JP2007285778A - 距離測定方法および表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡潔な構成により、かつ、簡単な操作により精度の高い測定結果を得られるようにする。
【解決手段】測定対象物に所定の方向に延長する等間隔の縞状に形成した光を照射しながら、上記光を上記測定対象物に対して上記縞の延長方向と直交する方向に一定速度で直線状に移動させ、撮像手段により撮像した上記測定対象物表面での光の明滅周期を上記測定対象物表面の微小領域毎に測定し、上記測定結果に基づいて上記光源から上記測定対象物表面の上記微小領域のそれぞれまでの距離を算出する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、距離測定方法および表面形状測定装置に関し、さらに詳細には、物体の表面に光を照射する手法を用いた距離測定方法および表面形状測定装置に関する。

従来より、物体の表面の形状を測定する表面形状測定法として、三角測量法、位相シフト法、モアレ法あるいは光レーダー法などの原理を応用して表面形状を測定する手法が知られている。

ところが、三角測量法を応用した表面形状測定法では、点単位で位置を特定するために測定に多くの時間を要するという問題点があった。また、投光と受光との位置関係が測定精度に影響しやすく、投光側と受光側との位置が変わってしまうと誤差が生じることがあり、測定操作が簡便でないという問題点もあった。

一方、位相シフト法を応用した表面形状測定法は、三角測量法を高速に行うための手段として表面形状測定に応用され、測定に費やす時間は三角測量法に比べて短くなり、測定に多くの時間を要するという問題点は解消されたが、三角測量法と同じく投光と受光との位置関係が測定精度に影響しやすいという問題点は依然としてのこされていた。

また、位相シフト法を応用した表面形状測定法は、測定対象物に対して複数の投光パターンを投影するためにプロジェクターが必要となり、装置内の投光部分が高価になりやすいという新たな問題点を招来するものであった。

さらに、モアレ法を応用した表面形状測定法は、得られるデータがノイズの多い等高線画像になり、精度の高いデータを得にくいという問題点があった。

また、光レーダー法を応用した表面形状測定法は、光の到達時間を測定するため、分解能が粗いという問題点があった。さらに、光レーダー法においては、光レーダー法を実施するための装置の回路が複雑となり、高価になりやすいという問題点があった。

なお、特許文献１として提示する特開２００４−２５１７７５号公報に開示されているような、三角測量法を基本原理とし、ビームスポット光を走査させて投影光と反射光の受光タイミングのズレ量から表面形状を測定する手法も知られているが、基本原理が三角法であるため、回転途中の角度を正確に把握する必要があるため測定に手間を要したり、また、死角が大きいなどの問題点があった。
特開２００４−２５１７７５号公報

本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡潔な構成により、かつ、簡単な操作により精度の高い測定結果を得られるようにした距離測定方法および表面形状測定装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明による距離測定方法および表面形状測定装置は、線状のスリットを介した光を３次元立体構造を備えた測定対象物（以下、単に「測定対象物」と適宜に称する。）に照射し、その光の明滅（点滅）周期に基づいて測定対象物との距離を取得し、その表面形状を取得するようにしたものである。

より詳細には、測定対象物に所定の方向に延長する等間隔の縞状に形成した光を照射しながら、当該光を測定対象物に対して当該縞の延長方向と直交する方向に一定速度で直線状に移動させ、撮像手段により撮像した測定対象物表面での光の明滅周期を測定対象物表面の微小領域毎に測定し、その測定結果に基づいて光源から測定対象物までの距離を算出するようにしたものである。

即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、測定対象物に所定の方向に延長する等間隔の縞状に形成した光を照射しながら、上記光を上記測定対象物に対して上記縞の延長方向と直交する方向に一定速度で直線状に移動させ、撮像手段により撮像した上記測定対象物表面での光の明滅周期を上記測定対象物表面の微小領域毎に測定し、上記測定結果に基づいて上記光源から上記測定対象物表面の上記微小領域のそれぞれまでの距離を算出するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、測定対象物に対して放射状に広がる光を照射する光源と、上記測定対象物と上記光源との間に配設され、上記光源からの光を所定の方向に延長する等間隔の縞状に成形するスリットと、上記光源と上記スリットとを、上記測定対象物に対して上記縞の延長方向と直交する方向に一定速度で直線状に移動する移動手段と、上記測定対象物に照射される光の状態を撮像する撮像手段と、上記撮像手段により撮像した画像を処理して上記光源から上記測定対象物までの距離を算出する処理手段とを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記処理手段は、上記撮像手段により撮像した画像から観察された光の明滅の周期に基づいて、上記光源から上記測定対象物までの距離を算出するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項２または３のいずれか１項に記載の発明において、上記光源を点光源としたものである。

本発明は、以上説明したように構成されているので、簡潔な構成により、かつ、簡単な操作により精度の高い測定結果が得られるという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による距離測定方法および表面形状測定装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

ここで、図１には、本発明の実施の形態の一例による表面形状測定装置の概略構成斜視説明図が示されており、また、図２には、図１に示す表面形状測定装置の動作の説明図が示されている。

この表面形状測定装置１０は、光源としての点光源１２ｂおよびスリット１２ａを形成するスリット枠１２ｃから構成されて測定対象物１６の表面に光を照射し、Ｘ方向（図１におけるＸＹＺ直交座標系を示す参考図を参照する。）に沿って直線状に任意に移動可能である投光ユニット１２と、投光ユニット１２のＸ方向への移動を行う駆動装置１４と、測定対象物１６を載置するための測定対象物載置台１８と、測定対象物１６表面に照射された光の状態を撮像するカメラ２０と、投光ユニット１２の移動を行う駆動装置１４を制御するとともにカメラ２０により撮像された画像を処理する手段であるマイクロコンピューター２２とを有して構成されており、投光ユニット１２から測定対象物載置台１８に載置された測定対象物１６の表面における微細領域までの距離をそれぞれ測定するものである。

なお、上記した各構成部材は、測定対象物載置台１８上の測定対象物１６に対して投光ユニット１２より光を照射可能である位置に測定対象物載置台１８が配置され、カメラ２０は測定対象物載置台１８上に載置された測定対象物１６全体を撮像可能である位置に測定対象物１６全体を撮像可能である角度で配置されている。

次に、上記した各構成部材をさらに詳細に説明すると、投光ユニット１２を構成するスリット枠１２ｃは、投光ユニット１２内に内蔵された点光源１２ｂと測定対象物載置台１８との間に挿入されており、Ｘ方向（図１におけるＸＹＺ直交座標系を示す参考図を参照する。）に平行に配置されている。

また、投光ユニット１２は、駆動装置１４により測定対象物載置台１８の一方の端部１８ａから他方の端部１８ｂまでの領域に光を投射可能であるようになされている。

なお、投光ユニット１２を構成する点光源１２ｂとしては、発光時には光が放射状に広がる光源、例えば、発光ダイオードを用いることができる。

一方、カメラ２０は、測定対象物１６の状態をとらえる結像レンズ２０ａと、結像レンズ２０ａで得られた画像を画素により測定するエリアイメージセンサ２０ｂとを有して構成されている。

以上の構成において、上記した表面形状測定装置１０を用いて、任意の形状を有する測定対象物１６の表面形状を測定することができるが、まず、本発明の表面形状測定装置１０を用いた距離測定の原理について、以下に詳細に説明することとする。

懐中電灯やＬＥＤあるいはレーザーダイオードなどの点光源のように、ある広がりをもって放射状に光が放出される光源を用いて、ある地点から平面状の壁面に対して垂直に光を照射すると、壁面が点光源から比較的近い場所にあるときには当該壁面の比較的小さな範囲が明るく照らし出され、一方、壁面が点光源から比較的遠い場所にあるときには当該壁面の比較的大きな範囲が明るく照らし出されることが知られている。このことは、壁面に投影された光の大きさは、光源が存在するある地点から壁面までの距離に比例することを示している。

例えば、図３（ａ）に示すように、点光源から距離９０ｍｍほど離れた位置にある壁面１と、点光源から距離４５ｍｍほど離れた位置にある壁面２とが平行に存在している場合に、点光源から９０°の照射角で壁面１および壁面２へ光が照射されると、壁面１上に投影される光の幅は１８０ｍｍとなり、壁面２上に投影される光の幅は９０ｍｍとなる。

このようにして、壁面に投影された光の範囲を測定して、それを点光源の照射角などの照射特性と合わせて計算すれば、点光源から壁面までの距離を計算することができる。

図３（ａ）には、上記した原理を利用した表面形状測定装置が示されており、この表面形状測定装置は、点光源と、点光源からの光を長方形などに成形するためのスリットを形成されたスリット枠と、壁面に投影された光を撮像するカメラとを有する。

このカメラは、テレセントリックレンズとエリアイメージセンサとを有して構成されており、テレセントリックレンズを用いているため対物距離に撮像寸法が依存することなく、カメラより得られた光の撮像サイズが距離に比例するため、簡単に距離を計算することが可能である。

ところが、この図３（ａ）に示す手法によれば、点光源から壁面の表面までの距離の測定を行うことは可能ではあるが、このままでは３次元立体構造物の表面形状の測定に用いることは困難であり、３次元立体構造物の表面形状の測定に用いるためには、３次元立体構造物の表面の微細領域毎に距離を測ることができるようにする必要があるという問題点があった。

また、カメラを構成しているテレセントリックレンズは高価であるため、製造コストも高くなるという問題点もあった。

このため、上記の問題点を解決する手法として、本願発明者は、点光源とスリットとを壁面と平行な方向へ直線状に移動させて、そのときの壁面に照射された光の幅を計測する本発明による手法を案出した。

図３（ｂ）には、点光源とスリットとを壁面と平行な方向へ直線状に移動する移動機構を備えた表面形状測定装置が示されている。図３（ｂ）に示された表面形状測定装置の構成は、点光源とスリットとを壁面と平行な方向へ移動する移動機構（図示せず。）を備えている点においてのみ、図３（ａ）に示された表面形状測定装置と異なる。

この移動機構を備えた表面形状測定装置は、点光源の光を壁面に投影しながら、移動機構により点光源とスリットとを壁面と平行に一定速度で直線移動させて、壁面上の光の状態をカメラで撮影するという動作により測定を行う。

上記の動作により得られた画像を用いて次に示すような処理を行うと、点光源が設置されている面から壁面までの距離を計算することができる。

即ち、まず、撮影された画像中の壁面上のある微小領域である観察点に注目し、この観察点が照射されている時間を測定する。この時間も壁面から点光源までの距離に比例するので、壁面上にある観察点に対する点光源の移動面からの距離がわかる。

即ち、照射時間と点光源の移動速度とから壁面上の光の幅を算出でき、点光源からの距離を比例計算することが可能になる。

例えば、図３（ｂ）に示す場合には、壁面１を通過する時間ｔ１はｔ１＝１８０／１００＝１．８（ｓｅｃ）、壁面２を通過する時間ｔ２はｔ２＝９０／１００＝０．９（ｓｅｃ）となる。

以上において説明した手法によれば、壁面全体を計算に使うのではなく、画像の中のある一点である観察点だけを用いて計算するので、測定対象となる面が平面ではなく多少の凹凸があっても、当該凹凸面が点光源により照射されている状況を最初から最後までカメラで撮影することができれば、カメラに写されたすべての点に対して距離を算出することができる。つまり、点光源から３次元立体構造物の表面における各微細領域までの距離をそれぞれ算出することができ、３次元立体構造物の表面形状を測定することが可能になる。

ところで、上記した壁面の照射時間を測定する手法では、照射面上に大きな凹凸を持つ測定対象物を測定する場合において、影となる部分が発生し光が照射される時間が少なくなってしまうので、正しい照射時間を測定できずに誤差が発生してしまうという恐れがある（図４（ａ）を参照する。）。

こうした恐れを排除するために、本願発明者は、投影する光を広がりの等しい複数の光に分ける、つまり、投影する光の数を増やすことに思い至り、複数の等ピッチの開口部を有するスリット枠を点光源に配置するという本発明による手法を案出した。

ここで、図４（ｂ）（ｃ）（ｄ）には、開口部として二箇所のスリットを有するスリット枠を点光源の前に配置して測定する場合の例を示している。スリットにより光を分割して壁面に照射する光の数を増やすと、影になっていた部分にも光が届くようになる。この際に、１〜２回照射される照射時間の長い方の照射時間を採用すれば距離に換算することができるようになる。なお、図４（ｂ）の下図は上図のＤ矢視図であり、図４（ｃ）の下図は上図のＥ矢視図であり、図４（ｄ）の下図は上図のＦ矢視図である。

点光源を図４（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように矢印の方向へ移動させる場合に、先に測定対象物を照射する光を第一の光とし、後に測定対象物を照射する光を第二の光とすると、点光源は壁面と平行な面上を一定速度で移動していくので、同じ場所を第一の光と第二の光とが相前後して通過することになる。

従って、測定対象物の表面の微小領域である観察点の照射時間を測定する際に、当該観察点を照射可能である範囲に点光源が移動していても、当該観測点が測定対象物の凸部の影となって当該観測点には第一の光が到達せず、第一の光に関しては当該観測点が照射される時間が無い場合でも、第二の光は当該観測点に到達し、第二の光に関しては当該観測点が照射される時間を計測することができる。それとは逆に、当該観察点を照射可能である範囲に点光源が移動していても、当該観測点が測定対象物の凸部の影となって当該観測点には第二の光が到達せず、第二の光に関しては当該観測点が照射される時間が無い場合でも、第一の光は当該観測点に到達し、第一の光に関しては当該観測点が照射される時間を計測することができる。

図４（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、点光源とスリットとの移動に伴う観測点Ａに対する第一の光と第二の光との照射状態を示したものであり、第一の光は観測点Ａに照射されずに通過していく（図４（ｃ）を参照する。）。

そして、壁面を第一の光が通過した後に、続いて第二の光が通過することになるが、第一の光と第二の光とは測定対象物に対する照射角度が対称的な傾きを有しているので、第一の光が観測点Ａの領域を照射したときに当該領域が影になっていたとしても、第二の光により観測点Ａは照射されることになる（図４（ｄ）を参照する。）。

上記した場合には、第一の光と第二の光との二つの光がそれぞれ壁面に照射されるので、点光源とスリットとを壁面に平行に移動する一回の走査により、二種類の照射時間のデータが得られることになる。その二種類の照射時間を比較して、照射時間がより長い方のデータをより正確な照射時間として取り扱い、このデータを採用すれば点光源が移動した面から測定対象物表面までの距離を換算することが可能になる。

なお、こうした壁面が照射されているか否かの測定はカメラの撮影により行われるが、異なる照射角度を有する光を複数照射するので複数の距離情報が得られるため、測定対象物への光の照射により多少の影が発生したとしても、当該影の発生した時点のデータを無視すれば、他の距離情報から距離を計算できるようになる。

例えば、図２に示すように５本のスリット光を照射する場合に、ある観測点の照射時間として、５秒、５秒、１秒、３秒、５秒の５種類の照射時間のデータが得られたとする。これらのデータはすべて同じ観測点までの距離情報を表しているので、最長の照射時間である５秒は影による影響を受けずに正確に測定できたものと考えられ、それよりも短い照射時間となった１秒および３秒というデータは、影になっていたための影響と考えることができる。従って、この場合には、最も長い５秒というデータをこの測定における距離情報を表す照射時間として用いればよい。

また、得られたデータの最大値付近となる複数の値を平均化することで、より正確な距離測定が可能となる。

なお、上記のことから、壁面へ投光する光の分割数を増やしていくと、測距できない部分は少なくなっていく。ところが、スリット枠に形成するスリット数を増やして開口部のピッチを細かくして投光する光の分割数を増やすほど、スリットによる光の回折の影響が大きくなるため、光が照射されている領域と照射されていない領域との境界が不明瞭になり、光の幅を測定することが困難になっていく。このため、照射する光源に適した開口部のスリットを選択する必要がある。

ここで、さらに測定精度を向上するためには、照射時間の測定範囲を広げることが望ましい。

本願発明者は、照射時間の測定範囲を広げるための手法として、点光源の移動速度を可能な限り下げ、カメラで撮影するピッチに対する投光ユニットの移動ピッチを小さくする手法と、照射幅から照射周期に測定対象を変えるという手法とを案出した。

なお、投光ユニットの移動ピッチを少なくする手法は、移動機構のコストとスキャン時間とに影響することになるが、照射周期に測定対象を変える手法は、特に他に影響を及ぼすことはない。

また、上記したように、開口部が多く細かいスリットを用いて照射する場合には、光が照射されている領域と照射されていない領域との境界が不明瞭になり、光の幅を測定することが困難になってくる。

本願発明者は、こうした困難性を克服する手法として、測定対象物に光が照射されている時間ではなく、測定対象物に光が照射されたり照射されなかったりすることによる測定対象物における光の明滅（点滅）の周期（明滅周期）を測定し、明滅周期を距離に換算するという手法を案出した。

即ち、壁面に対向して配置した光源の近傍に、スリット間隔を一定にしてストライプ状にスリットが形成されたフィルターを配置すると、壁面にはストライプ形状の光が投影されることになる。

ここで、点光源とストライプ状にスリットが形成されたフィルターとの位置関係を固定すると、壁面に対してストライプ形状のパターンを有する光を直線状に平行移動させることができるようになる。

壁面に対してストライプ形状のパターンを有する光を直線状に平行移動させると、測定対象物表面上のある一点は光が当たっている明るい状態と光が当たっていない暗い状態とを交互に繰り返すことになってある周期で明滅する。この明滅する周期（明滅周期）が、点光源の移動平面からの距離に比例することになる。

隣り合う照射領域の間隔を測るだけでは距離変化に対する周期変化が少ないため、精度の高い距離測定が困難であるが、複数の明滅する周期を測って平均化することにより、より精度の高い距離測定が可能になる。

なお、壁面に対してストライプ形状のパターンを有する光を直線状に平行移動させながら照射する際に、当該平行移動の過程で影になる部分については、明滅周期が整数倍に延長されて明滅周期が長くなる。この特徴を利用し、最も短い周期に近い周期となる複数の明滅周期の平均値をその点の明滅周期として距離に換算することで、影の影響を緩和することができる。

こうした本発明による手法の大きな特徴は、光を照射された測定対象物上の微細領域自体が点光源からの距離情報を発信することであり、この明滅パターンを観測する装置（カメラなど）を置く場所やその解像度や、オフセット・感度のバラツキに距離測定精度が依存しないことにある。

なお、上記した明滅パターンをカメラで観測する場合には、カメラの各画素の明滅周期を個別に測定することで、各画素に相当する場所の距離情報を得ることができる。

本発明による表面形状測定装置は、上記した原理に基づいており、以下に本発明の表面形状測定装置の動作についてさらに詳細に説明する。

はじめに、投光ユニット１２を駆動装置１４の端部１４ａから図２に示したＣ矢印方向へ移動可能であるように、駆動装置１４の端部１４ａ側に投光ユニット１２を配置しておく。

次に、点光源１２ｂを作動させて点光源１２ｂから光を出射すると、点光源１２ｂから出射された光はスリット１２ａにより成形され、投光ユニット１２の移動方向に直交する方向に延長する縦縞状の光となって投光ユニット１２より外部へ出射され、測定対象物載置台１８に投影される（図２を参照する。）。この際に、投光ユニット１２内部で発光し照射した光は、スリット１２ａの開口部より投光ユニット１２外部へ放射状に広がって出射されることになる。

上記のようにして投光ユニット１２外部へ出射された光は、明部と暗部とを交互に繰り返す縦縞状の光となり、明部と暗部との領域はそれぞれすべて等間隔となるようになされている。即ち、図２に示した寸法線Ｂで表した領域はすべて同じ幅を有する。

次に、カメラ２０により、測定対象物１６の撮像を開始する。そして、測定対象物載置台１８への光の投射を維持しながら、投光ユニット１２を駆動装置１４の端部１４ａから他端部１４ｂへ移動させる。この投光ユニット１２を端部１４ａから他端部１４ｂへ移動する際の移動速度は、一定の速度とする。

図５（ａ）には投光ユニット１２から測定対象物１６へ光を投影している状態が図示されており、図５（ｂ）には図５（ａ）に示したＧ矢印方向から見た矢視図が図示されている。

図５（ａ）に示すようにストライプ状の光が測定対象物１６表面上に投影されると、図５（ｂ）に示すように測定対象物１６表面にストライプ状の光があらわれる。

そして、投光ユニット１２が駆動装置１４の他端部１４ｂまで到達したら、カメラ２０による測定対象物１６の撮像を終了する。

以上の動作により、上記した表面形状測定装置１０を用いて、測定対象物１６の表面を撮像した画像に基づいて処理を行う。以下、その処理の手法たる本発明の表面形状測定方法について、以下に詳細に説明することとする。

図６（ａ）には、測定対象物１６にストライプ形状の光を投影して、その様子をデジタルビデオカメラで撮像した時の状態を示した図と、その画像の一点である観察点Ｂにおける出力値の変化をグラフに表したものが示されている。

点光源が観測点Ｂに最も近くなるところで出力値は最大になり、遠くなるに従い減少していく。この明滅周期と光源から観測点Ｂまでの距離の特性は、図６（ｂ）に示されているグラフのように線形となり、点光源からの距離と１画素における明滅周期とは比例することがわかる。この周期計算から距離への換算を、撮像した全画素に対して行うことで撮像範囲全体の距離画像、即ち、測定対象物の表面形状を取得することができる。

ここで、スリットを通過した光をスリットと平行な面に照射すると、ストライプ形状の光のピッチ（Ｌ）は光源からの距離（ｄ）に比例する。

一定速度で投光ユニット１２が移動する際に、平面上に照射されたストライプ形状の光のピッチが同じ距離同士では等間隔となるため、移動速度がｖで一定の時には、平面状の一点に照射された光の明滅周期Ｔも一定の値となる（式１参照）。

Ｔ＝Ｌ／ｖ ・・・ 式１
例えば、光源から壁面までの距離が１ｍで、ストライプ形状の光のピッチが１０ｃｍの場合には、１ｍ／ｓで光源を移動させると明滅周期Ｔは、
Ｔ＝０．１（ｍ）／１（ｍ／ｓ）＝０．１（ｓ）
となり、周期０．１ｓｅｃ（１０Ｈｚ）で点滅する。

また、同じ条件で光源から壁面までの距離を半分の０．５ｍにすると、ストライプ形状の光のピッチが５ｃｍとなり、明滅周期Ｔは、
Ｔ＝０．０５（ｍ）／１（ｍ／ｓ）＝０．０５（ｓ）
となり、周期０．０５ｓｅｃ（２０Ｈｚ）で点滅する。

上記のように、明滅周期が距離に比例していることから、ある一点の明滅周期が距離に比例することがわかる。

仮にスリットから光源までの距離やスリットのピッチが未知であっても、壁面までの距離が既知であればその壁面を照射した際の明滅周期を一度測定して、その明滅周期から比例計算すれば距離を算出することができる。

投光ユニット１２を一定の速度で移動させるときの撮影ピッチ（距離）は、撮影しようとする最短の距離におけるストライプ形状の光の周期が判別できる程度のピッチよりも、十分に細かくする必要がある。

光源の移動距離は、測定したい範囲の最も遠い場所におけるストライプ形状の光のピッチ以上あればよい。なお、光源の移動距離が長くなれば情報量が増えるため、測定の誤差を少なくすることができるようになる。

ここで、上記した計算結果から得られる距離の値は、点光源からスリットに垂直な向きの距離成分となるため、三次元空間上の点の位置を決定するには、カメラの画角と合わせて決定することになる。

即ち、計算で得られる距離の値は投光ユニット１２の中の点光源１２ｂからの距離であり、カメラの位置とは無関係な値となる。従って、３次元空間上の位置を特定するためには、カメラの位置、向き、レンズの特性が明確になっていることが必要である。

撮像した像の中のある観察点（１画素）に対応する測定対象物の領域は、当該観察点からカメラの光軸と交差して延長する直線上にあることから、予め空間上のどの直線上の領域かということを測定して決めておけば、３次元空間上の位置を特定することが可能になる。

即ち、上記した直線上であり、かつ、投光ユニット１２からの距離が測定で得られた値となる平面上の１点が、画素中の観察点の３次元空間上の位置となる。
こうした処理を全画素に対して行うことで、撮像した画像から３次元画像を算出することができる。

ところで、スリット１２ａは、例えば、板金にスリット１２ａとして開口部を切り抜くことにより形成することができるが、このような板金により形成されるスリットの他に、板ガラスの表面に縞状のパターンを塗布してスリット１２ａを形成してもよい。

なお、点光源１２ｂを用意することが難しく、また、板金により形成したスリット１２ａや板ガラスにより形成したスリット１２ａを理想的な状態にすることも難しいなどの理由により、誤差が生じる場合がある。この誤差の中で特徴的な板金の板厚による誤差の補正と、板ガラスの屈折率による誤差について以下の（１）および（２）に説明する。

（１）板金にスリット１２ａとして開口部を形成する場合
板金には板厚があるため、スリット１２ａのピッチを一定にして作製すると、板金を通過する時点での光のピッチが一定ではなくなってしまい、これが測距誤差となる。

しかし、これはスリット１２ａの形状を開口部毎に変えることで補正が可能であるため、以下に説明する補正を行うことで板厚による誤差をなくすことができる。

まず、光が直接板金（スリット枠１２ｃ：閉塞部）の裏面まで届く領域については、補正する必要はない（図７（ａ）を参照する。）。

一方、光が入射するときに板金の表面に当たってしまう場合には、板金を通過する時点での光のピッチ誤差ｘを以下の式２により補正を行い、投光のピッチを一定にする。

ｘ＝ｔ・（ｈ／（ｄ＋ｈ）） ・・・ 式２
ここで、ｔは板金（スリット枠１２ｃ）の板厚（ｍｍ）であり、ｈは光軸からスリット１２ａに垂直な軸から補正するスリット１２ａの閉塞部（スリット枠１２ｃ）までの距離（ｍｍ）であり、ｄは点光源からスリット１２ａまでの距離（ｍｍ）である。

例えば、図７（ａ）においては、開口部（スリット１２ａ）と閉塞部（スリット枠１２ｃ）との繰り返しのピッチはすべて２としてあるが、補正前も補正後もこのピッチは変えず２のままである。

光軸からスリットに垂直な軸に近いスリットでは、光が表面にぶつからずに裏面に届くので補正を要さないが、光軸からスリットに垂直な軸から離れると光が裏面に届くまえに表面にぶつかってしまうので、補正が必要となる。

補正が必要な場合は、図７（ｂ）に示す閉塞部の点光源に近い端部Ａは変更せず、閉塞部の点光源から遠い端部Ｂの位置を変える。上記した式より誤差ｘを算出し、閉塞部の端部Ｂを誤差ｘ分だけ短くして補正を行うものである。

計算により得られた値ｘをもとに、スリットの端にいくほどスリットのパターン幅を狭くしてピッチを一定にするようなスリットを用いるようにすれば、板厚による誤差をなくすことが可能になる。

このようにして補正を行ったスリットが、図７（ａ）に示されている。

（２）板ガラスの表面に縞状のパターンを塗布してスリット１２ａを形成する場合
板ガラスは、一般に屈折率が１．５付近であり、空気の屈折率が１．０付近であることから、必ず屈折による球面収差が発生する。その様子が、図８に図示されている。

具体的に、点光源からスリットに垂直な軸に対して３０°の角度に広がる光について、以下に計算を示す。

即ち、ガラスの屈折による光路のズレ幅（ｇ）は、式３により与えられる。

ｇ＝ｔ・ｓｉｎ（θ）・（ｎ−ｎ_０）／ｎ
＝ｔ・｛ｈ／√（ｄ^２＋ｈ^２）｝・（ｎ−ｎ_０）／ｎ ・・・ 式３
ここで、光源からスリットに垂直な軸に対して３０°の角度に広がる光については、式３に必要な各パラメータは、空気の屈折率ｎ_０は１であり、光の入射角度θは３０°であり、板ガラス厚ｔは１ｍｍであり、ガラスの屈折率ｎは１．５である。上記の式により光路のズレ幅を計算すると、ｇ＝０．１６７ｍｍのズレが生じることがわかる。

さらに、測距誤差ΔＬは、式４により与えられる。

ΔＬ＝ｇ／ｔａｎ（θ）
＝ｇ／（ｈ／ｄ）
＝ｇ・ｄ／ｈ ・・・ 式４
即ち、測距誤差は
ΔＬ＝０．１６７ｍｍ／ｔａｎ３０°
＝０．２８９ｍｍ
となる。

上記のように、板ガラス厚ｔ＝１ｍｍの場合の測距誤差は、ΔＬ＝０．２８９ｍｍとなる。つまり、３０°方向に対して０．２８９ｍｍだけ測距値が小さく算出されてしまうことになる。

これに対して０°の方向では、ΔＬ＝０．０００ｍｍとなることは明白であることから、同じ平面に対して違う値が測距値として現れる結果となる。

光の開き角（θ）に対してガラス左側から見た光源の位置ズレ量ΔＬがかわるため、スリットの形状を補正しても、その補正量分だけ入射角誤差（Δθ）が発生する。

これを緩和するためにスリットの位置を変える手法も考えられるが、発光点自体が変化したのと同等であることから完全な補正にはならない。

屈折率の低い非晶質フッ素樹脂等を使えば多少は緩和されるが、これでも屈折率はｎ＝１．３６であり２０％程度しか改善できない。

従って板ガラスにスリットパターンを印刷する手法では、板金を用いる手法よりも誤差が大きくなる恐れがある。

なお、点光源１２ｂとしてレーザーダイオードを用いる場合には、レーザーダイオードの窓としてガラス（例えば、ｔ＝０．２５ｍｍ）が使用されるため、点光源１２ｂとしてレーザーダイオードを使用する場合にはこれも誤差要因となる。

このレーザーダイオードのガラスによる測距誤差は、光の開き角３０°の場合には、ガラス厚ｔが０．２５ｍｍであり、屈折率ｎが１．５であり、光の開き角θが３０°であるとすると、ｇ＝０．０４２ｍｍのずれが生じ、測距誤差ΔＬは、
ΔＬ＝０．０４１７ｍｍ／ｔａｎ３０°
＝０．０７２２ｍｍ
であり、測距誤差は０．０７２２ｍｍ程度となる。この誤差を減らすためには、従来より公知の手法を用いることができるので、その詳細な説明は省略する。

以上において説明した（１）および（２）を考慮すると、板金に穴を空けてスリットを作る場合には誤差が少ないが加工に手間を要し、ガラスにスリットのパターンを塗布してスリットとする場合には誤差が大きいが加工に手間がかからないという利点があるので、どちらのスリットを用いるかは実際に加工可能な寸法精度も含めて適宜に選択すればよい。

なお、距離測定精度の限界であるレーザーダイオード内の球面収差による誤差は、測定距離範囲とは全く関係なく照射角度範囲で決まることから、より大きな物をスキャンする場合にも同じ誤差量となり、相対的に分解能を上げることが可能である。

また、本願発明者の実験例によると、距離方向２０ｍｍ幅、高さ方向２０ｍｍ幅の斜面までの距離を、ｔ＝１．２ｍｍの板金を用いて形成したスリットを用いて、点光源１２ｂとして８個の白色ＬＥＤ（発光径φ２ｍｍ程度）を使用し、ｈ＝２０ｍｍ、ｄ＝２７０±１０ｍｍ、点光源からスリットまでの距離３５ｍｍ、周期計算用しきい値レベルは一定値というかなり悪い条件で測定したにもかかわらず、発生した誤差は±２ｍｍ程度だった。

この条件での測定誤差は、計算上でははるかに大きな値となるが、あくまで明滅の周期しか計算に使用しないため、ある程度小さな径の光源があれば、十分に実用可能な精度で距離画像を計算できるものであった。

この明滅の周期の計算方法には、しきい値を各ピークの半分にしたり、移動平均した値をしきい値にしたり、相関を計算したりといった種々の変形を加えてもよい。

また、図９（ａ）には、本願発明者の実験に用いた本発明による表面形状測定装置の構成例が示されている。この構成例においては、点光源として白色ＬＥＤを用い、スリットを形成するには板厚ｔ＝１．２ｍｍの板金を用い、スリット幅２ｍｍ、スリットピッチ４ｍｍでスリットを作製した。この場合に、傾斜した壁面までの距離の測定をおこなった。

図９（ｂ）には、図９（ａ）に示した表面形状測定装置を用いて、傾斜した壁面までの距離を測定した場合の距離測定結果のグラフが示されている。

図９（ｂ）に示すグラフにおいては、正確な値が直線で表され、一方、実測値が折れ線で表されているが、実測値からも測定した測定対象物が傾斜した物体であることがわかる。このときの実測測距誤差は、最大で０．３９９ｍｍであった。

また、図１０（ａ）には、本願発明者の実験に用いた本発明による表面形状測定装置の他の構成例が示されている。この構成例においては、点光源として白色ＬＥＤを用い、スリットを形成するには板厚ｔ＝１．２ｍｍの板金を用い、スリット幅２ｍｍ、スリットピッチ４ｍｍでスリットを作製した。

図１０（ｂ）には、図１０（ａ）に示した表面形状測定装置を用いて、垂直に設置された平面形状の壁面までの距離を測定した場合の距離測定結果のグラフが示されている。

図１０（ｂ）に示すグラフにおいては、正確な値が直線で表され、一方、実測値が折れ線で表されているが、実測値からも測定した測定対象物が垂直に設置された平面形状の壁面であることがわかる。このときの実測測距誤差は、最大で０．４２５ｍｍであった。

以上において説明したように、本発明による表面形状測定装置は、簡潔な構成であるため従来の同様な装置と比較すると著しく製造コストを低減することができ、また、十分に実用化できる±０．１ｍｍ程度の精度を達成することができる。また、点光源としてＬＥＤを用いた場合でも、上記の実験例のように±０．５ｍｍ程度の誤差を達成することができる。

また、上記した実施の形態においては、得られた画像を処理する手段としてマイクロコンピューター２２を用いているが、カメラとして、例えば、ＵＳＢ端子を備えたカメラを用いると、マイクロコンピューター２２から電力をとることができ非常に安価になる。そして、マイクロコンピューター２２により投光ユニットの移動のタイミングと同期をとりながら撮影するように制御すれば、より精度の高いデータを得ることができる。そして、撮影した画像はマイクロコンピューター２２内で画像処理できるので、さらにコストを低減することが可能となる。

さらに、上記した実施の形態においては、スリットにより投影する光を分割しているので、この手法はカメラで見える範囲に対しては、死角（影）のほとんどない距離画像測定が可能になる。

さらにまた、本発明による手法は、カメラにより撮影したすべての画素に対して距離情報を算出できるものであり、カメラは測定対象物が観測でき、投光された光の状態が見える場所ならどこに設置してもよいので、カメラを置く場所の制約が少ない、光源の移動距離から横方向の寸法も算出可能であり、上下方向はレンズの画角を算出した後で算出可能である。また、ＣＭＯＳエリアイメージセンサを有するカメラを用いると、輝度変化に強いため一層精度の良い測定が可能になる。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（４）に示すように変形することができるものである。

（１）上記した実施の形態においては、光源として点光源を用いたが、これに限られるものではないことは勿論であり、測定対象物に対して放射状に広がる光を照射する光源であるならば、面光源や線状光源などの各種の光源を用いることができる。

（２）上記した実施の形態においては、移動手段として移動機構１４を示したが、これに限られるものではないことは勿論であり、投光ユニット１２の移動には１レーンのみの移動機構があればよく、また、特に高分解能は要しないため、モーター軸に直接ベルトを付けるような手法を採用してもよい。

（３）上記した実施の形態においては、スリットの数は５本であったが、これに限られるものではないことは勿論であり、スリットの数は最低限２本あればよく、スリットの本数が多い程撮影時間を短くでき、死角（影となる部分）を少なくできる。しかし、多すぎるとカメラの解像度を超えると撮影できないので、光源との相性に合わせて適宜選択するようにしてもよい。

（４）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（３）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、立体的な物体の形状を測定する際に利用することができるものである。

図１は、本発明の実施の形態の一例による表面形状測定装置の概念構成斜視説明図である。 図２は、図１に示す表面形状測定装置の動作の説明図である。 図３（ａ）（ｂ）は、本発明の表面形状測定装置の原理を説明する説明図である。 図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、本発明の表面形状測定装置の原理と光の投影状態を説明する説明図である。 図５（ａ）は本発明の実施の形態の一例による表面形状測定装置の投影状態を示す説明図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＧ矢視図を示したものである。 図６（ａ）は、本発明の実施の形態の一例による表面形状測定装置で測定対象物を測定した場合の測定対象物表面の画像と、測定対象物表面の画像から得られた光量をグラフにまとめたものである。図６（ｂ）は、本発明の実施の形態の一例による表面形状測定装置における点光源からの距離と１画素の明滅周期との関係を示したグラフである。 図７は、板金により形成したスリットを用いた場合に発生する誤差を補正する方法についての説明を示したものである。 図８は、板ガラスにより形成したスリットを用いた場合に発生する誤差を補正する方法についての説明を示したものである。 図９（ａ）は、本願発明者が実験に用いた表面形状測定装置の一例の側面説明図であり、図９（ｂ）は、本願発明者の実験の一例より得られた距離測定結果をグラフに示したものである。 図１０（ａ）は、本願発明者が実験に用いた表面形状測定装置の他の例の側面説明図であり、図１０（ｂ）は、本願発明者の実験の他の例より得られた距離測定結果をグラフに示したものである。

符号の説明

１０ 表面形状測定装置
１２ 投光ユニット
１２ａ スリット
１２ｂ 点光源
１２ｃ スリット枠
１４ 駆動装置
１４ａ 端部
１４ｂ 他端部
１６ 測定対象物
１８ 測定対象物載置台
２０ カメラ
２０ａ 結像レンズ
２０ｂ エリアイメージセンサ
２２ マイクロコンピューター

Claims (4)

1. 測定対象物に所定の方向に延長する等間隔の縞状に形成した光を照射しながら、前記光を前記測定対象物に対して前記縞の延長方向と直交する方向に一定速度で直線状に移動させ、撮像手段により撮像した前記測定対象物表面での光の明滅周期を前記測定対象物表面の微小領域毎に測定し、前記測定結果に基づいて前記光源から前記測定対象物表面の前記微小領域のそれぞれまでの距離を算出する
   ことを特徴とする距離測定方法。
2. 測定対象物に対して放射状に広がる光を照射する光源と、
   前記測定対象物と前記光源との間に配設され、前記光源からの光を所定の方向に延長する等間隔の縞状に成形するスリットと、
   前記光源と前記スリットとを、前記測定対象物に対して前記縞の延長方向と直交する方向に一定速度で直線状に移動する移動手段と、
   前記測定対象物に照射される光の状態を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段により撮像した画像を処理して前記光源から前記測定対象物までの距離を算出する処理手段と
   を有することを特徴とする表面形状測定装置。
3. 請求項２に記載の表面形状測定装置において、
   前記処理手段は、前記撮像手段により撮像した画像から観察された光の明滅の周期に基づいて、前記光源から前記測定対象物までの距離を算出する
   ことを特徴とする表面形状測定装置。
4. 請求項２または３のいずれか１項に記載の表面形状測定装置において、
   前記光源は、点光源である
   ことを特徴とする表面形状測定装置。

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