JP2010032448A - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の測定精度を低下させることなく、被測定物に縞状パターンを投影する投影機の構成を簡単にすることができ、結果として経済性および操作性に優れた３次元形状測定装置を提供する。
【解決手段】３次元形状測定装置は、投影機１０、撮像機２０およびコンピュータ装置３０を備えている。投影機１０は、明部と暗部とが正弦波状に変化した縞状パターンＺＰを投影レンズ１５に対して変位させるフォーカスシフター１５を備え、ワークＷＫ上に互いに周期の異なる縞状パターンＺＰを投影する。撮像機２０は、ワークＷＫに投影された６４周期、６３周期および５６周期の縞状パターンＺＰを撮像して、それぞれ縞状パターン画像Ｇｎを取得する。コンピュータ装置３０は、６４周期、６３周期および５６周期の縞状パターンＺＰを用いて、ワークＷＫを表す各画素の位相が一意に特定される第２の位相の絶対値を計算して、三角測量法を用いてワークＷＫの３次元形状を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、明部と暗部とが周期的に変化する縞状パターンを、位相をずらしながら被測定物に投影し、互いに異なる位相ごとに撮像した縞状パターン画像における位相のずれを用いて被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置に関する。

従来から、明部と暗部とで構成された縞状パターンを被測定物の表面に投影するとともに、同投影した縞状パターンの位相を一定の角度ずつすらしながら撮像して各撮像画像における縞状パターンの変形量（位相ずれ）を用いて被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置が知られている。例えば、下記特許文献１には、被測定物の表面に光の強度（輝度）分布が正弦波状に変化する縞状パターンを１／４周期（すなわち、π／２ずつ）ごとに投影する投影機と、被測定物の表面に投影された各縞状パターンをそれぞれ撮像する撮像機と、同撮像された縞状パターン画像を演算処理して被測定物の３次元形状を算出する演算処理装置とを備えた３次元形状測定装置が開示されている。
特開平１１−８３４５４号公報

そして、上記３次元形状測定装置における演算処理装置は、１／４周期（０，π／２，π，３π／２）ごとに撮像した縞状パターンの撮像画像における同一画素の画素値（輝度）を逆正接関数で演算処理することにより縞状パターンにおける各画素ごとの位相を計算して被測定物の３次元形状を測定している。すなわち、縞状パターンにおける各画素ごとに計算された位相は、被測定物に投影された縞状パターンの投影角度を表しているため、同投影角度と撮像機の撮像角度とにより三角測量法の原理を用いて被測定物の３次元形状を測定している。

ところで、このような３次元形状測定装置においては、ガラス基板上に縞状パターンが形成された縞状パターン体、各種液晶素子またはＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などを用いて被測定物に縞状パターンを投影している。しかしながら、被測定物に縞状パターンを投影するこれらの縞状パターン体、各種液晶素子およびＤＭＤにおいては種々の問題がある。

すなわち、縞状パターン体においては、ガラス基板上に正弦波状に光の透過率が変化する縞状パターンを正確に形成することが困難でるため、周期の異なる複数種類の縞状パターンを用いる場合（例えば、空間コード法を用いる場合）には、縞状パターン体を周期の種類ごとに製作しなければならず縞状パターン体の製作工数およびコストが増大するという問題がある。また、被測定物の３次元形状の測定時においては、周期の異なる縞状パターンごとに縞状パターン体を投影機に付け替えなければならず作業工数が増加するとともに、各縞状パターン体の位置合わせ作業が煩雑であるという問題もある。

一方、各種液晶素子およびＤＭＤにおいては、各種液晶素子およびＤＭＤにおける各画素の出力特性のリニアリティー（入力に対する出力が直線的に変化）に少なからずバラツキが存在するため、正確な正弦波形状の縞状パターンの投影が困難であり被測定物の３次元形状測定の測定精度が低下するという問題がある。また、各種液晶素子およびＤＭＤを用いることにより投影機の構成が複雑化するとともに３次元形状測定装置が高価なものになるという問題もある。

本発明は上記問題に対処するためなされたもので、その目的は、被測定物の測定精度を低下させることなく、被測定物に縞状パターンを投影する投影機の構成を簡単にすることができ、結果として経済性および操作性に優れた３次元形状測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明の特徴は、明部と暗部とが周期的に変化する縞状パターンにおける１周期より短い間隔で少なくとも２回以上シフトさせて同縞状パターンを１周期分シフトさせながら同縞状パターンに光を照射して被測定物に投影する投影手段と、光電変換する受光素子からなる複数の画素を有し、縞状パターンの位相シフトごとに被測定物に投影された縞状パターンを投影手段の光軸とは異なる方向から撮像して、縞状パターンの位相シフトごとの縞状パターン画像をそれぞれ取得する縞状パターン撮像手段と、縞状パターン画像を用いて前記複数の画素ごとの位相をそれぞれ計算する位相計算手段と、前記複数の画素ごとに計算した位相を用いて被測定物の３次元形状を測定する形状測定手段とを備える３次元形状測定装置において、投影手段は、縞状パターンが形成された縞状パターン体と縞状パターンを被測定物に投影するための投影レンズとを有するとともに、縞状パターン体と投影レンズとの光学的な距離を相対的に変位させることにより被測定物に投影される縞状パターンを拡大して、同一の投影範囲内にて前記縞状パターンよりも少なくとも１周期少ない周期の周期減縞状パターンを投影するための光軸方向変位手段を有し、縞状パターン撮像手段は、被測定物に投影された周期減縞状パターンを位相シフトごとに撮像して、同周期減縞状パターンの位相シフトごとの縞状パターン画像である周期減縞状パターン画像をそれぞれ取得し、位相計算手段は、周期減縞状パターン画像を用いて前記複数の画素ごとの位相をそれぞれ計算し、形状測定手段は、縞状パターン画像に基づく前記複数の画素ごとの位相と周期減縞状パターン画像に基づく前記複数の画素ごとの位相との位相差を第１の位相差として計算する位相差計算手段を備えることにある。

このように構成した請求項１に係る発明の特徴によれば、３次元形状測定装置は、明部と暗部とが周期的に変化する縞状パターンを被測定物に投影するための縞状パターン体および投影レンズの光学的な距離を相対的に変化させる光軸方向変位手段を投影手段に備えている。これにより、３次元形状測定装置は、被測定物に縞状パターンおよび同縞状パターンを同一の投影範囲内で拡大させて同縞状パターンより１周期少ない周期減縞状パターンをそれぞれ投影して縞状パターン画像および周期減縞状パターン画像をそれぞれ取得する。そして、３次元画像形成装置は、形状測定手段における位相差計算手段によって縞状パターン画像に基づく各画素ごとの位相と周期減縞状パターン画像に基づく各画素ごとの位相との位相差を第１の位相差として計算する。この場合、第１の位相差は、撮像手段で撮像された被測定物を各画素ごとに０〜２πの範囲の位相の絶対値で表したものである。このため、３次元形状測定装置は、この位相の絶対値である第１の位相差を用いて被測定対象物の３次元形状を測定することができる。すなわち、本発明に係る３次元形状測定装置は、縞状パターンが形成された１つの縞状パターン体の投影レンズに対する距離を相対的に変化させることにより周期の異なる２つの縞状パターンを被測定物にそれぞれ投影することができる。このため、周期の異なる複数種類の縞状パターンごとに縞状パターン体を形成する必要がないとともに各種液晶素子やＤＭＤなどの高価な機器も不要である。これらの結果、被測定物の測定精度を低下させることなく、被測定物に縞状パターンを投影する投影機の構成を簡単にすることができ、３次元形状測定装置を経済的かつ良好な操作性で構成することができる。

また、請求項２に係る本発明の他の特徴は、前記３次元形状測定装置において、縞状パターン撮像手段は、前記同一の投影範囲内にて前記縞状パターンよりも２周期以上少ない周期の周期減縞状パターンの位相シフトごとの周期減縞状パターン画像をそれぞれ取得し、位相計算手段は、縞状パターンよりも２周期以上少ない周期の周期減縞状パターンに対応する周期減縞状パターン画像を用いて前記複数の画素ごとの位相をそれぞれ計算し、形状測定手段における位相差計算手段は、縞状パターン画像に基づく前記複数の画素ごとの位相と縞状パターンよりも２周期以上少ない周期の周期減縞状パターンに対応する周期減縞状パターン画像に基づく前記複数の画素ごとの位相との位相差を第２の位相差として計算し、形状測定手段は、第１の位相差を用いて第２の位相差における各値を連続的な位相分布として前記複数の画素ごとの位相を一意的に特定するための第１の位相の絶対値を計算する絶対値計算手段を備えることにある。

このように構成した請求項２に係る本発明の他の特徴によれば、３次元形状測定装置は、縞状パターンよりも２周期以上少ない周期の周期減縞状パターンを被測定物に投影して周期減縞状パターン画像を取得し、各画素ごとの位相をそれぞれ計算している。そして、３次元画像形成装置は、縞状パターン画像に基づく各画素ごとの位相と縞状パターンよりも２周期以上少ない周期の周期減縞状パターンに対応する周期減縞状パターン画像に基づく各画素ごとの位相との位相差を第２の位相差として計算し、前記第１の位相差を用いてこの第２の位相差における各位相値を連続的な位相分布に変換して第１の位相の絶対値を計算している。この場合、第１の位相の絶対値の位相の範囲は、０〜（ｎ×２π）（ｎは縞状パターンと周期減縞状パターンの周期の差）で表される。すなわち、第１の位相の絶対値は、同じく位相の絶対値を表す前記第１の位相差に比べて位相の範囲が広くなるため、より高精度に被測定対象物の３次元形状を測定することができる。

また、請求項３に係る本発明の他の特徴は、前記３次元形状測定装置において、記形状測定手段における絶対値計算手段は、第１の位相の絶対値を用いて縞状パターン画像に基づく前記複数の画素ごとの位相における各値を連続的な位相分布として前記複数の画素ごとの位相を一意的に特定するための第２の位相の絶対値を計算することにある。

このように構成した請求項３に係る本発明の他の特徴によれば、３次元形状測定装置は、前記第１の位相の絶対値を用いて縞状パターン画像に基づく前記複数の画素ごとの位相における各位相値を連続的な位相分布として、前記複数の画素ごとの位相を一意的に特定するための第２の位相の絶対値を計算する。この場合、第２の位相の絶対値の位相の範囲は、０〜（Ｎ×２π）（Ｎは縞状パターンの周期の数）で表される。すなわち、第２の位相の絶対値は、同じく位相の絶対値を表す前記第１の位相差および第１の位相の絶対値に比べて位相の範囲が広くなるため、より高精度に被測定対象物の３次元形状を測定することができる。

また、請求項４に係る本発明の他の特徴は、前記３次元形状測定装置において、縞状パターンは、明部および暗部の２つの階調のみで構成されており、互いに異なる少なくとも３つの位相で構成され、変調値が縞状パターンにおける１周期と同じ周期で連続的に変化する各変調信号ごとに、各縞状パターン画像に表された縞状パターンにおける位相シフトの割合に対応する変調値を用いて各縞状パターン画像を変調する縞状パターン画像変調手段と、前記変調された各縞状パターン画像を各変調信号ごとに合成して縞状パターン合成画像をそれぞれ生成する縞状パターン画像合成手段と、互いに異なる少なくとも３つの位相で構成され、変調値が周期減縞状パターンにおける１周期と同じ周期で連続的に変化する各変調信号ごとに、各周期減縞状パターン画像に表された周期減縞状パターンにおける位相シフトの割合に対応する変調値を用いて各周期減縞状パターン画像を変調する周期減縞状パターン画像変調手段と、前記変調された各周期減縞状パターン画像を各変調信号ごとに合成して周期減縞状パターン合成画像をそれぞれ生成する周期減縞状パターン画像合成手段とを備え、位相計算手段は、縞状パターン合成画像を用いて前記複数の画素ごとの位相をそれぞれ計算するとともに、周期減縞状パターン合成画像を用いて前記複数の画素ごとの位相をそれぞれ計算することにある。

このように構成した請求項４に係る本発明の他の特徴によれば、明部および暗部のみの２階調で１周期が構成された縞状パターン（周期減縞状パターンを含む）を被測定物にそれぞれ投影するとともに、同投影した縞状パターンを一定の間隔で１周期分ずらしながら撮像して縞状パターン画像（周期減縞状パターン画像を含む）をそれぞれ取得している。そして、３次元形状測定装置は、取得された各縞状パターン画像を互いに異なる少なくとも３つの位相の変調信号によってそれぞれ変調して合成している。これにより、少なくとも３つの位相ごとに、変調信号に対応する振幅変化で構成された縞状パターン合成画像（周期減縞状パターン合成画像を含む）が生成される。すなわち、本発明に係る３次元形状測定装置は、被測定物に投影する投影画像を明部および暗部の２値で構成した縞状パターンを用いている。このため、３次元形状測定装置は、被測定物に投影された縞状パターンにおける明部と暗部とを検出できればよいため、投影機および撮像機における出力特性のリニアリティーの影響が少ない状態で被測定物の形状を表わす縞状パターン画像を取得することができる。このことは、撮像機における飽和現象（受光光量の変化に対して出力電圧信号が一定値となる現象）に影響されることなく縞状パターン画像を取得することができることを意味している。

また、取得された各縞状パターン画像における各画像値は、変調値が理想的に連続変化する変調信号によって変調される。換言すれば、縞状パターン合成画像における画像値は、投影機および撮像機における出力特性のリニアリティーに影響されることなく連続的に変化する値となる。すなわち、本発明においては、被測定物に投影して撮像される縞状パターン画像における光強度の連続的な変化については、出力特性にバラツキが存在する投影機や撮像機による検出を行わず、光強度の理想的な連続変化に相当する変調信号を用いて画像値が理想的に連続変化する縞状パターン合成画像を取得している。この結果、投影機および撮像機における出力特性のリニアリティーに依存することなく、被測定物の３次元形状測定を高精度に行うことができる。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る３次元形状測定装置の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る３次元形状測定装置の全体構成を模式的に示すブロック図である。なお、本明細書において参照する各図は、本発明の理解を容易にするために一部の構成要素を誇張して表わすなど模式的に表している。このため、各構成要素間の寸法や比率などは異なっていることがある。

（３次元形状測定装置の構成）
３次元形状測定装置は、投影機１０、撮像機２０およびコンピュータ装置３０をそれぞれ備えている。投影機１０は、被測定物であるワークＷＫの表面に縞状パターンＺＰを投影するための投影機であり、主として、光源１１、縞状パターン体１２、位相シフター１３、フォーカスシフター１４および投影レンズ１５をそれぞれ備えて構成されている。

光源１１は、主として緑色の可視光を発光するＬＥＤによって構成された照明装置である。この光源１１の光軸Ｌ１上には、縞状パターン体１２および投影レンズ１５が配置されている。縞状パターン体１２は、透明なガラス基板上にワークＷＫ上に投影する縞状パターンＺＰがクローム鍍金で形成された板状体である。縞状パターンＺＰは、図２に示すように、明部と暗部とが連続的に変化、より具体的には、光の透過率が０〜１００％の範囲で正弦波状に変化した縦縞状に構成されている。本実施形態においては、撮像機２０の撮像範囲内に６４本の縞画像を常時投影可能としている。なお、図２においては、理解を助けるために縞状パターンＺＰの一部を拡大して示している。

縞状パターン体１２は、位相シフター１３およびフォーカスシフター１４によって支持されている。位相シフター１３は、ワークＷＫの表面に投影される縞状パターンＺＰの１周期より短い間隔で縞状パターン体１２を縞状パターンＺＰにおける縞画像に直交する方向（図示左右方向）（以下、「周期方向」という）にシフトさせるアクチュエータである。本実施形態においては、ステッピングモータを用いて縞状パターン体１２を前記周期方向に変位させる。フォーカスシフター１４は、縞状パターン体１２を光源１１の光軸Ｌ１方向（図示上下方向）にシフトさせるアクチュエータである。本実施形態においては、ステッピングモータを用いて縞状パターン体１２を前記光軸Ｌ１方向に変位させる。投影レンズ１５は、ワークＷＫの表面に縞状パターンＺＰを投影するための光学レンズである。

撮像機２０は、光エネルギーを電気エネルギーに変換（光電変換）するフォトダイオードからなる複数の受光素子を備え、ワークＷＫの表面に投影された縞状パターンＺＰを撮像して同縞状パターンＺＰを表わす縞状パターン画像を取得する撮像装置である。本実施形態においては、画素数が１２８０×１０２４画素のＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサを用いている。この撮像機２０は、撮像機２０の光軸Ｌ２が前記投影機１０の光軸Ｌ１とは異なる向きで配置されている。すなわち、撮像機２０は、投影機１０の光軸Ｌ１とは異なる方向からワークＷＫを撮像するように配置されている。

コンピュータ装置３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスクなどからなるマイクロコンピュータによって構成されたコンピュータ本体３１と、キーボードおよびマウスからなる入力装置３２と、液晶ディスプレイからなる表示装置３３とを備えたパーソナルコンピュータ（所謂パソコン）である。このコンピュータ装置３０は、前記投影機１０および撮像機２０にそれぞれ接続されており、図３に示す３次元形状測定プログラムを実行することにより投影機１０および撮像機２０の各作動を制御してワークＷＫの３次元形状を測定する。この場合、３次元形状測定プログラムは、作業者により予め前記コンピュータ本体３１におけるハードディスクに記憶されている。なお、コンピュータ装置３０は、投影機１０および撮像機２０などの作動を制御することができれば、どのような形式のコンピュータ装置であってもよい。

（３次元形状測定装置の作動）
次に、このように構成した３次元形状測定装置の作動について説明する。まず、作業者は、３次元形状測定装置における測定エリア内にワークＷＫを配置する。この場合、作業者は、ワークＷＫにおける測定対象面を投影機１０側に向けて配置する。次に、作業者は、投影機１０、撮像機２０およびコンピュータ装置３０における図示しない電源をそれぞれ投入する。これにより、投影機１０および撮像機２０は、図示しない所定のプログラムを実行することによりコンピュータ装置３０からの指令の入力を待つ待機状態となる。また、コンピュータ装置３０は、図示しない所定のプログラムを実行することにより作業者からの指令の入力を待つ待機状態となる。

次に、作業者は、ワークＷＫの３次元形状を測定するための準備作業を行う。具体的には、作業者は、投影機１０、撮像機２０およびワークＷＫにおける互いの位置および向きを調整するとともに投影機１０および撮像機２０の焦点位置を調整して、投影機１０からの投影画像が正確にワークＷＫ上に投影されるとともに同投影された投影画像が撮像機２０により正確に撮像できる状態にする。この場合、作業者は、投影機１０の光軸Ｌ１に対する撮像機２０の光軸Ｌ２の角度である撮像角度を検出しておく。

次に、作業者は、ワークＷＫの３次元形状測定をコンピュータ装置３０に実行させる。具体的には、作業者は、コンピュータ装置３０の入力装置３２を操作してワークＷＫの３次元形状測定をコンピュータ本体３１に指示する。この指示に応答して、コンピュータ装置３０（コンピュータ本体３１）は、図３に示す３次元形状測定プログラムの実行をステップＳ１００にて開始して、ステップＳ１０２にて３次元形状の測定条件の入力を待つ。このステップＳ１０２における３次元形状の測定条件は、縞状パターンＺＰを位相シフトさせるためのパラメータおよび撮像機２０の撮像角度などである。したがって、作業者は、これらの各種パラメータおよび各種設定値を入力装置３２を介してコンピュータ本体３１に入力する。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１０４にて、縞状パターン体１２のフォーカス位置を調整する。この場合、縞状パターン体１２のフォーカス位置は、光源１１の光軸Ｌ１上における縞状パターン１２の位置であり、ワークＷＫ上における撮像機２０の測定対象範囲内に縞状パターンＺＰの６４本の縞画像を投影するための位置である。したがって、コンピュータ装置３０は、投影機１０のフォーカスシフター１４の作動を制御して光軸Ｌ１上における縞状パターン１２の位置を縞状パターンＺＰの６４本の縞画像が撮像機２０の測定対象範囲内に投影される位置に調整する。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１０６にて、６４周期の縞状パターンＺＰをワークＷＫに投影した際の位相を計算する。このステップＳ１０６にて計算される位相とは、ワークＷＫに投影され投影機２０にて撮像された６４本の縞画像からなる縞状パターンＺＰを用いて、同撮像機２０で撮像されたワークＷＫの各画素ごとの位相値である。このステップＳ１０４における位相の計算処理は、図４に示す位相計算プログラムを実行することにより行われる。すなわち、コンピュータ装置３０は、図４に示す位相計算プログラムの実行をステップＳ２００にて開始する。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ２０２にて、縞状パターンＺＰをワークＷＫ上に投影する。具体的には、コンピュータ装置３０は、投影機１０の作動を制御して光源１１を発光させる。これにより、ワークＷＫ上には、縞状パターンＺＰが投影される。この場合、ワークＷＫ上における撮像機２０の測定対象範囲内には、縞状パターンＺＰにおける６４本の縞画像が投影される。次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ２０４にて、ワークＷＫ上に投影された縞状パターンＺＰを撮像する。具体的には、コンピュータ装置３０は、撮像機２０の作動を制御することによりワークＷＫの表面に投影された縞状パターンＺＰを撮像して同縞状パターンＺＰがデジタル値によって表された縞状パターン画像を取得してコンピュータ装置本体３１に内蔵するハードディスク（記憶装置）に記憶する。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ２０６にて、縞状パターンＺＰを位相シフトする。このステップＳ２０６における縞状パターンＺＰの位相シフトは、前記ステップＳ１０２にて入力した縞状パターンＺＰを位相シフトさせるパラメータに基づき縞状パターンＺＰを周期方向に変位させるものである。本実施形態においては、縞状パターンＺＰの１周期を４分割した１分割分、すなわち、π／２だけ縞状パターンＺＰを周期方向に変位させるものである。具体的には、コンピュータ装置３０は、投影機１０の位相シフター１３の作動を制御して縞状パターン体１２を周期方向に前記π／２の位相に相当する量だけ変位させる。これにより、ワークＷＫに投影される縞状パターンＺＰは、縞状パターン体１２のシフト量およびシフト方向に対応した量および方向に変位する。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ２０８にて、縞状パターンＺＰの位相シフトを同縞状パターンＺＰの１周期分行ったか否かを判定する。このステップＳ２０８における判定処理においては、縞状パターンＺＰの位相シフトを同縞状パターンＺＰの１周期分行っていない場合には「ＮＯ」と判定してステップＳ２０４に戻る。すなわち、ステップＳ２０４およびステップＳ２０６の各処理を再度実行して縞状パターンＺＰの位相シフトごとの縞状パターン画像Ｇｎ（ｎ＝１〜４）を取得する。本実施形態においては、縞状パターンＺＰの１周期を４分割しているため縞状パターンＺＰを３回位相シフトして４つの縞状パターン画像Ｇｎ（ｎ＝１〜４）を取得する、ステップＳ２０４〜ステップＳ２０８の各処理が繰り返し実行される。

一方、縞状パターンＺＰの位相シフトを同縞状パターンＺＰの１周期分行った場合には、コンピュータ装置３０は、同ステップＳ２０８にて「ＹＥＳ」と判定してステップＳ２１０に進む。次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ２１０にて、撮像機２０で撮像されたワークＷＫの各画素ごとの位相を計算する。具体的には、コンピュータ装置３０は、縞状パターン画像Ｇｎ（ｎ＝１〜４）における同一位置の位相φ（ｘ，ｙ）は、同同一位置における各縞状パターン画像Ｇｎ（ｎ＝１〜４）の画像値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を用いて下記数１によって計算することができる。これにより、縞状パターン画像Ｇｎ（ｎ＝１〜４）におけるすべての画像値に対して位相φ（ｘ，ｙ）を計算することができる。

このステップＳ２１０における位相の計算による位相の分布を図５に示す。図５において、横軸は撮像機２０の測定対象範囲における水平方向の画素の一部を表し、縦軸は位相φ（ｘ，ｙ）の値を表している。この場合、位相φ（ｘ，ｙ）は、Ａｒｃｔａｎ関数を用いて計算されるため、−π〜πの範囲で折り畳まれた不連続な位相の分布となる。そして、コンピュータ装置３０は、ステップＳ２１２にて、この位相計算プログラムの実行を終了して、３次元形状測定プログラムにおけるステップＳ１０６に戻る。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１０８にて、縞状パターン体１２のフォーカス位置を調整する。この場合、縞状パターン体１２のフォーカス位置は、ワークＷＫ上における撮像機２０の測定対象範囲内に縞状パターンＺＰの６３本の縞画像を投影するための位置である。したがって、コンピュータ装置３０は、投影機１０のフォーカスシフター１４の作動を制御して光軸Ｌ１上における縞状パターン１２の位置を縞状パターンＺＰの６３本の縞画像が撮像機２０の測定対象範囲内に投影される位置に調整する。すなわち、投影機１０は、縞状パターンＺＰを拡大表示することにより、ワークＷＫ上における撮像機２０の同一の投影範囲内に６３本の縞画像からなる縞状パターンＺＰを投影する。このフォーカスシフター１４が、本発明に係る光軸方向変位手段に相当する。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１１０にて、６３周期の縞状パターンＺＰをワークＷＫに投影した際の位相を計算する。このステップＳ１１０にて計算される位相とは、ワークＷＫに投影され投影機２０にて撮像された６３本の縞画像からなる縞状パターンＺＰを用いて、同撮像機２０で撮像されたワークＷＫの各画素ごとの位相値である。このステップＳ１１０における位相の計算処理は、前記図４に示す位相計算プログラムを実行することにより行われる。この位相計算プログラムの実行による６３周期の縞状パターンＺＰを用いたワークＷＫの位相を計算処理は、前記６４周期の縞状パターンＺＰを用いたワークＷＫの位相を計算処理と同様であるので、その説明は省略する。なお、このステップＳ１１０にて用いられる６３周期の縞状パターンＺＰが、本発明に係る周期減縞状パターンであり、ワークＷＫに投影された６３周期の縞状パターンＺＰを撮像して同縞状パターンＺＰがデジタル値によって表された縞状パターン画像が、本発明に係る周期減縞状パターン画像に相当する。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１１２にて、縞状パターン体１２のフォーカス位置を調整する。この場合、縞状パターン体１２のフォーカス位置は、ワークＷＫ上における撮像機２０の測定対象範囲内（同一の投影範囲内）に縞状パターンＺＰの５６本の縞画像を投影するための位置である。したがって、コンピュータ装置３０は、投影機１０のフォーカスシフター１４の作動を制御して光軸Ｌ１上における縞状パターン１２の位置を縞状パターンＺＰの５６本の縞画像が撮像機２０の測定対象範囲内に投影される位置に調整する。すなわち、投影機１０は、縞状パターンＺＰを拡大表示することにより、ワークＷＫ上における撮像機２０の測定対象範囲内に５６本の縞画像からなる縞状パターンＺＰを投影する。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１１４にて、５６周期の縞状パターンＺＰをワークＷＫに投影した際の位相を計算する。このステップＳ１１４にて計算される位相とは、ワークＷＫに投影され投影機２０にて撮像された５６本の縞画像からなる縞状パターンＺＰを用いて、同撮像機２０で撮像されたワークＷＫの各画素ごとの位相値である。このステップＳ１１４における位相の計算処理は、前記図４に示す位相計算プログラムを実行することにより行われる。この位相計算プログラムの実行による５６周期の縞状パターンＺＰを用いたワークＷＫの位相を計算処理は、前記６４周期および６３周期の各縞状パターンＺＰを用いたワークＷＫの位相を計算処理と同様であるので、その説明は省略する。なお、このステップＳ１１０にて用いられる６３周期の縞状パターンＺＰが、本発明に係る周期減縞状パターンであり、ワークＷＫに投影された６３周期の縞状パターンＺＰを撮像して同縞状パターンＺＰがデジタル値によって表された縞状パターン画像が、本発明に係る周期減縞状パターン画像に相当する。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１１６にて、第１の位相差を計算する。具体的には、コンピュータ装置３０は、前記ステップＳ１０６にて６４周期の縞状パターンＺＰを用いて計算した位相と前記ステップＳ１１０にて６３周期の縞状パターンＺＰを用いて計算した位相との差を計算する。この場合、位相差がマイナスの値となった場合には、同マイナスの位相差にπ／２を加算して位相差をプラスの値とする。これにより、図６に示すように、撮像機２０で撮像されたワークＷＫを表す各画素に対して０〜２πの範囲でかつ互いに重複しない位相値、すなわち、位相の絶対値が計算される。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１１８にて、第２の位相差を計算する。具体的には、コンピュータ装置３０は、前記ステップＳ１０６にて６４周期の縞状パターンＺＰを用いて計算した位相と前記ステップＳ１１４にて５６周期の縞状パターンＺＰを用いて計算した位相との差を計算する。この場合、位相差がマイナスの値となった場合には、同マイナスの位相差にπ／２を加算して位相差をプラスの値とする。これにより、図７に示すように、撮像機２０で撮像されたワークＷＫを表す各画素に対して０〜２πの範囲の位相値が計算される。この場合、６４周期と５６周期とでは８周期の周期差があるため、ある１つの位相値に対して８つの画素が重複して対応することになる。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１２０にて、第１の位相の絶対値を計算する。このステップＳ１２０における第１の位相の絶対値の計算は、８つの不連続な直線状の位相分布として計算された前記第２の位相差の各値を、前記ステップＳ１１６にて計算した第１の位相差を用いて連続的な位相分布となるように繋げる処理である。具体的には、コンピュータ装置３０は、第１の位相差の位相値の範囲（０〜２π）を８等分した８つの位相の範囲（０〜１／８，１／８〜２／８，２／８〜３／８，３／８〜４／８，４／８〜５／８，５／８〜６／８，６／８〜７／８，７／８〜８／８）のうち、７つの位相の範囲（１／８〜２／８，２／８〜３／８，３／８〜４／８，４／８〜５／８，５／８〜６／８，６／８〜７／８，７／８〜８／８）ごとに同範囲に含まれる画素を特定し、同一の位相の範囲に含まれる画素単位で同画素に対応する第２の位相差の位相値にπ／２を順次累積的に加算する。これにより、図８に示すように、撮像機２０で撮像されたワークＷＫを表す各画素に対して０〜１６πの範囲でかつ互いに重複しない位相値、すなわち、位相の絶対値が計算される。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１２２にて、第２の位相の絶対値を計算する。このステップＳ１２２における第２の位相の絶対値の計算は、前記ステップＳ１０６にて６４の不連続な直線状の位相分布として計算された位相の各値を、前記ステップＳ２０６にて計算した第１の位相の絶対値を用いて連続的な位相分布となるように繋げる処理である。具体的には、コンピュータ装置３０は、前記と同様に、第２の位相の絶対値の位相値の範囲（０〜１６π）を６４等分した６４の位相の範囲（０〜１／６４から６３／６４までの範囲）のうち、６３の位相の範囲（１／６４〜２／６４から６３／６４〜６４／６４までの範囲）ごとに同範囲に含まれる画素を特定し、同一の位相の範囲に含まれる画素単位で同画素に対応する第２の位相の絶対値の位相値にπ／２を順次累積的に加算する。これにより、図９に示すように、撮像機２０で撮像されたワークＷＫを表す各画素に対して０〜１２８πの範囲でかつ互いに重複しない位相値、すなわち、位相の絶対値が計算される。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１２４にて、ワークＷＫの３次元形状を計算する。具体的には、コンピュータ装置３０は、前記第２の位相の絶対値を用いてワークＷＫの形状を計算する。この場合、第２の位相の絶対値は、同第２の位相の絶対値に対応する投影機１０の画素の投影角をそれぞれ表している。したがって、コンピュータ装置３０は、投影機１０における各画素の投影角、および前記ステップＳ１０２にて入力した撮像機２０の撮像角度を用いて三角測量法の原理によりワークＷＫの表面までの距離、すなわち、ワークＷＫの３次元形状を計算することができる。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１２６にて、前記ステップＳ１２４にて計算したワークＷＫの３次元形状を表示装置３３に表示させる。これにより、作業者は、表示装置３３による表示画像によってワークＷＫの３次元形状を視覚的に認識することができる。そして、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１２８にて、この３次元形状測定プログラムの実行を終了する。

上記作動説明からも理解できるように、上記実施形態によれば、３次元形状測定装置は、縞状パターンＺＰが形成された１つの縞状パターン体１２の投影レンズ１５に対する光学的距離を変化させることにより周期の異なる３つの縞状パターンＺＰをワークＷＫにおける同一の投影範囲内にそれぞれ投影している。このため、周期の異なる複数種類の縞状パターンＺＰごとに縞状パターン体１２を形成する必要がないとともに各種液晶素子やＤＭＤなどの高価な機器も不要である。これらの結果、ワークＷＫの測定精度を低下させることなく、ワークＷＫに縞状パターンＺＰを投影する投影機の構成を簡単にすることができ、３次元形状測定装置を経済的かつ良好な操作性で構成することができる。

（第２実施形態）
以下、本発明に係る３次元形状測定装置の第２実施形態について説明する。この第２実施形態においては、光の透過率が正弦波状に変化する縞状パターンＺＰが形成された縞状パターン体１２に代えて、図１０（Ａ）に示すように、明部Ｒと暗部Ｄの２階調のみで１周期が構成された縞状パターンＺＰ’が形成された縞状パターン体１６を用いてワークＷＫの形状を測定する。この縞状パターン体１６は、撮像機２０の撮像範囲内に６４本の縞画像を常時投影可能とするために７０本の縞が形成されている。なお、図１０（Ａ）においては、理解を助けるために縞状パターンＺＰ’の一部を拡大して示している。その他の３次元形状測定装置の構成は、上記第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

（３次元形状測定装置の作動）
次に、このように構成した３次元形状測定装置の作動について説明する。なお、この第２実施形態における作動説明においては、上記第１実施形態と重複する部分の説明は適宜省略する。作業者は、３次元形状測定装置における測定エリア内にワークＷＫを配置した後、３次元形状測定装置の電源を投入してワークＷＫの３次元形状測定を開始する。すなわち、コンピュータ装置３０は、作業者からの指示に応答して図３に示す３次元形状測定プログラムの実行をステップＳ１００にて開始して、ステップＳ１０２にて３次元形状の測定条件の入力を待つ。この場合、作業者は、縞状パターンＺＰを位相シフトさせるためのパラメータに代えて、縞状パターンＺＰ’を位相シフトさせるためのパラメータおよび撮像機２０で撮像した画像を変調する位相に関するパラメータをコンピュータ本体３１に入力する。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１０４を実行した後、ステップＳ１０６にて、６４周期の縞状パターンＺＰをワークＷＫに投影した際の位相を計算する。このステップＳ１０６における位相の計算処理は、図１１に示す位相計算プログラムを実行することにより行われる。すなわち、コンピュータ装置３０は、図１１に示す位相計算プログラムの実行をステップＳ３００にて開始して、ステップＳ３０２にて、縞状パターンＺＰ’をワークＷＫ上に投影する。これにより、ワークＷＫ上には、縞状パターンＺＰ’が投影される。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ３０４にて、ワークＷＫの表面に投影された縞状パターンＺＰ’を撮像する。この場合、コンピュータ装置３０は、ワークＷＫの表面に投影された縞状パターンＺＰ’がデジタル値によって表された縞状パターン画像ＤＧ１を取得してコンピュータ装置本体３１に内蔵するハードディスク（記憶装置）に記憶する。また、この場合、取得した縞状パターン画像ＤＧ１における周期方向の光の強度（輝度）のプロファイルは、図１２に示すように、略矩形波となる。なお、図１２において、縦軸は検出された光の強度の大きさ、横軸は撮像機２０において周期方向に平行な画素の１００画素分を示している。また、図１２に示す光の強度のプロファイルは、ワークＷＫにおいて平らな部分に投影された縞状パターンＺＰ’を撮像した縞状パターン画像ＤＧ１の一例を示している。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ３０６にて、縞状パターンＺＰ’の位相をシフトする。具体的には、図１０（Ｂ）に示すように、コンピュータ装置３０は、投影機１０における位相シフター１３の作動を制御して前記ステップＳ１０２にて入力した縞状パターンＺＰ’を位相シフトさせるためのパラメータによるシフト量だけ縞状パターン体１６を縞状パターンＺＰ’の周期方向にシフトさせる。本実施形態においては、１μｍだけ図示右方向に縞状パターン体１６をシフトさせる。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ３０８にて、縞状パターンＺＰ’の位相シフトを同縞状パターンＺＰ’の１周期分行ったか否かを判定する。このステップＳ３０８における判定処理においては、縞状パターンＺＰ’の位相シフトを同縞状パターンＺＰ’の１周期分行っていない場合には「ＮＯ」と判定してステップＳ３０４に戻る。すなわち、ステップＳ３０４およびステップＳ３０６の各処理を再度実行して縞状パターンＺＰ’の位相シフトごとの縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎは自然数）を取得する。本実施形態においては、縞状パターンＺＰ’の１周期が２２４μｍで構成されているため、２２４枚の縞状パターン画像Ｇｎ（ｎ＝１〜２２４）を取得するまで、ステップＳ３０４およびステップＳ３０６の各処理が繰り返し実行される。

一方、縞状パターンＺＰ’の位相シフトを同縞状パターンＺＰ’の１周期分行った場合には、コンピュータ装置３０は、同ステップＳ３０８にて「ＹＥＳ」と判定してステップＳ３１０に進む。この場合、縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）の１画素における位相シフト１周期分の光の強度（画素値）のプロファイルは、図１３に示すように、略矩形波状となる。なお、図１３において、縦軸は検出された光の強度の大きさ、横軸は位相シフト１周期分を示している。また、図１３に示す光の強度のプロファイルは、前記図１２と同様に、ワークＷＫの平らな部分に投影された縞状パターンＺＰ’を撮像した縞状パターン画像Ｇｎ（ｎ＝１〜２２４）の１画素値の一例を示している。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ３１０にて、縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）をそれぞれ変調する。このステップＳ３１０における変調処理は、縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）において各画素の光強度を表す値、すなわち、画素値を互いに異なる４つの位相の変調信号を用いて行う。変調信号は、縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）を変調するための変調値が縞状パターンＺＰ’の１周期と同じ周期で連続的に変化する信号であり、本実施形態においては、０，π／２，π，３π／４の４つの互いに異なる位相の４つのサインカーブ（正弦波）を用いる。具体的には、下記数２を計算することにより縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）の変調を４つのサインカーブごとに行う。

上記数２において、Ａ_ｌ，ｐ（ｘ，ｙ）は縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）の画素値、Ｂ_ｌ，ｐ（ｘ，ｙ）は変調された縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）の画像値、ｌは縞状パターンＺＰ’のシフト量（μｍ）、ｐはサインカーブの位相量、Ｌは縞状パターンＺＰ’の１周期分のシフト量（μｍ）である。また、上記数２において、ｓｉｎ値に対して「１」を加算する理由は、ｓｉｎ値が負数になることを避けるためである。なお、上記数２において、縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）の画素値Ａ_ｌ，ｐ（ｘ，ｙ）から撮像機２０の各画素における漏れ電流による光電流の増加分を補正する補正値Ａ_offset（ｘ，ｙ）を減算することにより、より正確に変調された縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）の画像値Ｂ_ｌ，ｐ（ｘ，ｙ）を計算することもできる。

このステップＳ３１０においては、４つのサインカーブごとに縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）のすべての画素値Ａ_ｌ，ｐ（ｘ，ｙ）について変調を行う。位相量ｐが「０」のサインカーブを用いて縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）を変調した際における画像値Ｂ_ｌ，０（ｘ，ｙ）（画素値が変調された値）の変化のプロファイルを図１４に示す。図１４は、１５個の各縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）における各画像値Ｂ_ｌ，０（ｘ，ｙ）の変化の一例を撮像機２０において周期方向に平行な画素の１００画素分に相当する範囲で示している。すなわち、図１４において、縦軸は画像値Ｂ_ｌ，０（ｘ，ｙ）の大きさ、横軸は撮像機２０において周期方向に平行な画素の１００画素分を示している。また、図１４に示す画像値Ｂ_ｌ，０（ｘ，ｙ）のプロファイルは、ワークＷＫにおける平らな部分に投影された縞状パターンＺＰ’を撮像した縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）の変調例を示している。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ３１２にて、前記ステップＳ３１０にて変調された縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）の合成を行う。具体的には、コンピュータ装置３０は、下記数３を用いて４つのサインカーブごとに、縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）の各画像値Ｂ_ｎ，ｍ（ｘ，ｙ）をそれぞれ積算した画像値Ｃ_ｐ（ｘ，ｙ）によって構成される縞状パターン合成画像ＳＤＧｋ（ｋ＝１〜４）を生成する。

位相量ｐが「０」のサインカーブを用いて変調した後合成した縞状パターン合成画像ＳＤＧ１における画像値Ｃ_０（ｘ，ｙ）の変化のプロファイルを図１５に示すとともに、同縞状パターン合成画像ＳＤＧ１の一部を図１６に示す。図１５は、合成された縞状パターン合成画像ＳＤＧ１における画像値Ｃ_０（ｘ，ｙ）の変化の一例を、撮像機２０において周期方向に平行な画素の１００画素分に相当する範囲で示している。すなわち、図１５において、縦軸は画像値Ｃ_０（ｘ，ｙ）の大きさ、横軸は撮像機２０において周期方向に平行な画素の１００画素分を示している。また、図１５に示す画像値Ｃ_０（ｘ，ｙ）のプロファイルは、ワークＷＫにおける平らな部分に投影された縞状パターンＺＰ’を撮像した縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）に対応する縞状パターン合成画像ＳＤＧ１の合成例を示している。

図１５および図１６から明らかなように、サインカーブによって変調された縞状パターン合成画像ＳＤＧｋ（ｋ＝１〜４）における各画像値Ｃ_ｐ（ｘ，ｙ）は略正弦波状に変化する。すなわち、このステップＳ３１２の処理によって生成される４つの縞状パターン合成画像ＳＤＧｋ（ｋ＝１〜４）は、従来の位相シフト法に係る縞状パターン、具体的には、正弦波状に光の強度が変化する縞状パターンを０，π／２，π，３π／２の４つの互いに異なる位相ごとに被測定物に投影して、各位相ごとに撮像した４つの縞状パターン画像に相当するとともに、上記第１実施形態における縞状パターンＺＰの位相シフト（０，π／２，π，３π／２）ごとの縞状パターン画像Ｇｎ（ｎ＝１〜４）に相当する。

なお、図１５から明らかなように、縞状パターン合成画像ＳＤＧｋ（ｋ＝１〜４）における各画像値の周期方向の変化は、厳密には理想的な正弦波状にはならない。これは、主として、撮像機２０の各画素ごとの感度にバラツキが存在することに起因している。しかし、サインカーブの位相量ｐに対する縞状パターン合成画像ＳＤＧｋ（ｋ＝１〜４）における１つの画像値Ｃ_ｐ（ｘ，ｙ）の変化は、同画素値Ｃ_ｐ（ｘ，ｙ）がサインカーブによって変調されているため理想的な正弦波状に変化している。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ３１４にて、撮像機２０で撮像されたワークＷＫの各画素ごとの位相を計算する。このステップＳ３１４における位相の計算処理は、上記第１実施形態におけるステップＳ２１０と同様の計算処理にて行われる。すなわち、縞状パターン合成画像ＳＤＧｋ（ｋ＝１〜４）における同一位置の位相φ（ｘ，ｙ）は、同同一位置における各縞状パターン合成画像ＳＤＧｋ（ｋ＝１〜４）の画像値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を用いて前記数１によって計算することができる。これにより、縞状パターン合成画像ＳＤＧｋ（ｋ＝１〜４）におけるすべての画像値Ｃ_ｐ（ｘ，ｙ）に対して位相φ（ｘ，ｙ）を計算することができる。そして、コンピュータ装置３０は、ステップＳ３１６にて、この位相計算プログラムの実行を終了して、３次元形状測定プログラムにおけるステップＳ１０６に戻る。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１０８にて、縞状パターン体１６のフォーカス位置を調整する。このステップＳ１０８における縞状パターン体１６のフォーカス位置の調整は、上記第１実施形態と同様である。すなわち、コンピュータ装置３０は、投影機１０のフォーカスシフター１４の作動を制御して光軸Ｌ１上における縞状パターン１６の位置を縞状パターンＺＰ’の６３本の縞画像が撮像機２０の測定対象範囲内に投影される位置に調整する。

次に、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１１０にて、６３周期の縞状パターンＺＰ’をワークＷＫに投影した際の位相を計算する。このステップＳ１１０における位相の計算処理は、前記図１１に示す位相計算プログラムを実行することにより行われる。この位相計算プログラムの実行による位相の計算処理は、前記６４周期の縞状パターンＺＰ’を用いた位相の計算処理と同様であるので、その説明は省略する。なお、このステップＳ１１０にて用いられる６３周期の縞状パターンＺＰ’が、本発明に係る周期減縞状パターンであり、ワークＷＫに投影された６３周期の縞状パターンＺＰ’を撮像して同縞状パターンＺＰ’がデジタル値によって表された縞状パターン画像が、本発明に係る周期減縞状パターン画像であり、周期縞状パターン画像を４つの変調信号で変調して合成した画像が、本発明に係る周期減縞状パターン合成画像に相当する。

そして、コンピュータ装置３０は、ステップＳ１１２における縞状パターン体１６のフォーカス位置の調整、およびステップＳ１１４における５６周期の縞状パターンＺＰ’をワークＷＫに投影した際の位相の計算もそれぞれステップＳ１０４〜ステップＳ１１０と同様に実行した後、ステップＳ１１６〜ステップＳ１２８の各処理を上記第１実施形態と同様に実行してワークＷＫの３次元形状を測定する。これらの各処理は、上記第１実施形態と前記と同様であるので、その説明はいずれも省略する。

上記作動説明からも理解できるように、上記第２実施形態によれば、３次元形状測定装置は、明部Ｒおよび暗部Ｄのみの２階調で１周期が構成された縞状パターンＺＰ’および周期減縞状パターンをワークＷＫにそれぞれ投影するとともに、同投影した縞状パターンＺＰ’（周期減縞状パターンを含む）を一定の間隔で１周期分ずらしながら撮像して縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）（周期減縞状パターン画像を含む）をそれぞれ取得している。そして、３次元形状測定装置は、取得された各縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）を互いに異なる３つの位相の変調信号によってそれぞれ変調して合成している。これにより、３つの位相ごとに、変調信号に対応する振幅変化で構成された縞状パターン合成画像ＳＤＧｋ（ｋ＝１〜４）（周期減縞状パターン合成画像を含む）が生成される。すなわち、本発明に係る３次元形状測定装置は、ワークＷＫに投影する投影画像を明部Ｒおよび暗部Ｄの２値で構成した縞状パターンＺＰ’を用いている。このため、３次元形状測定装置は、ワークＷＫに投影された縞状パターンＺＰ’における明部Ｒと暗部Ｄとを検出できればよいため、投影機１０および撮像機２０における出力特性のリニアリティーの影響が少ない状態でワークＷＫの形状を表わす縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）を取得することができる。このことは、撮像機１０における飽和現象（受光光量の変化に対して出力電圧信号が一定値となる現象）に影響されることなく縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）を取得することができることを意味している。

また、取得された各縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）における各画像値Ｂ_ｌ，ｐ（ｘ，ｙ）は、変調値が理想的に連続変化する変調信号によって変調される。換言すれば、縞状パターン合成画像ＳＤＧｋ（ｋ＝１〜４）における画像値Ｃ_ｐ（ｘ，ｙ）は、投影機１０および撮像機２０における出力特性のリニアリティーに影響されることなく連続的に変化する値となる。すなわち、本発明においては、ワークＷＫに投影して撮像される縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）における光強度の連続的な変化については、出力特性にバラツキが存在する投影機１０や撮像機２０による検出を行わず、光強度の理想的な連続変化に相当する変調信号を用いて画像値Ｃ_ｐ（ｘ，ｙ）が理想的に連続変化する縞状パターン合成画像ＳＤＧｋ（ｋ＝１〜４）を取得している。この結果、投影機１０および撮像機２０における出力特性のリニアリティーに依存することなく、ワークＷＫの３次元形状測定を高精度に行うことができる。

さらに、本発明の実施にあたっては、上記第１実施形態および上記第２実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、上記第１実施形態および上記第２実施形態においては、各画素に対して０〜１２８πの範囲で一意の位相が特定される第２の位相の絶対値を用いてワークＷＫの３次元形状を測定するように構成した。しかし、撮像機２０で撮像されたワークＷＫを表す各画素に対して位相の値が一意に特定される所謂位相の絶対値を用いれば、特定される位相の範囲は必ずしも０〜１２８πの範囲である必要はない。例えば、第１の位相差（０〜２π）、第１の位相の絶対値（０〜１６π）を用いてワークＷＫの３次元形状を測定するように構成してもよい。ただし、位相の絶対値がとる位相の範囲が広い方が、当然、ワークＷＫの測定精度は向上する。

また、上記第１実施形態および第２実施形態においては、６４周期、６３周期および５６周期の縞状パターンＺＰ，ＺＰ’をワークＷＫ上に投影してワークＷＫの３次元形状測定を行った。しかし、ワークＷＫ上に投影する縞状パターンＺＰ，ＺＰ’の周期の数は、当然、上記各実施形態に限定されるものではない。すなわち、縞状パターンＺＰ，ＺＰ’は、ワークＷＫ上に投影された際、撮像機２０にて縞状パターンＺＰ，ＺＰ’の明暗が判別できる周期であればよい。

また、上記第１実施形態および第２実施形態においては、フォーカスシフター１４により投影レンズ１５に対して縞状パターン体１２，１６を変位させるように構成した。しかし、縞状パターン体１２，１６の投影レンズ１５に対する光学的な距離関係は相対的なものである。したがって、縞状パターン体１２，１６に代えて、または加えて、投影レンズ１５を縞状パターン体１２，１６に対して変位するように構成してもよいことは当然である。これによっても、上記各実施形態と同様の効果が期待できる。

また、上記第２実施形態においては、互いに異なる４つのサインカーブを用いて縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）（周期減縞状パターン画像を含む）を変調するように構成した。しかし、縞状パターン合成画像ＳＤＧｋ（ｋ＝１〜４）（周期減縞状パターン合成画像を含む）における同一位置上の位相を計算することができる縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）を用意できれば、縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）を変調するための変調信号の数や変調値の変化の態様は、上記第２実施形態に限定されるものではない。すなわち、明暗縞状パターン画像Ｇｎ（ｎ＝１〜２２４）を変調するための変調信号は、互いに異なる少なくとも３つの位相であって、変調値が連続的に変化するものであればよい。例えば、コサインカーブ（余弦波）や三角波を３つまたは５つ以上用いて縞状パターン画像ＤＧｎ（ｎ＝１〜２２４）を変調してもよい。これらによっても、上記第２実施形態と同様の効果が期待できる。

また、上記第２実施形態においては、明部Ｒと暗部Ｄとが交互に連続した縦縞状の縞状パターンＺＰ’を用いてワークＷＫの３次元形状を測定した。しかし、縞状パターンＺＰ’の形状は、同縞状パターンＺＰ’を位相シフトさせる方向に対して交わる方向に形成した縞状の画像であれば、上記第２実施形態に限定されるものではない。例えば、上記縞状パターンＺＰ’を傾斜させて斜線状に形成してもよいし、明部Ｒおよび暗部Ｄをリング状に形成して明部Ｒと暗部Ｄとを同心円上に交互に連続して配置した縞状パターンＺＰ’を用いてもよい。また、縞状パターンＺＰ’を構成する明部Ｒおよび暗部Ｄの数も少なくとも各１本ずつ形成されていれば、必ずしも複数本の明部Ｒと暗部Ｄとを連続して配置する必要はない。これらによっても、上記第２実施形態と同様の効果が期待できる。

本発明の第１および第２一実施形態に係る３次元形状測定装置の全体構成を模式的に示す構成外略図である。 第１実施形態において、ワーク（被測定物）に投影する縞状パターンを示す説明図である。 図１に示すコンピュータ装置によって実行される３次元形状測定プログラムのフローチャートである。 第１実施形態において、図１に示すコンピュータ装置によって実行される位相計算プログラムのフローチャートである。 ６４周期の縞状パターンを投影した際の位相の分布を示す説明図である。 第１の位相差の位相の分布を示す説明図である。 第２の位相差の位相の分布を示す説明図である。 第１の位相の絶対値の位相の分布を示す説明図である。 第２の位相の絶対値の位相の分布を示す説明図である。 第２実施形態において、ワーク（被測定物）に投影する明暗縞状パターンを示す説明図であり、（Ａ）は位相シフト前の縞状パターンを示し、（Ｂ）は位相シフト後の縞状パターンを示している。 第２実施形態において、図１に示すコンピュータ装置によって実行される位相計算プログラムのフローチャートである。 縞状パターン画像における周期方向の光の強度（輝度）のプロファイルを示す説明図である。 縞状パターン画像の１画素における位相シフト１周期分の光の強度（画素値）のプロファイルを示す説明図である。 変調した１５個の縞状パターン画像における各画像値の変化を示す説明図である。 合成された縞状パターン合成画像における画像値の変化を示す説明図である。 縞状パターン合成画像を示す説明図である。

符号の説明

ＷＫ…ワーク（被測定物）、１０…投影機、１１…光源、１２…縞状パターン体、１３…位相シフター、１４…フォーカスシフター、１５…投影用レンズ、２０…撮像機、３０…コンピュータ装置、３１…コンピュータ本体、３２…入力装置、３３…表示装置。

Claims (4)

1. 明部と暗部とが周期的に変化する縞状パターンにおける１周期より短い間隔で少なくとも２回以上シフトさせて同縞状パターンを１周期分シフトさせながら同縞状パターンに光を照射して被測定物に投影する投影手段と、
   光電変換する受光素子からなる複数の画素を有し、前記縞状パターンの位相シフトごとに前記被測定物に投影された前記縞状パターンを前記投影手段の光軸とは異なる方向から撮像して、前記縞状パターンの位相シフトごとの縞状パターン画像をそれぞれ取得する縞状パターン撮像手段と、
   前記縞状パターン画像を用いて前記複数の画素ごとの位相をそれぞれ計算する位相計算手段と、
   前記複数の画素ごとに計算した位相を用いて前記被測定物の３次元形状を測定する形状測定手段とを備える３次元形状測定装置において、
   前記投影手段は、前記縞状パターンが形成された縞状パターン体と前記縞状パターンを前記被測定物に投影するための投影レンズとを有するとともに、前記縞状パターン体と前記投影レンズとの光学的な距離を相対的に変位させることにより前記被測定物に投影される前記縞状パターンを拡大して、同一の投影範囲内にて前記縞状パターンよりも少なくとも１周期少ない周期の周期減縞状パターンを投影するための光軸方向変位手段を有し、
   前記縞状パターン撮像手段は、前記被測定物に投影された前記周期減縞状パターンを位相シフトごとに撮像して、同周期減縞状パターンの位相シフトごとの縞状パターン画像である周期減縞状パターン画像をそれぞれ取得し、
   前記位相計算手段は、前記周期減縞状パターン画像を用いて前記複数の画素ごとの位相をそれぞれ計算し、
   前記形状測定手段は、前記縞状パターン画像に基づく前記複数の画素ごとの位相と前記周期減縞状パターン画像に基づく前記複数の画素ごとの位相との位相差を第１の位相差として計算する位相差計算手段を備えることを特徴とする３次元形状測定装置。
2. 請求項１に記載した３次元形状測定装置において、
   前記縞状パターン撮像手段は、前記同一の投影範囲内にて前記縞状パターンよりも２周期以上少ない周期の周期減縞状パターンの位相シフトごとの周期減縞状パターン画像をそれぞれ取得し、
   前記位相計算手段は、前記縞状パターンよりも２周期以上少ない周期の周期減縞状パターンに対応する前記周期減縞状パターン画像を用いて前記複数の画素ごとの位相をそれぞれ計算し、
   前記形状測定手段における位相差計算手段は、前記縞状パターン画像に基づく前記複数の画素ごとの位相と前記縞状パターンよりも２周期以上少ない周期の周期減縞状パターンに対応する前記周期減縞状パターン画像に基づく前記複数の画素ごとの位相との位相差を第２の位相差として計算し、
   前記形状測定手段は、前記第１の位相差を用いて前記第２の位相差における各値を連続的な位相分布として前記複数の画素ごとの位相を一意的に特定するための第１の位相の絶対値を計算する絶対値計算手段を備えることを特徴とする３次元形状測定装置。
3. 請求項２に記載した３次元形状測定装置において、
   前記形状測定手段における絶対値計算手段は、前記第１の位相の絶対値を用いて前記縞状パターン画像に基づく前記複数の画素ごとの位相における各値を連続的な位相分布として前記複数の画素ごとの位相を一意的に特定するための第２の位相の絶対値を計算することを特徴とする３次元形状測定装置。
4. 請求項１ないし請求項３のうちのいずれか１つに記載した３次元形状測定装置において、
   前記縞状パターンは、明部および暗部の２つの階調のみで構成されており、
   互いに異なる少なくとも３つの位相で構成され、変調値が前記縞状パターンにおける１周期と同じ周期で連続的に変化する各変調信号ごとに、前記各縞状パターン画像に表された前記縞状パターンにおける前記位相シフトの割合に対応する前記変調値を用いて前記各縞状パターン画像を変調する縞状パターン画像変調手段と、
   前記変調された前記各縞状パターン画像を前記各変調信号ごとに合成して縞状パターン合成画像をそれぞれ生成する縞状パターン画像合成手段と、
   互いに異なる少なくとも３つの位相で構成され、変調値が前記周期減縞状パターンにおける１周期と同じ周期で連続的に変化する各変調信号ごとに、前記各周期減縞状パターン画像に表された前記周期減縞状パターンにおける前記位相シフトの割合に対応する前記変調値を用いて前記各周期減縞状パターン画像を変調する周期減縞状パターン画像変調手段と、
   前記変調された前記各周期減縞状パターン画像を前記各変調信号ごとに合成して周期減縞状パターン合成画像をそれぞれ生成する周期減縞状パターン画像合成手段とを備え、
   前記位相計算手段は、前記縞状パターン合成画像を用いて前記複数の画素ごとの位相をそれぞれ計算するとともに、前記周期減縞状パターン合成画像を用いて前記複数の画素ごとの位相をそれぞれ計算することを特徴とする３次元形状測定装置。