像処理部６２は、撮像された画像に基づいて、被測定物Ｗの各測定領域の３次元情報を求めて取得する。このとき、画像処理部６２は、各シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃの位置情報も考慮して、被測定物Ｗの各測定領域の３次元情報を求めて取得する。
【００４２】
第２実施の形態では、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃの反射チャープ光の切出し条件が異なる。詳しくは、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃが切り出す反射チャープ光の単位時間当たりの光量（光の強度）は、それぞれ異なる。
【００４３】
具体的には、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃの非線形媒質４２、４２、４２の透過率が異なる。例えば、シャッタ部２２ａの非線形媒質４２の透過率を１００％、シャッタ部２２ｂの非線形媒質４２の透過率を８０％、シャッタ部２２ｃの非線形媒質４２の透過率を６０％とする。この場合は、シャッタ部２２ａによって切り出される反射チャープ光の単位時間当たりの光量を１とすると、シャッタ部２２ｂが切り出す光の単位時間当たりの光量は、０．８となり、シャッタ部２２ｃが切り出す光の単位時間当たりの光量は、０．８×０．６＝０．４８となる。
【００４４】
また、例えば、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃの非線形媒質４２、４２、４２の透過率をそれぞれ８０％とし、シャッタ部２２ａによって切り出される反射チャープ光の単位時間当たりの光量を１とすると、シャッタ部２２ｂによって切り出される反射チャープ光の単位時間当たりの光量は、０．８となり、シャッタ部２２ｃが切り出す光の単位時間当たりの光量は、０．８×０．８＝０．６４となる。
【００４５】
なお、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、減光（ＮＤ）フィルタを用いて、切り出す反射チャープ光の単位時間当たりの光量を変えるようにしてもよい。この場合、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃの非線形媒質４２と偏光ビームスプリッタ４４との間にＮＤフィルタを設けてもよい。また、シャッタ部２２に照射するシャッタリング光の強度を変えることで光量を変えてもよい。
【００４６】
図５は、第２実施の形態の所定タイミング時における反射チャープ光の状態を示す図である。なお、図５では、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃの非線形媒質４２、４２、４２の配置間隔ｋは、チャープ光と同じ長さである。
【００４７】
図３と同様に、被測定物Ｗの測定領域Ａからの反射チャープ光は、所定タイミング時にシャッタ部２２ｃの非線形媒質４２に到達しているため、測定領域Ａからの反射チャープ光はシャッタ部２２ｃによって切り出される。被測定物Ｗの測定領域Ｂからの反射チャープ光は、所定タイミング時にシャッタ部２２ｂの非線形媒質４２に到達しているため、測定領域Ｂからの反射チャープ光はシャッタ部２２ｂによって切り出さる。測定領域Ｃからの反射チャープ光はシャッタ部２２ａの非線形媒質４２に到達しているため、測定領域Ｃからの反射チャープ光はシャッタ部２２ａによって切り出される。所定タイミングで、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃが切り出した反射チャープ光は、ミラー５２、ビームスプリッタ５４、５６を介して撮像部６０ｂによって撮像される。
【００４８】
一方で、所定タイミング前（シャッタリング光が照射される前）又は所定タイミングから所定期間経過後（シャッタリング光の照射が終了した後）の反射チャープ光は、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃの全てを透過し、該透過した反射チャープ光は撮像部６０ａによって撮像される。この場合、撮像部６０ａに入射する反射チャープ光は、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃの全てを透過するので、撮像部６０ａの各画素に入射する反射チャープ光の単位時間当たりの光量は、シャッタ部２２ｃによって切り出されて撮像部６０ａの各画素に入射する反射チャープ光の単位時間当たりの光量と同じとなる。この撮像部６０ａが撮像した画像に基づいて求めた単位時間当たりの光量を基準光量とする。
【００４９】
画像処理部６２は、この基準光量を用いて、撮像部６０ｂによって撮像された画像のうち、どの画素（領域）にどのシャッタ部２２によって切り出された反射チャープ光が入射したか否かを特定する。例えば、画像処理部６２は、撮像部６０ｂが撮像した画像に基づいて、各画素における単位時間当たりの光量を求め、該求めた単位時間当たりの光量が基準光量と略一致する画素をシャッタ部２２ｃによって切り出された反射チャープ光が入射した画素であると特定する。また、画像処理部６２は、シャッタ部２２ｃ、２２ｂが切り出す光量比（シャッタ部２２ｃ、２２ｂに入射する光量と出力する光量との比、つまり、シャッタ部２２ｃ、２２ｂの非線形媒質４２の透過率）と基準光量とに基づいて、シャッタ部２２ｂ、２２ａによって切り出された反射チャープ光が入射した画素（領域）をそれぞれ特定する。
【００５０】
例えば、シャッタ部２２ａの非線形媒質４２の透過率が１００％、シャッタ部２２ｂの非線形媒質４２の透過率が８０％、シャッタ部２２ｃの非線形媒質４２の透過率が６０％とし、シャッタ部２２ａによって切り出され撮像部６０ｂの各画素に入射した反射チャープ光の単位時間当たりの光量を１とした場合、シャッタ部２２ｂによって切り出され撮像部６０ｂの各画素に入射した反射チャープ光の単位時間当たりの光量は０．８となり、シャッタ部２２ｃによって切り出され撮像部６０ｂの各画素に入射した反射チャープ光の単位時間当たりの光量は０．４８となり、基準光量も０．４８となる。
【００５１】
したがって、単位時間当たりの光量が基準光量（０．４８）と同一の画素をシャッタ部２２ｃによって切り出された反射チャープ光が入射した画素と特定する。また、単位時間当たりの光量が、基準光量をシャッタ部２２ｃが切り出す光量比（０．６）で除算した光量（０．８）と同一の画素をシャッタ部２２ｂによって切り出された反射チャープ光が入射した画素と特定する。また、単位時間当たりの光量が、基準光量をシャッタ部２２ｃが切り出す光量比（０．６）及びシャッタ部２２ｂが切り出す光量比（０．８）で除算した光量（１）と同一の画素をシャッタ部２２ａによって切り出された反射チャープ光が入射した画素と特定する。
【００５２】
画像処理部６２は、撮像部６０ｂが撮像した画像の各画素の波長と、各画素に入射した反射チャープ光を切り出したシャッタ部２２の位置情報に基づいて、被測定物Ｗのそれぞれの領域の３次元情報を求める。
【００５３】
このように、各シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃが切り出す反射チャープ光の単位時間当たりの光量を変えることで、１つの撮像部６０ｂで、各シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃが所定タイミングで切り出した反射チャープ光を撮像した場合であっても、各シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃが切り出した反射チャープ光がどの画素に入射したかを特定することでき、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃの位置情報を考慮して、被測定物Ｗのそれぞれ領域の３次元情報を得ることができる。
【００５４】
また、第１実施の形態では、シャッタ部２２の数に応じて、撮像部６０を設ける必要があるが、第２実施の形態では、２つの撮像部６０で済むことからコストが低廉になる。なお、第２実施の形態では、シャッタ部２２ａ、２２ｂ、２２ｃを透過した反射チャープ光を撮像する撮像部６０ａを設けるようにしたが、反射チャープ光の光量又は強度が安定している場合においては、撮像部６０ａは、必ずしも必須ではない。この場合は、撮像部６０ｂが撮像した画像の各画素の光量に基づいて、各画素に入射した反射チャープ光を切り出したシャッタ部２２を特定する。
【００５５】
［第３実施の形態］
図６は、第３実施の形態の３次元形状測定装置７０の全体構成図である。なお、図１、図４と同様の構成のものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５６】
３次元形状測定装置７０は、レーザ装置１２と、ビームスプリッタ１４と、チャープ機器１６と、拡大光学系１８と、集光光学系２０と、シャッタ駆動制御部２４と、ミラー５２と、ビームスプリッタ５４、５６とを備え、さらに、インデックス光照射装置７２と、複数のシャッタ部７４（７４ａ、７４ｂ、７４ｃ）と、ビームスプリッタ７６と、３次元情報取得部８０と備える。
【００５７】
インデックス光照射装置（インデックス光照射手段）７２は、少なくともチャープ光が被測定物に対して照射されている期間、拡大光学系１８を介してインデックス光を被測定物Ｗに対して照射する。インデックス光は、チャープ光が含まれない波長帯域の光であり、インデックス光の波長帯域をインデックス波長帯域と呼ぶ。このインデックス光照射装置７２を備えることにより、被測定物Ｗからの反射光は、反射チャープ光とインデックス光とを有することになり、集光光学系２０を介して、反射チャープ光とインデックス光とがシャッタ部７４ａ、７４ｂ、７４ｃにそれぞれ入射する。
【００５８】
シャッタ部（シャッタ手段）７４ａ、７４ｂ、７４ｃは、入射した反射チャープ光及びインデックス光を所定タイミングで所定期間切り出すとともに、所定タイミング前（シャッタリング光が照射される前）又は所定タイミングから所定期間経過後（シャッタリング光の照射が終了した後）に入射した反射チャープ光を透過させる。シャッタ部７４ａ、７４ｂ、７４ｃは、光を切り出す切出し条件が互いに異なる。シャッタ部７４ａ、７４ｂ、７４ｃの構成については後述する。
【００５９】
ビームスプリッタ７６は、所定タイミングでシャッタ部７４ａ、７４ｂ、７４ｃが切り出した反射チャープ光及びインデックス光のうち、インデックス光を透過し、反射チャープ光を反射する。ビームスプリッタ７６を透過したインデックス光は３次元情報取得部８０に入射する。ビームスプリッタ７６が反射した反射チャープ光は、３次元情報取得部８０に入射する。
【００６０】
３次元情報取得部（３次元情報取得手段）８０は、撮像部８２ａ、８２ｂと、画像処理部８４とを有する。撮像部８２ａは、図７に示すように、インデックス光を３つの光に分光して、撮像素子８６ａ、８６ｂ、８６ｃにそれぞれ入射させるプリズム８８と、撮像素子８６ａ、８６ｂ、８６ｃ側に設けられた光学フィルタ９０ａ、９０ｂ、９０ｃとを有する。
【００６１】
光学フィルタ９０ａ（以下、第１光学フィルタ９０ａという）は、第１波長帯域の光を透過するフィルタであり、光学フィルタ９０ｂ（以下、第２光学フィルタ９０ｂという）は、第２波長帯域の光を透過するフィルタであり、光学フィルタ９０ｃ（以下、第３光学フィルタ９０ｃという）は、第３波長帯域の光を透過するフィルタである。第１〜第３波長帯域は、インデックス波長帯域に含まれる波長帯域であり、且つ、互いに重複しない。
【００６２】
プリズム８８によって３つに分光された光は、光学フィルタ９０ａ、９０ｂ、９０ｃを介して、それぞれ撮像素子８６ａ、８６ｂ、８６ｃに入射する。これにより、撮像素子８６ａは、第１波長帯域のインデックス光を撮像し、撮像素子８６ｂは、第２波長帯域のインデックス光を撮像し、撮像素子８６ｃは、第３波長帯域のインデックス光を撮像することになる。
【００６３】
撮像部８２ｂは、撮像素子と、チャープ光の波長帯域に含まれ、且つ、互いに異なる波長帯域の光を透過する複数のフィルタを有するフィルタ部とを有し、複数の波長帯域の光をそれぞれ撮像する。撮像部８２ｂが有する前記複数のフィルタが透過する波長帯域は、互いに完全に重複していなければよく、一部が重複していてもよい。
【００６４】
なお、撮像素子を３つ用いる場合について説明したが、１つの撮像素子を用いて撮像部８２ａを構成してもよい。この場合は、撮像部８２ａは、図８に示すように、第１波長帯域の光を透過する複数の第１光学フィルタ９０ａと、第２波長帯域の光を透過する複数の第２光学フィルタ９０ｂと、第３波長帯域の光を透過する複数の第３光学フィルタ９０ｃと、第４波長帯域の光を透過する第４光学フィルタ９０ｄとが規則的に配列されたフィルタ部９２を備える。この第４波長帯域は、第１〜第３波長帯域とは異なる波長帯域であり、第１〜第３波長帯域と一部重複していてもよい。
【００６５】
該フィルタ部９２を透過した光が撮像部８２ａの撮像素子に入射する。この各第１光学フィルタ９０ａ、第２光学フィルタ９０ｂ、第３光学フィルタ９０ｃ、及び第４光学フィルタ９０ｄは、撮像部８２ａの撮像素子の各画素に対応して設けられている。例えば、１つの第１光学フィルタ９０ａを透過したインデックス光は、１つの画素によって撮像される。
【００６６】
図９は、第３実施の形態のシャッタ部７４ａの構成を示す図である。シャッタ部７４ｂ、７４ｃは、シャッタ部７４ａと同様の構成なので、シャッタ部７４ａのみ説明する。なお、図２と同様の構成のものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６７】
シャッタ部７４ａは、偏光フィルタ４０と、非線形媒質４２と、偏光ビームスプリッタ４４と、バンドパスフィルタ９０とを有する。バンドパスフィルタ９０は、予め決められた波長帯域の光を透過するものであり、チャープ光と、前記インデックス波長帯域の一部の波長帯域の光を透過する。バンドパスフィルタ９０には、偏光ビームスプリッタ４４によって反射された第２偏光方向の反射チャープ光及びインデックス光が入射する。
【００６８】
シャッタ部７４ａのバンドパスフィルタ９０と、シャッタ部７４ｂのバンドパスフィルタ９０と、シャッタ部７４ｃのバンドパスフィルタ９０とは、インデックス光を透過するが、透過させるインデックス光の波長帯域が異なる。詳しくは、シャッタ部７４ａのバンドパスフィルタ９０は、反射チャープ光と前記第１波長帯域のインデックス光を透過し、シャッタ部７４ｂのバンドパスフィルタ９０は、反射チャープ光と前記第２波長帯域のインデックス光を透過し、シャッタ部７４ｃのバンドパスフィルタ９０は、反射チャープ光と前記第３波長帯域のインデックス光を透過する。これにより、各シャッタ部７４ａ、７４ｂ、７４ｃによって反射チャープ光が切り出されると共に、各シャッタ部７４固有の波長帯域のインデックス光が切り出される。このように、各シャッタ部７４は、入射したインデックス光の切出し条件が互いに異なる。
【００６９】
図１０は、第３実施の形態の所定タイミング時における反射チャープ光の状態を示す図である。なお、図１０では、シャッタ部７４ａ、７４ｂ、７４ｃの非線形媒質４２、４２、４２の配置間隔ｋは、チャープ光と同じ長さであり、インデックス光については図示を省略している。
【００７０】
図３と同様に、被測定物Ｗの測定領域Ａからの反射チャープ光及びインデックス光は、所定タイミング時にシャッタ部７４ｃの非線形媒質４２に到達しているため、測定領域Ａからの反射チャープ光及びインデックス光はシャッタ部７４ｃによって切り出される。被測定物Ｗの測定領域Ｂからの反射チャープ光及びインデックス光は、所定タイミング時にシャッタ部７４ｂの非線形媒質４２に到達しているため、測定領域Ｂからの反射チャープ光及びインデックス光はシャッタ部７４ｂによって切り出さる。測定領域Ｃからの反射チャープ光及びインデックス光はシャッタ部７４ａの非線形媒質４２に到達しているため、測定領域Ｃからの反射チャープ光及びインデックス光はシャッタ部７４ａによって切り出される。所定タイミングで、シャッタ部７４ａ、７４ｂ、７４ｃが切り出した反射チャープ光及びインデックス光は、ミラー５２、ビームスプリッタ５４、５６を介してビームスプリッタ７６に入射する。なお、シャッタ部７４ａによって切り出されるインデックス光は第１波長帯域の光であり、シャッタ部７４ｂによって切り出されるインデックス光は第２波長帯域の光であり、シャッタ部７４ｃによって切り出されるインデックス光は第３波長帯域の光である。
【００７１】
ビームスプリッタ７６に入射した反射チャープ光及びインデックス光のうち、インデックス光は、ビームスプリッタ７６を透過するので撮像部８２ａによって撮像され、反射チャープ光は、ビームスプリッタ７６を反射して撮像部８２ｂによって撮像される。
【００７２】
画像処理部８４は、撮像部８２ａ、８２ｂが撮像した画像に基づいて、被測定物Ｗの３次元情報を求める。画像処理部８４は、撮像部８２ａが撮像した画像に基づいて、シャッタ部７４ａ、７４ｂ、７４ｂによって切り出されたインデックス光がどの画素に入射したかを特定する。撮像部８２ａは第１光学フィルタ９０ａ、第２光学フィルタ９０ｂ、第３光学フィルタ９０ｃ、及び第４光学フィルタ９０ｄを有するので、撮像部８２ｂのどの画素にどのシャッタ部７４によって切り出された反射チャープ光が入射したかを特定することができる。なお、図８に示すようなフィルタ部９２を用いる場合は、さらに、反射チャープ光及び第４波長帯域のインデックス光を切り出すシャッタ部（第４のシャッタ部）７４を設けるようにしてもよい。
【００７３】
例えば、撮像部８２ａが１つの撮像素子と図８に示すフィルタ部９２とから構成される場合は、シャッタ部７４ａによって切り出されたインデックス光は第１光学フィルタ９０ａに対応する画素によって撮像されるので容易に特定できる。そして、撮像部８２ａが撮像した画像と撮像部８２ｂが撮像した画像との対応関係を用いて、画像処理部８４は、撮像部８２ｂの各画素にどのシャッタ部７４によって切り出された反射チャープ光が入射したのかを特定することができる。なお、撮像部８２ａを図７に示す構成にした場合であっても、同様の手法により撮像部８２ｂの各画素にどのシャッタ部７４によって切り出された反射チャープ光が入射したのかを特定することができる。
【００７４】
画像処理部８４は、撮像部８２ｂによって撮像された画像に基づいて、被測定物Ｗの３次元情報を求める。詳しくは、シャッタ部７４の位置情報を考慮して撮像部８２ｂの各画素が撮像した波長から被測定物Ｗの３次元情報を求める。ここで、撮像部８２ｂには、シャッタ部７４ａ、７４ｂ、７４ｃによって切り出された反射チャープ光が入射するので、単に撮像した画像の波長に基づいて被測定物Ｗの３次元情報を求めてしまうと、正確な被測定物Ｗの３次元情報を得ることはできない。したがって、画像処理部８４は、撮像部８２ｂが撮像した各画素の波長と、各画素に入射された反射チャープ光を切り出したシャッタ部７４の位置情報とに基づいて、被測定物の３次元情報を求める。
【００７５】
このように、インデックス光を照射し、シャッタ部７４ａ、７４ｂ、７４ｃが切り出すインデックス光の波長帯域を異ならせ、シャッタ部７４ａ、７４ｂ、７４ｃが切り出したインデックス光を撮像部８２ａで撮像し、シャッタ部７４ａ、７４ｂ、７４ｃが切り出した反射チャープ光を撮像部８２ｂで撮像するので、各シャッタ部７４ａ、７４ｂ、７４ｃが切り出した反射チャープ光が撮像部８２ｂのどの画素に入射したかを特定することができ、シャッタ部７４ａ、７４ｂ、７４ｃの位置情報を考慮して、被測定物Ｗのそれぞれの領域の３次元情報を得ることができる。
【００７６】
また、第１実施の形態では、シャッタ部２２の数に応じて、撮像部６０を設ける必要があるが、第３実施の形態では、２つの撮像部６０で済むことからコストが低廉になる。さらに、第２実施の形態では、シャッタ部２２ａ、２２ａ、２２ｃが切り出す反射チャープ光の単位時間当たりの光量を減衰させたが、第３実施の形態では、切り出す反射チャープ光の単位時間当たりの光量を減衰させる必要がないので、被測定物Ｗの３次元情報の測定精度を向上させることができる。
【００７７】
なお、上記各実施の形態では、また、各シャッタ部２２、７４に偏光フィルタ４０を設けるようにしたが、集光光学系２０とシャッタ部２２ａ、７４ａとの間に偏光フィルタを設けるようにしてもよい。これにより、各シャッタ部２２、７４は、偏光フィルタ４０を備える必要はなく、コストが低廉になる。
【００７８】
また、第１〜第３実施の形態では、３つのシャッタ部２２、７４を有する３次元形状測定装置１０、５０、７０を用いて説明したが、測定したい奥行きの計測範囲に応じて、シャッタ部２２、７４の数を設ければよく、シャッタ部２２、７４の数は３つに限られない。撮像部３０、６０、８２は、シャッタ部２２、７４の数に応じて設けられる。
【００７９】
以上、本発明について好適な実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００８０】
１０、５０、７０…３次元形状測定装置
１２…レーザ装置                  １６…チャープ機器
２２、７４…シャッタ部            ２４…シャッタ駆動制御部
２６、５８、８０…３次元情報取得部
３０、６０、８２…撮像部          ４０…偏光フィルタ
４２…非線形媒質                  ４４…偏光ビームスプリッタ
７２…インデックス光照射装置      ９０…バンドパスフィルタ
【図１】
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【図２】
2012181077.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012181077.tif 000006
【図５】
2012181077.tif 000007
【図６】
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【図７】
2012181077.tif 000009
【図８】
2012181077.tif 000010
【図９】
2012181077.tif 000011
【図１０】
2012181077.tif 000012
【図１１】
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