(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射手段と、検知手段と、形状推定手段と、形状補正手段とを備え、
前記照射手段は、前記検知手段と前記照射手段とを結ぶ視差方向Ｂに対して垂直に分割され互いに重なりの無い、被測定対象を含む測定領域Ａの中のｎ個に分割されたスリット状の部分領域Ａｉ（ｉは１からｎまでの部分領域の番号であり、ｎは２以上の自然数）の各々Ａｉ当たり複数の前記視差方向Ｂに対する光量変化により規定される所定の光パターンＰｉを被測定物に照射し、
前記検知手段は前記測定領域Ａに照射された複数の前記光パターンＰｉの反射光を検知し、
前記形状推定手段は、前記検知手段が検知した前記測定領域Ａに照射された複数の光パターンＰｉの反射光の光量Ｒｉから、部分領域の番号ｉを未決定としながらも、前記照射手段と前記検知手段の視差を利用して強度比法により前記測定領域Ａｉの形状データＳｉを推定し、
前記形状補正手段は、該推定された測定領域の形状データＳｉについてどの部分領域Ａｉに属するかを確定した上で加え合わせて被測定対象の形状データＺを求める光学的形状測定装置において、
前記形状補正手段は、前記部分領域Ａｉに照射されたそれぞれの光パターンＰｉの光量が部分領域Ａｉの境界で不連続であるように設定し、且つ各部分領域Ａｉの境界を含む無効領域Ｗｉを設定し、該無効領域Ｗｉで得られたデータを無効データとして該形状データＺから除去することを特徴とする光学的形状測定装置。
【請求項２】
前記複数の光パターンＰｉが、前記視差方向Ｂに対して単調に光量が増加する光パターンＰｉ＿ａと、単調に光量が減少する光パターンＰｉ＿ｂとの２つのパターンを有し、前記光パターンＰｉ＿ａと光パターンＰｉ＿ｂそれぞれの反射光の光量の比（強度比）の増加率が負になる領域を無効領域Ｗｉと設定することを特徴とする請求項１に記載の光学的形状測定装置。
【請求項３】
前記照射する光パターンＰｉをずらして、相互に無効領域Ｗｉが重ならないように複数回、形状計測を行って得られた複数の形状データＺを用いて、無効なデータを除去した形状データを得ることを特徴とする請求項１に記載の光学的形状測定装置。
【請求項４】
照射手段と、検知手段と、形状推定手段と、形状補正手段とを備え、
前記照射手段は、前記検知手段と前記照射手段とを結ぶ視差方向Ｂに対して垂直に分割され互いに重なりの無い、被測定対象を含む測定領域Ａの中のｎ個に分割されたスリット状の部分領域Ａｉ（ｉは１からｎまでの部分領域の番号であり、ｎは２以上の自然数）の各々Ａｉ当たり２種類の光パターンを有する光パターンＰｉを該被測定対象に照射し、
前記検知手段は前記測定領域Ａに照射された前記２種類の光パターンＰｉの反射光を検知し、
前記形状推定手段は、前記検知手段が検知した前記２種類の反射光の光量から、部分領域の番号ｉを未決定としながらも、前記照射手段と前記検知手段の視差を利用して強度比法により測定領域Ａiの形状データＳiを推定し、
前記形状補正手段は、該推定された測定領域の形状データＳｉについてどの部分領域Ａｉに属するかを確定した上で加え合わせて被測定対象の形状データＺを求める光学的形状測定装置において、
前記２種類の光パターンが、視差方向Ｂに対して各部分領域内で光量の変化が連続的、かつ単調に増加と減少とを繰り返す光パターンＰｉ_ａおよびＰｉ_ｂであって、同一部分領域内で前記Ｐｉ_ａおよびＰｉ_ｂの光量変化の方向が逆であるように設定され、かつ、
前記形状補正手段は、前記検知手段が検知した前記２種類の反射光の光量の比（強度比）Ｙｉの視差方向に対する増加率の符号の正負毎に該領域のグループ分けを行い、各々のグループ毎に前記形状推定手段が前記測定領域Ａiの形状データＳiの推定を行い、前記形状補正手段が該形状データＳｉについてどの部分領域Ａｉに属するかを確定した上で、それらを加え合わせたデータから最終的な形状データＺを得ることを特徴とする光学的形状測定装置。
【請求項５】
照射角度に対する強度比の増加率が正の領域と負の領域の幅とが、概略等しいことを特徴とする請求項４に記載の光学的形状測定装置。
【請求項６】
照射手段と、検知手段と、形状推定手段と、形状補正手段とを備え、
前記照射手段は、前記検知手段と前記照射手段とを結ぶ視差方向Ｂに対して垂直に分割され互いに重なりの無い、被測定対象を含む測定領域Ａの中のｎ個に分割されたスリット状の部分領域Ａｉ（ｉは１からｎまでの部分領域の番号であり、ｎは２以上の自然数）の各々Ａｉ当たり複数の前記視差方向Ｂに対する光量変化により規定される所定の光パターンＰｉを被測定物に照射し、
前記検知手段は前記測定領域Ａに照射された前記光パターンＰｉの反射光を検知し、
前記形状推定手段は、前記検知手段が検知した前記測定領域Ａに照射された複数の光パターンＰｉの反射光の光量Ｒｉから、部分領域の番号ｉを未決定としながらも、前記照射手段と前記検知手段の視差を利用して強度比法により前記測定領域Ａｉの形状データＳｉを推定し、
前記形状補正手段は、該推定された測定領域の形状データＳｉについてどの部分領域Ａｉに属するかを確定した上で加え合わせて被測定対象の形状データＺを求める光学的形状測定装置において、
前記形状補正手段が、前記照射手段で与えられる部分領域Ａｉの境界線に基づいて３角測量法を適用することによって前記検知手段上の境界線の位置情報を求め、該境界線の位置情報から前記推定された測定領域の形状データＳｉについてどの部分領域Ａｉに属するかを確定することを特徴とする光学的形状測定装置。
【請求項７】
前記形状補正手段が、前記複数の境界線位置情報を基準として、該反射光の光量Ｒｉから得られた形状データＳｉに対して位置ずれの補正を加え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】
照射手段と、検知手段と、形状推定手段と、形状補正手段とを備え、
前記照射手段は、前記検知手段と前記照射手段とを結ぶ視差方向Ｂに対して垂直に分割され互いに重なりの無い、被測定対象を含む測定領域Ａの中のｎ個に分割されたスリット状の部分領域Ａｉ（ｉは１からｎまでの部分領域の番号であり、ｎは２以上の自然数）の各々Ａｉ当たり２種類の光パターンを有する光パターンＰｉを該被測定対象に照射し、
前記検知手段は前記測定領域Ａに照射された前記２種類の光パターンＰｉの反射光を検知し、
前記形状推定手段は、前記検知手段が検知した前記２種類の反射光の光量から、部分領域の番号ｉを未決定としながらも、前記照射手段と前記検知手段の視差を利用して強度比法により測定領域Ａiの形状データＳiを推定し、
前記形状補正手段は、該推定された測定領域の形状データＳｉについてどの部分領域Ａｉに属するかを確定した上で加え合わせて被測定対象の形状データＺを求める光学的形状測定装置において、
前記２種類の光パターンが、視差方向Ｂに対して各部分領域内で光量の変化が連続的、かつ単調に増加と減少とを繰り返す光パターンＰｉ_ａおよびＰｉ_ｂであって、同一部分領域内で前記Ｐｉ_ａおよびＰｉ_ｂの光量変化の方向が逆であるように設定され、かつ、
前記形状補正手段は、前記照射手段で与えられる境界線の照射角度と、該部分領域の境界で得られた、検知手段で検知した前記２種類の光パターンの反射光の光量のうち光量が極大となる線（光量極大線）との関係に対して三角測量法を適用することで、検知手段上で前記境界線の変化範囲の相互の重なりを生じない被測定物の配置範囲を決定し、この範囲内に入る被測定物についてだけ形状測定を行うことにより、部分領域を特定することを特徴とする光学的形状測定装置。
【請求項９】
照射手段と、検知手段と、形状推定手段と、形状補正手段とを備え、
前記照射手段は、前記検知手段と前記照射手段とを結ぶ視差方向Ｂに対して垂直に分割され互いに重なりの無い、被測定対象を含む測定領域Ａの中のｎ個に分割されたスリット状の部分領域Ａｉ（ｉは１からｎまでの部分領域の番号であり、ｎは２以上の自然数）の各々Ａｉ当たり２種類の光パターンを有する光パターンＰｉを該被測定対象に照射し、
前記検知手段は前記測定領域Ａに照射された前記２種類の光パターンＰｉの反射光を検知し、
前記形状推定手段は、前記検知手段が検知した前記２種類の反射光の光量から、部分領域の番号ｉを未決定としながらも、前記照射手段と前記検知手段の視差を利用して強度比法により測定領域Ａiの形状データＳiを推定し、
前記形状補正手段は、該推定された測定領域の形状データＳｉについてどの部分領域Ａｉに属するかを確定した上で加え合わせて被測定対象の形状データＺを求める光学的形状測定装置において、
前記２種類の光パターンが、視差方向Ｂに対して各部分領域内で光量の変化が連続的、かつ単調に増加と減少とを繰り返す光パターンＰｉ_ａおよびＰｉ_ｂであって、同一部分領域内で前記Ｐｉ_ａおよびＰｉ_ｂの光量変化の方向が逆であるように設定され、かつ、
前記形状補正手段は、前記照射手段で与えられる境界線の照射角度と、該部分領域の境界で得られた、検知手段で検知した前記２種類の光パターンの反射光の光量の比Ｙｉが極値（極大値あるいは極小値）を取る線（強度比極大線あるいは強度比極小線）との関係に対して三角測量法を適用することで、検知手段上で前記境界線の変化範囲の相互の重なりを生じない被測定物の配置範囲を決定し、この範囲内に入る被測定物についてだけ形状測定を行うことにより、部分領域を特定することを特徴とする光学的形状測定装置。
【請求項１０】
測定物体を配置する範囲を限定し、限定した範囲内のすべての点で、境界線あるいは光量極大線あるいは強度比極大線と強度比極小線の受光手段の視野における変化範囲に重なりを無くしたことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１に記載の光学的形状測定装置。
【請求項１１】
１つの部分領域の境界だけに特別なマーカーを設けることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１に記載の光学的形状測定装置。
【請求項１２】
１つの部分領域の境界においてのみ、Ｐｉ＿ａとＰｉ＿ｂの光量変化方向の増加と減少の順序が逆転しないことを特徴とする請求項６乃至１１のいずれか１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、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し、特に３次元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次元の形状測定を行なう形状測定装置には、スリット状のレーザー光を測定物体に照射し、スリットの長手方向と垂直に走査しながら、スリット光の照射方向と異なる視野から観察することで生じる物体形状に応じたスリット光の変形を、３角測量の原理を用いて形状として測定するものがあった（以下、光切断法または切断法と呼ぶ）。
【０００３】
図１は、従来型の光切断法を用いた３次元計測装置の模式的斜視図である。図１を用いて光切断法を説明する。
図１に示されるように、産業用によく用いられている切断法を用いた形状測定装置は、半導体レーザーユニット１０１と、ガルバノミラー１０２、シリンドリカルレンズ１０３を備えた照射光学系と、結像レンズ１０７とＣＣＤ１０８とを備えた検知光学系からなる場合が多い。
半導体レーザーユニット１０１からビーム状に放射された光がガルバノミラー１０２で図面左右方向に走査され、シリンドリカルレンズ１０３で上下方向に拡大されて、縦に長いスリット光１０５となって測定物体１０４に照射される。このとき、スリット光１０５が走査される方向、即ち基線方向にずれた位置から、結像レンズ１０７を通して測定物体１０４から反射される反射光１０６を受光素子であるＣＣＤ１０８で観察すると、測定物体１０４の奥行き方向の凹凸に応じてＣＣＤ１０８上で直線状のスリット光１０５の変形と結像位置の移動が生じる。ＣＣＤ１０８で反射光１０６の像を観察することは、反射光１０６が結像レンズ１０７に入射する測定物体１０４の各点の位置を３角測量していることになり、スリット光１０５を照射する位置とＣＣＤ１０８の基線方向の位置の差（基線長）があらかじめ分かれば、この変形からスリット光１０５が照射されている部分の測定物体１０４の形状を測定することができる。
こうして、ガルバノミラー１０２を振動させることで、スリット光１０５を測定物体全体に走査しながら形状測定を繰り返せば、測定物体１０４全体の形状を得ることができる。
【０００４】
図２は、３角測量を説明する説明図である。図２を用いて３角測量についてさらに詳細に説明する（参考文献として例えば、吉澤徹著、 「光三次元計測」、２９−３０頁、 新技術コミュニケーションズ、 １９９３年など）。
【０００５】
スリット光源２０２（図１のガルバノミラー１０２のビーム光の反射位置に相当）と受光器２０５（図１のＣＣＤ１０８に相当）が基線長Ｌだけ離れているとする。スリット光源２０２から角度θで放射された光が２０３aの位置にある測定物体２０３の表面で反射され、受光器２０５のある位置に角度φで入射し結像する場合、式１の関係
【０００６】
【数１】
0004097421.tif 000002
【０００７】
が成り立つ。結像レンズ２１０と受光器２０５の距離dと、基線長から垂直方向への測定物体の距離Ｚaがあらかじめ分かっていると、入射角度φが求まる。もし測定物体２０３が２０３bの位置にある場合に、受光器２０５での結像位置に対してｘだけずれて結像したとして、Ψ = arctan（x / d）の関係からΨがわかるので、式２の関係
【０００８】
【数２】
0004097421.tif 000003
【０００９】
からＺbが求まる。
スリット光２０２を測定物体２０３全体を照射するように放射角度θを走査し、各θ毎に上記の手続きを繰り返せば、測定物体の各反射点と基線との距離Ｚ、即ち形状が求められる。
【００１０】
しかしながら、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１のガルバノミラー１０２のような可動部品が用いられるため装置の振動に弱くなること、および角度θ毎に形状測定を繰り返す必要があるため、計測時間が長いことである。また測定物体の表面の反射率に依存して受光器２０５で観測される光量に変動が生じ、受光器のどこに測定物体の像が結像しているかは、結像光量の最大値等から推定することが必要になることなどの短所がある。
【００１１】
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、つまり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。
【００１２】
パターン光投影法の一種に、測定物体に分光スペクトルパターンを一括して投影する方法（以下ではレインボー法と称する）がある（特開昭６１−７５２１０）。
図３は、レインボー法を説明する説明図である。図３に従って説明する。
光源３１２からスリット３１３を透過した光はプリズム３１４で分光され、物体面３０５上に虹のような光パターンとして照射される。プリズム３１４とスリット３１３に配置によって放射角度θに依存した色の分布が決まるので、物体３０５の表面で反射された光を、レンズ３０８で物体面を結像面３０９に結像させた像をカメラ３０７で観察された色から、入射光θが判断できる。つまりパターン光の色でインデクス付けしている。
【００１３】
光源３１２とカメラ３０７が距離Ｄだけ離れているので、放射角θが分かれば、その情報から３角測量法により物体面５の形状が求まる。色の同定はフィルタ３１５の透過波長を変えることで、物体面３０５の各点での反射光のうち、２種類の波長の光量比率を求めることで行なう。つまり、次の例に示す強度比法の２つのパターンを、波長を変えて重ね合わせたものと考えることができるので、レインボー法は強度比法の１つである。
この方式では、光切断法のようにスリット光を順次走査する必要がなく、虹状の光を一括で測定物体に投影し、カラーカメラで一括に反射パターンを取り込めるため、スリット光の走査を行なう機械的に脆弱な可動部がなく、形状測定時間を短くできる特徴がある。
【００１４】
しかしながら、その一方で、フィルタ３１５により２つの波長の反射光の比率をとることで照射光の放射方向θを決めるため、この精度が低い場合、形状データの奥行き方向の精度が下がることになる。反射光の測定精度を向上させるために、信号光である反射光量を雑音である背景光量に対してＳ／Ｎを十分高くすることが必要である。フィルタの透過波長幅を狭くすれば背景光の影響を除く事は可能であるが、同時に信号光も減少するのでＳ／Ｎに限界が生じる、即ち分解能に限界が生じることになる。さらに、測定物体に色がついている場合、その色以外の光が反射しにくいため、形状を計測できない場合が生じる問題もある。
【００１５】
別のパターン光投影法として、強度比法（Intensity Ratio method）がある（参考文献としてB. Carrihill and R. Hummel、 "Experiments with the Intensity Ratio Depth Sensor"、 Computer Vision、 Graphics、 and Image Processing、 vol. ３２、 pp. ３３７−３５８、 １９８５年、 あるいは特開平１０−４８３３６等）。
【００１６】
図４は、強度比法を説明する説明図である。図４を参照しながら強度比法の説明を行なう。
図４の左右方向が基線方向であり、パターン光源４０１（図２のスリット光源２０２に相当）と受光器４０４（図２の受光器２０５に相当）が基線方向４０６に対して異なる位置にある。パターン光源４０１からは基線方向４０６に対して光量分布を持つ測定面４０３全体を同時に照射する面状の光パターンを照射する。放射角θに対する２つの光パターンの強度分布をＧ１（θ）とＧ２（θ）とすると、各々の強度分布に対して測定面のある反射率σを持つ点で反射され、受光器４０４で受光された光量をP１、P２、パターン光源４０１の光量をＳとすると、式３a、３bの関係
【００１７】
【数３】
P１ = K・σ・G１（θ）・S            （式３a）
P２ = K・σ・G２（θ）・S            （式３b）
【００１８】
が成り立つ。ここでKはパターン光源４０１と受光器４０４、測定面４０３の位置関係から決まる係数である。測定面４０３の反射率σは測定面の表面の特性に依存するため、あらかじめ決めることができないが、式３a、３bの比を取ると、式４の関係
【００１９】
【数４】
P２/P１ = G２（θ）/G１（θ）           （式４）
【００２０】
が得られ、P２とP１の比は放射角度θだけに依存する。すなわち、２つのパターン光の光強度の比（強度比）でインデクス付けされている。２つの強度分布光G１（θ）とG２（θ）を持つ光パターンで測定面を照射し、強度比P２/P１を測定することで、放射角θに対して一意にθを求めることができるので、図１のようにスリット光を基線方向に対して走査しながら順次にＣＣＤで光量を検知する必要がなく、２つのパターン光に対してＣＣＤの像を観測すれば良いため、非常に計測時間が短縮される利点がある。ただしG２（θ）/G１（θ）がθに対して一価関数であることが必要である。例えば、G１（θ）がθに対して単調減少関数、G２（θ）がθに対して単調増加関数であれば、G２（θ）/G１（θ）はθに対して単調増加関数となり、強度比P２/P１からθが一意に求まる。
【００２１】
先に挙げたB. Carrihillの論文では、G１（θ）をθによらず一定な一様分布とし、G２（θ）を直線的に光量が増加する分布としているが、それに対して特開平１０−４８３３６では、G１（θ）が直線的に減少する分布、G２（θ）が直線的に増加する分布を採用している違いがあるが、２つの放射パターンは単調であれば良いので、両者に本質的な差があるわけではない。
【００２２】
強度比法は光切断法と比較して、測定面の反射率に依存せず、２つのパターンを各々一括に照射して測れるという利点をもつが、一方で欠点もある。強度比法の問題は、２つの光パターンを受光素子で受光した光量の比率をとる時に、測定のＳ／Ｎを上げるために、信号光である反射光量を雑音である背景光量に対して十分高くする必要があることである。つまり、G１（θ）やG２（θ）の最小値が小さすぎるとＳ／Ｎが低下し、その影響が形状誤差となって現れることである。即ち強度比P２/P１のダイナミックレンジが大きくならない。一方、ＣＣＤの光量分解能には下限があるため、測定できる放射角θの分解能に下限が生じ、結局測定された形状の分解能が下がるという問題がある。このように反射光の測定光量のＳ／Ｎに依存して形状の奥行き精度が決まるのは、先に示したレインボー法と同じである。
【００２３】
ここまで見てきたように、レインボー法や強度比法といったパターン光投影法は、光パターンを一括で照射するので、従来の光切断法に比べて画像の取得回数が少なく、照射光学系が簡単になる利点がある。その反面、光切断法のような切断位置をデジタルに決定する手法と異なり、光量のアナログ値を距離情報として用いるため、外乱光やＣＣＤなどの受光装置のノイズに弱く、測定精度はあまり高くない欠点がある。パターン光投影法には空間符号化法のように、光量のアナログ値を用いない方法もあるが、ここではそのような手法は除外して考える。
【００２４】
これらの方法に対し、光量値というアナログデータから形状を求めるパターン光投影法の光学的Ｓ／Ｎを改善する多領域法および多領域強度比法が提案されている（特許出願番号０００４１１７）。この方法は測定物体に照射する光パターンを照射する際に、照射範囲を複数の部分領域に分け、各々の部分領域毎に光パターンを同時に照射するもので、部分領域当りの照射角度に対する光量変化が部分領域の数に応じて増加するため、従来のパターン光投影法に比べて測定精度が高いという特徴を有する。多領域法の光パターンには、基線方向に連続的に光量が変化するグレーパターン、あるいは照射波長が変化するレインボーパターン、光量が周期的に変化するパターン、あるいは部分領域毎にそれぞれ異なるパターンなど、パターン光投影法に用いられる光パターンであれば何でも良い。多領域強度比法は多領域法の各部分領域に対して強度比法を適用したもので、多領域法の個別の例である。
【００２５】
図５は、従来の多領域強度比法を説明する模式的説明図である。図５を参照しながら説明する。照射装置５０４に組み込まれた光源５０１ａ、１ｂ、１ｃから放射される光はフィルタ５２１、５０２ｂ、５０２ｃを透過し、プリズム５０３で合成され、測定物体５０６の上に照射光５０５として照射される。反射光５０７はカメラ５１０の中に組み込まれた結像レンズ５０８で集光され、カラーＣＣＤ５０９で受光される。
【００２６】
図６は、フィルタの、視差方向に対する透過率を示すグラフである。図６の（b）と（c）の場合は測定領域５０６を６つの部分領域５１５−１、５１５−２、...、５１５−６において同じパターン光を照射している。光源５０１ａとフィルタ５０２ａの組み合わせでは図６の（a）、光源５０１ａとフィルタ５０２ｂの組み合わせでは図６の（b）、光源５０１ｃとフィルタ５０２ｃの組み合わせでは図６の（c）、光源５０１ｂ、５０１ｃとフィルタ５０２ｂ、５０２ｃの組み合わせでは図６の（d）であり、これに比例した光量で測定領域５０６を照射する。図６の（a）と（d）の放射パターンを用いると、その時の反射光量分布を入力とし、上記の強度比法の原理で光量データ５１３を概略形状推定装置５１８で概略形状データ５１７が生成できる。このデータは通常の強度比法で得られたものなので、あまり精度が高くない。
【００２７】
次に図６（b）と（c）の放射パターンを用いると、測定領域５０６の６つの部分領域５１５−１、５１５−２、...、５１５−６に対して強度比法を適用することで各々の部分領域での形状データを求められるが、普通の強度比法では、強度比を計測しても６つのうちどの領域からの反射光で得られたのか判断できず部分領域の曖昧性が生じるが、ここでは概略形状データ５１７が得られているので、ＣＣＤ５０９の各画素に対して、おおまかな領域判定ができる。形状推定装置５１１では、図５の（b）、（c）と概略形状データ５１７から、領域の曖昧さをなくして測定領域５０６全体の形状を計算できる。この方式の良い点は、図６の（b）、（c）の放射パターンが、視差方向に対して急激に変化する光量分布で照射するため、ＣＣＤ５０９での光量の検知精度が高くなり、その結果として形状測定精度が向上することである。視差方向に対して光量分布の変化を大きくすることで、ＣＣＤ５０９の光量分解能が高くなったのと同じ効果が得られる。逆に、通常の強度比法で精度が低い理由は、測定領域全体に光量変化が連続したパターン光を照射しているので視差方向に隣接する計測点の間で光量変化が小さく、これに外乱光やＣＣＤのノイズが重なると形状誤差を生じやすくなるからである。
【００２８】
ただし、測定領域５０６を部分領域に分割しているため、部分領域の判定を行わなくてはならない。この例では通常の強度比法を併用して部分領域判定の曖昧さ（領域曖昧）を除去しており、通常の強度比法だけの場合に比べて、多領域法では、光源数とフィルタ数、撮影回数が増える点が問題になる。また、部分領域間の境界部では、照射する光パターンのぼけが生じ、境界部がどちらに属すか判定が難しい問題もある。
【００２９】
多領域法もパターン光投影法の一種なので、ＣＣＤカメラなどで得られた光量データから部分領域毎にパターン光投影法を適用することで３次元形状データを求めるが、測定された光量データだけではどの部分領域から得られた光量データであるかが分からない（領域曖昧）という、多領域法に固有の問題がある。この問題は、測定物体の概形データから推定するなどの方法により領域を一意に決定する（領域判定）ことで解決できるが、この解決手段はなるべく簡単であることが望ましい。上記の多領域強度比法の例でいうと、測定領域５０６を部分領域に分割して部分領域の判定を行うため、通常の強度比法を併用して部分領域判定の曖昧さを除去している。
【００３０】
多領域法では、複数の部分領域に対して各々光パターンを照射するため、多かれ少なかれ部分領域の境界で光パターンにぼけが生じる。以下では、部分領域の境界にある光パターンがぼけた領域を遷移領域と呼ぶことにする。
遷移領域のデータを用いても、公知の多領域法では正常な形状に回復できないため、ここで得られたデータは無効データとなる。
【００３１】
形状データが得られた後では無効データと有効データの差が分からなくなるので、形状データの正しさを保証できなくなる問題がある。一般に、３次元形状が得られた後で無効データを除去する編集作業を行う必要があるが、この形状編集作業においては、形状異常判断が必要であり、計算機による自動化が進んでいない。そのため作業者が形状の判断をしながら無効データを除去することが必要になり、不要な時間を費やす必要が生じる。
これを避けるためには、無効データはなるべく計測時に除去しておく必要がある。また、遷移領域のデータでもあっても、有効データや形状測定のための何らかの情報として活用できればさらに望ましい。
【００３２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述の光学的３次元形状測定における問題に鑑み、通常の多領域法で必然的に生じる部分領域の境界周辺の遷移領域で得られるデータの取り扱いを工夫することによって、多領域法を改善し、より正確に能率良く３次元形状を測定しうる光学的形状測定装置を提供することにある。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、以下に述べる本発明に係る光学的形状測定装置によって達成される。即ち、請求項１に係る光学的形状測定装置は、照射手段と、検知手段と、形状推定手段と、形状補正手段とを備え、前記照射手段は、前記検知手段と前記照射手段とを結ぶ視差方向Ｂに対して垂直に分割され互いに重なりの無い、被測定対象を含む測定領域Ａの中のｎ個に分割されたスリット状の部分領域Ａｉ（ｉは１からｎまでの部分領域の番号であり、ｎは２以上の自然数）の各々Ａｉ当たり複数の前記視差方向Ｂに対する光量変化により規定される所定の光パターンＰｉを被測定物に照射し、前記検知手段は前記測定領域Ａに照射された複数の前記光パターンＰｉの反射光を検知し、前記形状推定手段は、前記検知手段が検知した前記測定領域Ａに照射された複数の光パターンＰｉの反射光の光量Ｒｉから、部分領域の番号ｉを未決定としながらも、前記照射手段と前記検知手段の視差を利用して強度比法により前記測定領域Ａｉの形状データＳｉを推定し、前記形状補正手段は、該推定された測定領域の形状データＳｉについてどの部分領域Ａｉに属するかを確定した上で加え合わせて被測定対象の形状データＺを求める光学的形状測定装置において、前記形状補正手段は、前記部分領域Ａｉに照射されたそれぞれの光パターンＰｉの光量が部分領域Ａｉの境界で不連続であるように設定し、且つ各部分領域Ａｉの境界を含む無効領域Ｗｉを設定し、該無効領域Ｗｉで得られたデータを無効データとして該形状データＺから除去することを特徴とする。図７に示すように、多領域法では測定物体を含む測定領域を、基線方向（受光手段から照明手段を見た方向、図７の矢印Ｋ）に複数に分割した部分領域に各々光パターンを照射するので、部分領域間の境界部周辺に照射された光パターンは、照射手段に起因する光学的ぼけのため、所望の光パターンが生成されない場合がある。このパターンぼけは、部分領域の境界で照射する光パターンの光量が不連続であれば、多かれ少なかれどの照射系でも生じる。所望の光量分布が形成されていないパターンぼけが生じた部分では、予期したパターンが得られないため、正常に形状が再現できない。部分領域の境界で、このパターンぼけが生じると予想される領域、あるいはパターンぼけが生じたと判断できる領域を無効領域と設定し、そこから得られた光量データあるいは形状データに無効データのマークをつけるなどして、形状データＺにこの無効データが反映されないようにする。こうすることで、最終的な形状データに不要な無効データが入り込まないので、３次元形状エディタで形状データを編集する場合に、無効データを操作者が自分で取り除く必要がなくなる。一般に３次元形状測定にかかる時間に比べて、後処理の形状編集作業の方が時間がかかるため、このような構成によってあらかじめ誤った無効データを除いておくと時間的な無駄を省くことができる。
【００３４】
請求項２に係る光学的形状測定装置は、請求項１の光学的形状測定装置において、前記複数の光パターンＰｉが、前記視差方向Ｂに対して単調に光量が増加する光パターンＰｉ＿ａと、単調に光量が減少する光パターンＰｉ＿ｂとの２つのパターンを有し、前記光パターンＰｉ＿ａと光パターンＰｉ＿ｂそれぞれの反射光の光量の比（強度比）の増加率が負になる領域を無効領域Ｗｉと設定することを特徴とする。図８に示すように、視差方向Ｂに対して、すなわち照射角度に対して、光量が鋸歯状に増加する光パターン図８の（ａ）と鋸歯状に減少する光パターン（ｂ）を用いるのは、強度比法では一般的である。この場合、（ｃ）のように部分領域の両端で強度比が各々最小値と最大値を取る。隣接する部分領域の境界では、理想的には強度比が最大値から最小値に急峻に変化するが、実際の光学系では（ｄ）、（ｅ）のように照射する光パターンがぼけるため、強度比の最大値から最小値へとなまった分布（ｆ）を持つ。部分領域内で視差方向への強度比の増加率が正なら、パターンぼけがあるところでは強度比の急峻な変化がなまることによって、強度比の増加率は領域内と逆に負になる。この性質を利用すれば、強度比の変化率だけからパターンぼけの領域、つまり無効領域とすべき領域を判断できるので、請求項１の無効領域の判定とその設定が容易にできる。
【００３５】
請求項３に係る光学的形状測定装置は、請求項１の光学的形状測定装置において、前記照射する光パターンPiをずらして、相互に無効領域Wiが重ならないように複数回、形状計測を行って得られた複数の形状データＺを用いて、無効なデータを除去した形状データを得ることを特徴とする。
請求項１に記載された方法で設定された無効領域で得られたデータは、形状データとして利用できないので、実際に得られた形状データには、無効領域毎にデータの抜けが生じている。そして、このままでは測定領域全体の形状データを取ることができないので、無効領域が重ならないように光パターンをずらして照射する測定を複数回（最低で２回）行えば、それらの形状データを合わせることによって、全体の形状データが得られることになる。測定領域に対する無効領域の割合が１／ｎで無効領域が周期的に並んでいれば、おおむねｎ回測定すれば全体の形状データを得るのに十分な形状データを得られる。図９は測定領域に対する無効領域の割合が１／２の場合の例である。測定１と測定２のようにパターンをずらして形状を計測すると、この２回の測定から無効なデータのない形状データが得られる。
照射する光パターンをずらすには、照射に用いるマスクの位置をずらすこと、光源の照射方向をずらすことなど様々な方法を用いることができる。
マスク位置をずらす方法としては、マスクとして液晶パネルやマイクロミラーアレーなどの動的に透過率あるいは反射率分布を適用することで可能になる。
光源の照射方向を変える方法としては、照射光を角度を可変としうるミラーに反射させる方法、あらかじめ照射方向が異なる光源を複数用意して電気的に切り替える方法などがある。
【００３６】
請求項４に係る光学的形状測定装置は、照射手段と、検知手段と、形状推定手段と、形状補正手段とを備え、前記照射手段は、前記検知手段と前記照射手段とを結ぶ視差方向Ｂに対して垂直に分割され互いに重なりの無い、被測定対象を含む測定領域Ａの中のｎ個に分割されたスリット状の部分領域Ａｉ（ｉは１からｎまでの部分領域の番号であり、ｎは２以上の自然数）の各々Ａｉ当たり２種類の光パターンを有する光パターンＰｉを該被測定対象に照射し、前記検知手段は前記測定領域Ａに照射された前記２種類の光パターンＰｉの反射光を検知し、前記形状推定手段は、前記検知手段が検知した前記２種類の反射光の光量から、部分領域の番号ｉを未決定としながらも、前記照射手段と前記検知手段の視差を利用して強度比法により測定領域Ａiの形状データＳiを推定し、前記形状補正手段は、該推定された測定領域の形状データＳｉについてどの部分領域Ａｉに属するかを確定した上で加え合わせて被測定対象の形状データＺを求める光学的形状測定装置において、前記２種類の光パターンが、視差方向Ｂに対して各部分領域内で光量の変化が連続的、かつ単調に増加と減少とを繰り返す光パターンＰｉ_ａおよびＰｉ_ｂであって、同一部分領域内で前記Ｐｉ_ａおよびＰｉ_ｂの光量変化の方向が逆であるように設定され、かつ、前記形状補正手段は、前記検知手段が検知した前記２種類の反射光の光量の比（強度比）Ｙｉの視差方向に対する増加率の符号の正負毎に該領域のグループ分けを行い、各々のグループ毎に前記形状推定手段が前記測定領域Ａiの形状データＳiの推定を行い、前記形状補正手段が該形状データＳｉについてどの部分領域Ａｉに属するかを確定した上で、それらを加え合わせたデータから最終的な形状データＺを得ることを特徴とする。請求項１のように、部分領域の境界に生じる光パターンのぼけがある場合でも、パターンぼけに再現性があれば、部分領域内部と強度比の増加率の符号が反転する遷移領域でも、形状を再現させることができる。あるいは、パターンぼけではなく、元々のパターンそのものが部分領域境界で強度比の増加率が反転するように設計しておけばよい。その時、強度比の増加率の符号により２つのグループに分けることで各々のグループ内の部分領域同士を空間的に離すことができるので、部分領域を判断する精度を改善できる。例えば、図１０を参照すると、図１０の（ａ）と（ｂ）のように、領域境界端で光量が急峻に変化しない２つの光パターンを照射すると、得られた強度比は（ｃ）のように照射角度に対する強度比の変化率が本来の正の部分と、境界部の負の部分が交互に現れる。これを正の部分（ｄ）と負の部分（ｅ）に分割すれば、各々の符号の領域同士が照射角度に対して完全に２つのグループに分離できる。多領域法では、同じ強度比に対応する複数の照射角度が対応するが、照射角度範囲を２グループに分離し各々で形状を再現することで、各々のグループに対して同じ強度比に対応する照射角度の候補数を半分に低減できるので、部分領域の判断の誤りが低減する。これらの光パターンは、特許出願番号０００４１１７号で開示された図６ａ、６ｂに似ているが、０００４１１７号では形状を求める際の詳細については触れていない。本請求項では���強度比の増加率の符号を基準に２つにグループ分けすることで、領域の判断誤りを低減させる点が異なる。
【００３７】
請求項５に係る光学的形状測定装置は、請求項４に記載の光学的形状測定装置において、照射角度に対する強度比の増加率が正の領域と負の領域の幅とが、概略等しいことを特徴とする。
強度比の増加率の符号が異なる領域同士で照射角度に大幅な差があると、照射角度当りの強度比の増加率が部分領域と遷移領域で大きく変わり、同じ光量変化に対して照射角度の推定値の精度が異なるため、結果として得られる形状精度が大きく異なってしまう。本請求項のように、強度比の増加率の符号によらず照射角度幅をおおむね等しくすることで、測定領域全体の形状精度をおおむね等しくすることができる。
図１１に示すように強度比の増加率の符号によらずに照射角度の幅をおおむね等しくすると、強度比の増加率が正の図１１の（a）と負の（b）で絶対値は逆であるが変化率の絶対値の範囲がおおむね等しくなる。強度比法では得られる形状精度は強度比の変化率に依存するので、結局、測定領域全体でおおむね形状精度が等しくなる。
【００３８】
請求項６に係る光学的形状測定装置は、照射手段と、検知手段と、形状推定手段と、形状補正手段とを備え、前記照射手段は、前記検知手段と前記照射手段とを結ぶ視差方向Ｂに対して垂直に分割され互いに重なりの無い、被測定対象を含む測定領域Ａの中のｎ個に分割されたスリット状の部分領域Ａｉ（ｉは１からｎまでの部分領域の番号であり、ｎは２以上の自然数）の各々Ａｉ当たり複数の前記視差方向Ｂに対する光量変化により規定される所定の光パターンＰｉを被測定物に照射し、前記検知手段は前記測定領域Ａに照射された前記光パターンＰｉの反射光を検知し、前記形状推定手段は、前記検知手段が検知した前記測定領域Ａに照射された複数の光パターンＰｉの反射光の光量Ｒｉから、部分領域の番号ｉを未決定としながらも、前記照射手段と前記検知手段の視差を利用して強度比法により前記測定領域Ａｉの形状データＳｉを推定し、前記形状補正手段は、該推定された測定領域の形状データＳｉについてどの部分領域Ａｉに属するかを確定した上で加え合わせて被測定対象の形状データＺを求める光学的形状測定装置において、前記形状補正手段が、前記照射手段で与えられる部分領域Ａｉの境界線に基づいて３角測量法を適用することによって前記検知手段上の境界線の位置情報を求め、該境界線の位置情報から前記推定された測定領域の形状データＳｉについてどの部分領域Ａｉに属するかを確定することを特徴とする。従来の多領域法では、部分領域毎に受光手段で得られた反射光の光量データだけを使って形状データを得るので、部分領域の判定を行うためには、得られた形状データの連続性などの情報を用いることが必要だった。本請求項では、まず図１２の部分領域の複数の境界線を光切断法のスリットとみなし、この線に沿って三角測量法を適用することで、境界線の３次元での位置を求める。形状補正手段でこの情報を利用すれば、境界線の左右の部分領域がどの領域か判断できる。部分領域は複数あるため境界線も複数存在する。そのためどの境界線を測定したかは絶対的には求められないが、前述の形状データの連続性などの仮定をおけば、境界線の３次元位置に拘束条件を課せるので、境界線の３次元の絶対位置の推定は比較的容易である。また、部分領域境界では照射パターンが変化しているため、境界線は光量に光量ノイズがあっても精度良く求められると期待される。つまり、強度比法のような光量のアナログ値を用いた形状測定に比べて境界線の位置決定は光量変動に鈍感で、結果として得られる位置精度が高いことが期待される。
【００３９】
請求項７に係る光学的形状測定装置は、請求項６に記載の光学的形状測定装置において、前記形状補正手段が、前記複数の境界線位置情報を基準として、該反射光の光量Ｒｉから得られた形状データＳｉに対して位置ずれの補正を加えることを特徴とする。部分領域の領域判定に請求項６では境界線の位置情報を用いたが、境界位置が精度良く求まるので、これを強度比法の形状の補正に用いることができる。強度比から求めた３次元位置は、光量ノイズ等により精度が下がる。領域両端の境界線では位置精度が高いので、境界線の位置情報を基準にして、領域両端で強度比法から求められた位置情報がどの程度位置がずれているか測定できるので、領域両端での形状データの補正量が決まる。部分領域両端の補正量を部分領域内部で補間して補正すれば、より精度の高い形状データが得られる。例えば最も簡単な例をあげる。部分領域端の一方の境界で３次元位置（x１、y１、z１）のずれ量が（dx１、dy１、dz１）で、反対の境界の３次元位置（x２、y２、z２）で（dx２、dy２、dz２）だとすると、x、y、zで独立に線形補間により部分領域内の点（xo、yo、zo）で補正するなら、補正量はｘ、ｙ、ｚ成分それぞれ、−（dx２−dx１）（xo−x１）/（x２−x１）＋dx１、−（dy２−dy１）（yo−y１）/（y２−y１）＋dy１、−（dz２−dz１）（zo−z１）/（z２−z１）＋dz１、となる。もちろん補正量を求める際に、補正量をx、y、zに依存したさらに高次な依存性を持たせた複雑な補間を行うことも可能である。
【００４０】
請求項８に係る光学的形状測定装置は、照射手段と、検知手段と、形状推定手段と、形状補正手段とを備え、前記照射手段は、前記検知手段と前記照射手段とを結ぶ視差方向Ｂに対して垂直に分割され互いに重なりの無い、被測定対象を含む測定領域Ａの中のｎ個に分割されたスリット状の部分領域Ａｉ（ｉは１からｎまでの部分領域の番号であり、ｎは２以上の自然数）の各々Ａｉ当たり２種類の光パターンを有する光パターンＰｉを該被測定対象に照射し、前記検知手段は前記測定領域Ａに照射された前記２種類の光パターンＰｉの反射光を検知し、前記形状推定手段は、前記検知手段が検知した前記２種類の反射光の光量から、部分領域の番号ｉを未決定としながらも、前記照射手段と前記検知手段の視差を利用して強度比法により測定領域Ａiの形状データＳiを推定し、前記形状補正手段は、該推定された測定領域の形状データＳｉについてどの部分領域Ａｉに属するかを確定した上で加え合わせて被測定対象の形状データＺを求める光学的形状測定装置において、
前記２種類の光パターンが、視差方向Ｂに対して各部分領域内で光量の変化が連続的、かつ単調に増加と減少とを繰り返す光パターンＰｉ_ａおよびＰｉ_ｂであって、同一部分領域内で前記Ｐｉ_ａおよびＰｉ_ｂの光量変化の方向が逆であるように設定され、かつ、前記形状補正手段は、前記照射手段で与えられる境界線の照射角度と、該部分領域の境界で得られた、検知手段で検知した前記２種類の光パターンの反射光の光量のうち光量が極大となる線（光量極大線）との関係に対して三角測量法を適用することで、検知手段上で前記境界線の変化範囲の相互の重なりを生じない被測定物の配置範囲を決定し、この範囲内に入る被測定物についてだけ形状測定を行うことにより、部分領域を特定することを特徴とする。本請求項では、請求項６の境界線を決定するために、光パターンとして２種類の光パターンを与え、どちらかの光パターンが領域端で最大光量になることを利用し、検知手段で得られた光量データを基線方向に走査して、受光量の極大値を探すことで容易に境界線を求められ。光量の最大値で基準線を求めるため、光量ノイズの影響を受けにくく、安定に境界線が定められる。
【００４１】
請求項９に係る光学的形状測定装置は、照射手段と、検知手段と、形状推定手段と、形状補正手段とを備え、前記照射手段は、前記検知手段と前記照射手段とを結ぶ視差方向Ｂに対して垂直に分割され互いに重なりの無い、被測定対象を含む測定領域Ａの中のｎ個に分割されたスリット状の部分領域Ａｉ（ｉは１からｎまでの部分領域の番号であり、ｎは２以上の自然数）の各々Ａｉ当たり２種類の光パターンを有する光パターンＰｉを該被測定対象に照射し、前記検知手段は前記測定領域Ａに照射された前記２種類の光パターンＰｉの反射光を検知し、前記形状推定手段は、前記検知手段が検知した前記２種類の反射光の光量から、部分領域の番号ｉを未決定としながらも、前記照射手段と前記検知手段の視差を利用して強度比法により測定領域Ａiの形状データＳiを推定し、前記形状補正手段は、該推定された測定領域の形状データＳｉについてどの部分領域Ａｉに属するかを確定した上で加え合わせて被測定対象の形状データＺを求める光学的形状測定装置において、前記２種類の光パターンが、視差方向Ｂに対して各部分領域内で光量の変化が連続的、かつ単調に増加と減少とを繰り返す光パターンＰｉ_ａおよびＰｉ_ｂであって、同一部分領域内で前記Ｐｉ_ａおよびＰｉ_ｂの光量変化の方向が逆であるように設定され、かつ、前記形状補正手段は、前記照射手段で与えられる境界線の照射角度と、該部分領域の境界で得られた、検知手段で検知した前記２種類の光パターンの反射光の光量の比Ｙｉが極値（極大値あるいは極小値）を取る線（強度比極大線あるいは強度比極小線）との関係に対して三角測量法を適用することで、検知手段上で前記境界線の変化範囲の相互の重なりを生じない被測定物の配置範囲を決定し、この範囲内に入る被測定物についてだけ形状測定を行うことにより、部分領域を特定することを特徴とする。本請求項では、請求項６の境界線を決定するために、光パターンとして２種類の光パターンを与え、どちらかの光パターンが領域端で最大光量になることを利用する。請求項８と異なるのは、光量ではなく強度比の極値から境界線を求めることである。強度比を用いると測定物体の反射率に依存しにくくなるため、反射率に依存する光量を用いるより安定に境界線を求めることができる。特に請求項５との組み合わせで、強度比の増加率の符号が変わる幅がおおむね等しい相補鋸歯パターンを用いると、強度比の極大値と極小値が交互に現れるので、請求項８の光量極大線に比べて、極大線同士と極小線同士の間隔が約２倍に広がるので、極大線同士と極小線同士にグループ分けすることで、境界線の決定精度をあげることができる。
【００４２】
請求項１０に係る光学的形状測定装置は、請求項６乃至９のいずれか１に記載の光学的形状測定装置において、測定物体を配置する範囲を限定し、限定した範囲内のすべての点で、境界線あるいは光量極大線あるいは強度比極大線と強度比極小線の受光手段の視野における変化範囲に重なりを無くしたことを特徴とする。
この構成を取ることで、図１３に示すように、受光手段の視野における境界線（光量極大線、強度比極大線、強度比極小線でも良い）の位置の変化範囲が事前に分かっており、同時に境界線の変化範囲が相互に重なっていないので、境界線がどの方向に照射されたかを厳密に決定できる。そのため部分領域の同定に曖昧さがないという特長がある。
【００４３】
請求項１１に係る光学的形状測定装置は、請求項８乃至１０のいずれか１に記載の光学的形状測定装置において、１つの部分領域の境界だけに特別なマーカーを設けることを特徴とする。
部分領域の境界に特別なマーカーを設けることで、その境界線の絶対位置を曖昧さなく決定できる。この境界線を基準にすれば基線長方向に隣接する境界線を探索することで、残りの境界線の絶対位置を曖昧さなく決定でき、結果として部分領域の同定を曖昧さなく行える。
特別なマーカーとしては、ある境界だけに赤外線などの別な波長の光を照射するなども考えられる。
【００４４】
請求項１２に係る光学的形状測定装置は、請求項６乃至１１のいずれか１に記載の光学的形状測定装置において、１つの部分領域の境界においてのみ、Pi_aとPi_bの光量変化方向の増加と減少の順序が逆転しないことを特徴とする。
請求項１２の特別なマーカーとして、図１４の（a）と（b）のように、鋸歯状光パターンの増加方向を一箇所の境界だけで反転させている。こうすると、基線方向に強度比（c）を走査すると、強度比が極大値を取るところで、他の部分領域の境界では強度比が急峻に変化するが、光パターンを反転させた境界では強度比が連続的に変化する。これを検知することでマーカー付きの境界線を簡単に求めることができる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態（請求項１））
図１５は、本発明の第１の実施の形態による光学的形状測定装置の構成を示す模式的構成図である。図中の符号は、１５００は光学的形状測定装置である。そして、請求項の照明手段が照射装置１５０３に、検知手段はカメラ１５１０に、光パターンはランプ等の光源１５０１から液晶パネル１５０２を照射し、結像レンズ１５１１で測定領域１５０６上に照射される照射光１５０４の分布に、形状推定手段は形状推定装置１５１５に、形状補正手段は形状補正装置１５１６に、それぞれ対応する。
本実施の形態の構成は図１５に示すように、照射装置１５０３から照射した照射光１５０４で測定領域にある測定物体１５０５を照明する。この時、測定領域１５０６を部分領域１５０６−１、１５０６−２、……、１５０６−６に６分割して、各々の部分領域毎に光パターンを照射している。
測定物体１５０５の反射光１５０７をカメラで光量データ１５１２として検知する。得られた光量データ１５１２は、形状推定装置１５１５で３角測量の原理から概略形状データ１５１３に変換される。概略形状データはどの部分領域で得られた形状データか不明である曖昧性（領域曖昧性）を持ち、未決定であるが、いったんどの領域に属すか決定すれば、形状の詳細が求めることができるデータである。この概略形状データが形状補正装置１５１６で処理され、ここで領域の曖昧性を除去することによって、最終的な形状データ１５１４が得られる。視差方向はカメラから照明装置を見た方向であり、図においては右方向の矢印１５００Ｚである。ここでは図を簡単にするため、部分領域１５０６−４についてのみ反射光を記載している。この反射光は、乱反射である。
【００４６】
照射装置１５０３の内部では、光源１５０１で液晶パネル１５０２を照射することで照射光１５０４を生成する。液晶パネルドライバで液晶パネルの透過率光を制御することによって、光パターンの種類を動的に変化させられるので、カメラでのデータ取り込みと液晶パネルの表示とを同期させれば、複数の光パターンに対応して反射光のデータが得られる。
カメラ１５１０は、ＣＣＤ１５０９と、反射光１５０７をＣＣＤ上に結像するための結像レンズ１５０８とを備える。
そして、結像レンズ１５０８でＣＣＤ１５０９に結像されることで光電変換されて光量データ１５１２が得られる。
【００４７】
本実施の形態では、形状計算の方式として強度比法を用いている。液晶パネルが投射する光パターンは、図１６の（１）の照射角度（視差方向と照射光の方向がなす角度）に対して単調に光量が増加する光パターン、図１６の（４）および（５）のように、各部分領域毎に照射角度に対して光量が単調に増加・減少するパターンの３種類の光パターンを照射する。光量データはこの３種類の光パターンに対して得られるが、まず（１）の光パターンと（４）および（５）の光パターンから得られた光量データの和から形状推定装置で概略形状データを得る。後者の光量データは、（２）の、光量が照射角度によらず平坦な光パターンの光量データに相当する。
ＣＣＤの各セルで得られた（１）と（２）の光量データの強度比が照射角度が一意に決まるので、強度比法を用いることによって概略形状データが得られる。概略という意味は、測定範囲全体の形状はわかるが、形状精度が低いという意味である。なぜなら、照射角度に対する強度比の増加率が大きいほど形状精度の精度が向上するが、（１）と（２）の光パターンを用いた強度比法は、多領域法に比べて強度比の増加率が小さいからである。
【００４８】
次に形状補正装置１５１６で、（４）（５）のデータに領域毎に強度比法を適用することで部分領域の曖昧さがある各部分領域毎の詳細形状が求められる。上述の概形形状データをもとに、各ＣＣＤのセルに対応した空間点がどの部分領域に属すか推定できるので、形状補正装置１５１６で部分領域を確定し、詳細形状から曖昧さを除いた領域ごとの形状データが得られる。
ただし、形状補正装置では、次のように無効領域の除去が可能である。液晶パネルを介して（４）（５）の光パターンを測定領域に照射した場合に、光学系の不完全性や焦点深度の影響などで光パターンがぼけるので、（４）と（５）から得られる強度比は、図１６の（６）のように照射角度に対して強度比が減少する部分が生じる。この部分に関する強度比と照射角度の対応がつかないため、ここで得られたデータは誤った形状を与える。そこで、照射角度に対して強度比を走査することで、強度比の増加率が負になる部分を無効領域とし、形状補正装置で除去する。こうすることで、誤った形状データが混入しないようにする。
さらに、液晶パネルを介して（４）（５）の光パターンを領域の半分だけずらして得られた反射光データの強度比は、図１６（７）のように無効領域が（６）と重ならならないようにずらしている。（６）の形状データと（７）の形状データを統合することで、最終的に無効データがない形状データが得られる。
【００４９】
本実施の形態では、照明装置として、通常の液晶プロジェクタの光学系に類似した液晶パネルと結像レンズとの組み合わせで光パターンを生成するので、比較的明るい照射光を動的に与えることができる。また無効領域のデータを除去しているので、信頼性の低いデータが混入しない。また照射する光パターンをずらして２回、形状測定することで、最終的に測定領域全面で欠けのない形状データが得られる。
【００５０】
（第２の実施の形態（請求項４））
図１７は、本発明の第２の実施の形態による光学的形状測定装置の構成を示す模式的構成図である。
符号については、請求項における照射手段は照射装置１７０３、検知手段はカメラ１７１０、光パターンはランプ等の光源１７０１ａ、ｂ、ｃからフィルタ１７０２ａ，ｂ，ｃを介して照射し、測定領域１７０６上に照射される照射光１７０４の３つの分布、形状推定手段は形状推定装置１７１５、形状補正手段は形状補正装置１７１６に対応する。
【００５１】
本実施の形態の構成は、図１７に示すように、照明系以外は第１の実施の形態と同じであるので、共通部分に関する説明は省く。照明装置１７０３は、３つの光パターンを照射できるように、光源１７０１ａ、１７０１ｂ、１７０１ｃと、これに対応するフィルタ１７０２ａ，１７０２ｂ，１７０２ｃによる光パターンを、プリズム１７１８で光軸が一致するように合成する。光パターンはフィルタの透過率の設計で決まり、光パターンの切り替えは３つの光源の切り替えで行う。フィルタ１７０２ａ，２ｂ，２ｃを介して照射する光パターンは図１８の（１）（４）（５）である。第１の実施の形態と同様に（４）（５）の光量データの和は（２）の一定光量の光パターンに相当するので、照射角度に対する（１）と（２）、つまり（１）と（４）＋（５）の強度比は（３）の形になり、強度比が照射角度と１対１の関係になるので、強度比から照射角度が決まり、形状推定装置で測定領域全体で概略形状が求められる。同じく形状推定装置では、（４）と（５）のデータから、属する領域は曖昧、即ち未決定であるが、属する領域が決まれば測定精度の高い形状データが得られる。
この時（４）（５）の光パターンが境界でぼけるため、実際に光パターン（４）と（５）から得られる強度比は、図１８の（６）のように部分領域境界で急峻さがくずれ、照射角度に対する増加率が負になる領域が生じる（図１９の（６）の負領域、後述）。形状補正装置では、強度比の増加率の符号に応じて（４）と（５）から得られたデータを２つにグループ分けし、各々のグループ毎に強度比法を適用して形状データを得る。
【００５２】
本実施の形態の照射装置は、光源でフィルタの影を投影するので焦点深度が深く、光パターンのぼけは測定領域の距離によらず一定で再現性が良い。そのため、この光パターンのぼけの部分で計測された強度比を用いて強度比法により形状データを得ることができる。強度比のデータをを２グループに分離したことで、特に光パターンのぼけが生じている部分では、ある強度比に対応する照射角度範囲が狭く限定されるので、形状データの誤りが少なくなる。このデータを用いることで、隣接する領域の領域判断に誤りがあれば、これを修正することができるので、２つのグループから得られる最終的な形状データの信頼性を向上させることができる。
【００５３】
本実施の形態において、照射する光パターンを異なったものとすることもできる（請求項５の場合）。
基本構成は図１７と同じであるが、照射する光パターンが異なり、図１８の如くである。図１７のフィルタ１７０２ｂ、２ｃが照射する光パターンが図１９の（４）と（５）である。
図１９の（４）と（５）から得られた光量データを加算すると図１９の（２）のように照射角度によらない一定の光量分布で照射した結果と等価な光量データが得られる。既に述べた実施の形態２と同じく、形状推定装置では、図１９（１）と（２）の検知光量に対して強度比（３）を取ることで概略形状データが得られる。同時に（４）と（５）の光パターンの照射で得られた光量データの強度比から、属する領域が曖昧な形状データが得られる。
ここで照射する図１９の（４）と（５）の光パターンは光量が常に連続なので、照射される光パターンが多少ぼけても、部分領域の境界で強度比（図１９の（６））の増加率の符号は、理想的なぼけずに照射された光パターンで得られる強度比の増加率の符号と一致する。図１９の（６）の強度比のデータを、照射角度の対する強度比の増加率の符号（図１９の（６）の正領域と負領域）により（７）と（８）に分離すれば、各々の符号の強度比のデータに対して、同じ強度比に対する照射角度の候補が半分になって、領域推定の判断精度を上げる事ができる。また、部分領域によらずに強度比の変化率の変化範囲がほぼ等しいため、測定領域全体で形状精度をほぼ一定し、精度のむらを生じさせない。
【００５４】
（第３の実施の形態（請求項４，６，８，１０））
本実施の形態の構成は、図２０に示すように、照明系以外は第１の実施の形態と同じである。照明装置２００３は、２つの光パターンを照射できるように、光源２００１ａ、１ｂと、これに対応するフィルタ２００１ａ、２ｂの光パターンを、プリズム２０１８で光軸が一致するように合成する。光パターンはフィルタの透過率の設計で決まり、光パターンの切り替えは２つの光源の切り替えで行う。フィルタ１ａ、１ｂが照射する光パターンは図２１の（１）と（２）である。光パターンの切り替えは光源１ａ，１ｂの切り替えで行う。
光パターン図２１の（１）と（２）を照射して得られる強度比は、図２１の（３）のように部分領域端で多少ぼけるが、実施の形態２のように、本実施の形態の照射装置は、光源でフィルタの影を投影するので焦点深度が深く、光パターンのぼけが測定領域の距離によらず一定で再現性が良い。そのため、この光パターンのぼけの部分で計測された強度比を用いて強度比法により形状データを得ることができる。さらに強度比のデータを２グループに分離することで、ある強度比に対応する照射角度範囲の候補を減らすことができるので、形状データの誤りが少なくなる。形状推定装置ではここまでの処理を行い、（１）と（２）の光量データを用いて、部分領域の曖昧さを残しつつ概形形状データが得る。
【００５５】
形状補正装置２０１６では、この領域曖昧さをなくすために、次の処理を行う。
図２１の（１）あるいは（２）の光パターンを照射することで得られる光量データを視差方向に走査すると、部分領域の境界で光量が最大になる線（光量最大線）のＣＣＤ位置を検知できる（図２２）。ＣＣＤになんらかのノイズが重なっていても、光量の最大値位置はノイズに影響されにくいため、領域境界を精度良く検知できる。さらに、フィルタ２００２ａ，２００２ｂで与える境界線の照射角度はあらかじめ分かっているので、三角測量法を用いて、ＣＣＤ画面上に結像する境界線の変化範囲の相互の重なりを生じない測定物体の配置範囲を決定することができる。この範囲内に入る測定物体についてだけ形状測定を行うことで、境界線を曖昧さなく一意に決定することができる。境界線が決まれば、その境界線に隣接した部分領域が一意に決まる。
また、境界線上以外の部分で得られた強度比は、ＣＣＤで得られた光量のアナログ値を用いて計算されるため、ＣＣＤの光量ノイズなどの影響を受けやすく、上記の光量最大線の位置精度に比べて精度が低い。そこで、光量最大線の情報を部分領域の境界線として、図２１の（１）と（２）を照射することで得られた概形形状データの位置ずれを補正する。
【００５６】
形状データの補正方法は、形状補正手段２０１６が、部分領域の境界線に３角測量法を適用して得られた複数の位置情報を、該反射光の光量Ｒiから得られた形状データSiに対して補正を加えることによって行われる（請求項６）。
【００５７】
本実施の形態では、測定物体の配置範囲を限定すること、形状補正装置２０１６で部分領域の境界位置を一意に決定し、この境界線位置で境界線に隣接する部分領域の形状データの補正を行う処理を追加することで、照射する光パターンが２つだけでも、形状精度の改善と信頼性向上を行うことができる。
【００５８】
（第４の実施の形態（請求項９））
本実施の形態の基本構成は第３の実施の形態と同じで、光学系の構成は図２０、照射パターンは図２３の（１）と（２）である。
形状データを得る手順は第３の実施の形態と共通するが、第３の実施の形態と異なり、境界線の決定するのに、光量データの最大値検出ではなく、強度比の極値（極大と極小）で行う。部分領域の境界では、強度比が極大あるいは極小となる。強度比を用いることで、測定物体の反射率に依存せずに境界線を検知することができる。光量データの最大値を使えば、境界線の検出アルゴリズムが簡単になるが、特に反射率の変化が大きい物体では、反射率の高い部分での光量データを光量の最大値を誤る場合がある。本実施の形態のように、強度比の極値を用いることで、反射率に依存しない境界線検出が可能になる。
また、本実施の形態のように光量変化が連続する光パターンを照射すると、強度比極大線と強度比極小線が交互に現れ、両者を独立に検出できるため、強度比極大線同士、あるいは強度比極小線同士が重ならない限り、強度比極大線と強度比極小線の変化範囲が重なっても構わない（図２４）。すなわち、部分領域数が同じなら、測定物体の配置範囲を第３の実施の形態に比べて広く取れ、おおむね倍にすることができ、測定可能な範囲が広がる利点がある。
【００５９】
さらにここで、基本構成は第３の実施の形態と同じで、光学系の構成は図２０とし、照射パターンを図２５の（１）と（２）とすることができる（請求項４，１１，１２）。
形状データを得る手順は第３の実施の形態と共通するが、第３の実施の形態と異なる点は、境界線として強度比極大線と強度比極小線を用いること、その前後で強度比が連続に変わる強度比極大線がただ一本あること（図２５の（３））、測定物体の配置範囲には制限を設けないことである。
視差方向に強度比を走査すると、強度比極大線のうちで強度比極大線に隣接した部分領域で強度比が連続で変わる線を見つけることができる。この特別なマーカー付き強度比極大線を基点に、これに隣接する境界線（強度比極大線と強度比極小線）を、曖昧さなく決定することができる。この処理は形状補正装置で行われる。
本実施の形態によれば、ＣＣＤ上にマーカー付き強度比極大線が結像していれば、測定物体の配置範囲に対する限定なしに、２つの光パターンだけで形状を求めることができる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明に従う光学的形状測定装置によれば、次のような効果を奏することができる。
即ち、請求項１に係る発明によれば、領域境界の無効領域で得られた誤った形状データをあらかじめ除去しておくので、形状データ取得後の形状編集時の作業が減少し、効率的に形状測定のできる光学的形状測定装置を提供できる。
請求項２に係る発明によれば、誤った形状データを除去する簡単に判断できるので、誤った形状データの除去が容易になり、効率的に形状測定のできる光学的形状測定装置を提供できる。
請求項３に係る発明によれば、無効領域が重ならないように照射パターンをずらすことで測定領域全体の形状データが得られるので、簡便な手段で、効率的に形状測定のできる光学的形状測定装置を提供できる。
請求項４に係る発明によれば、強度比の増加率の符号によってグループ分けすることで、領域端で強度比の変化率の符号が本来の符号の逆になっても形状データを測定できるので、形状測定できない領域が減少し、効率的に形状測定のできる光学的形状測定装置を提供できる。
請求項５に係る発明によれば、強度比の増加率が正の領域と負の領域の照射角度の幅がおおむね等しいため、強度比の符号によらず角度当りの光量変化がほぼ等しく、形状精度が強度比の符号によらずでおおむね等しくできるため、測定領域全面でおおむねむらない精度で形状データを得られるため、効率的に形状測定のできる光学的形状測定装置を提供できる。
請求項６に係る発明によれば、部分領域境界を通常の光切断法の光切断面と見るため、光切断面の位置情報から部分領域の位置を推定することができるので、局所的な精度の高い多領域法の問題である大域的な精度を容易に解決することができ、効率的に形状測定のできる光学的形状測定装置を提供できる。
請求項７に係る発明によれば、部分領域境界を通常の光切断法の光切断面と見るため、一括で形状を得られるパターン光投影法の利点と、光量変動に強い光切断法の利点を兼ね備えるため、効率的に形状測定のできる光学的形状測定装置を提供できる。
請求項８に係る発明によれば、光切断面の判断を光量の極大値検知だけで行えるので、形状測定のアルゴリズムを簡単化でき、効率的に形状測定のできる光学的形状測定装置を提供できる。
請求項９に係る発明によれば、光切断面の判断を強度比の極値検知だけで行えるので、形状測定のアルゴリズムを簡単化でき、効率的に形状測定のできる光学的形状測定装置を提供できる。
請求項１０に係る発明によれば、光切断法を適用するべき境界線が複数あることの曖昧さが除去できるので、部分領域の判定が簡単になり、効率的に形状測定のできる光学的形状測定装置を提供できる。
請求項１１に係る発明によれば、部分領域の境界線のうち絶対位置の基準となる一本を特定でき、この境界線を基準に残りの境界線の位置を曖昧性なく決定できるので、部分領域の判定を簡単化することができ、効率的に形状測定のできる光学的形状測定装置を提供できる。
請求項１２に係る発明によれば、部分領域の境界線の判定を強度比の増減の符号判定だけで判断できるので、境界線を用いた絶対位置特定を簡単化でき、効率的に形状測定のできる光学的形状測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来型の光切断法を用いた３次元計測装置の模式的斜視図である。
【図２】３角測量を説明する説明図である。
【図３】レインボー法を説明する説明図である。
【図４】従来の強度比法を説明する説明図である。
【図５】従来の多領域強度比法を説明する模式的説明図である。
【図６】フィルタの、視差方向に対する透過率を示すグラフである。
【図７】本発明による無効領域の設定の仕方を説明する説明図である。
【図８】照射角度と光量、および強度比の関係を表すグラフである。
【図９】測定領域と無効領域の比が２対１の場合を示す模式図である。
【図１０】照射角度と光量、および強度比の関係を表すグラフである。
【図１１】照射角度と強度比の関係を表すグラフである。
【図１２】部分領域と境界線との関係を示す模式図である。
【図１３】部分領域と変化範囲との関係を示す模式図である。
【図１４】照射角度と光量、および強度比の関係を表すグラフである。
【図１５】本発明の第１の実施の形態による光学的形状測定装置の構成を示す模式的構成図である。
【図１６】照射角度と光量、および強度比の関係を表すグラフである。
【図１７】本発明の第２の実施の形態による光学的形状測定装置の構成を示す模式的構成図である。
【図１８】照射角度と光量、および強度比の関係を表すグラフである。
【図１９】照射角度と光量、および強度比の関係を表すグラフである。
【図２０】本発明の第３の実施の形態による光学的形状測定装置の構成を示す模式的構成図である。
【図２１】照射角度と光量、および強度比の関係を表すグラフである。
【図２２】被測定対象の光量最大線を示す模式図である。
【図２３】照射角度と光量、および強度比の関係を表すグラフである。
【図２４】強度比最大線および強度比最小線を示す模式図である。
【図２５】照射角度と光量、および強度比の関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１５００    光学的形状測定装置
１５０１    光源
１５０２    液晶パネル
１５０３    照射装置
１５０４    照射光
１５０５    測定物体
１５０６−１、１５０６−２、……、１５０６−６    部分領域
１５１０    カメラ
１５０７    反射光１５０７
１５０８    結像レンズ
１５０９    ＣＣＤ
１５１１    結像レンズ
１５１２    光量データ
１５１５    形状推定手段
１５１６    形状補正手段
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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