(57)【要約】      （修正有）【課題】パターン投影法としての位相シフト法を用いて物体の形状を計測するに際し、計測精度の低下を抑えるのに有利な計測装置および計測方法を提供する。【解決手段】明度が正弦波状に変化する縞パターンを物体に投影する投影系と、縞パターンが投影された物体を撮像する撮像系と、撮像して得られた画像を用いて物体の形状を算出する制御部とを有し、Ｓ１０１で、投影系によって縞パターンの位相をそれぞれシフトさせて物体への投影を行い、縞パターンが投影された物体を撮像系で撮像し、制御部は、Ｓ１０２及びＳ１０３で、縞パターンが投影された物体の各画像と、予め設定された位相シフト量とを用いて、物体の概略形状または反射率分布を算出し、Ｓ１０４で、各画像と算出された概略形状または反射率分布とを用いて各画像の位相シフト量を算出し、Ｓ１０５で、各画像と算出された位相シフト量とを用いて物体の形状を算出する。【選択図】図２
2016109580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の形状を計測する計測装置であって、
明度が正弦波状に変化する縞パターンを前記物体に投影する投影系と、
前記縞パターンが投影された前記物体を撮像する撮像系と、
前記撮像系で撮像して得られた画像を用いて前記物体の形状を算出する制御部と、
を有し、
前記投影系によって前記縞パターンの位相をそれぞれシフトさせて前記物体への前記縞パターンの投影を少なくとも３回行って、各回の前記縞パターンが投影された前記物体を前記撮像系で撮像し、
前記制御部は、
前記各回の縞パターンが投影された前記物体を前記撮像系で撮像して得られた各画像と、予め設定された位相シフト量と、を用いて、前記物体の概略形状または反射率分布を算出し、
前記各画像と、前記算出された概略形状または反射率分布と、を用いて前記各画像の位相シフト量を算出し、
前記各画像と前記算出された位相シフト量とを用いて前記物体の形状を算出することを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記概略形状を算出し、
前記撮像系で撮像して得られた各画像から、前記概略形状の平面度が閾値を超えない領域を抽出し、
前記抽出された領域にてフーリエ変換縞解析法または電子モアレ法を用いて前記各画像の位相を算出し、
前記算出された位相に基づいて前記位相シフト量を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記反射率分布を算出し、
前記撮像系で撮像して得られた各画像から、前記反射率分布が閾値を超えない領域を抽出し、
前記抽出された領域にてフーリエ変換縞解析法または電子モアレ法を用いて前記各画像の位相を算出し、
前記算出された位相に基づいて前記位相シフト量を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記反射率分布を算出し、
前記算出した反射率分布を用いて前記縞パターンの平均強度が計測領域内で均一となるように、前記各画像の強度を補正し、
前記補正された各画像から前記領域を抽出する、
ことを特徴とする請求項２または３に記載の計測装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記反射率分布を算出し、
前記投影系に対して、前記反射率分布を用いて前記縞パターンの平均強度が計測領域内で均一となるように調整した前記縞パターンを、それぞれ異なる位相で３回以上、前記物体に投影させて、前記撮像系かで前記各画像を再取得し、
前記再取得された各画像から前記領域を抽出する、
ことを特徴とする請求項２または３に記載の計測装置。
【請求項６】
物体の形状を計測する計測方法であって、
明度が正弦波状に変化する縞パターンの前記物体への投影を、前記縞パターンの位相をそれぞれシフトさせて少なくとも３回行って、各回の前記縞パターンが投影された前記物体を撮像することで各画像を取得する工程と、
前記取得した各画像と、予め設定された位相シフト量とを用いて、前記物体の概略形状または反射率分布を算出する工程と、
前記取得した各画像と、前記算出された概略形状または反射率分布とを用いて、前記各画像の位相シフト量を算出する工程と、
前記取得した各画像と、前記算出された位相シフト量とを用いて、前記物体の形状を算出する工程と、
を含むことを特徴とする計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置および計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体の３次元形状を計測する方法として、位相シフト法を利用したパターン投影法が用いられている。このパターン投影法では、投影系により、正弦波状に明度が変化した縞パターンを異なる位相で３回以上物体に投影し、撮像系により、物体の表面で散乱した投影像を投影系の投影光軸とは異なる方向から撮像する。そして、それらの位相シフト画像間の輝度差から、物体の表面形状に応じて変化した縞パターンの位相を算出し、その位相に基づいて物体の表面形状を求める。位相シフト法は、得られた画像の各点に対応する３次元座標を簡易的な計算処理で求め、かつ、高密度の３次元形状の計測データを最低３回の撮像により得ることができるので、他の計測方法に比べて数倍から数万倍の速度での計測が可能になる。
【０００３】
ここで、位相シフト法で計測精度を保証するためには、所定の位相量ずつ高精度に位相シフトさせた複数の正弦波パターンを投影し取得する必要がある。しかしながら、パターンの投影系として一般的に用いられている液晶プロジェクターでは、内部の冷却ファンの振動などに起因して、正弦波パターンが時間的に振動する場合がある。この場合、各位相シフト画像に与えた位相シフト量が所望の値からずれ、位相の検出精度が低下する可能性がある。そこで、特許文献１は、各位相シフト画像に対してフーリエ変換縞解析法を用いてそれぞれの位相を算出し、それらの差分位相から位相シフト量を算出することでＰＺＴ（ピエゾ素子）起因の位相シフト誤差による影響を低減させる方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１６２２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、パターン投影法による計測対象となる物体には、大きな段差や傾斜を有する複雑な形状のものや、計測表面が大きな反射率分布を有するものもある。このような物体の３次元形状の計測に、特許文献１に開示されている位相シフト干渉計を想定した方法を適用すると、フーリエ変換縞解析法による位相シフト量の検出精度が低下し、最終的に得られる３次元形状の計測精度も低下する可能性がある。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、例えば、パターン投影法としての位相シフト法を用いて物体の形状を計測するに際し、計測精度の低下を抑えるのに有利な計測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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、物体の形状を計測する計測装置であって、明度が正弦波状に変化する縞パターンを物体に投影する投影系と、縞パターンが投影された物体を撮像する撮像系と、撮像系で撮像して得られた画像を用いて物体の形状を算出する制御部と、を有し、投影系によって縞パターンの位相をそれぞれシフトさせて物体への縞パターンの投影を少なくとも３回行って、各回の縞パターンが投影された物体を撮像系で撮像し、制御部は、各回の縞パターンが投影された物体を撮像系で撮像して得られた各画像と、予め設定された位相シフト量と、を用いて、物体の概略形状または反射率分布を算出し、各画像と、算出された概略形状または反射率分布と、を用いて各画像の位相シフト量を算出し、各画像と算出された位相シフト量とを用いて物体の形状を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、例えば、パターン投影法としての位相シフト法を用いて物体の形状を計測するに際し、計測精度の低下を抑えるのに有利な計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る計測装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態における計測工程の流れを示すフローチャートである。
【図３】第２実施形態における計測工程の流れを示すフローチャートである。
【図４】第３実施形態における計測工程の流れを示すフローチャートである。
【図５】三角測量の原理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る計測装置および計測方法について説明する。本実施形態に係る計測装置（計測方法）は、位相シフト法を利用したパターン投影法を採用して物体（計測対象物）の３次元形状を計測する。図１は、本実施形態に係る計測装置１０の構成を示す概略図である。なお、図１では、物体４が載置された状態での平面内に互いに直交するＸ軸およびＹ軸を取り、ＸＹ平面に垂直（本実施形態では鉛直方向）にＺ軸を取っている。計測装置１０は、投影系１と、撮像系２と、制御部３とを備える。
【００１２】
パターン投影法とは、投影系１を用いて、正弦波状に明度が変化した縞パターンを異なる位相で３回以上、物体４に投影し、撮像系２を用いて、物体４の表面で散乱した投影像を投影系１の投影光軸とは異なる方向から撮像する３次元計測方法である。以下、正弦波状の縞パターンを「正弦波パターン」と表記する。この計測方法によれば、位相シフト画像間の輝度差から、物体４の表面形状に応じて変化した正弦波パターンの位相を算出することで、その位相に基づいて物体４の表面形状（３次元形状）を計測することができる。以下、投影系１によって正弦波パターンの位相をそれぞれシフトさせて物体４への正弦波パターンの投影を少なくとも３回行い、各回の正弦波パターンが投影された物体４を撮像系１で撮像して得られた各画像を「位相シフト画像」と表記する。
【００１３】
投影系１は、所定の角度ずつ位相を順次シフトさせながら、正弦波パターンを物体４に投影する。投影系１は、例えば、白色光源と、白色光源の光をＲ，Ｇ，Ｂの単色光に分光する３つの液晶パネルと、各液晶パネルで分光されたＲ，Ｇ，Ｂの単色光の光路を一致させる光学系とを含む液晶プロジェクターである。
【００１４】
撮像系２は、正弦波パターンが投影されている物体４の画像を撮像する。撮像系２は、例えば、原色タイプのカラーフィルタを採用したＣＣＤ（撮像素子）と、被写体の像をＣＣＤの撮像面に結像させる光学系と、ＣＣＤの出力を信号処理してＲ，Ｇ，Ｂの単色光ごとの画像データを得る信号処理回路とを含む単板式のＣＣＤカメラである。
【００１５】
制御部３は、投影系１および撮像系２の動作を制御し、また、撮像系２で撮像された画像に対して画像処理を実行する。制御部３は、例えば、ＣＰＵ、メモリ、ディスプレイ、ハードディスク等の記憶装置、入出力用の各種インターフェースなどを含むコンピュータである。また、制御部３は、本実施形態に係る計測方法をプログラム（３次元形状計測用プログラム）として実行し得る。制御部３と投影系１とは、例えばＤＶＩなどのディスプレイ用インターフェースを介して接続されており、制御部３は、投影系１の動作（光源の点灯・消灯や光量調整など）を制御し得る。また、撮像系２は、各画素の画素値（明度）を量子化し、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色ごとに出力する機能を有しており、制御部３は、撮像系２から出力されるＲ，Ｇ，Ｂのディジタル信号をディジタル信号入力用のインターフェースを介して取り込み得る。さらに、制御部３は、ＲＳ２３２ＣやＩＥＥＥ４８８などの通信インターフェースを介して撮像系２の動作（撮像のタイミングなど）を制御し得る。
【００１６】
次に、計測装置１０における計測工程（計測方法）について説明する。図２は、本実施形態における計測工程の流れを示すフローチャートである。制御部３は、計測工程を開始すると、まず、正弦波パターンの位相シフト画像を取得する（ステップＳ１０１）。なお、本実施形態における位相シフト法では、π／２ずつ位相をずらした（位相シフト量をπ／２と予め設定した）４つの画像（位相シフト画像）から位相を算出する、いわゆる４バケット法を採用するものとする。ただし、位相シフト法は、それぞれ異なる位相で最低３つ以上の画像を取得すれば位相計算が可能であるので、４バケット法に限定するものではない。ここで、制御部３内のＣＰＵは、記憶装置に格納されている最初の正弦波パターンの画像（位相シフト量：０度）をメモリの作業領域に読み出す。読み出された画像は、ディスプレイ用インターフェースを介して投影系１に伝送され、投影系１は、その画像を物体４に投影する。次に、ＣＰＵは、物体４の画像を撮像するコマンドを、通信インターフェースを介して撮像系２に伝送する。そして、撮像系２は、上記コマンドを受け取ると、物体４の画像を撮像し、制御部３に伝送する。ＣＰＵは、伝送された画像（位相シフト画像）をメモリの作業領域に格納する。これにより、制御部３は、１つ目の正弦波パターンの位相シフト画像（Ａ１）を取得したことになる。制御部３は、この手順と同様に、位相をπ／２、π、３π／２ずらした正弦波パターンを投影し、２〜４つ目の正弦波パターンの位相シフト画像（Ａ２〜Ａ４）を取得する。
【００１７】
次に、制御部３は、物体４の概略形状を算出する（ステップＳ１０２）。ここで、ステップＳ１０１で取得された４つの画像Ａ１〜Ａ４上の同じ位置Ｐ（ｘ，ｙ）での明度Ｉ０〜Ｉ３について、絶対的な明るさは、その位置での表面形状や色などにより変化する。これに対して、相対的な明度差は、必ず、投影された正弦波パターンの位相差分だけの変化を示す。そのため、式（１）より、位置Ｐ（ｘ，ｙ）における正弦波パターンの相対位相値φｉ（ｘ，ｙ）を求めることができる。
【００１８】
【数１】
2016109580.tif 000003
【００１９】
ここで、相対位相値φｉ（ｘ，ｙ）は、式（１）が逆正接関数からなることから明らかなように、正弦波パターンの１位相ごとの値、すなわち−π〜πの間の値となっているため、位相接続処理（アンラッピング処理）を行うことで、絶対位相値φａが算出される。この絶対位相値φａが等しい点を連結して得られる線が、光切断法における切断線と同様に物体４をある平面で切断した断面の形状を表すから、この絶対位相値φａに基づいて、三角測量の原理により物体４の３次元形状を算出することができる。
【００２０】
図５は、三角測量の原理を説明する図である。正弦波パターンの絶対位相値φａ、すなわち縞パターンの投影に用いた投影系１の実体格子Ａ上の位置δと、撮像系２の撮像素子Ｂ上の結像点位置Ｐ（ｘ，ｙ）とは、図５に示すような関係にある。そのため、投影系１と撮像系２との光学的な配置に基づいて、三角測量の原理を表す式（２）を用いて、画像上の点Ｐ（ｘ，ｙ）に対応する物体４上の投影点の３次元座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を求めれば、物体４の３次元形状を得ることができる。
【００２１】
【数２】
2016109580.tif 000004
【００２２】
なお、プロジェクターの振動などに起因して、画像Ａ１に対する画像Ａ２、Ａ３、Ａ４の位相シフト量が所望の値π／２、π、３π／２からずれている場合があるため、ステップＳ１０２で算出される３次元形状は、精度的に望ましくない。
【００２３】
次に、制御部３は、物体４の反射率分布を算出する（ステップＳ１０３）。物体４の反射率分布は、式（３）中に含まれる正弦波パターンの平均強度Ｉａｖｅ（ｘ，ｙ）の分布に相当する。
【００２４】
【数３】
2016109580.tif 000005
【００２５】
ただし、γ（ｘ，ｙ）は、正弦波パターンのモジュレーションを表す。式（３）より、Ｉａｖｅ（ｘ，ｙ）は、各画像の強度Ｉ０（ｘ，ｙ）〜Ｉ３（ｘ，ｙ）を用いて式（４）で表される。
【００２６】
【数４】
2016109580.tif 000006
【００２７】
次に、制御部３は、ステップＳ１０１で取得された各位相シフト画像Ａ１〜Ａ４の位相シフト量を算出する（ステップＳ１０４）。この工程では、制御部３内のＣＰＵは、まず、ステップＳ１０２で算出された概略形状と、ステップＳ１０３で算出された反射率分布とについて、概略形状の平面度が所定の閾値を超えず、かつ、反射率分布も所定の閾値を超えない計測領域（解析領域）を決定する。なお、これらの閾値は、最終的に必要とされる３次元計測精度により予め決定される。次に、ＣＰＵは、ステップＳ１０１で取得された４つの位相シフト画像Ａ１〜Ａ４から、それぞれ決定された計測領域の画像を切り出し、４つの部分画像Ａ１´〜Ａ４´を取得する。次に、ＣＰＵは、切り出した４つの部分画像に対して、フーリエ変換縞解析法を用いてそれぞれ位相を算出する。
【００２８】
ここで、フーリエ変換縞解析法について略説する。フーリエ変換縞解析法とは、キャリア周波数（被観察体（物体４に相当）の表面と基準面との間の相対的傾斜による）を導入することにより、１つの縞画像から被観察体の位相を求める手法である。まず、キャリア周波数を導入した場合の干渉縞強度は、被観察体の初期位相を考えなければ、式（５）で表される。
【００２９】
【数５】
2016109580.tif 000007
【００３０】
ただし、ａ（ｘ，ｙ）は、干渉縞のバックグラウンド、ｂ（ｘ，ｙ）は、縞のビジビリティ、φ（ｘ，ｙ）は、被観察体の位相、および、ｆｘ，ｆｙは、ｘ，ｙ方向のキャリア周波数である。さらに、式（５）は、式（６）のように変形され得る。
【００３１】
【数６】
2016109580.tif 000008
【００３２】
ただし、c（ｘ，ｙ）は、干渉縞の複素振幅であり、式（７）で表される。また、ｃ＊（ｘ，ｙ）は、ｃ（ｘ，ｙ）の共役である。
【００３３】
【数７】
2016109580.tif 000009
【００３４】
また、式（６）をフーリエ変換すると、式（８）が得られる。
【００３５】
【数８】
2016109580.tif 000010
【００３６】
ただし、Ａ（η，ξ）は、ａ（ｘ，ｙ）のフーリエ変換であり、Ｃ（η−ｆｘ，ξ−ｆｙ）とＣ＊（η−ｆｘ，ξ−ｆｙ）とは、それぞれ、ｃ（ｘ，ｙ）とｃ＊（ｘ，ｙ）とのフーリエ変換である。
【００３７】
次に、式（８）からフィルタリングによりＣ（η−ｆｘ，ξ−ｆｙ）を取り出し、座標（ｆｘ，ｆｙ）に位置するスペクトルのピークを周波数座標系の原点に移して、キャリア周波数を除去する。次に、逆フーリエ変換によりｃ（ｘ，ｙ）を求め、式（９）により、ラッピングされた位相φ（ｘ，ｙ）が得られる。そして、最後に位相接続処理（アンラッピング処理）を行うことで、被観察体の位相φ（ｘ，ｙ）が求められる。
【００３８】
【数９】
2016109580.tif 000011
【００３９】
上記の説明を踏まえ、以下、フーリエ変換縞解析法を本実施形態に適用する。まず、４つの部分画像Ａ１´〜Ａ４´は、空間キャリアが加わった状態となっているので、各部分画像の強度Ｉ０（ｘ，ｙ）〜Ｉ３（ｘ，ｙ）は、式（６）を参照すると、式（１０）で表される。
【００４０】
【数１０】
2016109580.tif 000012
【００４１】
ただし、ｃｋ（ｘ，ｙ）は、式（１１）で表される。
【００４２】
【数１１】
2016109580.tif 000013
【００４３】
ただし、δｋは、各画像に与えた位相シフト量（ｋ＝０〜３）である。
【００４４】
次に、４つの部分画像Ａ１´〜Ａ４´に対してフーリエ変換を行うと、式（８）と同様に、式（１２）で表されるフーリエ変換画像が得られる。
【００４５】
【数１２】
2016109580.tif 000014
【００４６】
次に、式（１２）から、上記説明のとおり、最終的に式（９）と同様に、式（１３）で表される、−π〜πでラッピングされた相対位相値θｋｉ（ｘ，ｙ）が得られる。
【００４７】
【数１３】
2016109580.tif 000015
【００４８】
次に、式（１３）で表される相対位相値θｋｉ（ｘ，ｙ）に対して位相接続処理を行うことで、絶対位相値θｋａ（ｘ，ｙ）が求められる。そして、式（１４）に示すとおり、２〜４つ目の絶対位相値θｋａ（ｘ，ｙ）（ただし、ｋ＝１〜３）のそれぞれと、１つ目の絶対位相値θ０ａ（ｘ，ｙ）との差分から、１つ目の画像に対する位相シフト量δｋ’（ただし、ｋ＝１〜３）が得られる。
【００４９】
【数１４】
2016109580.tif 000016
【００５０】
ステップＳ１０４内のここまでの工程により、各部分画像すなわち部分計測領域における各画像の位相シフト量が算出される。引き続き、ＣＰＵは、全計測領域における各画像の位相シフト量を算出する。ここで、プロジェクターの振動などに起因して発生する可能性のある位相シフト量の誤差は、画面内で一様にオフセットしたピストン成分と、画面内で１次の傾斜を持ったチルト成分とで表現することができる。そこで、ＣＰＵは、部分計測領域で得られた位相シフト量の２次元マップに対して平面フィッティングを実行することで、ピストン成分とチルト成分とを算出する。そして、ＣＰＵは、この部分計測領域におけるピストン成分とチルト成分とを全計測領域に拡張することで、全計測領域の位相シフト量を算出することができる。
【００５１】
なお、ここでは、１つの画像から位相を算出する方法としてフーリエ変換縞解析法を用いるものとしたが、フーリエ変換縞解析法に換えて、例えば、位相をずらした複数の基準格子をそれぞれかけ合せることで位相を算出する電子モアレ法を用いてもよい。
【００５２】
次に、制御部３は、ステップＳ１０４で算出された位相シフト量を用いて、物体４の３次元形状を算出する（ステップＳ１０５）。ここで、制御部３は、物体４の３次元形状の算出に先立ち、物体４の位相を算出する。物体４の位相は、π／２ずつ位相シフトした４つの位相シフト画像からであれば、式（１）を用いることで容易に算出される。しかしながら、ステップＳ１０４で算出対象とされる位相シフト量は、実際には、プロジェクターの振動に起因して正確にπ／２ずつシフトされていない場合もあり得る。そこで、制御部３は、任意の位相シフト量を与えた位相シフト画像から物体４の位相を求めるために、以下のように最小二乗法を用いた位相計算を実行する。
【００５３】
まず、任意の位相シフト量δｋ(ただし、ｋ＝０〜３)を与えた場合の画像は、式（１５）で表される。
【００５４】
【数１５】
2016109580.tif 000017
【００５５】
ここで、ｃ０(ｘ，ｙ）、ｃ１(ｘ，ｙ）、ｃ２(ｘ，ｙ）を、式（１６）のようにそれぞれ定義する。
【００５６】
【数１６】
2016109580.tif 000018
【００５７】
この場合、式（１５）は、式（１７）のように変形できる。
【００５８】
【数１７】
2016109580.tif 000019
【００５９】
そして、位相φ（ｘ，ｙ）を求めるために、制御部３内のＣＰＵは、式（１８）に示すメリット関数Ｍ（ｘ，ｙ）を最小とするようなａ０（ｘ，ｙ）、ａ１（ｘ，ｙ）、ａ２（ｘ，ｙ）を算出し、ａ１（ｘ，ｙ）、ａ２（ｘ，ｙ）からφ（ｘ，ｙ）を算出すればよい。
【００６０】
【数１８】
2016109580.tif 000020
【００６１】
具体的には、式（１９）に示す連立方程式を解くことにより、ａ０（ｘ，ｙ）、ａ１（ｘ，ｙ）、ａ２（ｘ，ｙ）が算出される。
【００６２】
【数１９】
2016109580.tif 000021
【００６３】
次に、式（２０）より、ａ１（ｘ，ｙ）、ａ２（ｘ，ｙ）を用いてφ（ｘ，ｙ）が算出される。
【００６４】
【数２０】
2016109580.tif 000022
【００６５】
最終的に、上記で算出された位相は、−π〜πでラッピングされた相対位相値となっているので、ＣＰＵは、ステップＳ１０２で説明した手順と同様に、位相接続処理を行って絶対位相値を算出し、式（２）を用いて３次元形状の算出を行う。
【００６６】
このように、計測装置１０では、位相シフト法を利用したパターン投影法において、物体４の概略形状や反射率分布を利用して、具体的には概略形状等が均一である領域を抽出してフーリエ変換縞解析法等を行うことで、各画像の位相シフト量を検出する。これにより、物体４が、大きな段差や傾斜を有する複雑形状であったり、計測表面が大きな反射率分布を有したりする場合でも、プロジェクターの振動などに起因して発生する位相シフト誤差の影響を低減することができる。したがって、計測装置１０は、物体４の３次元形状を高精度に計測することができる。
【００６７】
以上のように、本実施形態によれば、パターン投影法としての位相シフト法を用いて物体の形状を計測するに際し、計測精度の低下を抑えるのに有利な計測装置および計測方法を提供することができる。
【００６８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る計測装置および計測方法について説明する。本実施形態に係る計測装置等の特徴は、正弦波パターンの平均強度、具体的には図２のステップＳ１０１で取得された４つの位相シフト画像Ａ１〜Ａ４の各画素の平均強度が計測領域内で均一となるように強度を補正する工程を含む点にある。図３は、本実施形態における計測工程の流れを示すフローチャートである。本実施形態における計測工程は、第１実施形態における計測工程と比較すると、ステップＳ１０３とＳ１０４との間に以下の工程を含む点が異なる。
【００６９】
制御部３は、ステップＳ２０３（図２のステップＳ１０３に対応）の後に、ステップＳ２０３で算出された物体４の反射率分布Ｉａｖｅ（ｘ，ｙ）を用いて、４つの位相シフト画像Ａ１〜Ａ４の強度Ｉ０（ｘ，ｙ）〜Ｉ３（ｘ，ｙ）を補正する（ステップＳ２０４）。ここで、補正される強度Ｉｋ’（ｘ，ｙ）は、式（２１）で表される。
【００７０】
【数２１】
2016109580.tif 000023
【００７１】
そして、制御部３は、ステップＳ２０４で算出された補正後の強度Ｉ０’（ｘ，ｙ）〜Ｉ３’（ｘ，ｙ）を用いて得られた４つの位相シフト画像Ａ１´〜Ａ４´から、図２のステップＳ１０４と同様に、位相シフト量を算出する（ステップＳ２０５）。以降、ステップＳ２０６は、ステップＳ１０５と同様である。
【００７２】
本実施形態によれば、画像の強度ムラを演算補正することで、物体４の反射率分布に起因して発生する可能性のある位相シフト量の演算誤差を低減することができるので、第１実施形態と比較して計測精度の低下をより抑えることができる。
【００７３】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る計測装置および計測方法について説明する。本実施形態に係る計測装置等の特徴は、図２に示す第１実施形態における計測工程のステップＳ１０３の後に、４つの位相シフト画像を再取得する工程を含む点にある。図４は、本実施形態における計測工程の流れを示すフローチャートである。本実施形態における計測工程は、第１実施形態における計測工程と比較すると、ステップＳ１０３とＳ１０４との間に以下の工程を含む点が異なる。
【００７４】
制御部３は、ステップＳ３０３（図２のステップＳ１０３に対応）の後に、４つの位相シフト画像Ａ１”〜Ａ４”を取得する（ステップＳ３０４）。ここでは、再度、ステップＳ３０１で取得された４つの位相シフト画像Ａ１〜Ａ４の各画素の平均強度が計測領域内で均一となるように調整された正弦波パターンをπ／２ずつ位相をシフトさせて物体４に投影し、４つの位相シフト画像を取得する。具体的には、制御部３内のＣＰＵは、記憶装置に格納されている位相をπ／２ずつシフトした４つの正弦波パターンに対して、ステップＳ３０３で算出された物体４の反射率分布Ｉａｖｅ（ｘ，ｙ）をそれぞれ除算し、新たに４つの正弦波パターンを生成する。そして、図２のステップＳ１０１で説明した方法と同様に、新たに生成した４つの正弦波パターンを物体４に投影し、４つの位相シフト画像Ａ１”〜Ａ４”を再取得する。
【００７５】
次に、制御部３は、ステップＳ３０４で再取得した各位相シフト画像Ａ１”〜Ａ４”の位相シフト量を算出する（ステップＳ３０５）。なお、具体的な算出方法は、図２のステップＳ１０４で説明した方法と同様である。そして、制御部３は、ステップＳ３０５で算出された位相シフト量を用いて、３次元形状を算出する（ステップＳ３０６）。なお、具体的な算出方法は、図２のステップＳ１０５で説明した方法と同様である。
【００７６】
本実施形態によれば、画像の強度ムラを補正した位相シフト画像を再取得することで、物体４の反射率分布に起因して発生する可能性のある位相シフト量の演算誤差を低減することができるので、第１実施形態と比較して計測精度の低下をより抑えることができる。
【００７７】
なお、上記の各実施形態では、概略形状の平面度および反射率分布の両方が予め設定された所定の閾値を超えない領域を抽出して位相シフト量の検出を行うことを前提とした。これに対して、本発明は、概略形状の平面度または反射率分布の一方が所定の閾値を超えない領域を抽出するものとしてもよい。具体的には、例えば、図２に示す計測工程のうちステップＳ１０２またはＳ１０３のどちらか一方の工程を省略して、ステップＳ１０４では、概略形状の平面度または反射率分布の一方が所定の閾値を超えない領域を抽出して位相シフト量を算出するものとしてもよい。この場合でも、物体４の概略形状または反射率分布の一方が起因して生じる可能性のある位相シフト量の演算誤差を低減し、高精度な位相シフト量の検出を可能とする。
【００７８】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１    投影系
２    撮像系
３    制御部
１０  計測装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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