JP2008145139A - 形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性が高く精度の良い被測定物の形状計測を行う。
【解決手段】保持している光線制御データに基づき、明暗のピッチ幅を順次半減したストライプ状の投影パターンを有する光線を発光して被測定物Ｍに照射する光線照射手段２０と、光線が照射された被測定物Ｍを撮像して画像情報を出力する撮像手段３０と、撮像された画像情報から被測定物Ｍの形状を算出する画像情報演算手段４０とを備え、ストライプ状の投影パターンにおける明暗の変化部分が所定の勾配を有している。
【選択図】図１

Description

この発明は、被測定物の変移や三次元形状を光学的手段を用いて非接触で計測する形状計測装置に関するもので、さらに詳しくは、光線を被測定物に照射し、その光学像を撮像した画像情報を演算して形状を算出する形状計測装置に関するものである。

三次元の形状計測手法として、例えば非特許文献１に記載の空間コード化法が知られている。空間コード化法による三次元計測では、明暗２値のストライプパターンの幅を順次半減して被測定物に投影する。ストライプパターンを投影した空間は明暗の変化の順序によって識別可能な小空間に分割され、各小空間には一意の空間コードが明暗の変化の順序として付与される。

図１０は従来の形状計測装置における空間コード化法による三次元計測を説明する図であり、ここでは、空間コード０から１５の１６の小空間に分割する例を示している。光源１１０からはまず投影パターン３の明暗パターンが投影され、引き続き投影パターン２，１，０の順に投影される。すると、例えば空間コード６が付与される小空間の明暗は、「暗、明、暗、明」と変化する。このように変化する小空間は他にはなく、明暗の変化の順序が決まれば小空間は一意に決定される。

明暗の順序によるコードには、グレイコード（交番２進符号）を用いるのが一般的であり、図１０には投影パターン３，２，１，０の４ビットのグレイコードを発生する投影パターンを示している。グレイコードを発生する投影パターンで明暗のピッチが最小の投影パターン０では、一つの「明」又は「暗」の投影領域に二つずつ空間コードの小空間が含まれているのが特徴である。

カメラ１１１で被測定物１２０を撮像し、観測方向１１２に対応する画素ｘの明暗の変化の順序を判定すると、被測定物１２０の観測方向の部分がどの空間コードの小空間にあるかが判明し、図１０の例では空間コード６の小空間である。その結果、被測定物１２０の三次元位置が光源１１０から投影した空間コード６の小空間の投影方向とカメラ１１１のレンズ中心から観測方向１１２の方向に伸ばした直線との交点として決定される。

ここで、ストライプパターンである投影パターンを投影したときに、カメラ１１１で観測している点が「明」のストライプに入っているか、「暗」のストライプに入っているかを判定する際に、被測定物１２０の反射率に影響されないように、一般的には、明暗を反転させたストライプパターンである相補投影パターンも投影して判定する。すなわち、投影パターンを投影したときの点が、相補投影パターンを投影したときに、「明」から「暗」に変化したときは「明」のストライプに入っていると判定し、「暗」から「明」に変化したときは「暗」のストライプに入っていると判定する。

図１０からわかるように、明暗パターンの投影によって空間コードが付与される小空間は一定の幅を持つため、例えば空間コード６の小空間の中で幅方向に変化があっても全て空間コード６に量子化されるので、いわゆる量子化誤差を生じる。この量子化誤差は投影する明暗パターンの間隔が狭くなれば小さくなるが、なくすことはできない。

この量子化誤差をなくすために、例えば特許文献１に示す形状計測装置は位相シフト法を併用している。
図１１は従来の形状計測装置における位相シフト法を説明する図である。この位相シフト法は、空間コード化法における明暗の２値のストライプパターンを正弦波状のパターンに変え、１／４周期ずつ位相をシフトして投影したときの４枚の画像を利用する。図１１では、空間コード化法で識別される４つの小空間で位相が１周期変化する正弦波状のパターンを投影している様子を示し、実線で示す基準投影パターン１３０に対して１／４周期ずつ位相をシフトした投影パターンを線種を変えて示している。基準投影パターン１３０を投影したときの画素ｘの画素値をＩ₀とし、ｉ／４周期（ｉ＝１，２，３）位相シフトしたパターンを投影したときの同じ画素ｘの画素値をＩ_iとすると、画素値と位相の間には次の式（１）に示すシンプルな関係があり、位相におけるπが空間コード幅２に対応する関係があるので、画素ｘに対応する空間コードを小数点以下まで計算することにより量子化誤差をなくすことができる。

図１１に示す例では、空間コードが４離れた位置にも同じ位相パターンが現れるが、特許文献１では、空間コード化法と併用しているので、それらの識別は可能である。例えば図１１の空間コード２の領域に現れる位相パターンは空間コード６の領域にも現れるが、空間コード化法によってその位置は明確に識別できるので取り違えることはない。

このように、特許文献１による形状計測装置は、空間コード化法と位相シフト法を併用しているので、空間コード化法における量子化誤差の問題のない、精度の良い三次元計測を実現できる。

特開平１１−１４８８１０号公報（段落００１９，００９０〜０１３４） 井口征士、佐藤宏介著、「三次元画像計測」、昭晃堂、１９９０年１１月２０日、ｐ．７９〜１１９

従来の形状計測装置は以上のように構成され、例えば上記特許文献１に示す形状計測装置では、明暗２値のストライプパターンを投影する空間コード化法と、正弦波状の照度パターンを１／４周期ずつ位相シフトして４回投影する位相シフト法を併用して精度の良い形状計測ができるが、実際に精度の良い正弦波状の照度パターンを実現するのは非常に難しく、信頼性が高く精度の良い形状計測を行うのが困難であるという課題があった。これは、上記式（１）に示すように、位相の計算には三角関数の関係式を用いており、照度パターンが正弦波状から少しでも歪むと計算結果に大きな影響がでてくるためで、また、正弦波はπ／２と３π／４付近で勾配がゼロないしゼロに近くなっており、この付近ではわずかの計測誤差が位相の値に大きく影響するからである。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、信頼性が高く精度の良い被測定物の形状計測を行うことができる形状計測装置を得ることを目的とする。

この発明に係る形状計測装置は、保持している光線制御データに基づき、明暗のピッチ幅を順次半減したストライプ状の投影パターンを有する光線を発光して被測定物に照射する光線照射手段と、該光線照射手段により光線が照射された被測定物を撮像して画像情報を出力する撮像手段と、該撮像手段により撮像された画像情報から上記被測定物の形状を算出する画像情報演算手段とを備えたものにおいて、上記光線照射手段が照射する光線のストライプ状の投影パターンは、明暗のピッチ幅を順次半減した投影パターンのうちの明暗のピッチ幅が最小以外の第１の投影パターンと、該第１の投影パターンの明暗を反転させた第２の投影パターンと、明暗のピッチ幅が最小の第３の投影パターンと、該第３の投影パターンの明暗を反転させた第４の投影パターンと、上記第３の投影パターンの位相を所定周期分シフトさせた第５の投影パターンと、該第５の投影パターンの明暗を反転させた第６の投影パターンであり、上記第１から上記第６の投影パターンにおける明暗の変化部分が所定の勾配を有しているものである。

この発明により、信頼性が高く精度の良い被測定物の形状計測を行うことができるという効果が得られる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による形状計測装置の構成を示すブロック図である。この形状計測装置１００は、基準面Ｌに載置された被測定物Ｍにレーザ光線を照射して、被測定物Ｍの変移や三次元形状を光学的手段を用いて非接触で計測するもので、コントロール手段１０、光線照射手段２０、撮像手段３０、画像情報演算手段４０、演算処理手段５０及び表示処理手段６０を備えている。

コントロール手段１０は光線照射手段２０の制御タイミングと撮像手段３０の撮像タイミングを制御する。光線照射手段２０は、コントロール手段１０からの制御タイミングで、保持している光線制御データに基づき、明暗のピッチ幅を順次半減したストライプ状の投影パターンを有するレーザ光線を発光して基準面Ｌに載置された被測定物Ｍに順次照射する。撮像手段３０は、コントロール手段１０からの撮像タイミングで、光線照射手段２０によりレーザ光線が照射された被測定物Ｍを撮像して画像情報を出力する。

画像情報演算手段４０は、撮像手段３０により撮像された画像情報の明度値から被測定物Ｍの高さ等の形状を算出する。演算処理手段５０は画像情報演算手段４０により算出された被測定物Ｍの形状から非測定物Ｍの周囲長や断面形状等を算出し、表示処理手段６０は演算処理手段５０により算出された非測定物Ｍの外形や断面形状等をディスプレイ（図示せず）により表示するための処理を行う。

図１において、コントロール手段１０は同期回路１１を備えている。光線照射手段２０は光線制御手段２１、光源２２及び光線走査手段２３を備え、光線制御手段２１は光線制御データメモリ２１１及びレーザコントローラ２１２を備え、光源２２はレーザ光源２２１及びレンズ系２２２を備え、光線走査手段２３はポリゴンミラー２３１を備えている。撮像手段３０は例えばＣＣＤカメラであり、画像情報演算手段４０は画像情報メモリ４１、形状演算回路４２及び形状メモリ４３を備えている。

コントロール手段１０の同期回路１１は、光線制御手段２１のレーザコントローラ２１２による光源２１のレーザ光源２２１に対する制御タイミングを制御し、光線走査手段２３のポリゴンミラー２３１の回転タイミングと回転数を制御し、ＣＣＤカメラである撮像手段３０の撮像タイミングを制御する。

光線制御手段２１の光線制御データメモリ２１１には、光源２２のレーザ光源２２１から発光するレーザ光線を制御する明暗のピッチ幅を順次半減したグレイコードに従うストライプ状の複数の投影パターンの光線制御データが格納されており、レーザコントローラ２１２は、コントロール手段１０の同期回路１１からの制御タイミングで、光線制御データメモリ２１１に格納されている各投影パターンの光線制御データを読み込み、読み込んだ光線制御データの各投影パターンの明暗のピッチ幅に基づき光源２２のレーザ光源２２１から発光するレーザ光線を点滅させる。

光源２２のレンズ系２２２はレーザ光源２２１から発光されたレーザ光線をスリット状のレーザ光線に整形する。光線走査手段２３のポリゴンミラー２３１は、コントロール手段１０の同期回路１１からの回転タイミングと回転数で回転し、レンズ系２２２からのスリット状のレーザ光線を反射し、回転によってスリット状のレーザ光線を偏向走査させ、基準面Ｌに載置されている被測定物Ｍに向けて斜め方向からスリット状の点滅しているレーザ光線を照射する。従って、被測定物Ｍの表面には、各投影パターンに対応して、レーザ光線が照射された部分と照射されない部分とのストライプ状の模様が生じる。

ＣＣＤカメラである撮像手段３０は、レーザ光線が照射された被測定物Ｍの表面に生じる光学像を撮像する積分型撮像部材であり、コントロール手段１０の同期回路１１からの撮像タイミングで、光線走査手段２３のポリゴンミラー２３１によりレーザ光線が照射された基準面Ｌに載置されている被測定物Ｍの表面に生じる各投影パターンに対応したストライプ状の光学像を撮像し、１フィールド又は１フレームの画像情報を出力する。このとき、同期回路１１は、ポリゴンミラー２３１の回転数を制御することで、撮像手段３０が画像情報を出力する期間に、各投影パターンを何回走査させるかの走査回数を制御する。

以上の処理は、コントロール手段１０の同期回路１１からの制御タイミング及び撮像タイミングで、複数フィールド又は複数フレーム分行われ、撮像手段３０は複数フィールド又は複数フレームの画像情報を出力する。

画像情報演算手段４０の画像情報メモリ４１はＣＣＤカメラである撮像手段３０より出力された複数フィールド又は複数フレームの画像情報を格納する。形状演算回路４２は画像情報メモリ４１に格納されている複数フィールド又は複数フレームの画像情報の明度値から被測定物Ｍの高さ等の形状を算出する。形状メモリ４３は形状演算回路４２により算出された被測定物Ｍの高さ等の形状を格納する。

図２は画像情報演算手段４０の画像情報メモリ４１に格納される画像情報を示す図である。画像情報メモリ４１には、図２に示すように、１２画像分の画像メモリが含まれており、後述する投影パターン３，２，１，０の画像情報と、投影パターン０の位相をそれぞれ±１／８周期シフトさせた投影パターン０＋、０−の画像情報と、それらの投影パターンの明暗を反転させた相補投影パターンを投影したときの、相補投影パターン３，２，１，０の画像情報と、相補投影パターン０＋、０−の画像情報が格納される。これらの画像情報は、撮像手段３０により出力された例えば８ビットの階調を持つ各画素毎の明度値である。

図３は光線制御データメモリ２１に光線制御データとして格納され光線照射手段２０により被測定物Ｍに照射されるレーザ光線による投影パターンを示す図である。図３に示すように、この実施の形態１では、明暗のピッチ幅を順次半減したグレイコードに従う実線で示す投影パターン３，２，１，０と、投影パターン０の位相をそれぞれ±１／８周期シフトさせた実線で示す投影パターン０＋，０−と、それらの投影パターンの明暗を反転させた破線で示す相補投影パターン３，２，１，０，０＋，０−が使用される。

図３では、空間コード化法による空間コードを０から１５の１６の小空間に分割し、各空間コードにおける位置を示す空間コード座標ｓも示している。ここでは、グレイコードに従う投影パターン３，２，１，０のうち、投影パターン３，２，１を明暗のピッチが最小以外の第１の投影パターンとし、投影パターン３，２，１の明暗を反転させた相補投影パターン３，２，１を第２の投影パターンとし、明暗のピッチが最小で一つの「明」又は「暗」の領域に二つずつの空間コードの小空間が含まれている投影パターン０を第３の投影パターンとし、投影パターン０の明暗を反転させた相補投影パターン０を第４の投影パターンとし、投影パターン０の位相をそれぞれ±１／８周期シフトさせた投影パターン０＋，０−を第５の投影パターンとし、投影パターン０＋，０−の明暗を反転させた相補投影パターン０＋，０−を第６の投影パターンとする。

この実施の形態１で使用される第１から第６の投影パターンは、図３に示すように、明暗の変化部分が所定の勾配を有し、台形状の照度分布を有していることが特徴であり、この所定の勾配を有する変化部分を利用して、後述するように、詳細な空間コード座標ｓを判定する。図３に示す第１から第６の投影パターンの変化部分の幅は、空間コード化法で識別される空間コードの幅に一致しているが、これに限られるものでなく、もっと緩やかな勾配でも空間コード座標ｓの計算は可能である。ただし、図３に示す勾配よりも急峻にすると詳細な空間コード座標ｓの計算が不可能となり、もっと緩やかにすると計算される空間コード座標ｓの誤差が大きくなるので、図３に示すように、変化部分の幅が空間コードの幅に一致するように勾配を設定するのが望ましい。

図３に示す第１から第６の投影パターンは、空間コード化法による１６の小空間を有する空間コードを設定する場合を示しているが、１６の小空間を有する空間コードに制約されるものではなく、識別する空間コードの小空間の数を増減し、投影パターンの数を増減しても良い。その場合でも、明暗のピッチが最小となる投影パターンの位相を±１／８周期シフトさせる。

図４は画像情報演算手段４０の形状演算回路４２が行う三角測量の原理による被測定物Ｍの高さの測定の方法を説明する図である。ここでは、基準面Ｌ上に載置された被測定物Ｍの高さＺを測定するものとする。レーザ光源２２１から発射されたレーザ光線は、ポリゴンミラー２３１の鏡面２３１ａで反射して被測定物Ｍの上面に照射される。これを撮像手段３０の対物レンズ３１を通して受光素子３２上に結像させて撮像する。ここで、撮像手段３０の光軸Ｕは基準面Ｌに垂直になるように配置されているものとし、基準面Ｌから鏡面２３１ａの走査中心までの高さをｈｍ、基準点Ａからの偏向角度をα、基準面Ｌから撮像手段３０の対物レンズ３１の主点までの高さをｈｃ、対物レンズ３１の焦点距離をｆ、基準面Ｌ上の基準点Ａから撮像手段３０の光軸Ｕの基準面Ｌ上の点Ｏまでの距離をｍ、撮像手段３０の受光素子３２上の受光した画素位置（被測定物Ｍの上面を見込む画素位置）をｘとする。

このとき、次の式（２）に示す等式が成立する。
（ｈｍ−Ｚ）・ｔａｎα＋（ｈｃ−Ｚ）・ｘ／ｆ＝ｍ （２）
従って被測定物Ｍの上面の高さＺは、次の式（３）により求めることができる。
Ｚ＝｛ｘ・ｈｃ−ｆ（ｍ−ｈｍ・ｔａｎα）｝／（ｘ＋ｆ・ｔａｎα） （３）
図４より明らかなように、ｈｃ、ｆ、ｍ、ｈｍはいずれも被測定物Ｍと無関係な固定値である。従って、画素位置ｘと基準点Ａからの偏向角度αが判れば、式（３）より高さＺを算出できる。以下、画素位置ｘの画素を画素ｘと呼ぶ。

上記非特許文献１に示す空間コード化法では、離散値として表されている空間コードを連続量として扱うため、空間コード座標ｓを投影パターンに関連づけて図３に示すように設定する。基準点Ａからの偏向角度αは図３に示す空間コード座標ｓに１対１で対応しており、投影パターンを切り替えたときの画素ｘの出力（画素値）の変化から、空間コード座標ｓのどの位置の投影光が被測定物Ｍの表面で反射されて画素ｘに入射したかが判れば、すなわち基準点Ａからの偏向角度αが決定され、高さＺを計算することができる。

なお、上記式（２）、式（３）においては、ｙ方向（図４における紙面に垂直な方向）の座標（位置）が現れないが、撮像手段３０の受光素子３２のｙ方向の画素位置から直接導出されるので、３次元計測が可能となる。

以下では画素ｘの出力は投影パターンの照度に比例するものとして、図３の投影パターンを用いた場合に画素ｘの出力（画素値）の変化から、空間コード座標ｓのどの位置の投影光が被測定物Ｍの表面で反射されて画素ｘに入射したかを、量子化の誤差なく一意に判定できることを説明する。

まず、図３に示す台形状のグレイコードに従う投影パターン３，２，１，０と相補投影パターン３，２，１，０を用いて明暗の判定をした場合、従来技術である空間コード化法で用いられている図１０に示した明暗２値の投影パターンとその相補投影パターンを用いて明暗を判定した場合と同じ結果が得られる。従って、画像情報演算手段４０の形状演算回路４２が、図３に示す台形状のグレイコードに従う投影パターン３，２，１，０と相補投影パターン３，２，１，０を用いて明暗の判定をした場合、受光素子３２上の画素ｘにおける明暗の変化の組み合わせから、受光素子３２上の画素ｘに入射された投影光の位置が空間コード０〜１５のいずれにあるか判定できることは、図１０を用いて説明した従来技術である空間コード化法と同じである。すなわち、画像情報演算手段４０の形状演算回路４２は、投影パターン３，２，１，０と相補投影パターン３，２，１，０を用いて、受光素子３２上の画素ｘに入射された投影光の位置が空間コード０〜１５のうちのいずれの空間コードにあるかを判定する。

また、画像情報演算手段４０の形状演算回路４２は、空間コードで識別される小空間の領域内のさらに詳細な投影光の位置の空間コード座標ｓを判定する際に、図３に示す投影パターン０＋、投影パターン０−、相補投影パターン０＋及び相補投影パターン０−を利用する。ここでは、形状演算回路４２が、画素ｘにおける明暗の変化が空間コード６、すなわち空間コード座標ｓで６．０以上、７．０以下の範囲に対応すると判定した場合を例にとり、位相シフト法における位相計算により、さらに詳細な投影光の位置の空間コード座標ｓを判定する手順と計算の方法を説明する。

図５は画像情報演算手段４０の形状演算回路４２が投影光の位置の空間コード座標ｓの計算の際に行う位相シフト法による位相計算を説明する図であり、空間コード５，６，７の小空間を拡大して、投影パターン０＋を実線で、相補投影パターン０＋を破線で重ねて表示したものである。この図５からわかるように、両投影パターンは空間コード６の領域の中央で明暗が逆転しており、形状演算回路４２が、どちらの投影パターンを投影したときに画素ｘでより大きな出力が観測されたかを判定することにより、画素ｘに入射された投影光が空間コード座標６．５以上の位置の投影光に対応するものか、６．５以下の位置の投影光に対応するものか判定できる。具体的には、形状演算回路４２は、投影パターン０＋を投影したときの画素ｘの出力が相補投影パターン０＋を投影したときの画素ｘの出力より大きければ６．５以下、逆ならば６．５以上と判定する。

図３に示すように、投影パターン０＋と相補投影パターン０＋、又は投影パターン０−と相補投影パターン０−のいずれかの組み合わせが、各空間コードの小空間の中央において明暗が反転するようになっており、どの空間コードの小空間においても上記のように１／２単位の領域判定ができる。すなわち、画像情報演算手段４０の形状演算回路４２は、投影パターン０＋と相補投影パターン０＋、又は投影パターン０−と相補投影パターン０−のいずれかの組み合わせを用いて、判定された空間コードにおける受光素子３２上の画素ｘに入射された投影光の位置の空間コード座標ｓを１／２単位で判定する。

次に、形状演算回路４２が、画素ｘに入射された投影光が空間コード座標６．５以下の位置の投影光に対応するものと判定した場合を例にとり、位相シフト法における位相計算により、さらに詳細な投影光の位置の空間コード座標ｓを判定する手順と計算の方法について説明する。

図６は画像情報演算手段４０の形状演算回路４２が投影光の位置の空間コード座標ｓの計算の際に行う位相シフト法による位相計算を説明する図であり、空間コード５，６，７の領域部分を拡大して、投影パターン０＋を実線で、相補投影パターン１を破線で重ねて表示したものである。この図６からわかるように、両投影パターンは空間コード６の領域の６．２５の位置で明暗が逆転しており、形状演算回路４２が、どちらの投影パターンを投影したときに画素ｘでより大きな出力が観測されたかを判定することにより、画素ｘに入射された投影光が空間コード６．２５以上の位置の投影光に対応するものか、６．２５以下の位置の投影光に対応するものか判定できる。具体的には、形状演算回路４２は、投影パターン０＋を投影したときの画素ｘの出力が相補投影パターン１を投影したときの画素ｘの出力より大きければ６．２５以下、逆ならば６．２５以上と判定する。

この判定は空間コード０と１５を除く他の空間コードの場合も同様であり、画像情報演算手段４０の形状演算回路４２は、図３に示す投影パターンのいずれかの組み合わせを用いて、判定された空間コードにおける受光素子３２上の画素ｘに入射された投影光の位置の空間コード座標ｓを１／４単位で判定する。

さらに詳細には次のような計算をする。
図７は画像情報演算手段４０の形状演算回路４２が投影光の位置の空間コード座標ｓの計算の際に行う位相シフト法による位相計算を説明する図であり、空間コード６の小空間付近を拡大して、投影パターン１、投影パターン０＋、相補投影パターン１及び相補投影パターン０＋を重ねて表示したものである。投影パターン１を投影したときの画素ｘの出力をａ、相補投影パターン１を投影したときの画素ｘの出力をｂ、相補投影パターン０＋を投影したときの画素ｘの出力をｃ、投影パターン０＋を投影したときの画素ｘの出力をｄとする。

画素ｘに入射された投影光が空間コード座標６．２５以下の位置の投影光に対応するもの判定された場合、形状演算回路４２は、投影光の位置の詳細な空間コード座標ｓを、図７に示す幾何学的関係からわかるように、次の式（４）で計算する。
ｓ＝６．０＋０．２５・（ｂ−ａ）／（ｄ−ａ） （４）
同様に、画素ｘに入射された投影光が空間コード６．２５以上の位置の投影光に対応するもの判定された場合、形状演算回路４２は、投影光の位置の詳細な空間コード座標ｓを次の式（５）で計算する。
ｓ＝６．５−０．２５・（ｄ−ｃ）／（ｄ−ａ） （５）

最初に投影パターン０＋と相補投影パターン０＋に対する画素ｘの出力の比較により、空間コード座標６．５以上の範囲と判定された場合も、形状演算回路４２は、投影パターン０、投影パターン０＋、相補投影パターン０及び相補投影パターン０＋に対する画素ｘの出力を利用して、同様に投影光の位置の詳細な空間コード座標ｓを計算することができる。

この計算方法は空間コード０と１５を除く他の空間コードの場合も同様であり、画像情報演算手段４０の形状演算回路４２は、図３に示す投影パターンのいずれかの組み合わせを用いて、判定された空間コードにおける画素ｘに入射された投影光の位置の空間コード座標ｓを原理的に量子化誤差を含まない形で計算する。

以上、従来の空間コード化法によりその出力パターンが空間コード６になると判定された画素ｘに入射された投影光の位置について、さらに詳細な空間コード座標ｓを計算する方法について説明したが、他の空間コードに判定された画素ｘに入射された投影光の位置についても、空間コード０と１５を除いて、図３に示すように、各空間コードに対応して上記説明に対応する投影パターンが必ずあり、空間コード座標ｓ＝１．０から１５．０の範囲では、量子化誤差のない投影光の位置の空間コード座標ｓを計算できる。

上記、投影光の位置の空間コード座標ｓの計算方法においては、画素ｘの出力の大小比較と、式（４）、式（５）において画素ｘの出力の差の比を計算するのみであるので、被測定物Ｍの色調等による反射率や外乱光等によるバイアス成分の影響を受けない。

図８は画像情報演算手段４０の形状演算回路４２が投影光の位置の空間コード座標ｓの計算の際に行う位相シフト法による位相計算を説明する図であり、上記に説明した、空間コードが６と判定された画素ｘに入射された投影光の位置の詳細な空間コード座標ｓを計算するために、利用された投影パターンの計算に関係する全ての部分を重ねて表示したものである。上記の説明のように、投影光の位置の空間コード座標ｓが計算できるのは、空間コード領域の中央でクロスしているパターン（図８の場合、投影パターン０＋と相補投影パターン０＋）、及び空間コードの両側の境界でクロスしているパターン（図８の場合、投影パターン１と相補投影パターン１、及び投影パターン０と相補投影パターン０）に対する画像情報が得られているからである。

図３をみると、どの空間コードの領域に対しても、投影パターン０＋と相補投影パターン０＋か、投影パターン０−と相補投影パターン０−が空間コードの領域の中央でクロスすることがわかる。同様に、どの空間コードの領域に対しても、投影パターン０と相補投影パターン０が左右どちらかの境界においてクロスするパターンとなっていることがわかる。そして、投影パターン０と相補投影パターン０がクロスしていない他方の境界においてクロスするパターンは、投影パターン０、０＋、０−以外の投影パターンが対応しているのがわかる。

このように、投影光の位置の空間コード座標ｓを計算する際に、シフトしない投影パターンを利用するので、上記特許文献１における位相シフト法に比べ、位相をシフトする投影パターンが投影パターン０＋と投影パターン０−の二つで済むという特徴がある。

投影光の位置の空間コード座標ｓと基準点Ａからの偏向角度αの関係は、ポリゴンミラー２３１の回転角と同期を取ったレーザコントローラ２１２の出力の関係から決定されるが、図４に示す被測定物Ｍを取り除いて、基準面Ｌに投影パターンを投影し、その投影位置から投影光の位置の空間コード座標ｓと基準点Ａからの偏向角度αの関係を校正しても良い。

このようにして、画素ｘに入射された投影光の位置の空間コード座標ｓが判ると基準点Ａからの偏向角度αが判り、上記式（３）により高さＺが計算される。以上の計算では、上記特許文献１の位相シフト法で必要であったａｒｃｔａｎの計算は不要であり、計算が容易となっている。また、図７から判るように、式（４）及び式（５）で用いられる画素値ａ，ｂ，ｃ，ｄは、計算に用いる範囲ではどこでも同じ勾配であり、上記特許文献１の位相シフト法で用いられた正弦波のように、勾配がゼロないしゼロに近い部分はないので、画素値の計測誤差に対する感度はどこでも一定である。

このようにして、形状演算回路４２により算出された被測定物Ｍの形状データは、その後、演算処理手段５０及び表示処理手段６０に送られ、被測定物Ｍの周囲長や断面形状等を算出したり、ディスプレイ（図示しない）によって被測定物Ｍの形状を表示したりする後加工が行われる。

なお、この実施の形態１においては、光源２２からの光線として、レーザ光源２２１からのレーザ光線を整形して用いた例を示したが、レーザ光源２２１を用いずに、通常の光源からの光線を整形して用いても良い。また、光線走査手段２３として、ポリゴンミラー２３１を用いた例を示したが、他の偏向装置、例えばガルバノミラー等を用いても良い。また、ポリゴンミラー２３１の面数についても、回転数、走査範囲、走査回数等を考慮して適宜選択すれば良い。さらに、本例においては基準面Ｌ上に被測定物Ｍを載置してその形状を計測したが、計測において基準面Ｌが撮像される必要はなく、さらには基準面Ｌを無くして、仮想基準面からの高さを計測するようにしても良い。

以上のように、この実施の形態１によれば、光線照射手段２０が照射する光線のストライプ状の投影パターンとして、明暗のピッチ幅を順次半減した投影パターンのうちの明暗のピッチ幅が最小以外の第１の投影パターンと、第１の投影パターンの明暗を反転させた第２の投影パターンと、明暗のピッチ幅が最小の第３の投影パターンと、第３の投影パターンの明暗を反転させた第４の投影パターンと、第３の投影パターンの位相を１／８周期シフトさせた第５の投影パターンと、第５の投影パターンの明暗を反転させた第６の投影パターンを使用し、第１から第６の投影パターンにおける明暗の変化部分が所定の勾配を有していることにより、信頼性が高く精度の良い被測定物Ｍの形状計測を行うことができるという効果が得られる。

また、この実施の形態１によれば、空間コード化法による計測に引き続いて行う位相シフト法による計測を、上記特許文献１に示すａｒｃｔａｎの複雑な計算をすることなく容易に行うことができ、しかも、詳細な投影光の位置の空間コード座標ｓを計算することにより、分解能の高い計算を行うことができるという効果が得られる。

さらに、この実施の形態１によれば、投影光の位置の空間コード座標ｓを計算する際に、シフトしない投影パターンを利用するので、位相をシフトする投影パターンを少なくすることができるという効果が得られる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２による形状計測装置１００の構成を示すブロック図は上記実施の形態１の図１と同じである。
図９は光線制御データメモリ２１に光線制御データとして格納され光線照射手段２０により被測定物Ｍに照射されるレーザ光線による投影パターンを示す図である。図９に示すように、この実施の形態２では、明暗のピッチ幅を順次半減したグレイコードに従う実線で示す投影パターン３，２，１，０と、投影パターン０の位相をそれぞれ±１／８周期シフトさせた実線で示す投影パターン０＋，０−と、投影パターン０の位相を＋１／４周期シフトさせた実線で示す投影パターン０＋＋と、それらの投影パターンの明暗を反転させた破線で示す相補投影パターン３，２，１，０，０＋，０−，０＋＋が使用される。

図９では、グレイコードに従う投影パターン３，２，１，０のうち、投影パターン３，２，１を明暗のピッチが最小以外の第１の投影パターンとし、投影パターン３，２，１の明暗を反転させた相補投影パターン３，２，１を第２の投影パターンとし、明暗のピッチが最小で一つの「明」又は「暗」の領域に二つずつの空間コードの小空間が含まれている投影パターン０を第３の投影パターンとし、投影パターン０の明暗を反転させた相補投影パターン０を第４の投影パターンとし、投影パターン０の位相をそれぞれ±１／８周期シフトさせた投影パターン０＋，０−を第５の投影パターンとし、投影パターン０＋，０−の明暗を反転させた相補投影パターン０＋，０−を第６の投影パターンとし、投影パターン０の位相を＋１／４周期シフトさせた投影パターン０＋＋を第７の投影パターンとし、投影パターン０＋＋の明暗を反転させた相補投影パターン０＋＋を第８の投影パターンとする。

この実施の形態２で使用される第３から第８の投影パターンは、図９に示すように、上記実施の形態１の図３と同様に、明暗の変化部分が所定の勾配を有し、台形状の照度分布を有しているが、第１及び第２の投影パターンは、図９に示すように、図３とは異なり、明暗の変化部分が所定の勾配を有せず、台形状の照度分布とならず、上記非特許文献１に示す明暗２値の投影パターンとなっている。

図９に示すように、投影パターン３，２，１の明暗が変化する全ての空間コード座標において、投影パターン０＋＋は変化している。図８の説明において、小空間の中央と小空間の左右の３つのクロスする投影パターンの内、投影パターン０と相補投影パターン０がクロスしていない他方の境界においてクロスする投影パターンは、投影パターン０，０＋，０−以外の投影パターンが対応していることを述べたが、この実施の形態２においては、投影パターン０，０＋，０−，０＋＋と相補投影パターン０，０＋，０−，０＋＋に対応する画像情報に３つのクロスするパターンが含まれている。従って、投影パターン３，２，１と相補投影パターン３，２，１の画像情報は、空間コードの計算に使用するのみで、投影光の位置の空間コード座標ｓの計算には不要となる。

このようにする利点は次の点にある。すなわち、上記実施の形態１の場合は、投影光の位置の空間コード座標ｓの計算のために、全ての投影パターンに対する画像情報を計算の最後まで画像情報メモリ４１に蓄積しておく必要がある。それに対して、この実施の形態２においては、投影光の位置の空間コード座標ｓの計算は投影パターン０，０＋，０−，０＋＋と相補投影パターン０，０＋，０−，０＋＋に対応する画像情報によって計算できるので、投影パターン３，２，１と相補投影パターン３，２，１に対する画像情報は空間コードの計算後は消去しても問題なく、同じ画像情報メモリ４１上に投影パターン０＋，０−，０＋＋と相補投影パターン０，０＋，０−，０＋＋に対応する画像情報を書き込むことができる。つまり、この実施の形態２においては、上記実施の形態１よりも画像情報メモリ４１のメモリ容量を減らして、投影光の位置の空間コード座標ｓが計算できるという特徴がある。
その他の処理は上記実施の形態１と同様である。

以上のように、この実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果が得られると共に、画像情報メモリ４１のメモリ容量を減らすことができるという効果が得られる。

以上に、この発明に係る実施の形態を説明したが、この発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限り、適宜変更して適用できることはいうまでもない。

この発明の実施の形態１による形状計測装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による形状計測装置における画像情報演算手段の画像情報メモリに格納される画像情報を示す図である。 この発明の実施の形態１による形状計測装置における光線制御データメモリに光線制御データとして格納され光線照射手段により被測定物に照射されるレーザ光線による投影パターンを示す図である。 この発明の実施の形態１による形状計測装置における画像情報演算手段の形状演算回路が行う三角測量の原理による被測定物の高さの測定の方法を説明する図である。 この発明の実施の形態１による形状計測装置における画像情報演算手段の形状演算回路が投影光の位置の空間コード座標の計算の際に行う位相シフト法による位相計算を説明する図である。 この発明の実施の形態１による形状計測装置における画像情報演算手段の形状演算回路が投影光の位置の空間コード座標の計算の際に行う位相シフト法による位相計算を説明する図である。 この発明の実施の形態１による形状計測装置における画像情報演算手段の形状演算回路が投影光の位置の空間コード座標の計算の際に行う位相シフト法による位相計算を説明する図である。 この発明の実施の形態１による形状計測装置における画像情報演算手段の形状演算回路が投影光の位置の空間コード座標の計算の際に行う位相シフト法による位相計算を説明する図である。 この発明の実施の形態２による形状計測装置における光線制御データメモリに光線制御データとして格納され光線照射手段により被測定物に照射されるレーザ光線による投影パターンを示す図である。 従来の形状計測装置における空間コード化法による三次元計測を説明する図である。 従来の形状計測装置における位相シフト法を説明する図である。

符号の説明

１０ コントロール手段、１１ 同期回路、２０ 光線照射手段、２１ 光線制御手段、２２，１１０ 光源、２３ 光線走査手段、３０ 撮像手段、４０ 画像情報演算手段、４１ 画像情報メモリ、４２ 形状演算回路、４３ 形状メモリ、５０ 演算処理手段、６０ 表示処理手段、１００ 形状計測装置、１１１ カメラ、１１２ 観測方向、１２０ 被測定物、１３０ 基準投影パターン、２１１ 光線制御データメモリ、２１２ レーザコントローラ、２２１ レーザ光源、２２２ レンズ系、２３１ ポリゴンミラー。

Claims (7)

1. 保持している光線制御データに基づき、明暗のピッチ幅を順次半減したストライプ状の投影パターンを有する光線を発光して被測定物に照射する光線照射手段と、該光線照射手段により光線が照射された被測定物を撮像して画像情報を出力する撮像手段と、該撮像手段により撮像された画像情報から上記被測定物の形状を算出する画像情報演算手段とを備えた形状計測装置において、
   上記光線照射手段が照射する光線のストライプ状の投影パターンは、明暗のピッチ幅を順次半減した投影パターンのうちの明暗のピッチ幅が最小以外の第１の投影パターンと、該第１の投影パターンの明暗を反転させた第２の投影パターンと、明暗のピッチ幅が最小の第３の投影パターンと、該第３の投影パターンの明暗を反転させた第４の投影パターンと、上記第３の投影パターンの位相を所定周期分シフトさせた第５の投影パターンと、該第５の投影パターンの明暗を反転させた第６の投影パターンであり、上記第１から上記第６の投影パターンにおける明暗の変化部分が所定の勾配を有していることを特徴とする形状計測装置。
2. 第５の投影パターンは第３の投影パターンの位相を１／８周期シフトさせたものであることを特徴とする請求項１記載の形状計測装置。
3. 光線照射手段が被測定物に照射する光線の第１から第６の投影パターンにおける明暗の変化部分の幅は、被測定物の小空間に付与された空間コードの幅に一致していることを特徴とする請求項１記載の形状計測装置。
4. 保持している光線制御データに基づき、明暗のピッチ幅を順次半減したストライプ状の投影パターンを有する光線を発光して被測定物に照射する光線照射手段と、該光線照射手段により光線が照射された被測定物を撮像して画像情報を出力する撮像手段と、該撮像手段により撮像された画像情報から上記被測定物の形状を算出する画像情報演算手段とを備えた形状計測装置において、
   上記光線照射手段が照射する光線のストライプ状の投影パターンは、明暗のピッチ幅を順次半減した投影パターンのうちの明暗のピッチ幅が最小以外の第１の投影パターンと、該第１の投影パターンの明暗を反転させた第２の投影パターンと、明暗のピッチ幅が最小の第３の投影パターンと、該第３の投影パターンの明暗を反転させた第４の投影パターンと、上記第３の投影パターンの位相を所定周期分シフトさせた第５の投影パターンと、該第５の投影パターンの明暗を反転させた第６の投影パターンと、上記第３の投影パターンの位相を所定周期分複数回シフトさせた第７の投影パターンと、該第７の投影パターンの明暗を反転させた第８の投影パターンであり、上記第３から上記第８の投影パターンにおける明暗の変化部分が所定の勾配を有していることを特徴とする形状計測装置。
5. 第５の投影パターンは第３の投影パターンの位相を１／８周期シフトさせたもので、第７の投影パターンは上記第３の投影パターンの位相を１／４周期シフトさせたものであることを特徴とする請求項４記載の形状計測装置。
6. 光線照射手段が被測定物に照射する光線の第３から第８の投影パターンにおける明暗の変化部分の幅は、被測定物の小空間に付与された空間コードの幅に一致していることを特徴とする請求項４記載の形状計測装置。
7. 画像情報演算手段は、第１から第４の投影パターンを有する光線により撮像された画像情報から、撮像手段の受光素子に受光された投影光の位置が被測定物の小空間に付与されたいずれの空間コードにあるかを判定し、上記第１から第６の投影パターンを有する光線により撮像された画像情報から、判定された空間コードにおける上記投影光の位置の空間コード座標を判定して、上記被測定物の形状を算出することを特徴とする請求項１または請求項４記載の形状計測装置。

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