(57)【要約】【課題】本来の位相差が２π以上になる計測点での高さを迅速かつ容易に計測する。【解決手段】三次元形状測定装置は、計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを画像として読み取るための画像撮像部と、画像撮像部が読み取った画像を解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する画像解析部１００とを備える。画像解析部１００は、画像撮像部により読み取られた画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出し、算出された位相を、位相が取り得る範囲を示す計測レンジに基づいて補正する。画像解析部１００は、補正された位相に基づいて計測対象の高さを算出するとともに、補正された位相に基づいて計測レンジを設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
上記計測対象に投影された上記光パタンを画像として読み取るための画像撮像部と、
該画像撮像部により読み取られた画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出手段と、
該位相算出手段が算出した位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出手段とを備えており、
該高さ算出手段は、
上記位相算出手段が算出した位相を、上記位相が取り得る範囲を示す計測レンジに基づいて補正し、
補正した位相に基づいて上記計測対象の高さを算出するとともに、上記補正した位相に基づいて上記計測レンジを設定することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項２】
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
上記計測対象に投影された上記光パタンを画像として読み取るための画像撮像部と、
該画像撮像部により読み取られた画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出手段と、
該位相算出手段が算出した位相と、基準面での光パタンの位相との位相差を算出する位相差算出手段と、
該位相差算出手段が算出した位相差に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出手段とを備えており、
該高さ算出手段は、
上記位相差に基づいて算出した高さに、上記基準面の高さを加算することにより、上記計測対象の高さを算出し、
算出した高さに基づいて、上記基準面を設定することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項３】
上記高さ算出手段は、以前に計測した１または複数の画素に関する算出結果に基づいて、上記設定を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状計測装置。
【請求項４】
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
上記計測対象に投影された上記光パタンを画像として読み取るための画像撮像部と、
該画像撮像部により読み取られた画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出手段と、
該位相算出手段が算出した位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出手段とを備えており、
さらに、上記位相算出手段が算出した位相が取り得る範囲を示す計測レンジを、上記計測対象の位置に対応付けて記憶する記憶部を備えており、
該高さ算出手段は、
上記画素に対応する上記計測対象の位置を特定し、特定した位置に対応する計測レンジを上記記憶部から読み出し、読み出した計測レンジに基づいて、上記位相算出手段が算出した位相を補正し、
補正した位相に基づいて上記計測対象の高さを算出することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項５】
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを画像として読み取るための画像撮像部と、該画像撮像部が読み取った画像を解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備える三次元形状計測装置の三次元形状計測方法であって、
上記画像解析部が、上記画像撮像部により読み取られた画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出ステップと、
上記画像解析部が、上記位相算出ステップにて算出された位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出ステップとを含んでおり、
該高さ算出ステップは、
上記位相算出ステップにて算出された位相を、上記位相が取り得る範囲を示す計測レンジに基づいて補正し、
補正した位相に基づいて上記計測対象の高さを算出するとともに、上記補正した位相に基づいて上記計測レンジを設定することを特徴とする三次元形状計測方法。
【請求項６】
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを画像として読み取るための画像撮像部と、該画像撮像部が読み取った画像を解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備える三次元形状計測装置の三次元形状計測方法であって、
上記画像解析部が、上記画像撮像部により読み取られた画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出ステップと、
上記画像解析部が、上記位相算出ステップにて算出された位相と、基準面での光パタンの位相との位相差を算出する位相差算出ステップと、
上記画像解析部が、上記位相差算出ステップにて算出された位相差に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出ステップとを含んでおり、
該高さ算出ステップは、
上記位相差に基づいて算出した高さに、上記基準面の高さを加算することにより、上記計測対象の高さを算出し、
算出した高さに基づいて、上記基準面を設定することを特徴とする三次元形状計測方法。
【請求項７】
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを画像として読み取るための画像撮像部と、該画像撮像部が読み取った画像を解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備える三次元形状計測装置の三次元形状計測方法であって、
上記画像解析部が、上記画像撮像部により読み取られた画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出ステップと、
上記画像解析部が、上記位相算出ステップにて算出された位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出ステップとを含んでおり、
該高さ算出ステップは、
上記画素に対応する上記計測対象の位置を特定し、特定した位置に対応する、上記位相算出ステップにて算出された位相が取り得る範囲を示す計測レンジを記憶部から読み出し、読み出した計測レンジに基づいて、上記位相算出手段が算出した位相を補正し、
補正した位相に基づいて上記計測対象の高さを算出することを特徴とする三次元形状計測方法。
【請求項８】
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを画像として読み取るための画像撮像部と、該画像撮像部が読み取った画像を解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備える三次元形状計測装置を動作させるための三次元形状計測プログラムであって、
上記画像解析部が、上記画像撮像部により読み取られた画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出ステップと、
上記画像解析部が、上記位相算出ステップにて算出された位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出ステップとを含んでおり、
該高さ算出ステップは、
上記位相算出ステップにて算出された位相を、上記位相が取り得る範囲を示す計測レンジに基づいて補正し、
補正した位相に基づいて上記計測対象の高さを算出するとともに、上記補正した位相に基づいて上記計測レンジを設定する、上記各ステップをコンピュータに実行させるための三次元形状計測プログラム。
【請求項９】
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを画像として読み取るための画像撮像部と、該画像撮像部が読み取った画像を解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備える三次元形状計測装置を動作させるための三次元形状計測プログラムであって、
上記画像解析部が、上記画像撮像部により読み取られた画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出ステップと、
上記画像解析部が、上記位相算出ステップにて算出された位相と、基準面での光パタンの位相との位相差を算出する位相差算出ステップと、
上記画像解析部が、上記位相差算出ステップにて算出された位相差に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出ステップとを含んでおり、
該高さ算出ステップは、
上記位相差に基づいて算出した高さに、上記基準面の高さを加算することにより、上記計測対象の高さを算出し、
算出した高さに基づいて、上記基準面を設定する、上記各ステップをコンピュータに実行させるための三次元形状計測プログラム。
【請求項１０】
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを画像として読み取るための画像撮像部と、該画像撮像部が読み取った画像を解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備える三次元形状計測装置を動作させるための三次元形状計測プログラムであって、
上記画像解析部が、上記画像撮像部により読み取られた画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出ステップと、
上記画像解析部が、上記位相算出ステップにて算出された位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出ステップとを含んでおり、
該高さ算出ステップは、
上記画素に対応する上記計測対象の位置を特定し、特定した位置に対応する計測レンジを、上記位相算出ステップにて算出された位相が取り得る範囲を示す計測レンジを、上記計測対象の位置に対応付けて記憶された記憶部から読み出し、読み出した計測レンジに基づいて、上記位相算出手段が算出した位相を補正し、
補正した位相に基づいて上記計測対象の高さを算出する、上記各ステップをコンピュータに実行させるための三次元形状計測プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測対象に投影された光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置および三次元形状計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
画像解析によって対象物の三次元形状情報を得る手段として、所定の撮像視野内に存在する計測対象に光パタンを投影し、計測対象の三次元形状に応じて変形した光パタンの変形量を解析する方法がある。代表的な方法としては、光切断法や空間コード法、縞解析法などが挙げられる。これらは全て三角測量の原理に基づいているが、中でも、縞解析法に関しては空間縞解析や時間縞解析など多くの手法が提案されており、高い計測精度を得る手法として知られている。
【０００３】
ところで、通常これらの手法では、光パタンが投影された計測対象の読み取りにエリアカメラを用いているが、エリアカメラを用いると、計測対象が１撮像視野内に収まらないために、エリアカメラを縦及び横の双方に移動させながら１撮像視野ずつ複数回に分けて撮像する必要が度々生じ、撮像時間が長くなってしまうという問題が起こっている。
【０００４】
このような問題に対する解決策として、例えば特許文献１、２や非特許文献１では、エリアカメラの代わりにラインセンサを用いた三次元形状計測方法が提案されている。特許文献１や非特許文献１の計測方法では、光パタンを投影した計測対象をラインセンサで撮像し、続いて、計測対象を搬送することによって投影される光パタンの位相をずらし、位相のずれた光パタンが投影された計測対象をまた別のラインセンサで撮像し、といったことを複数回繰り返し、撮像した複数枚の画像に含まれる光パタンを時間縞解析法（位相シフト法）に基づいて解析することによって三次元形状を測定している。
【０００５】
また、特許文献２の三次元形状測定装置では、光パタンが投影された計測対象を、異なる位置に設置された２つのラインセンサによって別々に撮像し、撮像した２つの画像からステレオ法に基づいて三次元形状を測定している。
【０００６】
さらに、特許文献３に記載の技術では光パタンの解析方法に空間縞解析法を用いることによってラインセンサの本数を１本にする方法が開示されている。この方法よれば撮像回数を減らしたり、ラインセンサの撮像領域を主走査方向に延長したりすることができる。
【特許文献１】特開２００２−２８６４３３号公報（２００２年１０月３日公開）
【特許文献２】特開２００４−１１７１８６号公報（２００４年４月１５日公開）
【特許文献３】特開２００７−１１４０７１号公報（２００７年５月１０日公開）
【特許文献４】特開２００２−９０１２６号公報（２００２年３月２７日公開）
【非特許文献１】藤垣ら  「複数ラインセンサによる連続物体形状計測における平行光格子投影手法」，精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集  pp．1061-1062，2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の技術においては計測対象の高さを求めるために計測対象に投影された光パタンを計測し、得られた輝度情報を位相に変換して高さを算出するといった手法が採用されている。このため高さ分布を表す位相差分布が本来の位相値を２πで割り算した余りとして表現されるという欠点がある。そのため比較的大きな物体の形状計測の場合、分解能が悪くなるか、繰り返しの位相パタンとして結果を得なければならない。すなわち所望の計測対象の高さを容易に得ることができないという問題があった。
【０００８】
この問題に対処する方法として、例えば特許文献４ではピッチの異なる格子（光パタン）を用いてリアルタイムに位相接続する方法が開示されている。この方法では、赤と青のピッチの異なる光パタンを用いて、それぞれのピッチの位相値を求め、それらの位相接続を行ことで本来の位相値が２π以上になる計測対象の高さの計測にも対応している。
【０００９】
しかしながら、上記従来の構成では、計測対象に投影する光パタンに２色の異なる色を用いる点で、計測対象自体の全体あるいは部分の色に制限を生じるのという問題を抱えている。具体的には、光パタンとして赤と青の２色を採用した場合、赤と青の両方の色をもつ計測対象は正しく計測できないおそれがある。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、本来の位相値が２π以上になる計測点での高さを迅速かつ容易に計測できる三次元形状計測装置および三次元形状計測方法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る三次元形状計測装置は、計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、上記課題を解決するために、上記計測対象に投影された上記光パタンを画像として読み取るための画像撮像部と、該画像撮像部により読み取られた画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出手段と、該位相算出手段が算出した位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出手段とを備えており、該高さ算出手段は、上記位相算出手段が算出した位相を、上記位相が取り得る範囲を示す計測レンジに基づいて補正し、補正した位相に基づいて上記計測対象の高さを算出するとともに、上記補正した位相に基づいて上記計測レンジを設定することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明に係る三次元形状計測方法は、計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを画像として読み取るための画像撮像部と、該画像撮像部が読み取った画像を解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備える三次元形状計測装置の三次元形状計測方法であって、上記課題を解決するために、上記画像解析部が、上記画像撮像部により読み取られた画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出ステップと、上記画像解析部が、上記位相算出ステップにて算出された位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出ステップとを含んでおり、該高さ算出ステップは、上記位相算出ステップにて算出された位相を、上記位相が取り得る範囲を示す計測レンジに基づいて補正し、補正した位相に基づいて上記計測対象の高さを算出するとともに、上記補正した位相に基づいて上記計測レンジを設定することを特徴としている。
【００１３】
通常、基準面からの高さに対応する位相差が２πを超える場合でも、近くの画素同士の位相差が２πを超える可能性は低い。従って、上記の構成および方法によれば、或る画素に関して計測レンジに基づいて位相が補正され、補正された位相に基づいて次の画素に関する計測レンジが設定されるので、位相が計測レンジから外れる可能性が低い。その結果、本来の位相が２π以上となる場合にも対応することができる。また、特許文献４の場合に比べて、光パタンとして複数の特定色を利用することがないので、容易に高さを計測することができる。
【００１４】
本発明に係る三次元形状計測装置は、計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、上記課題を解決するために、上記計測対象に投影された上記光パタンを画像として読み取るための画像撮像部と、該画像撮像部により読み取られた画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出手段と、該位相算出手段が算出した位相と、基準面での光パタンの位相との位相差を算出する位相差算出手段と、該位相差算出手段が算出した位相差に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出手段とを備えており、該高さ算出手段は、上記位相差に基づいて算出した高さに、上記基準面の高さを加算することにより、上記計測対象の高さを算出し、算出した高さに基づいて、上記基準面を設定することを特徴としている。
【００１５】
また、本発明に係る三次元形状計測方法は、計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを画像として読み取るための画像撮像部と、該画像撮像部が読み取った画像を解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備える三次元形状計測装置の三次元形状計測方法であって、上記画像解析部が、上記画像撮像部により読み取られた画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出ステップと、上記画像解析部が、上記位相算出ステップにて算出された位相と、基準面での光パタンの位相との位相差を算出する位相差算出ステップと、上記画像解析部が、上記位相差算出ステップにて算出された位相差に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出ステップとを含んでおり、該高さ算出ステップは、上記位相差に基づいて算出した高さに、上記基準面の高さを加算することにより、上記計測対象の高さを算出し、算出した高さに基づいて、上記基準面を設定することを特徴としている。
【００１６】
上記の構成および方法によれば、或る画素に関して、基準面からの位相差に基づいて算出された高さに基準面の高さを加算したものが計測対象の高さとなり、該計測対象の高さに基づいて、次の画素の基準面が設定される。これにより、或る画素に関して、設定された基準面からの高さに対応する位相差が２πを超える可能性が低い。その結果、本来の位相が２π以上となる場合にも対応することができる。また、特許文献４の場合に比べて、光パタンとして複数の特定色を利用することがないので、高さを容易に計測することができる。
【００１７】
ところで、或る画素に関して計測された高さには、ノイズや誤差が含まれている。このため、上記設定は、以前に計測した１つの画素に関する算出結果に基づいて行われてもよいが、以前に計測した複数の画素に関する算出結果に基づいて行われることが望ましい。
【００１８】
また、上記設定において、上記補正された位相を上記計測レンジの中央としてもよいし、計測対象の高さが上昇傾向の場合に上記補正された位相を上記計測レンジの下限としてもよいし、計測対象の高さが下降傾向の場合に上記補正された位相を上記計測レンジの上限としてもよい。同様に、上記計測レンジは、上記設定された基準面を中央としてもよいし、計測対象の高さが上昇傾向の場合に下限としてもよいし、計測対象の高さが下降傾向の場合に上限としてもよい。
【００１９】
本発明に係る三次元形状計測装置は、計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、上記課題を解決するために、上記計測対象に投影された上記光パタンを画像として読み取るための画像撮像部と、該画像撮像部により読み取られた画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出手段と、該位相算出手段が算出した位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出手段とを備えており、さらに、上記位相算出手段が算出した位相が取り得る範囲を示す計測レンジを、上記計測対象の位置に対応付けて記憶する記憶部を備えており、該高さ算出手段は、上記画素に対応する上記計測対象の位置を特定し、特定した位置に対応する計測レンジを上記記憶部から読み出し、読み出した計測レンジに基づいて、上記位相算出手段が算出した位相を補正し、補正した位相に基づいて上記計測対象の高さを算出することを特徴としている。
【００２０】
また、本発明に係る三次元形状計測方法は、計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを画像として読み取るための画像撮像部と、該画像撮像部が読み取った画像を解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備える三次元形状計測装置の三次元形状計測方法であって、上記画像解析部が、上記画像撮像部により読み取られた画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出ステップと、上記画像解析部が、上記位相算出ステップにて算出された位相に基づいて、上記計測対象の高さを算出する高さ算出ステップとを含んでおり、該高さ算出ステップは、上記画素に対応する上記計測対象の位置を特定し、特定した位置に対応する、上記位相算出ステップにて算出された位相が取り得る範囲を示す計測レンジを記憶部から読み出し、読み出した計測レンジに基づいて、上記位相算出手段が算出した位相を補正し、補正した位相に基づいて上記計測対象の高さを算出することを特徴としている。
【００２１】
通常、部品の検査などに三次元形状計測装置を利用する場合、上記部品の大まかな寸法が決まっているので、部品の各位置における計測レンジも決まることになる。
【００２２】
従って、上記の構成および方法によると、上記計測対象の位置と計測レンジとを対応付けて記憶部に記憶しておき、上記画素に対応する上記計測対象の位置を特定し、特定した位置に対応する計測レンジを記憶部から読み出し、読み出した計測レンジに基づいて、上算出した位相を補正している。従って、上記計測対象の位置に対応して計測レンジが設定されるので、位相が計測レンジから外れる可能性が低い。その結果、本来の位相が２π以上となる場合にも対応することができる。また、特許文献４の場合に比べて、光パタンとして複数の特定色を利用することがないので、容易に高さを計測することができる。
【００２３】
なお、上記三次元形状計測装置における各ステップを、三次元形状計測プログラムによりコンピュータに実行させることができる。さらに、上記三次元形状計測プログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶させることにより、任意のコンピュータ上で上記三次元形状計測プログラムを実行させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上のように、本発明に係る三次元形状計測装置は、或る画素に関して計測レンジに基づいて位相が補正され、補正された位相に基づいて次の画素に関する計測レンジが設定されるので、位相が計測レンジから外れる可能性が低く、その結果、本来の位相が２π以上となる場合にも対応できるという効果を奏する。
【００２５】
また、本発明に係る三次元形状計測装置は、或る画素に関して、基準面からの位相差に基づいて算出された高さに基準面の高さを加算したものが計測対象の高さとなり、該計測対象の高さに基づいて、次の画素の基準面が設定されるので、或る画素に関して、設定された基準面からの高さに対応する位相差が２πを超える可能性が低く、その結果、本来の位相が２π以上となる場合にも対応できるという効果を奏する。
【００２６】
また、本発明に係る三次元形状計測装置は、上記計測対象の位置に対応して計測レンジが設定されるので、位相が計測レンジから外れる可能性が低く、その結果、本来の位相が２π以上となる場合にも対応できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図１０に基づいて説明すると以下の通りである。
【００２８】
図２は、本発明の一実施形態に係る三次元形状計測装置２０１の概略構成を示す図である。また、図３は、三次元形状計測装置２０１の要部構成を示すブロック図である。本実施形態の三次元形状計測装置２０１は、計測対象２００の三次元形状、例えば、計測対象２００の表面に設けられた凹部の奥行きや凸部の高さ及びそれらの位置などを計測する装置である。具体的には、図２に示すように、まず、搬送部２４０に載置された計測対象２００に対し、投光部２３０が光パタン２０２を投影し、計測対象２００に投影された光パタン２０２の形状を撮像部２２０が撮影する。そして、該撮像部２２０の撮影した光パタン２０２の形状を、画像解析部１００が解析することによって、計測対象２００の三次元形状が計測される。なお、その使用用途は特に限定されないが、例えば実装基板を検査する装置などに適用することができる。
【００２９】
三次元形状計測装置２０１は、図２・３に示すように、撮像部２２０、画像解析部１００、投光部（光パタン投影部）２３０、搬送部２４０、および搬送部２４０の移動を制御する駆動制御部２０３を備えている。
【００３０】
撮像部２２０は、光パタン２０２が投影された計測対象２００を読み取り、その画像を取得するものであり、図３に示すように、１本のラインセンサ３０１と、マクロレンズなどの光学系３００とを備えている。なお、本実施形態では撮像部２２０としてラインセンサ３０１を採用しているが、ラインセンサの代わりにエリアカメラを使用してもよい。
【００３１】
画像解析部１００は、図１に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３０２及びＲＡＭ（random access memory）３０３、撮像部２２０からの画像をデジタルデータで取り込むキャプチャボード１０１などを備えるコンピュータである。画像解析部１００は、撮像部２２０によって撮像された画像に含まれる光パタン２０２を縞解析法によって解析し、計測対象２００の三次元形状を算出する。
【００３２】
投光部２３０は、計測対象２００の表面に光パタン２０２を投影するためのものであり、ハロゲンランプやキセノンランプなどの光源３０４、光源３０４から照射された光にパタンを持たせるためのパタン生成素子３０６、及びマクロレンズなどの光学系３０５を備えている。投影する光パタンとしては、正弦波、三角波、又は矩形波などの、位置に応じて周期性を有し、かつ位相を特定できるパタンであれば何れのものでもよいが、本実施形態では、計測分解能の向上に寄与する正弦波状の光パタンを用いることとする。また、パタン生成素子３０６としては、液晶素子によって構成されたものや、ガラス又はフィルムを加工したものなどを用いることができる。
【００３３】
搬送部２４０は、ラインセンサ３０１の主走査方向（長手方向）と垂直な方向（以下「副走査方向」という）とに計測対象２００を水平移動させるためのものであり、計測対象２００を載置するための搬送ステージ３０８、搬送ステージ３０８を駆動するサーボモータ３０９、搬送ステージ３０８の位置を検出するリニアスケーラ３１０などを備えている。搬送部２４０により計測対象２００を副走査方向に移動させつつラインセンサ３０１により逐次撮像することによって、計測対象２００全体の三次元形状を計測することが可能になる。
【００３４】
なお、本実施形態では、計測対象２００を移動させる構成としたが、計測対象２００を移動させる代わりに、撮像部２２０及び投光部２３０を副走査方向に移動させる構成としてもよい。すなわち、搬送部２４０は、計測対象２００を撮像部２２０及び投光部２３０に対して相対的に移動させるものであればよい。また、図２の駆動制御部２０３は、画像解析部１００に組み込まれている形で図示されているが、独立の処理部として存在していてもよい。
【００３５】
このような三次元形状計測装置２０１に備わる各部の幾何学的位置関係について一例を用いて以下に説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００３６】
本実施形態の三次元形状計測装置２０１では、撮像部２２０のラインセンサ３０１は、その主走査方向の軸が搬送ステージ３０８の載置面と平行で、かつ搬送方向と垂直になるように設置されている。ラインセンサ３０１の光軸と搬送ステージ３０８の載置面とを平行にすることにより、計測対象２００の上面を均一な倍率で撮像することができる。また、ラインセンサ３０１の光軸と搬送方向とを垂直にすることにより、搬送しながら撮影した複数のライン画像からなる２次元画像には、直角部分が直角部分として撮像される。
【００３７】
また、投光部２３０は、その光軸が撮像部２２０の光軸に対して所定の角度を有するように設置されている。これにより、詳細は後述するが、計測対象２００に投影した光パタンのずれに基づいて、計測対象２００の高さを算出することができる。なお、撮像部２２０及び投光部２３０の幾何学的配置は設置時に予め計測しておいてもよいし、キャリブレーションと呼ばれる方法により算出してもよい。
【００３８】
このような三次元形状計測装置の動作について説明すると以下の通りである。まず、駆動制御部２０３からの命令によって、搬送部２４０のサーボモータ３０９が搬送ステージ３０８を初期設定位置にセットする。この初期設定位置は、撮像部２２０が計測対象２００を撮像する際の副走査方向の撮像開始位置を決定するものであり、撮像部２２０の撮像領域が、搬送部２４０の搬送ステージ３０８に載せられた計測対象２００の副走査方向における端部に来るような位置であることが好ましい。
【００３９】
そして、投光部２３０が計測対象２００に光パタンを投影する。撮像部２２０は、光パタンが投影された計測対象２００を走査し、この計測対象２００の画像を取得する。撮像部２２０によって取得された画像は、画像解析部１００に送信され、画像解析部１００のキャプチャボード１０１によってデジタルデータに変換される。そして、画像解析部１００のＣＰＵ３０２が光パタンを解析することによって、計測対象２００の高さ情報が算出される。
【００４０】
ここで、本実施形態の三次元形状計測装置２０１では、画像中の光パタンを解析する際に、空間縞解析法を用いる構成となっている。これにより、撮像部２２０に備わった１本のラインセンサ３０１が１回走査して取得した１つのライン画像から、計測対象２００の、撮像部２２０の走査領域（撮像領域）内での各位置における高さを求めることができる。なお、空間縞解析法の詳細については後述する。
【００４１】
そして、搬送部２４０は、駆動制御部２０３の制御によって、計測対象２００を副走査方向に所定の距離だけ移動させる。これにより、計測対象２００における撮像部２２０の撮像領域と投光部２３０によって投影される光パタン２０２とが、所定の距離だけ副走査方向にずれることになる。この後、再び撮像部２２０が計測対象２００を走査し、ライン画像を取得する。ここで得られたライン画像には、計測対象２００の、先ほどの走査領域よりも所定の距離だけ副走査方向にずれた領域が含まれることになる。得られた画像は、同様に画像解析部１００に送信され、新しい走査領域内での各位置における三次元情報が求められる。
【００４２】
このように、搬送部２４０が再び計測対象２００を所定の距離だけ移動させ、撮像部２２０が計測対象２００を撮像し、画像解析部１００がライン画像を解析する処理を繰り返すことによって、計測対象２００の全体の三次元形状が計測される。
【００４３】
なお、計測対象２００の三次元形状情報のうち、ラインセンサ３０１の主走査方向の長さ及び副走査方向の長さ情報については、公知の方法によって計測する。具体的に説明すると、計測対象２００の主走査方向の長さ情報は、ライン画像に撮像された計測対象の主走査方向の長さに基づいて算出する。一方、計測対象２００の副走査方向の長さ情報は、搬送部２４０による搬送速度に基づいて算出する。このように、計測対象２００の主走査方向及び副走査方向の長さ情報と、高さ情報とを求めることによって、計測対象２００の三次元形状情報を得ることができる。
【００４４】
なお、上記の所定の距離とは、撮像部２２０の撮像領域の副走査方向における長さと等しいことが好ましい。これにより、上記の工程によって計測対象２００の全領域を漏らすことなく迅速に計測することができる。
【００４５】
また、所定の距離ごとの撮像は、搬送ステージ３０８を一定速度で移動させつつ、撮像部２２０に一定時間ごとに撮像させることによって実現することができる。この場合、駆動制御部２０３のコントローラ３１２が、キャプチャボード１０１を介して、例えば数ＫＨｚオーダーの一定時間ごとに撮像駆動信号を撮像部２２０に送信する。撮像部２２０は、この駆動信号をトリガとして光パタンの投影された計測対象２００の画像を取得する。一方、駆動制御部２０３のコントローラ３１２は、同様の一定時間ごとの搬送駆動信号を搬送部２４０にも送信する。搬送部２４０のサーボモータ３０９は、この搬送駆動信号をトリガとして搬送ステージ３０８を一定速度で駆動する。これにより、所定の領域ずつ計測対象２００を撮像することができる。
【００４６】
また、所定の距離ごとの撮像にリニアスケーラ３１０を利用してもよい。この場合、図３に示すように、リニアスケーラ３１０は搬送部２４０に設けられ、搬送ステージ３０８が所定の距離だけ移動されるたびに、駆動制御部２０３のコントローラ３１２に対して信号を送信する。そして、駆動制御部２０３のコントローラ３１２は、この信号を受信すると、撮像部２２０のラインセンサ３０１に対して撮像駆動信号を、キャプチャボード１０１を介して送信する。これにより、搬送部２４０の搬送速度ムラなどに左右されることなく、精確に所定の距離ごとの撮像を行うことが可能になり、その結果、三次元計測の精度が向上する。
【００４７】
さて、このような三次元形状計測装置の利点について説明する。本実施形態では、撮像部２２０に含まれる読み取りセンサとして、ラインセンサを用いる構成となっている。例えば主走査方向の画素数が７５００画素のラインセンサを用いる場合、主走査方向の長さが１００ｍｍの計測対象を、約１３μｍの分解能で撮像することができる。これに対して、例えば横方向の画素数が６４０画素のエリアカメラを用いる場合、横方向の長さが１００ｍｍの計測対象を、約１５０μｍの分解能でしか撮像することができない。
【００４８】
また、上記のエリアカメラがラインセンサと同じ分解能で撮像するためには、主走査方向に所定の距離ずつ移動し、そして撮像するといった処理工程を最低でも１２セット行う必要がある。この場合、主走査方向に撮像部を移動させ、撮像させるために多大な時間を要してしまう。また、搬送部２４０が搬送ステージ３０８を主走査方向及び副走査方向の双方に移動させる必要があるため、駆動部の構造や制御が複雑になり、装置が大型化したり、トラブルの頻度が上昇したりするといった問題も生じる。
【００４９】
これに対して、本実施形態の三次元形状計測装置では、ラインセンサ３０１を用いることにより、計測対象２００に対して高い分解能で高速な撮像を行うことが可能になる。また、搬送部２４０は搬送ステージ３０８を副走査方向に移動させるだけでよいため、装置の簡略化を図ることもできる。
【００５０】
さらに、本実施形態では、撮像部２２０によって読み取った各ライン画像を空間縞解析法によって解析する構成となっている。空間縞解析法では、１つのライン画像から光パタンの位相ずれを算出し、この位相ずれから三次元情報を算出することができる。よって、計測対象２００に対して必要な延べ走査回数が１回で済むため、ラインセンサの数を１本のみにすることもできる。これにより、複数のラインセンサを平行に設置する構成に比べて、ラインセンサの設置を容易に行うことができるようになる。また、１本のラインセンサで複数回操作を行う構成と比べると、高速に計測を行うことが可能になる。
【００５１】
さらに、１度の走査によって取得した１つのライン画像のみに基づいて高さを計測できるため、走査と同時に三次元形状の計測を行うことも可能になる。これにより、例えば基板の検査を行う場合などに、計測対象となる基板上に何らかの製造上の不具合を発見した際に、最後まで撮像処理を繰り返すことなく直ちに計測を中断させることができ、基板の検査を迅速化することもできるようになる。
【００５２】
次に、画像解析部１００による画像解析の詳細について説明する。まず、本実施形態の画像解析手法の原理について説明する。
【００５３】
画像解析部１００は、光パタンの投影された計測対象２００のライン画像を空間縞解析法に基づいて解析する。空間縞解析法とは、上述したように三角測量の原理に基づくものである。以下では、三角測量の原理、縞解析法、空間縞解析法について順番に説明する。
【００５４】
まず、三角測量の原理について説明する。図４は、三角測量の原理を示す図である。説明を簡単にするため、基準面と垂直な光軸を有する撮像部Ｃｃによって基準面からの高さがｈの平面Ｐｈを観測する場合を考える。また、投光部Ｃｐは、基準面から見て撮像部Ｃｃと同じ高さに配置され、光パタンを基準面Ｐ０上の点Ｏの位置に向けて投影するものとする。
【００５５】
基準面と平行で、高さｈだけ離れた平面Ｐｈを観測する場合、点Ｏに向かう光パタンは点Ｐと交わる。このとき、撮像部Ｃｃから見ると、基準面Ｐ０へ向けて投影された光パタンは、本来観測されるべき位置Ｏ（すなわち位置Ｑ）から距離ＰＱだけずれた位置に観測される。この位置ずれＰＱを位相差という。
【００５６】
位相差を算出することができれば、次の式（１）
【００５７】
【数１】
2009014571.tif 000003
【００５８】
によって高さｈを算出することができる。
【００５９】
次に、縞解析法について説明する。本実施形態では、計測対象２００に投影する光パタンとして、正弦波状の光パタンを用いる。正弦波状の光パタンとは、輝度が正弦関数によって表されるグラデーションを有するパタンのことをいう。換言すれば、位置と輝度との関係が正弦関数によって表される光パタンのことを正弦波状の光パタンという。正弦波状の光パタンの一例を図５に示す。
【００６０】
このような光パタンを、図６の（ａ）、（ｂ）に示すような計測対象６００に投影した場合、投影される光パタンを上面から観測すると図７の（ａ）のようになる。すなわち、斜め方向から投影された光パタンは、高さを有する凸部において歪みを生じることになる。このように光パタンが投影された計測対象６００を撮像部２２０のラインセンサ３０１によって走査すると、走査位置と輝度との関係は図７の（ｂ）のようになる。
【００６１】
図８の（ａ）に示すように、凸部のない基準面に投影された光パタンは、常に一定の周期で輝度が変化する。これに対して、凸部に投影された光パタンは凸部の傾斜によって輝度の周期が変化し、その結果、基準面に投影された光パタンに対して位相のずれを生じることになる。よって、実際に計測対象２００に光パタンを投影して撮像した画像（ライン画像）に含まれる或る位置の画素における光パタンの位相と、基準面に光パタンを投影した場合の同画素の位相（基準位相）との差を求めれば、その画素に対応する位置における計測対象２００の高さを上記の三角測量の原理に基づいて求めることができるのである。
【００６２】
上記の位相差を算出するにあたって、基準位相は、基準面に光パタンを投影して撮像することなどによって予め求めておくことができる。一方、実際に計測対象に光パタンを投影して撮像した画像（ライン画像）に含まれる各位置の画素における光パタンの位相の求め方には、大別して２通りある。空間縞解析法と時間縞解析法との相違点は、この位相の求め方にある。
【００６３】
図７の（ｂ）に示すように、正弦関数では、或る一つの変位を与える位相が１周期内に２つ存在する。例えば、ｙ＝ｓｉｎθによって表される関数において、変位ｙ＝０を与える位相θは０及びπの２つ存在する。また、変位ｙ＝１／２を与える位相θはπ／６及び５π／６の２つ存在する。このような理由から、撮像した画像において、単一の画素の輝度値（正弦関数の変位に相当）のみから、その画素における光パタンの位相を求めることはできない。
【００６４】
ここで、従来用いられてきた手法である時間縞解析法では、所定の量だけ位相をずらした光パタンを計測対象に投影して再び計測対象を撮像し、２つの画像を解析することによって位相を１つに決定する。つまり、初めに撮像した画像における或る画素の輝度を基に、その画素における光パタンの位相を２つに絞り込み、次に撮像した画像におけるその画素の輝度を基に、光パタンの位相を１つに特定する。従って、時間縞解析法を用いる場合は、計測対象の反射特性が厳密に一様であったとしても、計測対象を最低でも２回撮像しなければならないことが分かる。
【００６５】
一方、空間縞解析法では、位相を求める画素（以下「注目画素」という）及びその周辺の画素の輝度に基づいて、注目画素における位相を算出する。例えば、上記の例において変位ｙ＝０を与える位相θは０及びπの２つあるが、ここで、注目画素における位相が０の場合とπの場合とでは、周辺の画素の輝度が異なることになる。もし、注目画素における位相が０の場合、例えば注目画素よりも少し位相が小さい側に存在する周辺画素の輝度値は、注目画素の輝度値よりも小さくなる。一方、注目画素における位相がπの場合は、注目画素よりも少し位相が小さい側に存在する周辺画素の輝度値が注目画素の輝度値よりも大きくなる。従って、注目画素の近傍の画素に基づいて、光パタンの位相を１つに決定することができる。このように、注目画素の近傍に存在する画素の輝度値に基づいて、注目画素における位相を決定するのが空間縞解析法の特徴である。
【００６６】
本実施形態の三次元形状計測装置に用いられる空間縞解析法の具体的な処理工程について以下に詳述するが、本発明はこれに限定されず、上述した空間縞解析法の原理に基づいたものであればどのようなものであってもよい。
【００６７】
本実施形態では、撮像したライン画像から、光パタンを９０°移相した移相光パタンを仮想的に作成する。ここで、投影する光パタンを、次の式（２）
【００６８】
【数２】
2009014571.tif 000004
【００６９】
とすると、この光パタンを９０°移相した移相光パタンは、次の式（３）
【００７０】
【数３】
2009014571.tif 000005
【００７１】
と表される。従って、位置ｘにおける画素の位相φ（ｘ）は、次の式（４）
【００７２】
【数４】
2009014571.tif 000006
【００７３】
で求めることができる。
【００７４】
ここで、Ｉ（ｘ）の値は、主走査方向の位置ｘにおける画素の輝度値である。一方、Ｉ＾（ｘ）（以下、ハットのついたＩ（ｘ）を便宜的にこのように記述する）の値の算出には、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換を用いる。すなわち、移相光パタンによる位置ｘにおける輝度値Ｉ＾（ｘ）は、次の式（５）
【００７５】
【数５】
2009014571.tif 000007
【００７６】
で表される。ここで、取得できる輝度データは画素ごとのデータ、つまり離散的なものであるため、上記の式（５）を次の式（６）
【００７７】
【数６】
2009014571.tif 000008
【００７８】
のように近似する。この式（６）によって、Ｉ＾（ｘ）の値を求めることができる。
【００７９】
以上より、輝度値Ｉ（ｘ）を取得すれば、上記の式（６）からＩ＾（ｘ）の値を求め、上記の式（４）から位相φ（ｘ）を求めることができる。そして、求めた位相φ（ｘ）と基準面における位相φ０（ｘ）との位相差Δφ（ｘ）により、上述した三角測量の原理に基づいて、位置ｘにおける高さｚを算出することができる。
【００８０】
高さｚは、具体的には、基準面からの距離として算出され、次の式（７）
【００８１】
【数７】
2009014571.tif 000009
【００８２】
によって求めることができる。なお、上記の式（７）において、Ａ（ｘ，ｚ）及びＢ（ｘ，ｚ）は、パタン周期やカメラから基準面までの距離、パタンの投影角度などの幾何学的配置に依存して画素ごとに決まる関数である。ただし、これらの関数は、未知数ｚの関数なので、厳密な形を算出するのは困難である。従って、予め距離が既知（ｚ０，ｚ１，…，ｚＫ）のターゲットを複数観測して、｛Ａ（ｘ，ｚ０），Ｂ（ｘ，ｚ０）｝、｛Ａ（ｘ，ｚ１），Ｂ（ｘ，ｚ１）｝…｛Ａ（ｘ，ｚＫ），Ｂ（ｘ，ｚＫ）｝の値を各画素ｘごとに算出し、これを用いて直線近似やスプライン関数近似でｚの関数形を推定しておくことが好ましい。
【００８３】
次に、画像解析部１００の構成について説明する。図１は、画像解析部１００の機能ブロック図である。画像解析部１００は、キャプチャボード１０１、正規化部１０２、輝度取得部１０３、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部１０４、入力・設定部１０５、位相算出部１０６、計測レンジ情報変更部１１２、位相差算出部１１３、および高さ算出部１１４を備えている。これらの各部は、ＣＰＵ３０２に各種制御プログラムを実行させることによって実現されている。あるいはその代わりに、図示しないＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Access Memory）などによって実現してもよい。
【００８４】
また、画像解析部１００は記憶部１０７を備えており、記憶部１０７はＲＡＭ３０３、ＲＯＭ（read only memory）、外部記憶装置などの何れか１つ又はそれらの組み合わせによって実現されている。記憶部１０７には、逆正接ＤＢ１０８、計測レンジ情報ＤＢ１０９、基準位相ＤＢ１１０、及び三次元形状ＤＢ１１１が存在する。
【００８５】
逆正接ＤＢ１０８は、ｙ＝ｔａｎ-1ｘによって表される関数におけるｙとｘとの対応を示すデータベースであり、ｘの値と、ｔａｎ-1ｘの値とが予め関連付けて格納されている。これにより、ｘの値に基づいて、その逆正接の値ｙを検索することができる。
【００８６】
計測レンジ情報ＤＢ１０９は、解析中の画素に対応する位置ｘの位相φ（ｘ）の取りうる範囲を示す計測レンジの情報を格納するためのデータベースである。計測レンジは具体的には位置ｘの本来の位相が取りうる範囲の上限と下限の組である。なお、これに限らず、計測レンジは上記下限と、該下限から上記上限までの組や、上記範囲の中央から上限または下限までの差分との組であってもよい。これにより、解析中の画素に対応する位置ｘにおける計測レンジを検索することができる。
【００８７】
基準位相ＤＢ１１０は、図８の（ａ）に示すように光パタンを投影した基準面（高さが常に０の平面）を撮像したライン画像の各画素における光パタンの位相（以下「基準位相」という）を予め格納したデータベースである。基準位相ＤＢ１１０にはライン画像に含まれる画素の主走査方向の位置ｘと、その画素における基準位相φ０（ｘ）とが関連付けて格納されている。これにより、ライン画像に含まれる画素の位置ｘの情報に基づいて、その画素における基準位相φ０（ｘ）を検索することができる。
【００８８】
三次元形状ＤＢ１１１は、計測によって得られた計測対象２００の三次元形状情報を格納するためのデータベースである。この三次元形状ＤＢ１１１には、計測対象２００の表面上の点を特定するｘ座標（主走査方向に相当）、ｙ座標（副走査方向に相当）、ｚ座標（高さに相当）が関連付けて格納される。これにより、計測終了後に、計測対象２００のｘ座標及びｙ座標に基づいて、その位置における高さ（ｚ座標）を検索することができる。
【００８９】
キャプチャボード１０１は撮像部２２０によって撮像されたライン画像を取り込こむものである。キャプチャボード１０１は上記ライン画像を正規化部１０２に送信する。
【００９０】
正規化部１０２はライン画像に含まれるノイズの除去やライン画像の正規化などの前処理を行うためのものである。正規化部１０２は正規化したライン画像を、輝度取得部１０３及びＨｉｌｂｅｒｔ変換部１０４に送信する。
【００９１】
ここで、正規化部１０２におけるライン画像の正規化について図８を用いて説明する。
【００９２】
計測対象２００に光パタンを投影した状態を上方から撮影した画像の例を図８の（ｂ）に示す。一方、上記のような計測対象２００に対し、光パタンを投影せずに一様な輝度の光を計測対象に照射し、上方から撮影した画像は図８の（ｃ）に示すとおりである。図８の（ｃ）に示すように計測対象２００を撮像した対照ライン画像を別途取得し、この対照ライン画像を用いて光パタンを投影した状態で撮像したライン画像を補正することによってライン画像の正規化を行うことができる。具体的には、図８の（ｂ）に示すような光パタンを投影した状態で撮像したライン画像における各画素の輝度値を、対照ライン画像の対応する画素の輝度値で除算すればよい。このように画像の正規化を行っておけば、計測対象２００の各部位の反射特性の相違に起因する算出位相の誤差を軽減することができるようになる。
【００９３】
なお、正規化部１０２でライン画像の正規化を行うために、予め撮像部２２０が光パタンを投影した状態と投影していない状態との２回の走査を行う場合には、投光部２３０に備えるパタン生成素子３０６を液晶素子によって構成することが好ましい。これにより、光パタンのオン／オフを容易に切り換えることができるようになる。あるいは、ガラス又はフィルムの表面に、パタンを形成した領域とパタンを形成していない領域とを有するパタン生成素子３０６を作製しておき、ガラス又はフィルムをずらすことによって、パタンの有無を切り換えてもよい。
【００９４】
なお、本実施形態では画像解析部１００に正規化部１０２を備え、ライン画像の正規化を行ったが、別段の必要がなければ上記正規化部１０２の構成を省略してよい。すなわち、キャプチャボードによって取得されたライン画像データを直接輝度取得部１０３およびＨｉｌｂｅｒｔ変換部１０４へ送信する構成とすることができる。また、正規化部１０２以外に前処理用の処理部を設けてもよい。
【００９５】
輝度取得部１０３は、正規化部１０２からのライン画像データ、すなわち正規化されたライン画像データから、位置ｘにおける輝度値Ｉ（ｘ）を算出する。輝度取得部１０３は、輝度値Ｉ（ｘ）を位相算出部１０６に送信する。
【００９６】
Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部１０４は、正規化部１０２からのライン画像データ、すなわち正規化されたライン画像データから、上記の式（６）に基づいて、位置ｘにおける移相光パタンによる画素の輝度値Ｉ＾（ｘ）を算出する。Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部１０４は算出した位置ｘにおける位相光パタンによる画素の輝度値Ｉ＾（ｘ）を位相算出部１０６に送信する。
【００９７】
入力・設定部１０５は、式（６）のパラメータＮの値をユーザなどが設定するためのものである。入力・設定部１０５は、設定されたパラメータＮの値をＨｉｌｂｅｒｔ変換部１０４に送信する。これにより、位置ｘにおける移相光パタンの輝度を算出する際に用いる注目画素近傍の画素の数を可変にすることができる。あるいは、空間縞解析法で用いるフィルタのサイズを可変にするともいえる。
【００９８】
ここで、Ｎの値を大きくする（すなわちフィルタのサイズを大きくする）と、より多くの画素に基づいて位相を算出することになり、最終的に求められる高さ情報の算出精度が向上する。一方、Ｎの値を小さくする（すなわちフィルタのサイズを小さくする）と、Ｉ＾（ｘ）の算出に必要な演算回数が少なくなり、算出速度が向上する。また、注目画素近傍の画素に黒点などの輝度の不連続点が含まれ難くなるので、不連続点による誤差伝搬の影響を抑制することもできる。
【００９９】
位相算出部１０６は、輝度取得部１０３からの輝度値Ｉ（ｘ）と、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部からの輝度値Ｉ＾（ｘ）とを用い、上記式（４）に基づいて、位置ｘにおける光パタンの位相を算出する。なお、位相算出部１０６は、Ｉ（ｘ）をＩ＾（ｘ）で除算したあと、その逆正接の値を、逆正接ＤＢ１０８を参照することによって求めてもよい。位相算出部１０６は算出した位相を位相差算出部１１３に送信する。
【０１００】
位相差算出部１１３は、位相算出部１０６から位置ｘにおける光パタンの位相φ（ｘ）を受信するとともに、基準位相ＤＢ１１０を参照して位置ｘにおける光パタンの基準位相φ０（ｘ）を取得する。次に、位相差算出部１１３は光パタンの位相φ（ｘ）から基準面の位相φ０（ｘ）を減じて、補正前位相差Δφｐ（ｘ）を算出する。
【０１０１】
次に、位相差算出部１１３は、計測レンジ情報ＤＢ１１２を参照して計測レンジλを取得する。そして、Δφｐ（ｘ）＋２ｋπが計測レンジλの範囲内の値を取るとような整数ｋを求め、Δφｐ（ｘ）＋２ｋπを補正位相差Δφ（ｘ）とする。位相差算出部１１３は、算出した補正位相差Δφ（ｘ）を高さ算出部１１４と計測レンジ情報変更部１１２とに送信する。
【０１０２】
計測レンジ情報変更部１１２は、計測レンジ情報ＤＢ１０９に格納する計測レンジ情報を変更するものである。具体的には、計測レンジ情報変更部１１２は、まず、位相差算出部１１３から位置ｘにおける補正位相差Δφ（ｘ）を受信する。計測レンジ情報変更部１１２は補正位相差Δφ（ｘ）を用いて次に解析する画素、すなわち次の計測点に対応する位置の計測レンジを算出し、算出した計測レンジで計測レンジ情報ＤＢ１０９を更新する。
【０１０３】
ここで図９の（ａ）を用いて計測レンジについて説明する。計測レンジとは位置ｘにおける位相差が取りうる範囲をあらわしている。本実施形態では計測レンジは、一つ前の計測点で計測された補正位相差を中心に±πの範囲と設定する。すなわち、本実施形態では計測レンジは下限Δφ（ｘ）−πおよび上限Δφ（ｘ）＋πの２つの値の組に設定する。一つ前の計測点と現在の計測点との位相差が±πに収まると仮定することによって、現在の計測点における本来の位相差の範囲を推測する。いいかえれば、一つ前の計測点と現在の計測点の位相差が±πの範囲に収まれば、現在の計測点と基準面からの位相差が２π以上になっていても、形状に追随して高さを求めることができる。図９の（ａ）の計測順序方向にこの推測を繰り返すことによって、大きな物体に対しても高い分解能での計測が可能となる。
【０１０４】
なお、本実施形態では下限Δφ（ｘ）−πおよび上限Δφ（ｘ）＋πの値に設定している。すなわち、Δφ（ｘ）を中心として＋π〜−πの範囲に位相差が検出されると仮定しているが、補正位相差Δφ（ｘ）を含み、かつ上限および下限の差が２πである任意の範囲を計測レンジとして設定することができる。すなわち、算出された補正位相差がΔφ（ｘ）とすると、計測レンジλは次の式（８）の範囲を満たせばよい。
【０１０５】
Δφ（ｘ）−θ≦λ≦Δφ（ｘ）＋２π−θ  （ただし、０≦θ≦２π））    …（８）
例えば、前回の計測点の補正位相差（高さ）が前々回の計測点の補正位相差より大きい場合は、計測対象２００が上昇傾向にあると推測し、θの値をθ＝π／２として、計測レンジλの範囲をΔφ（ｘ）−π／２≦λ≦Δφ（ｘ）＋３π／２と設定してもよい。
【０１０６】
一方、上記のように計測レンジを推移させない、従来の計測方法であると、図９の（ｂ）のとおり、計測対象２００の計測の途中で基準面から位相差を２π以上もつような、すなわち計測レンジを超えるような計測点が出てきた場合、高さを正しく算出することができない。
【０１０７】
なお、計測レンジ情報ＤＢ１０９に格納する計測レンジ情報のデータのフォーマットは計測レンジλの最大値と最小値とを格納することにしてもよいし、上記式（８）のλの範囲の平均の値であるΔφ（ｘ）−θ＋πの値を格納することにしてもよい。
【０１０８】
高さ算出部１１４は、位相差算出部からの補正位相差Δφ（ｘ）と上記式（７）に基づいて、位置ｘにおける計測対象２００の高さｚを算出するものである。高さ算出部１１４は、算出した高さｚを、主走査方向の座標ｘ及び副走査方向の座標ｙと関連付けて、三次元形状ＤＢ１１１に格納する。
【０１０９】
続いて、画像解析部１００の画像解析工程について図１０に基づいて説明する。ラインセンサ３０１を有する撮像部２２０によって撮像され、画像解析部１００に送信されたライン画像は、キャプチャボード１０１によって取り込まれる。このライン画像は画素がラインセンサ３０１の主走査方向に連続して配列された画像となっている。この直線状に画素が配列されたライン画像において、画像解析部１００は、その一端部から他端部（終端）に向かって順次高さを算出する。よって、まず、走査方向における画素の位置ｘを０にセットする（ステップＳ１）。
【０１１０】
次に、前処理として正規化部１０２は、キャプチャボード１０１からのライン画像に対して画像データの正規化などの前処理を行う。なお、該前処理では、正規化以外の処理を実行してもよい。また、前処理を省略してもよい。
【０１１１】
次に、輝度取得部１０３が、正規化部１０２からのライン画像データ、すなわち正規化されたライン画像データから、位置ｘにおける画素の輝度値Ｉ（ｘ）を取得する（ステップＳ２）。続いて、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部１０４が、上記ライン画像データから、上記の式（６）に基づいて、位置ｘにおける移相光パタンによる画素の輝度値Ｉ＾（ｘ）を算出する（ステップＳ３）。なお、ステップＳ３を行った後に、ステップＳ２を行ってもよいし、ステップＳ２およびＳ３を並列に行ってもよい。
【０１１２】
次に、位相算出部１０６は、輝度取得部１０３が取得した位置ｘにおける画素の輝度値Ｉ（ｘ）と、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部１０４が算出した位置ｘにおける画素の移相光パタンによる画素の輝度値Ｉ＾（ｘ）とを用い、上記の式（４）に基づいて、位置ｘにおける光パタンの位相を算出する（ステップＳ４）。
【０１１３】
次に、位相差算出部１１３は、位相算出部１０６から取得した位置ｘにおける光パタンの位相と、計測レンジ情報ＤＢ１０９から取得した計測レンジλと、基準位相ＤＢ１１０から取得した位置ｘにおける基準位相とに基づいて、補正位相差Δφ（ｘ）を算出する（ステップＳ５）。
【０１１４】
次に、高さ算出部１１４は、位相差算出部１１３が算出した位置ｘにおける補正位相差（位相のずれ）Δφ（ｘ）と、上記の式（７）とに基づいて、位置ｘにおける計測対象２００の高さｚを算出する。（ステップＳ６）。
【０１１５】
高さ算出部１１４は、算出した高さｚを、主走査方向の座標ｘ及び副走査方向の座標ｙと関連付けて、三次元形状ＤＢ１１１に格納する（ステップＳ７）。
【０１１６】
次に、計測レンジ情報変更部１１２おいて、今回の計測点における補正された位相差（補正位相差）Δφ（ｘ）が０であるかどうかを判定する（ステップＳ８）。ここで、今回の計測点における補正位相差Δφ（ｘ）が０である場合は、計測レンジ情報変更部１１２が高さ０の計測レンジ、すなわち０≦λ≦２πに設定する（ステップＳ９）。そうでない場合は、計測レンジ情報変更部１１２が位相差算出部１１３から取得した補正位相差Δφ（ｘ）に基づいて、上述のように計測レンジを設定し、この結果を計測レンジ情報ＤＢ１０９に格納する（ステップＳ１０）。
【０１１７】
続いて、位置ｘが直線状のライン画像の終端であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。ここで、位置ｘがライン画像の終端である場合は、画像解析処理を終了する。一方、位置ｘがライン画像の終端でない場合は、注目画素の位置を主走査方向に１画素分ずらすために、ｘの値を１つ増やす（ステップＳ１２）。そして、ステップＳ２に戻る。
【０１１８】
上記のステップＳ２からステップＳ１２までの処理を繰り返すことにより、三次元形状ＤＢ１１１には、計測対象２００の主走査方向に沿った各位置における高さ情報が蓄積される。また、上記の画像解析処理が終了すると、搬送部２４０が計測対象２００を副走査方向にずらし、その後、撮像部２２０が計測対象２００を再び撮像し、撮像によって得られたライン画像に基づいて再び上記の画像解析処理が行われる。これにより、三次元形状ＤＢ１１１には、副走査方向に沿った各位置における高さ情報も順次蓄積され、最終的に、計測対象２００全体の三次元形状情報が蓄積される。
【０１１９】
なお、位相算出部１０６が位相を算出した後に、算出した位相に対して後処理を行ってもよい。例えば、位相算出部１０６と位相差算出部１１３との間にＰＬＬ（Phase Locked Loop）部をさらに設け、ノイズによる誤差を軽減することなどが挙げられる。
【０１２０】
また、上記の後処理は、図１０に示すステップＳ５とステップＳ７との間に行えばよい。
【０１２１】
以上により、画像解析部１００の計測レンジ情報変更部１１２は、計測点で位相差算出部１１３によって計測された補正位相差Δφ（ｘ）に基づいて次の計測点での計測レンジλを計測レンジ情報ＤＢ１０９に格納する。通常、基準面からの高さに対応する位相差が２πを超える場合でも、近くの画素同士の位相差が２πを超える可能性は低い。このため、次の計測点での位相差算出において、上記計測レンジ情報ＤＢ１０９の計測レンジに基づいて位相差を補正することで、本来の位相差が２π以上となる場合にも対応し、計測対象２００の高さを算出することができる。
【０１２２】
なお、本実施形態においては、位相差算出部１１６において計測レンジ情報ＤＢ１０９に問い合わせる際、ひとつ前の計測点における計測レンジ情報を計測レンジ情報ＤＢ１０９に問い合わせることで、計測レンジを設定するとしているが、二以上の計測点における計測レンジ情報から導かれた値に基づいて計測レンジを設定してもよい。例えば、これまでに計測した高さ情報の平均値、中央値、あるいは最頻値などを用いてもよい。実際には計測された高さ情報はノイズを含むので望ましくは複数の計測点の高さ情報に基づいて計測レンジを設定したほうが計測精度の向上が図れる。
【０１２３】
次に、計測対象２００に投影する光パタンの好ましい変形例について説明する。
【０１２４】
本実施形態の三次元形状計測装置２０１や、上述した特許文献１や非特許文献１の装置（以下「従来の装置」という）では、計測対象２００に投影する光パタンの輝度が、ラインセンサ３０１の主走査方向に沿って変化する構成となっている。ここで、従来の装置では、位相をずらした最低２種類の光パタンを計測対象に投影した状態で撮像するために、光パタンの輝度の変化のピッチが最も小さくなる方向（以下「最小ピッチ方向」という）を、ラインセンサの主走査方向と異ならせる必要があった。なぜならば、それら２つの方向を一致させてしまうと、ラインセンサの主走査方向に対して垂直な方向の搬送方向に計測対象を搬送しても、計測対象の同一部分に投影される光パタンの位相がずれないからである。
【０１２５】
一方、本実施形態の三次元形状計測装置２０１では、光パタンが投影された計測対象２００をラインセンサ３０１によって撮像して得られた１つのライン画像のみに基づいて、光パタンの位相、ひいては位相差を算出することができる。従って、光パタンの最小ピッチ方向をラインセンサ３０１の主走査方向と一致させても何ら問題は生じない。
【０１２６】
ここで、ラインセンサ３０１によって撮像したライン画像において、光パタンの輝度のピッチは、高さ計測を行う上で、計測精度を決定する重要な因子になる。具体的には、ピッチを小さくすればするほど計測精度が向上する。そして、ラインセンサ３０１が撮像したライン画像において光パタンの輝度のピッチが最も小さくなるのは、光パタンの最小ピッチ方向が、ラインセンサ３０１の主走査方向と一致する場合である。従って、本実施形態の三次元形状計測装置２０１において、計測対象２００に対して投影される光パタンの最小ピッチ方向は、ラインセンサ３０１の主走査方向と平行である（一致している）ことが好ましい。
【０１２７】
また、光パタンの輝度のピッチを小さくすればするほど計測精度が向上するが、高さの計測レンジも小さくなり、計測レンジを固定した従来の方法では、測定可能な高さが小さくなっていた。これに対し、本実施形態の三次元形状計測装置２０１では、位相差の測定結果に基づいて計測レンジを変更し、変更した計測レンジに含まれるように位相差を補正しているので、測定可能な高さを増加させることができる。
【０１２８】
ところで、従来の装置では、光パタンを複数のラインセンサで撮像するため、複数のラインセンサそれぞれの撮像領域に対して光パタンを投影する必要がある。ここで、複数のラインセンサのそれぞれに個別の専用の投影部を設ける場合、投影される光パタンが投影部ごとにバラついてしまうという問題が生じる。このような問題から、投影部を１つにすることが一般的となっている。ここで、投光部を１つにするためには、複数のラインセンサの撮像領域全てカバーできる光パタンを投影する必要がある。
【０１２９】
しかしながら、本実施形態の三次元形状計測装置２０１では、単一のラインセンサ３０１を用いて計測対象２００を撮像する構成であるため、投光部２３０によって投影される光パタンは、単一のラインセンサ３０１の撮像領域のみをカバーすればよい。よって、本実施形態の三次元形状計測装置２０１において、投影する光パタンは、図５のように二次元方向に広がったものでなくてもよい。
【０１３０】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態を図１１および図１２に基づいて説明すると以下の通りである。図１１は、本実施形態に係る三次元形状計測装置２０１における画像解析部１００の要部構成を示すブロック図である。図１１に示す画像解析部１００は、図１に示す画像解析部１００に比べて、計測レンジ情報ＤＢ１０９、計測レンジ情報変更部１１２、位相差算出部１１３、および高さ算出部１１４に代えて、基準点ＤＢ１１００、基準点変更部１１０１、位相差算出部１１０２、および高さ算出部１１０３が設けられている点が異なり、その他の構成は同様である。なお、上記実施形態で説明した構成と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【０１３１】
基準点ＤＢ１１００は、解析中の画素に対応する位置ｘの基準点を格納するためのデータベースである。具体的には、基準点ＤＢ１１００には、位置ｘの基準点の高さが格納されている。
【０１３２】
位相差算出部１１０２は、まず、位相算出部１０６から位置ｘにおける光パタンの位相φ（ｘ）を受信し、基準位相ＤＢ１１０を参照して位置ｘにおける光パタンの基準位相φ０（ｘ）を取得するとともに、基準点ＤＢ１１００を参照して基準点を取得する。
【０１３３】
次に、位相差算出部１１０２は、取得した基準点の基準位相φｑ（ｘ）、すなわち上述の高さ０の基準面を高さ方向に基準点の高さだけ平行移動した平面を上記基準点の基準面とした場合の基準位相φｑ（ｘ）を算出する。具体的には、位相差算出部１１０２は、取得した基準点の高さと、上記の式（１）とを用いて、位置ｘの基準点における基準面からの位相のずれδφ（ｘ）を求め、基準位相φ０（ｘ）から上記位相のずれδφ（ｘ）を減算したものを、基準点における基準位相φｑ（ｘ）とする。すなわち、φｑ（ｘ）＝φ０（ｘ）−δφ（ｘ）となる。
【０１３４】
次に、位相差算出部１１０２は、位置ｘにおける光パタンの位相φ（ｘ）から位置ｘにおける基準点の基準位相φｑ（ｘ）を減ずることにより、基準点からの位相差Δφ（ｘ）を算出する。そして、位相差算出部１１０２は、算出した位相差Δφ（ｘ）を高さ算出部１１０３に送信する。
【０１３５】
高さ算出部１１０３は、まず、位相差算出部１１０２から位相差Δφ（ｘ）を受信するとともに、基準点ＤＢ１１００を参照して基準点を取得する。高さ算出部１１０３は位相差Δφ（（ｘ）から、位置ｘにおける計測対象２００の基準点からの高低差Δｚを上記式（７）に基づいて算出する。次に基準点の高さに高低差Δｚを加えることにより位置ｘにおける計測対象の高さｚを得る。高さ算出部１１０３は、算出した高さｚを、主走査線方向の座標ｘと、副走査線方向の座標ｙとに関連付けて、三次元形状ＤＢ１１１に格納する。さらに高さ算出部は、位置ｘにおける計測対象２００の高さｚを基準点変更部１１０１に送信する。
【０１３６】
基準点変更部１１０１は高さ算出部１１０３から算出された位置ｘにおける高さｚを取得する。基準点変更部１１０１は取得した位置ｘにおける高さｚを基準点として基準点ＤＢ１１００に格納する。
【０１３７】
ここで図９の（ａ）を用いて基準点について説明する。本実施形態において、或る計測点における計測対象２００の高さを、次の計測点での基準点としている。いいかえれば、位置ｘにおける基準点は、１つ前の計測点における高さｚに基づいて設定される。上記のように、基準点変更部１１０１が基準点に１つ前の計測点における高さｚを設定していくことで、或る位置ｘにおける位相と次の計測点における位相の差が２πを超えなければ、計測対象２００の形状を追随していくことができ、計測対象２００の高さを計測することができる。
【０１３８】
また、本実施形態において、基準点変更部１１０１は１つ前の計測点における高さｚを基準点としているが、既に計測済みの２つ以上の各計測点における高さに基づいて算出してもよい。例えば、これまでに計測した高さ情報の平均値、中央値、あるいは最頻値などを用いてもよい。
【０１３９】
続いて、本実施形態における画像解析部１００の画像解析工程について図１２を用いて説明する。なお、図１２において、位相算出部１０６が位置ｘにおける光パタンの位相を算出するまでの処理（ステップＳ２１〜Ｓ２４）は図１０のステップＳ１〜ステップＳ４と同様であるので、その説明を省略する。
【０１４０】
次に位相差算出部１１０２が位相算出部から取得した位置ｘにおける光パタンの位相と、基準位相ＤＢ１１０から取得した基準位相φ０（ｘ）と、基準点ＤＢ１１００から取得した基準点の高さとに基づいて、基準点からの位相差Δφ（ｘ）を算出する（ステップＳ２５）。
【０１４１】
位相差Δφ（ｘ）を受信した高さ算出部１１０３は、上述した三角測量の原理に基づいて、位置ｘにおける計測対象２００の高さを算出する（ステップＳ２６）。具体的には、まず、高さ算出部１１０３は基準点ＤＢ１１００から基準点の高さ情報を取得する。次に、高さ算出部１１０３は、基準点からの高低差Δｚを、上記式（７）から算出する。そして、高さ算出部１１０３は、算出した高低差に基準点の高さを加算することにより、位置ｘにおける計測対象の高さｚを取得する。
【０１４２】
高さ算出部１１０３は、このようにして算出した高さｚを、主走査方向の座標ｘ及び副走査方向の座標ｙと関連付けて、三次元形状ＤＢ１１１に格納する（ステップＳ２７）。
【０１４３】
次に、基準点変更部１１０１が今回の計測点における高さが０であるかどうかを判定する（ステップＳ２８）。ここで、今回の計測点における高さが０である場合は、基準点変更部１１０１が基準点の高さを０に設定する（ステップＳ２９）。そうでない場合は、基準点変更部１１０１は、取得した位置ｘにおける高さｚを基準点として、基準点の情報を基準点ＤＢ１１００に格納する（ステップＳ３０）
続いて、位置ｘが直線状のライン画像の終端であるか否かを判定する（ステップＳ３１）。ここで、位置ｘがライン画像の終端である場合は、画像解析処理を終了する。一方、位置ｘがライン画像の終端でない場合は、注目画素の位置を主走査方向に１画素分ずらすために、ｘの値を１つ増やす（ステップＳ３２）。そして、ステップＳ２２に戻る。
【０１４４】
上記のステップＳ２２からステップＳ３２の処理を繰り返すことにより、三次元形状ＤＢ１１１には、計測対象２００の主走査方向に沿った各位置における高さ情報が蓄積される。また、上記の画像解析処理が終了すると、搬送部２４０が計測対象２００を副走査方向にずらし、その後、撮像部２２０が計測対象２００を再び撮像し、撮像によって得られたライン画像に基づいて再び上記の画像解析処理が行われる。これにより、三次元形状ＤＢ１１１には、副走査方向に沿った各位置における高さ情報も順次蓄積され、最終的に、計測対象２００全体の三次元形状情報が蓄積される。
【０１４５】
上記構成の三次元形状計測装置２０１において、画像解析部１００の基準点変更部１１０１は、計測点で高さ算出部１１０３によって計測された高さに基づいて次の計測点での基準点を基準点ＤＢ１１００に格納する。通常、基準面からの高さに対応する位相差が２πを超える場合でも、近くの画素同士の位相差が２πを超える可能性は低い。このため、次の計測点での高さ算出において、上記基準点ＤＢ１１００の基準点に基づいて基準面を設定し、基準位相を補正し、前回の計測点との高低差を算出する。高さ算出部１１０３は上記高低差に前回の計測点の高さを加えることで、計測対象２００の高さを算出できるので、本来の位相が２π以上となる場合にも対応することができる。
【０１４６】
〔実施の形態３〕
本発明の実施のさらに他の形態を図１３および図１４に基づいて説明すると以下の通りである。図１３は、本実施形態に係る三次元形状計測装置２０１における画像解析部１００の要部構成を示すブロック図である。図１３に示す画像解析部１００は、図１に示す画像解析部１００に比べて、計測レンジ情報変更部１１２が取り除かれている点と、計測レンジ情報ＤＢ１０９および位相差算出部１１３に代えて、計測レンジ情報ＤＢ１３００および位相差算出部１３０１が設けられている点が異なり、その他の構成は同様である。なお、上記実施形態で説明した構成と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【０１４７】
計測レンジ情報ＤＢ１３００は、位置ｘの位相φ（ｘ）を補正するための計測レンジの情報を格納するためのデータベースである。本実施の形態では、計測レンジ情報ＤＢ１３００には、計測レンジ情報と、計測対象２００の表面上の点を特定するｘ座標（主走査方向に相当）、およびｙ座標（副走査方向に相当）とが関連付けて格納されている。これにより、ｘの値及びｙ座標に基づいて、その位置ｘにおける計測レンジを検索することができる。
【０１４８】
ここで、本実施の形態における計測レンジ情報ＤＢ１３００は、図１の計測レンジ情報ＤＢ１０９に比べて、あらかじめ別手法により計測対象２００の形状が計測もしくは予測されており、上記計測に基づいて計測レンジ情報が予め作成されている点が異なっている。計測対象２００の形状が予め予測される場合としては、規格品のように、基本的な形状がすでに分かっている場合が挙げられる。この場合、上記実施形態の三次元形状計測装置２０１により規格品の三次元形状を測定し、このときに求めた計測レンジを用いてもよい。あるいは、計測対象２００の形状は計測対象の三次元形状特性をあらわす関数によって表現できる場合、関数が示す値によって計測レンジを予め設定しておくといったことが考えられる。
【０１４９】
位相差算出部１３０１は、位置ｘにおける位相差（位相のずれ）Δφ（ｘ）を算出するものである。本実施形態では、位相差算出部１３０１は、まず、位相算出部１０６から位置ｘにおける光パタンの位相φ（ｘ）を受信するとともに、基準位相ＤＢ１１０を参照して位置ｘにおける光パタンの基準位相φ０（ｘ）を取得する。次に、位相差算出部１３０１は、光パタンの位相φ（ｘ）から基準面の位相φ０（ｘ）を減じて、補正前位相差Δφｐ（ｘ）を算出する。
【０１５０】
次に、位相差算出部１３０１は、計測レンジ情報ＤＢ１３００を検索して、位置ｘ，ｙにおける計測レンジλを取得する。そして、Δφｐ（ｘ）＋２ｋπが計測レンジλの範囲内の値を取るような整数ｋを求め、Δφｐ（ｘ）＋２ｋπを補正位相差Δφ（ｘ）とする。位相差算出部１３０１は、算出した補正位相差Δφ（ｘ）を高さ算出部１１４に送信する。
【０１５１】
続いて、本実施形態における画像解析部１００の画像解析工程について図１４を用いて説明する。なお、図１４において、位相算出部１０６が位置ｘにおける光パタンの位相を算出するまでの処理（ステップＳ４１〜Ｓ４４）は図１０のステップＳ１〜ステップＳ４と同様であるので、その説明を省略する。
【０１５２】
ステップＳ４５において、位相差算出部１３０１は位相算出部１０６から位置ｘにおける位相φ（ｘ）を取得するとともに、計測レンジ情報ＤＢ１３００を参照して計測レンジλを取得する。
【０１５３】
続いて、位相差算出部１３０１は位置ｘの位相φ（ｘ）と、基準位相φ０（ｘ）と、計測レンジλとに基づいて位置ｘにおける補正位相差Δφ（ｘ）を算出する（ステップＳ４６）。
【０１５４】
次に、高さ算出部１１４は、上記式（７）と上記補正位相差Δφ（ｘ）とに基づき位置ｘにおける計測対象２００の高さを算出する（ステップＳ４７）高さ算出部１１４は、基準点からの距離を、上記式（７）から算出する。
【０１５５】
高さ算出部１１４は、このようにして算出した高さｚを、主走査方向の座標ｘ及び副走査方向の座標ｙと関連付けて、三次元形状ＤＢ１１１に格納する（ステップＳ４８）。
【０１５６】
続いて、位置ｘが直線状のライン画像の終端であるか否かを判定する（ステップＳ４９）。ここで、位置ｘがライン画像の終端である場合は、画像解析処理を終了する。一方、位置ｘがライン画像の終端でない場合は、注目画素の位置を主走査方向に１画素分ずらすために、ｘの値を１つ増やす（ステップＳ５０）。そして、ステップＳ４２に戻る。
【０１５７】
上記のステップＳ４２からステップＳ５０の処理を繰り返すことにより、三次元形状ＤＢ１１１には、計測対象２００の主走査方向に沿った各位置における高さ情報が蓄積される。また、上記の画像解析処理が終了すると、搬送部２４０が計測対象２００を副走査方向にずらし、その後、撮像部２２０が計測対象２００を再び撮像し、撮像によって得られたライン画像に基づいて再び上記の画像解析処理が行われる。これにより、三次元形状ＤＢ１１１には、副走査方向に沿った各位置における高さ情報も順次蓄積され、最終的に、計測対象２００全体の三次元形状情報が蓄積される。
【０１５８】
上記三次元形状計測装置２０１の構成によれば、位相差算出部１３０１が予め取得済みの計測レンジ情報を計測レンジ情報ＤＢ１０９に問い合わせる。このとき、計測点における位相の差が計測レンジの範囲内を超えなければ、計測対象の形状を追随していくことができる。その結果、計測対象の高さを、複雑な手順を要さず簡単に計測することができる。また、各画素の計測ごとに計測レンジ情報を更新する必要がないので、三次元形状の計測を迅速に行うことができる。
【０１５９】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【０１６０】
最後に、画像解析部１００の各ブロック、特に輝度取得部１０３およびＨｉｌｂｅｒｔ変換部１０４、位相算出部１０６、計測レンジ情報変更部１１２、位相差算出部１１３および１１０２、高さ算出部１１４および１１０３、及び基準点変更部１１０１は、ハードウェアロジックによって構成してもよいし、次のようにＣＰＵを用いてソフトウェアによって実現してもよい。
【０１６１】
すなわち、画像解析部１００は、各機能を実現する制御プログラムの命令を実行するＣＰＵ、上記プログラムを格納したＲＯＭ、上記プログラムを展開するＲＡＭ、上記プログラムおよび各種データを格納するメモリ等の記憶装置（記録媒体）などを備えている。そして、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウェアである画像解析部１００の制御プログラムのプログラムコード（実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム）をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、上記画像解析部１００に供給し、そのコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。
【０１６２】
上記記録媒体としては、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー（登録商標）ディスク／ハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ−ＲＯＭ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ等の光ディスクを含むディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ／ＥＰＲＯＭ／ＥＥＰＲＯＭ／フラッシュＲＯＭ等の半導体メモリ系などを用いることができる。
【０１６３】
また、画像解析部１００を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを通信ネットワークを介して供給してもよい。この通信ネットワークとしては、特に限定されず、例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、ＬＡＮ、ＩＳＤＮ、ＶＡＮ、ＣＡＴＶ通信網、仮想専用網（virtual private network）、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、例えば、ＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ、電力線搬送、ケーブルＴＶ回線、電話線、ＡＤＳＬ回線等の有線でも、ＩｒＤＡやリモコンのような赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、８０２．１１無線、ＨＤＲ、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。なお、本発明は、上記プログラムコードが電子的な伝送で具現化された、搬送波に埋め込まれたコンピュータデータ信号の形態でも実現され得る。
【産業上の利用可能性】
【０１６４】
本発明によれば、本来の位相差が２π以上になる計測点での高さを迅速かつ容易に計測できるので、例えば実装基板を検査する装置などに好適に適用することができる。また、計測レンジを推移させて計測対象の三次元形状を計測できるため、従来の方法によりもダイナミックレンジが広くなり、高分解能に形状計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１６５】
【図１】本発明の一実施形態を示すものであり、三次元形状計測装置の画像解析部の機能ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すものであり、三次元形状計測装置による計測の様子を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態を示すものであり、三次元形状計測装置の要部構成を示すブロック図である。
【図４】三角測量の原理を説明するための図である。
【図５】本発明の一実施形態を示すものであり、投光部が投影する光パタンの一例を示す図である。
【図６】（ａ）は計測対象の形状を示す上面図であり、（ｂ）は計測対象の形状を示す側面図である。
【図７】上記計測対象に光パタンを投影した場合に、上記計測対象に投影された光パタンの歪みを示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は基準面での輝度変動と凸部での輝度変動を示す波形図である。
【図８】本発明の一実施形態を示すものであり、（ａ）は投光部が基準面に投影する光パタンの一例を示す図であり、（ｂ）は投光部が計測対象に投影する光パタンの一例を示す図であり、（ｃ）は投光部が光パタンを投影せずに一様な輝度の光を計測対象に投影した状態での一例を示す図である。
【図９】（ａ）は計測レンジまたは基準点を変更しながら各計測点における高さを計測していく本発明の方法を示すグラフであり、（ｂ）は計測レンジも基準点も変更しない従来の計測方法を示すグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態を示すものであり、図１に示す画像解析部の処理工程を示すフロー図である。
【図１１】本発明の他の実施形態を示すものであり、図３に示す画像解析部の機能ブロック図である。
【図１２】本発明の他の実施形態を示すものであり、図１１に示す画像解析部の処理工程を示すフロー図である。
【図１３】本発明のさらに他の実施形態を示すものであり、図３に示す画像解析部の機能ブロック図である。
【図１４】本発明のさらに他の他の実施形態を示すものであり、図１３に示す画像解析部の処理工程を示すフロー図である。
【符号の説明】
【０１６６】
１００    画像解析部
１０２    正規化部（位相算出手段）
１０３    輝度取得部（位相算出手段）
１０４    Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部（位相算出手段）
１０６    位相算出部（位相算出手段）
１０７    記憶部（記憶部）
１０９    計測レンジ情報（記憶部）
１１２    計測レンジ情報変更部（高さ算出手段）
１１３、１１０２    位相差算出手段（高さ算出手段）
１１４、１１０３    高さ算出部（高さ算出手段）
２００    計測対象
２０１    三次元形状計測装置
２２０    撮像部（画像撮像部）
１１０１    基準点変更部
【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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