JP2002277225A

JP2002277225A - 光学的形状測定装置の照明装置

Info

Publication number: JP2002277225A
Application number: JP2001081759A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Osawa; 康宏大澤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2002-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】パターン照射法の照射光学系から異なるパタ
ーンを照射するようにしても、光学系が大きくならない
ようにして、光学的形状測定装置の照明装置の小型化と
信頼性の向上を図る。【解決手段】キセノン管などのフラッシュ光源３とフ
ィルタユニット４からなる。フィルタユニット４は、２
つのシリンドリカル凹レンズ１３と２つの濃度フィルタ
１４が基線垂直方向Ｚに配置されている。２つの濃度フ
ィルタ１４は、各々赤と青のカラーフィルムに濃度分布
を焼き付けたものである。フラッシュ光源３は濃度フィ
ルタ１４側から光を発光させ、入射光３０は、２つの濃
度フィルタ１４とシリンドリカル凹レンズ１３を透過し
て物体面１８を照射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学的形状測定装
置の照明装置に関し、さらに詳しくは、物体の形状と距
離計測を行うことにより、物体の形状を測定する測定装
置の光源となる照明装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】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る。図１２は、従
来例の光学的形状測定装置の概念図である。図に示すよ
うに、半導体レーザーユニット１と、ガルバノミラー
２、シリンドリカルレンズ３からなる照射光学系と、結
像レンズ７とＣＣＤ８からなる検知光学系からなる、光
切断法を用いた形状測定装置が産業用によく用いられて
いる。半導体レーザーユニット１からビーム状に放射さ
れた光がガルバノミラー２で図面左右方向に走査され、
シリンドリカルレンズ３で上下方向に拡大されて、縦に
長いスリット光５となって測定物体４に照射される。こ
のとき、スリット光５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７を通して測定物体４か
ら反射される反射光６を受光素子であるＣＣＤ８で観察
すると、測定物体４の奥行き方向の凹凸に応じてＣＣＤ
８上で直線状のスリット光５の変形と結像位置の移動が
生じる。ＣＣＤ８で反射光６の像を観察することは、反
射光６が結像レンズ７に入射する測定物体４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５を照射
する位置とＣＣＤ８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５が照射
されている部分の測定物体４の形状を測定することがで
きる。ガルバノミラー２を振動さることで、スリット光
５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４全体の形状を得ることができる。

【０００３】図１３は、３角測量の原理を説明する図で
ある。この図を用いてさらに詳細に説明する（例えば、
吉澤徹著、"光三次元計測"、pp.29-30、新技術コミュニ
ケーションズ、1993年を参照）。スリット光源２（図１
２のガルバノミラー２のビーム光の反射位置に相当）と
受光器５（図１２のＣＣＤ８に相当）が基線長Ｌだけ離
れているとする。スリット光源２から角度θで放射され
た光が３ａの位置にある測定物体３の表面で反射され、
受光器５のある位置に角度φで入射し結像するなら、Ｚａ＝（ｔａｎθ・ｔａｎφ／ｔａｎθ＋ｔａｎφ）・Ｌ（数１）が成り立つ。結像レンズ１０と受光器５の距離ｄと、基
線長から直交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３
が３ｂの位置にある場合に、受光器５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、Ｚｂ＝［ｔａｎθ・ｔａｎ（φ＋Ψ）／（ｔａｎθ＋ｔａｎ（φ＋Ψ））］・Ｌ（数２）からＺｂが求まる。スリット光２を測定物体３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。スリット光を測定物体に順
次走査する光切断法の欠点は、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１２のガルバノミラ
ー２のような可動部品が用いられるため装置の振動に弱
くなることと、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５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
ことである。スリット光を順次に走査する必要があると
いう光切断法の欠点を改良した形状計測方法に、パター
ン投影法がある。これは、スリット光を走査する代わり
に、スリット光の全体を面上に並べて、測定物体に１つ
のパターン光として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に情報を付加しておく。パタ
ーン投影法の一種に強度比法（Intensity Ratio metho
d）がある（B.Carrihill and R.Hummel、"Experiments w
ith the Intensity Ratio Depth Sensor"、Computer Vis
ion、Graphics、and Image Processing、vol.32、pp.337-35
8、1985年）。

【０００４】図１４は、強度比法を説明するための図で
ある。この図を使って詳細に説明する。図１４の左右方
向が基線方向であり、図１３と同様にパターン光源１
（図１３のスリット光源２に相当）と受光器４（図１３
の受光器５に相当）が基線方向６に対して異なる位置に
ある。パターン光源１からは基線方向６に対して光量分
布を持つ測定面３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Ｇａ（θ）とＧｂ（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４で受光された光量をＰａ、Ｐｂ、パターン
光源１の光量をＳ、とすると、Ｐａ＝Ｋ・σ・Ｇａ（θ）・Ｓ（数３ａ）Ｐｂ＝Ｋ・σ・Ｇｂ（θ）・Ｓ（数３ｂ）が成り立つ。ここでＫはパターン光源１と受光器４、測
定面３の位置関係から決まる係数である。測定面３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、（数３ａ）（数３ｂ）の比
をとると、Ｐａ／Ｐｂ＝Ｇａ（θ）／Ｇｂ（θ）（数４）となり、ＰａとＰｂの比は放射角度θだけに依存するこ
とがわかる。２つの強度分布光Ｇａ（θ）とＧｂ（θ）
を持つ光パターンで測定面を照射し、Ｐａ／Ｐｂ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１２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Ｇａ（θ）／Ｇｂ（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、Ｇａ（θ）がθに対して
単調増加関数、Ｇｂ（θ）がθに対して単調減少関数で
あれば、Ｇａ（θ）／Ｇｂ（θ）はθに対して単調増加
関数となり、Ｐａ／Ｐｂからθが一意に求まる。先のB.
Carrihillの論文では、Ｇｂ（θ）をθによらず一定な
一様分布とし、Ｇａ（θ）を直線的に光量が増加する分
布としているが、強度比法を用いた特許である特開平１
０−４８３３６では、Ｇａ（θ）が直線的に増加する分
布、Ｇｂ（θ）が直線的に減少する分布を採用してい
る。

【０００５】図１５は、従来例の特開平１０−４８３３
６号公報に開示されている図である。この図に基づいて
内容を説明する。光源Ａ、１２と光源Ｂ、１３を光源と
して、各々透過波長の異なるフィルタＡ、１５とフィル
タＢ、１６を透過した光は、ハーフミラー１７で合成さ
れた後で、スリット１０で線状にされ、回転ミラー４で
被写体１１に順次走査されつつ照射される。この時、回
転ミラー４の回転角度に同期させて、光源Ａ、１２の光
量を線形に増加させ、光源Ｂ、１３の光量を線形に減少
させる。被写体１１から反射された光を、レンズ１でＣ
ＣＤＡ、２０とＣＣＤＢ、２１に結像させる。ＣＣ
ＤＡとＣＣＤＢは、各々フィルタＡ、１５、フィル
タＢ、１６で入射波長を制限しているので、各々独立に
光源Ａ、１２と光源Ｂ、１３の光量を検知する。ＣＣＤ
Ａ、２０とＣＣＤＢ、２１で検知された光量の比と
回転ミラー４の回転角度は１対１に対応付けられてお
り、光源部３６とレンズ１とＣＣＤＡ、２０とＣＣＤ
Ｂ、２１を含む受光部の配置が分かっているから、３
角測量の原理により被写体の空間的位置を検知すること
ができる。簡単に言うと、強度比法に用いる２つの光パ
ターンを、２色を用いることで同時に検知可能にした構
成である。図１５は光パターンを生成するための光のス
リットを走査する可動部がある例であるが、強度比法は
光切断法と比較して本質的にスリット光を順次走査する
必要はなく、カメラで反射パターンを２回取り込めば済
むため、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利点がある。ま
た、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、２つのパタ
ーンを合成して照射する光学系として、ハーフミラーや
プリズムを用いることになるため、光学系を小さくしに
くい。特にデジタルカメラ等に形状計測機能を追加しよ
うとすると、せいぜいカメラのフラッシュ程度の大きさ
の照射光学系が必要であり、さらにパーツ数が少なく低
コストであるためには、空間を占有し重さもあるプリズ
ムなどの光学パーツがないことが望ましい。特に図１５
の場合は、光を走査する可動部があって信頼性に欠け、
ハーフミラーで光パターンを合成するので光学系が大き
くなりやすい。

【０００６】別なパターン投影法として位相シフト法が
ある。この方式は、測定物体に相互に位相を変えた複数
の縞状の高度を持つ正弦波の光パターンを照射し、測定
物体での反射光の強度情報を利用して、測定物体の凹凸
による位相の変化を求める方式である。位相の与え方と
しては、レーザ等の可干渉光の位相を用いて相互の位相
を変化させる場合、基線方向に正弦波状の光強度を持つ
パターンを複数照射し、相互の光パターンの空間的位相
を変化させる場合がある。前者は微小物体の計測に用い
られ、後者は比較的大きな物体の形状計測に用いられ
る。位相変化は奥行き情報を持っているため、位相情報
から形状情報を求められる。吉澤徹著、"光三次元計
測"、pp.115-116、新技術コミュニケーションズ、1993
年に従えば、位相変調された反射光Ｙは、背景光をａ、
照射した正弦波パターンの振幅強度をｂ、観測される縞
パターンの位相をω、あらかじめ与えることができる位
相をωｏとすると、Ｙ（ωｏ）＝ａ＋ｂ・ｃｏｓ（ω＋ωｏ）（数５）となる。ωｏとして、０、π／２、πとした縞パターン
を照射し、各々の測定物体で反射された反射光Ｙ
（０）、Ｙ（π／２）、Ｙ（π）から、位相差ωが、 ω＝ａｒｃｔａｎ［（Ｙ（π）−Ｙ（π／２））］／［Ｙ（０）−Ｙ（π／２）］＋π／４（数６）から求められる。位相ωが分かれば形状が求められる。
位相シフト法の利点は、正弦波という形状が分かった縞
パターンを投影するので、同じく照射された光パターン
の強度分布から形を求めているにもかかわらず、強度比
法に比べて、高精度に形状を求められることである。ま
た、強度比法と同じ振幅の光量変化が与えられたとする
と、位相シフト法の方が短い周期の間で大きな光量の変
化を与えることができるので、強度比法に比べて実質的
にＳ／Ｎを改善できている。受光量Ｙの比を用いて位
相、即ち形状を求めているので測定物体の反射率に依存
しないという点は、強度比法と同じである。一方、位相
から奥行き情報を求める場合に、位相情報が０から２π
の間でしか求まらないため、本当の位相値との間に２π
の整数倍の不定性が生じ、本質的に位相、即ち奥行き情
報の決定に曖昧さがともなう問題がある。通常は位相値
の連続性などを仮定して、測定された位相ωから真の位
相を計算する（位相のアンラッピングと呼ばれる）を行
なう必要がある。

【０００７】図１６は、空間的な位相差を与える位相シ
フト法を説明する図である。この図を用いて説明する。
測定物体１０２に対して、正弦波パターン光を照射する
液晶パネル付きプロジェクタ１０４と、物体１０１の反
射光を検知するカラーカメラ１０３が、ある距離を置い
て配置されている。プロジェクタ１０４は、周期の異な
る３色の正弦波状に光量が変調された縞パターンを同時
に投影している。カラーカメラ１０３で取り込んだ画像
は、プロジェクタとカラーカメラの視差により、物体１
０１の形状を反映して変形されているので、位相シフト
法等の方法で形状を再現する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来例の特開平１０−
４８３３６号公報に開示されている技術では、２つのパ
ターンを合成して照射する光学系として、ハーフミラー
やプリズムを用いることになるため、光学系を小さくし
にくい。また、光を走査する可動部があって信頼性に欠
け、ハーフミラーで光パターンを合成するので光学系が
大きくなりやすい。さらに、特開２０００−１４６５４
３公報に開示されている技術では、位相生成のために、
フィルムに液晶パネルを用いた特殊なプロジェクタを用
いて光パターンを照射するので、任意の光パターンを照
明できるものの、照射系自体が大きくなりやすい問題が
あった。本発明は、かかる課題に鑑み、従来の光学的形
状計測におけるパターン照射法の照射光学系の大きさが
小さくしにくかった点を改善し、光学系の構成が簡単で
小型の照射光学系を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明はかかる課題を解
決するために、請求項１記載の発明は、複数の光パター
ンを測定物体に照射する光学手段と、前記測定物体から
の反射光を検知する像検知手段と、を有し、前記光学手
段と前記測定物体と前記像検知手段の３点の位置関係か
ら、前記測定物体の形状を測定する形状測定装置の照明
光学系において、前記照明光学系は、少なくとも１つの
光源と、該光源の波長を選択的に通過させる複数の光フ
ィルタと、該光フィルタに対応して設けられ、該光フィ
ルタを通過した光束を拡散する複数の光拡散手段と、を
備え、前記複数の光フィルタが３角測量の基線方向と直
交方向に配置され、前記各々の光フィルタを通過した光
束が、前記複数の光拡散手段により少なくとも一部若し
くは全てが重畳することを特徴とする。かかる発明によ
れば、複数の光パターンを測定物体に照射し、その反射
光を検知することで、３角測量の原理により測定物体の
形状を測定する形状測定装置の照明光学系において、複
数の光パターンを合成する光学系が、単一の光源と複数
の光フィルタと各光フィルタ毎に設けられた複数の光拡
散手段からなり、複数の光フィルタが３角測量の基線方
向と直交方向に配置され、各々の光フィルタを通した光
源の光を光拡散手段で基線に直交方向に選択的に拡散
し、測定物体上に重ねて同時に照射する構成としてい
る。従って、パターン投影法を用いた３角測量で形状計
測を行なう場合、照射するパターン光は基線方向に対し
ては光強度、あるいは波長などの情報が変調されてい
る。ところが基線に直交方向にはパターンに変化が無い
ので、２次元のパターン光を投影しているといっても、
パターン光の情報は基線に直交方向には含まれず、本質
的に１次元のパターン光を投影するのと変わらない。パ
ターン光の照明系では２次元の面状のパターンを２次元
のまま照明する必要がなく、基線方向に変調したパター
ン光を何らかの光拡散手段を用いて基線に直交方向に拡
散させれば、必要なパターン光を測定物体上に投影する
ことができる。

【００１０】パターン光を測定物体上に照射する手段と
しては、基線方向に対して透過率や波長を変調したフィ
ルタを裏面から照射して、その透過光を利用するか、あ
るいは反射率を変調した反射型フィルタを照明して、そ
の反射光を利用すれば良い。通常は、パターン光を照射
する光学系として、フィルムプロジェクタのような結像
光学系を用いている場合が多いが、結像光学系を用いる
とそれだけで光軸方向に細長い構成になってしまう。本
請求項では、影絵のように光源からの光を光フィルタと
光拡散手段でパターン光を投影しているので、光学系が
非常に簡単化されている特徴がある。複数のパターン光
を物体上に重ねて照射する場合は、上記のフィルタを基
線に直交方向に並列に配置して、単一の光源でフィルタ
を照射することで、複数のパターン光が得られる。この
時、各フィルタから生成されたパターン光は、基線に直
交方向に対して、光源と各フィルタの配置で決まる特定
の領域しか照射されない。本発明では、各フィルタ毎に
光拡散手段を設け、この光拡散手段により基線に直交方
向にパターン光を選択的に拡散し、照射領域が測定物体
上で重なるようにしている。この時、各フィルタの位置
関係を精密に決めておけば、照明される各パターン光同
志も精密に合わせることができる。もし複数のパターン
光同志の照射方向がずれていると、形状を再現する場合
に誤差を生むことになるため、パターン光同志を精密に
位置合わせできることは重要である。本構成は、基線方
向にのみ変調されているパターンであれば、パターンの
種類によらずに適用できる。またフィルタの変調が波長
であっても光量であっても適用可能である。例えば、縞
状の正弦波強度を持つ位相シフト用のパターン、強度比
法のような光量が単調変化するパターン、基線方向に波
長が掃引されるレインボーパターン等である。また、複
数のパターンに対して光源が１つで済むので、光学系を
構成する主要な部品の点数を減らせる。

【００１１】また、請求項２記載の発明は、複数の光パ
ターンを測定物体に照射する光学手段と、前記測定物体
からの反射光を検知する像検知手段と、を有し、前記光
学手段と前記測定物体と前記像検知手段の３点の位置関
係から、前記測定物体の形状を測定する形状測定装置の
照明光学系において、前記照明光学系は、少なくとも１
つの光源と、該光源からの光束を通過若しくは遮断する
複数の光シャッタと、該複数の光シャッタに対応して設
けられ、前記光束の波長を選択的に通過させる複数の光
フィルタと、該光フィルタを通過した光束を拡散する複
数の光拡散手段と、を備え、前記複数の光シャッタが３
角測量の基線方向と直交方向に配置され、前記光シャッ
タが選択的に前記複数の光フィルタの照射パターンを切
り替えることを特徴とする。かかる発明によれば、光学
的形状測定装置の照明装置として、複数の光パターンを
測定物体に照射し、その反射光を検知することで、３角
測量の原理により測定物体の形状を測定する形状測定装
置の照明光学系において、複数の光パターンを合成する
光学系が、単一の光源と複数の光フィルタと各光フィル
タ毎に設けられた複数の光シャッタと、各光フィルタ毎
に設けられた光拡散手段からなり、複数の光フィルタが
３角測量の基線方向と直交方向に配置され、各々の光フ
ィルタを通した光源の光を光シャッタで切り替えながら
光拡散手段で基線に直交方向に選択的に拡散し、測定物
体上に重ねて照射するする構成としている。本請求項
は、請求項１の光フィルタ毎に光シャッタが設けられて
いる構成である。請求項１の特徴に加えて、各フィルタ
毎に光シャッタが設けられているので、光源のスイッチ
ングと光シャッタを同期させて、選択的にパターン光を
照射することができる。例えば、複数の光フィルタが白
色のパターン光照射する場合、パターンを同時に照射す
るとそのままでは形状計測装置の受光器でパターンの判
別ができなくなるため、光シャッタを切り替えつつ光源
を発光させて、何度かに分けてパターン光を物体上に照
射する。請求項１に比べて光シャッタが設けられている
分だけ、構成が複雑になりパーツ数も増えるが、請求項
１と同様に、光源が１つであり、各光フィルタ間の位置
合わせを精密に行なえること、各フィルタの照射パター
ンを自由に切り替えられることが利点になる。また、光
シャッタは投影するパターンの切り替えを行なうだけな
ので、簡易な構造の光シャッタが使える。

【００１２】また、請求項３記載の発明は、前記光拡散
手段が、レンズあるいはミラーにより構成されるのも有
効な手段である。かかる技術手段によれば、光学的形状
測定装置の照明装置として、請求項１および２における
光拡散手段が、レンズあるいはミラーで構成している。
基線に直交方向へ光を拡散する手段として、一般的な光
学パーツであるレンズあるいはミラーを用いているの
で、特に特殊な部品の開発が必要ない。例えばシリンド
リカル凹レンズを例にとると、フィルタの直後にシリン
ドリカル凹レンズを配置して、凹レンズのシリンダー方
向を基線方向に合わせておく。光フィルタを透過した光
は基線に直交方向にはレンズの曲面の屈折により拡散さ
れるが、基線方向には平面レンズ、あるいは平面ミラー
としてしか機能しないため、基線に直交方向への選択的
な光の拡散が実現できる。もし光拡散手段としてミラー
を使うならば、シリンドリカル凸面ミラー等が利用でき
る。また、請求項４記載の発明は、前記複数の光フィル
タと光拡散手段が、一体形成されていることも本発明の
有効な手段である。かかる技術手段によれば、光学的形
状測定装置の照明装置として、請求項３における複数の
光フィルタと光拡散手段が、一枚の基板に集積化されて
いる構成としている。光フィルタと光拡散手段を一枚の
基板に集積化することで、形状測定装置の照明部の組み
立てが簡単化され、信頼性が向上する。例えば、フォト
リソグラフィー等の写真技術を応用して複数フィルタを
一枚の基板に製造すれば、複数のフィルタを機械的に組
み合わせる場合に比べて、フィルタ相互の位置合わせ精
度は格段に向上する。同様に光拡散手段もまとめて一体
形成できれば位置合わせ精度が向上する。光フィルタと
光拡散手段を全て一体形成できれば最も効果的である。
また、請求項５記載の発明は、前記照明装置が３角測量
の基線方向と直交方向に複数配置することも本発明の有
効な手段である。かかる技術手段によれば、光学的形状
測定装置の照明装置として、請求項１および２における
照明装置が複数アレイ状に並んでいる構成としている。
請求項１あるいは２において、基線直交方向に光フィル
タを複数設けて、同時に照明装置全体を小さくしようと
すると、１つの光フィルタの基線直交方向の幅を狭くせ
ざるをえない。本請求項のように、もともと照明装置を
小さく作れる場合は、１つの照明装置の中に無理にたく
さんの光フィルタを入れ込むのではなく、２、３個の照
明装置を並べて使ってもまだ照明系全体の大きさを小さ
くすることができる。

【００１３】また、請求項６記載の発明は、前記光拡散
手段がシリンドリカル凹レンズで構成され、前記光源が
半導体レーザで構成されていることも本発明の有効な手
段である。かかる技術手段によれば、光学的形状測定装
置の照明装置として、請求項３における光拡散手段がシ
リンドリカル凹レンズであり、光源が半導体レーザーで
ある構成としている。シリンドリカル凹レンズを光拡散
手段として用いると、ミラーのように光軸が折れ曲がら
ないため、光源、光フィルタ、凹レンズ、あるいは光
源、凹レンズ、光フィルタのように光学系を配置するこ
とができるので、光の反射による不要な空間が減って、
照明系全体の光軸方向の厚さが減少する。また、点光源
として半導体レーザーを用いることで、非常に小型の照
明光源を構成することができる。また半導体レーザーは
単色性が良いので、受光器側に半導体レーザーの波長に
合わせたバンドパス波長フィルタを設けるなどして、不
要な外光の影響を減らすことができる利点が生じる。ま
た、請求項７記載の発明は、前記光拡散手段がシリンド
リカル凹レンズで構成され、前記光源が線状のフラッシ
ュ光源で構成されていることも本発明の有効な手段であ
る。かかる技術手段によれば、光学的形状測定装置の照
明装置として、請求項３における光拡散手段がシリンド
リカル凹レンズであり、光源が線状のフラッシュ光源で
ある構成としている。請求項６と同様に、シリンドリカ
ル凹レンズを光拡散手段として用いることで照明系全体
の光軸方向の厚さが減少する。キセノン管等のフラッシ
ュ光源は、周辺光に比べて数千倍程度輝度が高く、これ
を光源とすることで、背景光と物体表面で反射する信号
光のＳ／Ｎを改善できて、形状計測の精度を高めること
ができる。点状のフラッシュ管を用いる場合に比べて、
長さがある分だけ光量が採れる。またフラッシュ光源
は、カメラでも使われているように低コストで入手でき
る点も魅力である。本発明のような影絵を投射する照明
方式で線状光源を用いると、投影されたパターン光が光
源の広がり方向にぼけてしまい、一般的には望ましくな
い。本発明で線状光源を用いることができるのは、３角
測量による形状計測光学系が、基線直交方向に本質的に
情報を持たせていないからであって、線状光源の長手方
向は、基線に直交方向に合わせておく必要がある。

【００１４】また、請求項８記載の発明は、前記光拡散
手段がシリンドリカル凹レンズで構成され、前記光源
が、シリンドリカルミラーと、該シリンドリカルミラー
の略曲率中心に配置されたフラッシュ光源と、該フラッ
シュ光源を挟んで前記シリンドリカルミラーと対向する
面に配置されたスリットを備えて成る線状光源で構成さ
れていることも本発明の有効な手段である。かかる技術
手段によれば、光学的形状測定装置の照明装置として、
請求項３の光拡散手段がシリンドリカル凹レンズであ
り、光源が、シリンドリカルミラーとシリンドリカルミ
ラーの中心に配置したフラッシュ光源と、フラッシュ光
源の射出側に配置したスリットからなる線状光源である
構成としている。本請求項は線状光を利用する意味で、
請求項７に類似している。フラッシュ光源の射出側に、
光を線状化するためのスリットを配置し、これを改めて
線状光源として用いることができる。ただしスリットで
光が遮光されてしまい、光利用効率が悪いので、射出側
と反対側にシリンドリカルミラーを配置し、その中心に
フラッシュ光源が位置させる。こうすることで、シリン
ドリカルミラーが裏面の反射板として機能し、フラッシ
ュ光源の光を反射してまたフラッシュ管の位置に集中さ
せるため、スリットに入射する光がシリンドリカルミラ
ーが無い場合に比べて増加する。フラッシュ光源自体は
線状である必要はなく、点状でも構わない。本請求項の
構成を採ることで、光学系が多少複雑になる代わりにフ
ラッシュ光源の光利用効率を上げることができる。特
に、照射するパターンのぼけを最小限に抑えるためにス
リット幅を狭くしたいが照射光量は確保したい場合に有
効である。また、請求項９記載の発明は、前記光源が、
赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色のＬＥＤア
レイからなる線状光源であることも本発明の有効な手段
である。かかる技術手段によれば、光学的形状測定装置
の照明装置として、請求項１の光源が、ＲＧＢの３色の
ＬＥＤアレイからなる線状光源である構成としている。
半導体レーザーほどではないがＬＥＤも波長純度の高い
光源であり、またＲＧＢの３色のバランスを変えること
で光源のスペクトルを動的に変えることができる。例え
ば、背景光の波長スペクトルの中で強い波長を増やして
発光させれば、形状測定装置の受光器からみたＳ／Ｎが
改善することができる。

【００１５】また、請求項１０記載の発明は、前記光源
が線状のフラッシュ光源で構成され、前記光シャッタが
白黒液晶シャッタで構成され、前記光拡散手段がシリン
ドリカル凹レンズで構成されていることも本発明の有効
な手段である。かかる技術手段によれば、光学的形状測
定装置の照明装置として、請求項２における光源が線状
のフラッシュ光源であり、光シャッタが白黒液晶シャッ
タであり、光拡散手段がシリンドリカル凹レンズである
構成としている。請求項２および７の構成に、光シャッ
タとして白黒液晶シャッタを用いたものである。本発明
の光シャッタとして液晶シャッタを用いる場合、通常の
液晶パネルのように細かなピクセル毎のシャッタである
必要はなく、面状に一括で透過と遮蔽を切り替えられれ
ば良い。白黒液晶シャッタは配線電極などを這い回す複
雑な構造がないため、光シャッタ付きの照明系を低コス
ト化するのに向いている。また、光の切り替えが機械式
でないため、信頼性が高い利点もある。また、請求項１
１記載の発明は、前記光源が線状のフラッシュ光源で構
成され、前記光シャッタが白黒液晶シャッタで構成さ
れ、前記光拡散手段がシリンドリカル凹レンズで構成さ
れ、前記光フィルタが、１方向に正弦波状の透過率を繰
り返す３種類以上のフィルタで構成され、しかも全て同
じ周期で位相が異なることも本発明の有効な手段であ
る。かかる技術手段によれば、光学的形状測定装置の照
明装置として、請求項２における光源が線状のフラッシ
ュ光源であり、光フィルタが、１方向に正弦波状の透過
率を繰り返す３種類以上のフィルタであって、そのフィ
ルタは全て同じ周期で位相が異なり、光シャッタが白黒
液晶シャッタであり、光拡散手段がシリンドリカル凹レ
ンズである構成としている。正弦波状の光強度を持った
パターン光を照射して位相シフト法を適用する場合、液
晶パネルの各ピクセルに強度情報を書込んで照射する方
法が行われているが、位相シフト法は任意のパターンを
照明する必要はなく、３種類以上の決まった縞パターン
を何回かに分けて照射すれば良い。光フィルタとして正
弦波パターンを最低３種類用意し、各々の位相をずらし
て基線に直交方向に位置合わせして配置し、白黒液晶シ
ャッタで各位相パターンを照射する構成を用いること
で、最も管単位位相シフト法向きの照明系を作ることが
できる。

【００１６】また、請求項１２記載の発明は、複数の光
パターンを測定物体に照射する光学手段と、前記測定物
体からの反射光を検知する像検知手段と、を有し、前記
光学手段と前記測定物体と前記像検知手段の３点の位置
関係から、前記測定物体の形状を測定する形状測定装置
の照明光学系において、前記像検知手段は、前記測定物
体からの反射光を結像する手段と、結像された像光を電
気信号に変換する手段を備えたカラーカメラであり、前
記照明光学系は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）
の３色のＬＥＤアレイ光源と、該光源の波長を選択的に
通過させる複数の光フィルタと、該光フィルタに対応し
て設けられ、該光フィルタを通過した光束を拡散する複
数の光拡散手段を備え、前記カラーカメラで検知された
前記測定物体の色分布から必要光量を補正する補正手段
と、該補正手段からの補正結果に基づき前記光源の光量
を調整する光量調整手段を備えたことを特徴とする。か
かる発明によれば、光学的形状測定装置の照明装置とし
て、請求項９の照明装置を用いた光学的形状測定装置
が、測定物体の反射光を検知するカラーカメラと、カラ
ーカメラで検知された物体の色分布から必要光量を補正
する補正装置と、補正装置による補正結果を元にＬＥＤ
の光量を調整する光量調整装置からなる構成としてい
る。物体の色に依存して反射光に分布が生じ、場合によ
っては特定の色が大きく減衰することがある。例えば赤
色の物体は赤以外の反射光はかなり小さくなる。本発明
のように通常の白色光のもとでカラーカメラで測定物体
の反射光をあらかじめ検知することで、物体の色分布を
知ることができる。補正装置は、物体の色分布から反射
率が低い色を判断し、光量調整装置を通じてＬＥＤの各
色の光量のバランスを変えて、カラーカメラに入射する
光のうち、特定の波長だけが低い状況を緩和される。そ
の結果、形状検知装置の受光系に入射する光が少なくな
って背景光の影響でＳ／Ｎが劣化し、形状測定の精度が
劣化することを防げる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施例
を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載され
る構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置な
どは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれの
みに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。図
１は、第１の実施例の光学的形状測定装置の概念図であ
る。図１の光学系の記号は、本発明の実施例すべてに共
通するものである。本実施例は、パターン投影法として
強度比法を用いたが、以下の実施例でも特に明記しな限
り強度比法を用いるものとする。３角測量の原理で光学
的に形状計測する光学系は、フラッシュ光源３とフィル
タユニット４からなる照明系と、カラーＣＣＤ１と結像
レンズ２からなる結像系から構成されている。照明系か
らフィルタユニット４に依存した複数の光パターンを、
測定物体１０に反射させる。フラッシュ光源３からフィ
ルタユニット４を透過して測定物体１０の反射点９で反
射された光は、結像レンズ２でＣＣＤ１の上の結像点８
に結像される。ＣＣＤ１の中心に原点を置いた空間座標
系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）で表わした結像点８の座標（ｘｉ、
０、ｚｉ）、焦点距離ｆ、フラッシュ光源３とＣＣＤ１
の基線長Ｌ、フラッシュ光源３のＹ方向へのオフセット
Ｔ、およびフラッシュ光源３からフィルタユニット４を
透過し照明角度θで放射された光がどの方向に向かって
どのような強度で放射されたかを表わす２つのパターン
光の関数形Ｇａ（θ）、Ｇｂ（θ）が与えられていれ
ば、反射点９の座標（ｘｏ、ｙｏ、ｚｏ）は次のように
表わされる。ｙｏ＝ｆ・［ｔａｎθ・（Ｌ−ｘｉ）＋Ｔ］／（ｆ−ｘｉ・ｔａｎθ）（数７） θ＝Ｋ（Ｒ）（数８）Ｒ＝Ｊ（θ）＝Ｇａ（θ）／Ｇｂ（θ）（数９）ｘｏ＝ｘｉ（１−ｙｏ／ｆ）（数１０）ｚｏ＝ｚｉ（１ − ｙｏ／ｆ）（数１１）ただし、Ｋ（Ｒ）はＪ（θ）の逆関数である。例えば、
Ｇａ（θ）はθに対して増加関数、Ｇｂ（θ）はθに対
して減少関数であれば良い。

【００１８】図２は、第１の実施例の照明系の斜視図で
ある。図２のようにキセノン管などのフラッシュ光源３
とフィルタユニット４からなる。フィルタユニット４
は、２つのシリンドリカル凹レンズ１３と２つの濃度フ
ィルタ１４が基線直交方向Ｚに配置されている。２つの
濃度フィルタ１４は、各々赤と青のカラーフィルムに濃
度分布を焼き付けたものである。フラッシュ光源３は濃
度フィルタ１４側から光を発光させ、入射光３０は、２
つの濃度フィルタ１４とシリンドリカル凹レンズ１３を
透過して物体面１８を照射する。フラッシュ光源３は基
線方向であるＸ方向に対して点光源とみなせるので、フ
ィルタユニットの濃度分布が影絵のように物体面１８に
照射される。通常のプロジェクタのような結像レンズが
ないため、光学系は非常に簡単化され、基線方向Ｘに関
しては、光源とフィルタしか必要ない。例えば濃度フィ
ルタ１４とシリンドリカル凹レンズを４０ｍｍ×４０ｍ
ｍ、フラッシュ光源を直径１．２ｍｍ、長さ４０ｍｍ、
濃度フィルタ１４とフラッシュ光源３の距離を４０ｍｍ
とすると、照明系全体が実質的に３ｃｍ角の立方体でお
さまるため、非常に小さな照明系となることがわかる。
図３のように、基線直交方向Ｚに対して、２つの濃度フ
ィルタ１４を透過した光は、各々の濃度フィルタ１４に
個別に設けられたシリンドリカル凹レンズ１３でＺ方向
に屈折され、光拡散手段であるシリンドリカル凹レンズ
１３が基線直交方向に選択的に光を拡散させ、２つの濃
度フィルタ１４の透過光を、拡散光３１として物体面１
８上に重なって照射される。

【００１９】図４は、図２の照明系の斜視図を上面から
見た図である。図４を用いてさらに説明すると、フラッ
シュ光源３から放射された入射光３０が、２つの濃度フ
ィルタ１４とシリンドリカル凹レンズ１３を透過してＺ
方向に拡散される。上の濃度フィルタと凹レンズを透過
した光は照明範囲Ａを照射し、下の濃度フィルタと凹レ
ンズを透過した光は照明範囲Ｂを照射するので、両者が
重なった有効照明範囲１７では、２つのパターン光が物
体上に同時に照射される。上の濃度フィルタを赤、下の
濃度フィルタを青のカラーフィルタで構成すれば、２つ
の濃度フィルタを透過し、測定物体１０で反射された光
量は、カラーＣＣＤ１で独立に検知できる。一回の照明
と撮影から２つのパターンの光量比をとれるため、簡単
に形状測定のためのデータが取り込める利点が生じる。
有効照明範囲１７での照射光量の均一化のレベルは、シ
リンドリカル凹レンズ１３の設計次第で決まる。基線直
交方向Ｚに対してなるべく均一照射できることが望まし
い。フラッシュ光源３は、基線直交方向Ｚに対しては点
光源である必要がないため、全光量を確保するために、
Ｚ方向に長いフラッシュ光源３が利用できる。本実施例
により、３角測量を用いた光学的形状測定機向けに、少
ない部品数で小型な照明系を構成できることがわかる。
ここではパターン投影法として強度比法を例に挙げた
が、照明角度θ１１と照明光の角度が決まっていれば、
フィルタユニット４のパターンは、強度比法用に限らな
い。例えば、正弦波で強度変調した位相シフト法も適用
可能であるし、照射角度θ１１によって波長を変えても
良い。図５は、照明ユニットをアレイ化した照明装置の
斜視図である。図のように照明ユニット１９を複数アレ
イ化してもよい。各々の照射ユニット１９で各々異なる
２色のパターンが照射できるとすると、全部で４色の光
パターンが拡散光３１として有効照射領域１７において
重なって照射される。この４色を独立に検知しわけるよ
うなＣＣＤを選定すれば、単純な光学系で４つの情報を
同時に照射することができる。例えば２つの照射ユニッ
トで独立に形状計測できるようにすれば、どちらかの照
射ユニットにより誤って計測された形状を、残りの照射
ユニットを用いた形状データから補正する等、形状計測
の性能改善を行なえる。本実施例で示したように、発明
の照明装置は、結像系を持たないため装置の大きさを小
型化できる。そのため照明ユニットを並べて拡散光３１
が重なる有効照射領域１７が測定物体に照射できるよう
に近接して設置すれば、複数の照明ユニットを用いてい
るにもかかわらず、照明装置全体の大きさを抑えること
ができる。図５では基線方向Ｘに照明ユニット１９を並
べているが、基線直交方向であるＺ方向に照明ユニット
１９を並べても良いし、並べる数も２つに限らない。

【００２０】図６は、第２の実施例の光源の斜視図であ
る。図のように、本実施例は、実施例１のフラッシュ光
源３の代わりに、フラッシュ光源３とシリンドリカル凹
面鏡２０、スリット孔２２付きのスリット２１からな
る、光源ユニットを配置している。フラッシュ光源３の
直前にスリット孔２２が配置され、フラッシュ光源３の
光を狭めており、同時にシリンドリカル凹面鏡２０で裏
面に放射された光をスリット孔２２に集中させ、フラッ
シュ光源３の光を有効利用している。図７は、図６を上
から見た図である。シリンドリカル凹面鏡の曲率中心
は、図７のようにフラッシュ光源３の位置に置かれてい
るため、フラッシュ光源３の光がフラッシュ光源３の位
置に戻るため、スリット孔２２に入射される。スリット
孔２２を透過した光は、実施例１と同じく、濃度フィル
タ１４とシリンドリカル凹レンズ１３を透過し、測定物
体に照射される。本実施例の構成は実施例１にくらべ
て、スリット２１と凹面鏡２０が増えた分だけ複雑にな
っているが、フラッシュ光源３が放射する光の利用効率
が高まること、スリット２１に設けられたスリット孔２
２の幅を狭めることで、非常に狭い幅の線光源を実現す
ることができる。例えば、シリンドリカル凹レンズ１３
と濃度フィルタ１４のサイズを１０ｍｍ角、フラッシュ
光源３の直径が１．２ｍｍ、長さが１０ｍｍ、シリンド
リカル凹面鏡の半径が１０ｍｍ、長さが１０ｍｍ、スリ
ットが１０ｍｍ角、スリット幅が０．１ｍｍとすると、
全体は１０ｍｍ×１０ｍｍ×２０ｍｍの大きさとなる。
このように考えると、一般の小型カメラに用いられてい
る直径１ｍｍ程度のフラッシュ光源３は点光源とみなし
難くなる。本発明の照明光学系ではフラッシュ光源３の
幅が拡大されて測定物体１０に照射されるので、濃度フ
ィルタ１４から見て、十分狭い光源が望ましい。スリッ
ト孔２２の幅が０．１ｍｍなので、濃度フィルタ１４に
対してフラッシュ光源３の幅が１／００になり十分点光
源とみなせ、測定物体１０の上の光パターンがぼけずに
すむ。スリット孔２２だけを置いた場合は光量が減衰す
るだけで暗い照明系になるので、シリンドリカル凹面鏡
２０を配置し、無駄な光を減らして、非常に小型で同時
に高輝度の線状光源を実現している。本実施例は、シリ
ンドリカル凹レンズ１３と濃度フィルタ１４のサイズが
小さく、小さな照明系を実現する場合に特に有効であ
る。

【００２１】図８は、第３の実施例の光源の斜視図であ
る。本実施例は、パターン投影法として位相シフト法を
用いている。図８に示すように、本実施例は実施例１の
光学系の濃度フィルタ１４に白黒液晶シャッタ２３を積
層したものである。位相シフト法には３種類以上のパタ
ーンが必要なので、濃度フィルタ１４とシリンドリカル
凹レンズ１３のレンズと液晶シャッタ２３の数は３個で
ある。濃度フィルタ１４の濃度パターンは正弦波状の濃
度分布を繰り返す縞パターンであり、３つの濃度フィル
タ間でπ／４ずつずらしている。実施例１と異なり、濃
度フィルタはカラーフィルタではなく、単純に濃度を変
調しているだけで、濃度フィルタによって発光スペクト
ルに変化は生じない。白色光源であるフラッシュ光源３
の光を、白黒液晶シャッタで透過する濃度フィルタを切
り替えながら濃度フィルタ１４を通して測定物体１０の
上に白色で照明するため、測定物体１０の表面の色に依
存せずに各パターンの反射光量を計測することができ
る。光量を計測する場合は、液晶シャッタを切り替え
て、どれか１つのフィルタを透過した光を照射して反射
光量を検知する動作を３回繰り返し、３つの光量データ
から形状を回復する。光学シャッタで照射するパターン
を切り替えながら、強度比法に比べて高精度の形状計測
を実現できる位相シフト法の利点を生かしつつ、簡単で
小型な光学系を用いた形状測定装置で形状検知が行なえ
る。

【００２２】図９は、第４の実施例の光源の斜視図であ
る。図９に示すように、本実施例は請求項１のフラッシ
ュ光源３の代わりに、半導体レーザーを光源として用い
ている。通常の端面発光型半導体レーザー２４は、スラ
ブ導波路により光を閉じ込めているため、１方向にだけ
放射角度が広い。また、発光サイズは数μｍ程度と小さ
いため、点光源とみなせる。放射角度の広い方向をＸ方
向に配置し、光射出面の前にシリンドリカルレンズ２５
を配置して、Ｚ方向に放射角度を広げると、事実上、点
光源で濃度フィルタ１４を照射していることになる。半
導体レーザーは素子自体が小さいことと、駆動電圧が
１．５Ｖ程度で小さいので、高電圧が必要なキセノン管
を用いるより、回路構成が簡単になる。また半導体レー
ザー２４は点光源とみなせることから、光源サイズに依
存した照射パターンのぼけの問題が回避できる利点があ
るため、濃度フィルタ１４とシリンドリカル凹レンズ１
３のサイズを小さくしたい場合に有効である。半導体レ
ーザー２４は高輝度光源であり、同時に発光スペクトル
幅が狭いので、物体の反射光を検知するカメラ側に半導
体レーザーの光だけを選択的に透過するフィルタを設け
ることで、背景光の影響をなくした高精度の光量検知が
できる。その結果、形状検知精度も高くできる利点が生
じる。また、半導体レーザーの光を変調すれば、カメラ
側もその変調に合わせて光量を検知することで、さらに
Ｓ／Ｎを上げて光量検知を行なえ、さらに形状検知精度
を改善することが可能である。図１０は、第５の実施例
の光源の斜視図である。図１０に示すように、実施例１
のフラッシュ光源を赤、緑、青の３色を発光可能なＬＥ
Ｄアレイ３２で置き換えている。３色ＬＥＤアレイの３
色を同時に発光させた擬似白色光源の光が、濃度フィル
タ１４とシリンドリカル凹レンズ１３を透過して合成さ
れる点は請求項１と同じである。ＬＥＤの３色は独立に
駆動しているので、発光強度のバランスを変えることで
光源の発光スペクトルを制御できる。

【００２３】図１１は、第６の実施例の光学的形状測定
装置の構成図である。図１１に示すように、システムの
全体構成は、濃度フィルタ１４とシリンドリカル凹レン
ズ１３からなるフィルタユニット４と、３色ＬＥＤアレ
イ３２で照射装置３３を構成している。ＬＥＤアレイ
は、半導体レーザーほどではないが十分小さな発光点を
持つので点光源とみなせる。そのため、光源サイズに依
存した照射パターンのぼけの問題が回避できて、フィル
タユニット４のサイズを小さくしたい場合に有効であ
る。ＬＥＤアレイ３２から照射された光は測定物体１０
に照射され、反射光が結像レンズ２を経由してカラーＣ
ＣＤ１上で結像する。２色の濃度フィルタ１４のパター
ンがカラーカメラ３４で独立に検知され、このデータを
元に形状計算を行なう。本実施例では、この形状計測の
前に、あらかじめ照明装置３３の照明のない条件で、カ
ラーカメラ３４で測定物体１０を測定して、測定物体の
色分布を計測する。その計測結果は光量補正装置３５に
送られ、赤、緑、青のうち特に不足する光量を判断す
る。その結果を元に、不足する色の光量を補うように光
量調整装置３６で照明装置３３の３色ＬＥＤアレイ３２
の光量を調整し、照明装置３３でパターン光を照射して
前述の形状計測を行なう。こうすることで、測定物体１
０の表面の色により特定の色（本実施例では赤と青のど
ちらか）の反射光量が減衰し形状精度の劣化するのを回
避できる。本実施例では３色ＬＥＤを用いたが、実際は
濃度フィルタの色に相当する赤と青のＬＥＤアレイだけ
で良い。通常のカラーカメラでは赤、緑、青の３色のフ
ィルタ機能を備えたものが普通なので、濃度フィルタも
ＬＥＤアレイもそれに合わせて色数を３色までにおさえ
て投影すれば、低コストに形状測定装置を構成できる。
例えば、実施例３の位相シフト法は液晶シャッタで切り
替えて白色照明しているが、液晶シャッタを使わずに、
３つの濃度フィルタを赤、緑、青に割り当てて照明する
と、カラーカメラで各反射光を一括検知できることにな
る。

【００２４】

【発明の効果】請求項１では、３角測量の原理による形
状測定装置のパターン光照明光学系において、通常使わ
れるプリズムによるパターン合成ではなく、もっと簡便
な光拡散手段を用いているため、光源も１つしか必要な
く、光パターンの合成光学系の構造が簡単で薄型で低コ
ストな光学系でパターン光を測定物体上に照射できる。
請求項２では、いくつかのパターンを別々に照射したい
場合でも、光シャッタで動的に光路を切り替えること
で、請求項１のように光パターンの合成光学系の構造を
簡単化し、コストを下げながら、パターン光を測定物体
上に照射できる。請求項３では、測定物体上にパターン
光を合成する光拡散手段として、一般的な光学パーツで
あるレンズやミラーを使っているので、低コストに光学
的形状測定装置の照明装置を構成できる。請求項４で
は、複数の光フィルタと光拡散手段を一枚の基板に集積
化しているので、フィルタ同志の位置合わせの精度を上
げられと同時に、パーツ数が減少するので、低コストで
高精度な光学的形状測定装置の照明装置を構成できる。
請求項５では、照明装置がアレイ状に並んでいるので、
各照明系を切り替えるだけで簡便に照明条件を変えられ
る。請求項６では、光源が半導体レーザーであり、光拡
散手段がシリンドリカル凹レンズであるため、入手しや
すい半導体レーザーとシリンドリカル凹レンズの組み合
わせで照明光学系を簡便に構成できる。請求項７では、
光源が線状のフラッシュ光源であり、光拡散手段がシリ
ンドリカル凹レンズであるため、非常に簡単な構成で低
コストで小型な照明光学系を構成できる。請求項８で
は、光源が、シリンドリカルミラーとシリンドリカルミ
ラーの中心に配置したフラッシュ光源と、フラッシュ光
源の射出側に配置したスリットからなる線状光源からな
るので、シリンドリカルミラーが無い場合に比べて光利
用効率を高くできて、照明のぼけを減らすことができる
ので、測定精度を向上させることができる。

【００２５】請求項９では、光源が３色のＬＥＤアレイ
からなる線状光源であり、動的に光源のスペクトルを変
えられるので、物体の色に応じて反射光量の調整を行な
って受光光量の色毎のばらつきを減らせるので、測定精
度の向上が期待できる。請求項１０では、光源が線状の
フラッシュ光源であり、光シャッタが白黒液晶シャッタ
であり、光拡散手段がシリンドリカル凹レンズであるた
め、測定物体上に色依存性のないパターン光を照射する
場合に、液晶シャッタでパターン光を電気的に切り替え
ることができて、可動部品がなく測定装置自身の信頼性
を向上させられる。請求項１１では、光源が線状のフラ
ッシュ光源であり、光フィルタが、１方向に正弦波状の
透過率を繰り返す３種類以上のフィルタであって、その
フィルタは全て同じ周期で位相が異なり、光シャッタが
白黒液晶シャッタであり、光拡散手段がシリンドリカル
凹レンズであるので、物体の色に依存せずに位相シフト
法のパターン切り替えを、簡便な光学系でかつ電気的に
切り替えることができるため、高精度で信頼性の高い形
状測定ができる。請求項１２では、カラーカメラで検知
された物体の色分布に合わせてＬＥＤの色バランスを補
正できるので、反射物体の色に依存した特定の色の光量
落ちを少なくできて、形状計測の精度を向上させられ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の光学的形状測定装置の
概念図である。

【図２】本発明の第１の実施例の照明系の斜視図であ
る。

【図３】本発明の第１の実施例の照明系を上から見た図
である。

【図４】本発明の第１の実施例の照明系の斜視図を上面
から見た図である。

【図５】本発明の照明ユニットをアレイ化した照明装置
の斜視図である。

【図６】本発明の第２の実施例の光源の斜視図である。

【図７】本発明の第２の実施例の光源の斜視図を上から
見た図である。

【図８】本発明の第３の実施例の光源の斜視図である。

【図９】本発明の第４の実施例の光源の斜視図である。

【図１０】本発明の第５の実施例の光源の斜視図であ
る。

【図１１】本発明の第６の実施例の光学的形状測定装置
の構成図である。

【図１２】従来例の光学的形状測定装置の概念図であ
る。

【図１３】３角測量の原理を説明する図である。

【図１４】強度比法を説明するための図である。

【図１５】従来例の特開平１０−４８３３６号公報に開
示されている図である。

【図１６】空間的な位相差を与える位相シフト法を説明
する図である。

【符号の説明】

１ＣＣＤ、２結像レンズ、３フラッシュ光源、４
フィルタユニット、８結像点、９反射点、１０
測定物体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の光パターンを測定物体に照射する
光学手段と、前記測定物体からの反射光を検知する像検
知手段と、を有し、前記光学手段と前記測定物体と前記
像検知手段の３点の位置関係から、前記測定物体の形状
を測定する形状測定装置の照明光学系において、前記照明光学系は、少なくとも１つの光源と、該光源の
波長を選択的に通過させる複数の光フィルタと、該光フ
ィルタに対応して設けられ、該光フィルタを通過した光
束を拡散する複数の光拡散手段と、を備え、前記複数の光フィルタが３角測量の基線方向と直交方向
に配置され、前記各々の光フィルタを通過した光束が、
前記複数の光拡散手段により少なくとも一部若しくは全
てが重畳することを特徴とする光学的形状測定装置の照
明装置。
【請求項２】複数の光パターンを測定物体に照射する
光学手段と、前記測定物体からの反射光を検知する像検
知手段と、を有し、前記光学手段と前記測定物体と前記
像検知手段の３点の位置関係から、前記測定物体の形状
を測定する形状測定装置の照明光学系において、前記照明光学系は、少なくとも１つの光源と、該光源か
らの光束を通過若しくは遮断する複数の光シャッタと、
該複数の光シャッタに対応して設けられ、前記光束の波
長を選択的に通過させる複数の光フィルタと、該光フィ
ルタを通過した光束を拡散する複数の光拡散手段と、を
備え、前記複数の光シャッタが３角測量の基線方向と直交方向
に配置され、前記光シャッタが選択的に前記複数の光フ
ィルタの照射パターンを切り替えることを特徴とする光
学的形状測定装置の照明装置。
【請求項３】前記光拡散手段が、レンズあるいはミラ
ーにより構成されていることを特徴とする請求項１及び
２記載の光学的形状測定装置の照明装置。
【請求項４】前記複数の光フィルタと光拡散手段が、
一体形成されていることを特徴とする請求項３記載の光
学的形状測定装置の照明装置。
【請求項５】前記照明装置が３角測量の基線方向と直
交方向に複数配置されていることを特徴とする請求項４
記載の光学的形状測定装置の照明装置。
【請求項６】前記光拡散手段がシリンドリカル凹レン
ズで構成され、前記光源が半導体レーザで構成されてい
ることを特徴とする請求項１及び２記載の光学的形状測
定装置の照明装置。
【請求項７】前記光拡散手段がシリンドリカル凹レン
ズで構成され、前記光源が線状のフラッシュ光源で構成
されていることを特徴とする請求項１及び２記載の光学
的形状測定装置の照明装置。
【請求項８】前記光拡散手段がシリンドリカル凹レン
ズで構成され、前記光源が、シリンドリカルミラーと、
該シリンドリカルミラーの略曲率中心に配置されたフラ
ッシュ光源と、該フラッシュ光源を挟んで前記シリンド
リカルミラーと対向する面に配置されたスリットを備え
て成る線状光源で構成されていることを特徴とする請求
項１及び２記載の光学的形状測定装置の照明装置。
【請求項９】前記光源が、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、
青色（Ｂ）の３色のＬＥＤアレイからなる線状光源であ
ることを特徴とする請求項１記載の光学的形状測定装置
の照明装置。
【請求項１０】前記光源が線状のフラッシュ光源で構
成され、前記光シャッタが白黒液晶シャッタで構成さ
れ、前記光拡散手段がシリンドリカル凹レンズで構成さ
れていることを特徴とする請求項２記載の光学的形状測
定装置の照明装置。
【請求項１１】前記光源が線状のフラッシュ光源で構
成され、前記光シャッタが白黒液晶シャッタで構成さ
れ、前記光拡散手段がシリンドリカル凹レンズで構成さ
れ、前記光フィルタが、１方向に正弦波状の透過率を繰
り返す３種類以上のフィルタで構成され、しかも全て同
じ周期で位相が異なることを特徴とする請求項２記載の
光学的形状測定装置の照明装置。
【請求項１２】複数の光パターンを測定物体に照射す
る光学手段と、前記測定物体からの反射光を検知する像
検知手段と、を有し、前記光学手段と前記測定物体と前
記像検知手段の３点の位置関係から、前記測定物体の形
状を測定する形状測定装置の照明光学系において、前記像検知手段は、前記測定物体からの反射光を結像す
る手段と、結像された像光を電気信号に変換する手段を
備えたカラーカメラであり、前記照明光学系は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色
（Ｂ）の３色のＬＥＤアレイ光源と、該光源の波長を選
択的に通過させる複数の光フィルタと、該光フィルタに
対応して設けられ、該光フィルタを通過した光束を拡散
する複数の光拡散手段を備え、前記カラーカメラで検知された前記測定物体の色分布か
ら必要光量を補正する補正手段と、該補正手段からの補
正結果に基づき前記光源の光量を調整する光量調整手段
を備えたことを特徴とする光学的形状測定装置の照明装
置。