JP2014178323A - Linear illumination device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物体に対して光の線状パターンを投影し、これを走査するスキャナ装置に利用可能な線状照明装置に関する。この線状照明装置は、物体に光の線状パターンを投影した状態を撮影し、得られた画像を解析することにより三次元形状データを作成する物体の三次元形状測定装置に利用することも可能である。 The present invention relates to a linear illumination device that can be used in a scanner device that projects and scans a linear pattern of light onto an object. This linear illumination device can be used for a three-dimensional shape measurement device for an object that creates a three-dimensional shape data by photographing a state in which a linear pattern of light is projected onto the object and analyzing the obtained image. Is possible.
物体の三次元形状を測定する装置は、一般に、三次元スキャナと呼ばれており、様々な原理に基づく装置が知られている。たとえば、下記の特許文献１には、被測定対象となる物体と接触子との間の接触状態をセンサで検出し、物体表面の三次元位置を測定することにより形状測定を行う三次元スキャナが開示されている。また、特許文献２には、光源から物体の各部に光ビームを照射し、反射光の強度に基づいて光源から各部までの距離を測定することにより形状測定を行う三次元スキャナが開示されている。
An apparatus for measuring the three-dimensional shape of an object is generally called a three-dimensional scanner, and apparatuses based on various principles are known. For example, the following
一方、ＣＣＤカメラなどで撮影した物体の二次元画像を解析することにより、三次元形状を演算によって求める方法も提案されている。たとえば、特許文献３には、物体に所定のパターン光を投影した状態を２台のカメラで異なる方向から撮影し、ステレオ法を用いた解析により、三次元形状の測定を行う装置が開示されている。特に、物体に光の線状パターンを投影した状態を撮影し、得られた二次元画像を解析することにより、当該物体の三次元形状を測定する方法は、一般に光切断法と呼ばれている。
On the other hand, a method for obtaining a three-dimensional shape by calculation by analyzing a two-dimensional image of an object photographed by a CCD camera or the like has also been proposed. For example,
最近はコンピュータによる画像解析技術が向上してきたため、この光切断法を用いて形状測定を行う装置も商業ベースの量産型装置として実用化されており、また、様々な工夫も提案されている。たとえば、特許文献４には、物体の周囲にスリット投光器を配置し、スリットを透過した光により線状パターンの投影を行う三次元形状測定装置が開示されており、特許文献５には、投光器と撮像装置の配置を工夫することにより、測定精度を向上させることが可能な三次元形状測定装置が開示されている。更に、特許文献６には、多数の線を有する縞模様からなる線状パターンを物体に投影し、撮影画像上の縞模様を解析することにより、三次元形状測定を行う装置が開示されている。
Recently, since image analysis technology using a computer has been improved, an apparatus for measuring a shape by using this optical cutting method has been put into practical use as a commercial-based mass production type apparatus, and various devices have been proposed. For example,
このように、物体に１本もしくは複数の線からなる線状パターンを投影し、その撮影画像を解析することによって三次元形状を測定する場合、できるだけ高い精度をもった線状パターンを投影する必要がある。従来は、レンズなどの光学系を用いて光を集光して線状パターンを形成したり、光源からの光をスリットに通して線状パターンを形成したりする方法を採っているが、形成される線状パターンの精度は必ずしも十分ではない。たとえば、スリットで成形する方法を採れば、構造は単純になるが、スリット内面での反射や回折が生じるため、線状パターンの輪郭が不鮮明になりやすい。 Thus, when measuring a three-dimensional shape by projecting a linear pattern consisting of one or more lines onto an object and analyzing the captured image, it is necessary to project the linear pattern with the highest possible accuracy There is. Conventionally, a method has been adopted in which light is collected using an optical system such as a lens to form a linear pattern, or light from a light source is passed through a slit to form a linear pattern. The accuracy of the linear pattern to be performed is not always sufficient. For example, if a method of forming with a slit is adopted, the structure becomes simple, but reflection and diffraction occur on the inner surface of the slit, so that the outline of the linear pattern tends to become unclear.
また、撮影画像上で線状パターンを抽出するために、物体表面に形成する線状パターンは、できるだけ高い輝度をもったパターンであることが望ましい。そのためには、高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプを光源として用いる必要があるが、このような特殊光源は寿命が比較的短く、頻繁にランプ交換を行う必要がある。 In addition, in order to extract a linear pattern on the photographed image, it is desirable that the linear pattern formed on the object surface is a pattern having as high luminance as possible. For that purpose, it is necessary to use a high-intensity discharge lamp such as a high-pressure mercury lamp as a light source. However, such a special light source has a relatively short life and requires frequent lamp replacement.
このような問題に対処することができる理想的な光源は、レーザ光源などのコヒーレント光源である。たとえば、産業上で広く利用されている半導体レーザは、高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプに比べて極めて長寿命でありながら、高輝度の照明が可能である。しかも指向性に優れているため、光学系やスリットによる成形を行わなくても、鮮明な輪郭をもった線状パターンを投影することができる。 An ideal light source that can cope with such a problem is a coherent light source such as a laser light source. For example, a semiconductor laser widely used in the industry has a very long life compared to a high-intensity discharge lamp such as a high-pressure mercury lamp, but can provide high-intensity illumination. In addition, since the directivity is excellent, a linear pattern having a sharp outline can be projected without performing molding using an optical system or a slit.
ただ、レーザなどのコヒーレント光源を用いた照明には、スペックルの発生という新たな問題が生じる。スペックル（speckle）は、レーザ光などのコヒーレント光を拡散面に照射したときに現れる斑点状の模様であり、物体表面にレーザ光を投影すると斑点状の輝度ムラとして観察される。したがって、レーザ光源を用いて物体に線状パターンを投影すると、物体表面上の線状パターンにスペックルが発生し、輝度ムラが生じることになる。 However, illumination using a coherent light source such as a laser has a new problem of speckle generation. A speckle is a speckled pattern that appears when a diffusing surface is irradiated with coherent light such as laser light, and is observed as speckled luminance unevenness when the laser light is projected onto the object surface. Therefore, when a linear pattern is projected onto an object using a laser light source, speckles are generated in the linear pattern on the object surface, resulting in uneven brightness.
たとえば、レーザポインタでスクリーン上の１点を指示した場合、レーザ光のスポットがスクリーン上でギラギラと光って見える。これは、スクリーン上にスペックルノイズが生じているためである。コヒーレント光を用いるとスペックルが発生する理由は、スクリーンなどの拡散反射面の各部で反射したコヒーレント光が、その極めて高い可干渉性ゆえに、互いに干渉し合うためとされている。たとえば、上記非特許文献１には、スペックル発生についての詳細な理論的考察がなされている。
For example, when one point on the screen is indicated by the laser pointer, the spot of the laser beam appears to shine on the screen. This is because speckle noise is generated on the screen. The reason that speckle is generated when coherent light is used is that coherent light reflected by each part of a diffuse reflection surface such as a screen interferes with each other due to its extremely high coherence. For example, the
レーザポインタのような用途であれば、観察者には、微小なスポットが見えるだけなので、大きな問題は生じない。しかしながら、三次元形状の測定に用いる線状パターンに、このようなスペックルに基づく輝度ムラが含まれていると、撮影画像上で線状パターンの輪郭形状を正確に抽出することができなくなり、正しい形状解析を行うことができない。 If it is an application like a laser pointer, the observer can only see a minute spot, so that no big problem occurs. However, if the linear pattern used for measurement of the three-dimensional shape includes luminance unevenness based on such speckles, the contour shape of the linear pattern cannot be accurately extracted on the captured image, Correct shape analysis cannot be performed.
もちろん、このようなスペックルノイズを低減させるための具体的な方法もいくつか提案されている。たとえば、上記特許文献７には、レーザ光を散乱板に照射し、そこから得られる散乱光を照明に利用するとともに、散乱板をモータによって回転駆動することにより、スペックルを低減する技術が開示されている。また、特許文献８には、レーザ光源を散乱板に照射してから照明として利用し、この散乱板を振動させることによりスペックルを低減する技術が開示されている。しかしながら、散乱板を回転させたり、振動させたりするには、大掛かりな機械的駆動機構が必要であり、装置全体が大型化するとともに、消費電力も増加する。 Of course, several specific methods for reducing such speckle noise have been proposed. For example, Patent Document 7 discloses a technique for reducing speckles by irradiating a scattering plate with laser light, using scattered light obtained therefrom for illumination, and rotating the scattering plate with a motor. Has been. Patent Document 8 discloses a technique for reducing speckles by irradiating a scattering plate with a laser light source and then using it as illumination, and vibrating the scattering plate. However, in order to rotate or vibrate the scattering plate, a large mechanical drive mechanism is required, which increases the size of the entire device and increases power consumption.
そこで本発明は、コヒーレント光源を用いて物体に対する線状パターンの投影を行う機能をもち、かつ、物体表面でのスペックルの発生を抑制することが可能な線状照明装置（照明ユニット）を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a linear illumination device (illumination unit) having a function of projecting a linear pattern onto an object using a coherent light source and capable of suppressing speckle generation on the object surface. The purpose is to do.
(1) 本発明の第１の態様は、物体を光の線状パターンで走査し、当該物体の表面情報を取り込むスキャナ装置において、
物体に光の線状パターンを投影する照明ユニットと、
線状パターンの物体に対する投影位置を時間的に変化させるパターン走査機構と、
線状パターンが投影された物体を所定方向から撮影し、物体の表面情報を取り込む撮影ユニットと、
を設け、
照明ユニットが、
コヒーレントな光ビームを発生させるコヒーレント光源と、
線状パターンに対応する形状をもった散乱体の像が記録されたホログラム記録媒体と、
光ビームをホログラム記録媒体に照射し、かつ、光ビームのホログラム記録媒体に対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置と、
を有し、
ホログラム記録媒体には、所定光路に沿って照射される参照光を用いて散乱体の像がホログラムとして記録されており、
コヒーレント光源は、散乱体の像を再生することが可能な波長をもった光ビームを発生させ、
光ビーム走査装置は、ホログラム記録媒体に対する光ビームの照射方向が参照光の光路に沿った方向になるように、光ビームの走査を行い、
ホログラム記録媒体から得られるホログラムの再生光により線状パターンが投影されるようにしたものである。
(1) A first aspect of the present invention provides a scanner device that scans an object with a linear pattern of light and captures surface information of the object.
An illumination unit that projects a linear pattern of light onto an object;
A pattern scanning mechanism for temporally changing the projection position of the linear pattern on the object;
An imaging unit that captures an object on which a linear pattern is projected from a predetermined direction and captures surface information of the object;
Provided,
The lighting unit
A coherent light source that generates a coherent light beam;
A hologram recording medium on which an image of a scatterer having a shape corresponding to a linear pattern is recorded;
A light beam scanning device that irradiates the hologram recording medium with a light beam and performs scanning so that the irradiation position of the light beam with respect to the hologram recording medium changes with time;
Have
In the hologram recording medium, an image of a scatterer is recorded as a hologram using reference light irradiated along a predetermined optical path,
The coherent light source generates a light beam with a wavelength that can reproduce the image of the scatterer,
The light beam scanning device scans the light beam so that the irradiation direction of the light beam on the hologram recording medium is in a direction along the optical path of the reference light,
A linear pattern is projected by the reproduction light of the hologram obtained from the hologram recording medium.
(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係るスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体に、１本もしくは互いに平行な複数本の線状散乱体の像が記録されており、ホログラムの再生光により１本もしくは互いに平行な複数本の線を有する線状パターンが投影されるようにしたものである。
(2) According to a second aspect of the present invention, in the scanner device according to the first aspect described above,
An image of one or a plurality of linear scatterers parallel to each other is recorded on the hologram recording medium, and a linear pattern having one or a plurality of parallel lines is projected by the reproduction light of the hologram. It is what I did.
(3) 本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係るスキャナ装置において、
パターン走査機構が、
物体を載置する載置ステージと、
載置ステージを、線状パターンの構成要素となる線に直交する方向に移動させる搬送装置と、
を有するようにしたものである。
(3) According to a third aspect of the present invention, in the scanner device according to the second aspect described above,
The pattern scanning mechanism
A mounting stage for mounting an object;
A transfer device that moves the mounting stage in a direction perpendicular to the line that is a component of the linear pattern; and
It is made to have.
(4) 本発明の第４の態様は、上述した第２の態様に係るスキャナ装置において、
パターン走査機構が、
物体を載置する載置ステージと、
照明ユニットを載置ステージに対して、線状パターンの構成要素となる線に直交する方向に移動させる搬送装置と、
を有するようにしたものである。
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the scanner device according to the second aspect described above,
The pattern scanning mechanism
A mounting stage for mounting an object;
A transfer device that moves the illumination unit in a direction perpendicular to a line that is a component of the linear pattern with respect to the mounting stage; and
It is made to have.
(5) 本発明の第５の態様は、上述した第２の態様に係るスキャナ装置において、
パターン走査機構が、
照明ユニットから得られるホログラムの再生光の向きを変える光学系を有し、再生光によって投影される線状パターンを、その構成要素となる線に直交する方向に走査するようにしたものである。
(5) According to a fifth aspect of the present invention, in the scanner device according to the second aspect described above,
The pattern scanning mechanism
It has an optical system that changes the direction of the reproduction light of the hologram obtained from the illumination unit, and scans the linear pattern projected by the reproduction light in the direction perpendicular to the component lines.
(6) 本発明の第６の態様は、上述した第１の態様に係るスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体が複数の分割領域に分割されており、個々の分割領域には、それぞれ１本もしくは複数本の線状散乱体の像が記録されており、個々の分割領域から得られるホログラムの再生光により、それぞれ１本もしくは複数本の線を有する線状パターンが投影され、かつ、１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンと、別な１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンとが、空間上の異なる位置に形成されるようにしたものである。
(6) According to a sixth aspect of the present invention, in the scanner device according to the first aspect described above,
The hologram recording medium is divided into a plurality of divided areas, and one or a plurality of linear scatterers images are recorded in each divided area, and the hologram obtained from each divided area is reproduced. A linear pattern having one or more lines is projected by light, and the linear pattern projected by the reproduction light of a hologram obtained from one divided area and another divided area are obtained. The linear pattern projected by the reproduced light of the hologram to be formed is formed at different positions in space.
(7) 本発明の第７の態様は、上述した第６の態様に係るスキャナ装置において、
光ビーム走査装置が、第１番目の分割領域、第２番目の分割領域、第３番目の分割領域、... 、というように、所定の順番で光ビームの走査を行い、第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域を走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に第ｉ番目の線状パターンが投影されるようにし、光ビーム走査装置が、パターン走査機構の役割を兼ねるようにしたものである。
(7) According to a seventh aspect of the present invention, in the scanner device according to the sixth aspect described above,
The light beam scanning device scans the light beam in a predetermined order such as the first divided area, the second divided area, the third divided area,. i = 1, 2, 3,...) is scanned so that the i-th linear pattern is projected at the i-th position in space. However, this also serves as a pattern scanning mechanism.
(8) 本発明の第８の態様は、上述した第６または第７の態様に係るスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体が、横方向に細長い複数の分割領域が縦方向に並んで配置されるように分割されており、個々の分割領域の長手方向と個々の分割領域から得られる再生像の長手方向とが平行になるようにホログラムの記録が行われているようにしたものである。
(8) According to an eighth aspect of the present invention, in the scanner device according to the sixth or seventh aspect described above,
The hologram recording medium is divided so that a plurality of divided areas elongated in the horizontal direction are arranged in the vertical direction, and the longitudinal direction of each divided area and the longitudinal direction of the reproduced image obtained from each divided area are The holograms are recorded so that are parallel to each other.
(9) 本発明の第９の態様は、上述した第１〜第８の態様に係るスキャナ装置において、
光ビーム走査装置が、光ビームを所定の走査基点で屈曲させ、屈曲された光ビームをホログラム記録媒体に照射し、かつ、光ビームの屈曲態様を時間的に変化させることにより、屈曲された光ビームのホログラム記録媒体に対する照射位置を時間的に変化させ、
ホログラム記録媒体には、特定の収束点に収束する参照光または特定の収束点から発散する参照光を用いて散乱体の像がホログラムとして記録されており、
光ビーム走査装置が、収束点を走査基点として光ビームの走査を行うようにしたものである。
(9) According to a ninth aspect of the present invention, in the scanner device according to the first to eighth aspects described above,
The light beam scanning apparatus bends the light beam by bending the light beam at a predetermined scanning base point, irradiating the bent light beam onto the hologram recording medium, and temporally changing the bending mode of the light beam. Change the irradiation position of the beam on the hologram recording medium over time,
In the hologram recording medium, an image of a scatterer is recorded as a hologram using reference light that converges at a specific convergence point or reference light that diverges from a specific convergence point,
The light beam scanning device scans the light beam with the convergence point as the scanning base point.
(10) 本発明の第１０の態様は、上述した第９の態様に係るスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体に、収束点を頂点とした円錐の側面に沿って三次元的に収束もしくは発散する参照光を用いて散乱体の像が記録されているようにしたものである。
(10) According to a tenth aspect of the present invention, in the scanner device according to the ninth aspect described above,
An image of a scatterer is recorded on a hologram recording medium using reference light that converges or diverges three-dimensionally along the side surface of a cone having a convergence point as a vertex.
(11) 本発明の第１１の態様は、上述した第９の態様に係るスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体に、収束点を含む平面に沿って二次元的に収束もしくは発散する参照光を用いて散乱体の像が記録されているようにしたものである。
(11) According to an eleventh aspect of the present invention, in the scanner device according to the ninth aspect described above,
The image of the scatterer is recorded on the hologram recording medium using reference light that converges or diverges two-dimensionally along a plane including the convergence point.
(12) 本発明の第１２の態様は、上述した第１〜第８の態様に係るスキャナ装置において、
光ビーム走査装置が、光ビームを平行移動させながらホログラム記録媒体に照射することにより、光ビームのホログラム記録媒体に対する照射位置を時間的に変化させ、
ホログラム記録媒体には、平行光束からなる参照光を用いて散乱体の像がホログラムとして記録されており、
光ビーム走査装置が、参照光に平行になる方向から光ビームをホログラム記録媒体に照射して、光ビームの走査を行うようにしたものである。
(12) According to a twelfth aspect of the present invention, in the scanner device according to the first to eighth aspects described above,
The light beam scanning device irradiates the hologram recording medium while moving the light beam in parallel, thereby changing the irradiation position of the light beam with respect to the hologram recording medium over time,
In the hologram recording medium, an image of a scatterer is recorded as a hologram using a reference beam composed of a parallel light beam,
The light beam scanning device irradiates the hologram recording medium with a light beam from a direction parallel to the reference light to scan the light beam.
(13) 本発明の第１３の態様は、物体に光の線状パターンを投影し、当該物体の表面情報を取り込む物体の表面情報取得方法において、
線状パターンを構成するための散乱体の像をホログラムとして記録用媒体上に記録することによりホログラム記録媒体を作成する準備段階と、
ホログラム記録媒体から得られるホログラムの再生光の照射を受ける位置に物体を配置した状態で、ホログラム記録媒体上にコヒーレントな光ビームを照射し、かつ、照射位置が時間的に変化するように光ビームをホログラム記録媒体上で走査し、物体上に線状パターンを投影する投影段階と、
線状パターンが投影された物体を所定方向から撮影し、物体の表面情報を取り込む撮影段階と、
を行い、
準備段階では、コヒーレントな照明光を散乱体に照射し、散乱体から得られる散乱光を物体光として用い、所定光路に沿って記録用媒体に照射され、照明光と同一波長のコヒーレントな光を参照光として用い、物体光と参照光とによって形成される干渉縞を記録用媒体に記録することによりホログラム記録媒体を作成し、
投影段階では、散乱体の像を再生することが可能な波長をもった光ビームが、参照光の光路に沿った光路を通ってホログラム記録媒体上の照射位置へ向かうように走査を行うようにしたものである。
(13) According to a thirteenth aspect of the present invention, in the object surface information acquisition method of projecting a linear pattern of light on the object and capturing the surface information of the object,
A preparatory stage for creating a hologram recording medium by recording an image of a scatterer for constituting a linear pattern on a recording medium as a hologram;
A light beam is applied so that a coherent light beam is irradiated onto the hologram recording medium in a state in which an object is placed at a position where irradiation of hologram reproduction light obtained from the hologram recording medium is received, and the irradiation position changes with time. A stage of scanning a hologram recording medium and projecting a linear pattern on the object;
Photographing an object on which a linear pattern is projected from a predetermined direction, capturing the surface information of the object,
And
In the preparation stage, the scatterer is irradiated with coherent illumination light, the scattered light obtained from the scatterer is used as object light, the recording medium is irradiated along a predetermined optical path, and coherent light having the same wavelength as the illumination light is emitted. Use as reference light, create a hologram recording medium by recording interference fringes formed by object light and reference light on a recording medium,
In the projection stage, scanning is performed so that a light beam having a wavelength capable of reproducing the image of the scatterer passes through the optical path along the optical path of the reference light and travels toward the irradiation position on the hologram recording medium. It is a thing.
(14) 本発明の第１４の態様は、物体を光の線状パターンで走査し、当該物体の表面情報を取り込むスキャナ装置において、
物体に光の線状パターンを投影する照明ユニットと、
線状パターンの物体に対する投影位置を時間的に変化させるパターン走査機構と、
線状パターンが投影された物体を所定方向から撮影し、物体の表面情報を取り込む撮影ユニットと、
を設け、
照明ユニットが、
コヒーレントな光ビームを発生させるコヒーレント光源と、
多数の個別レンズの集合体からなるマイクロレンズアレイと、
光ビームをマイクロレンズアレイに照射し、かつ、光ビームのマイクロレンズアレイに対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置と、
を有し、
マイクロレンズアレイを構成する個別レンズは、それぞれが、光ビーム走査装置から照射された光を屈折させ、物体の近傍面に線状の照射領域を形成する機能を有し、かつ、いずれの個別レンズによって形成される照射領域も、上記近傍面上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されているようにしたものである。
(14) According to a fourteenth aspect of the present invention, in a scanner device that scans an object with a linear pattern of light and captures surface information of the object,
An illumination unit that projects a linear pattern of light onto an object;
A pattern scanning mechanism for temporally changing the projection position of the linear pattern on the object;
An imaging unit that captures an object on which a linear pattern is projected from a predetermined direction and captures surface information of the object;
Provided,
The lighting unit
A coherent light source that generates a coherent light beam;
A microlens array consisting of a collection of many individual lenses;
A light beam scanning device that irradiates a microlens array with a light beam and scans so that the irradiation position of the light beam with respect to the microlens array changes with time, and
Have
Each of the individual lenses constituting the microlens array has a function of refracting the light irradiated from the light beam scanning device to form a linear irradiation region on the surface near the object, and any individual lens. The irradiation region formed by the above is also configured so as to be substantially the same common region on the above-mentioned neighboring surface.
(15) 本発明の第１５の態様は、物体を光の線状パターンで走査し、当該物体の表面情報を取り込むスキャナ装置において、
物体に光の線状パターンを投影する照明ユニットと、
線状パターンの物体に対する投影位置を時間的に変化させるパターン走査機構と、
線状パターンが投影された物体を所定方向から撮影し、物体の表面情報を取り込む撮影ユニットと、
を設け、
照明ユニットが、
コヒーレントな光ビームを発生させるコヒーレント光源と、
光ビームの向きもしくは位置またはその双方を制御することにより、ビーム走査を行う光ビーム走査装置と、
入射した光ビームを拡散して射出する光拡散素子と、
を有し、
光ビーム走査装置は、コヒーレント光源が発生した光ビームを、光拡散素子に向けて射出し、かつ、光ビームの光拡散素子に対する入射位置が時間的に変化するように走査し、
光拡散素子は、入射した光ビームを拡散させて物体の近傍面上に線状の照射領域を形成する機能を有し、かつ、光ビームの入射位置にかかわらず、形成される照射領域が、上記近傍面上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されているようにしたものである。
(15) According to a fifteenth aspect of the present invention, in a scanner device that scans an object with a linear pattern of light and captures surface information of the object,
An illumination unit that projects a linear pattern of light onto an object;
A pattern scanning mechanism for temporally changing the projection position of the linear pattern on the object;
An imaging unit that captures an object on which a linear pattern is projected from a predetermined direction and captures surface information of the object;
Provided,
The lighting unit
A coherent light source that generates a coherent light beam;
A light beam scanning device that performs beam scanning by controlling the direction and / or position of the light beam;
A light diffusing element that diffuses and emits an incident light beam;
Have
The light beam scanning device emits the light beam generated by the coherent light source toward the light diffusing element, and scans so that the incident position of the light beam with respect to the light diffusing element changes with time.
The light diffusing element has a function of diffusing an incident light beam to form a linear irradiation region on the surface near the object, and the irradiation region formed regardless of the incident position of the light beam, It is configured so as to be substantially the same common area on the above-mentioned vicinity surface.
(16) 本発明の第１６の態様は、物体の三次元形状測定装置において、
物体に光の線状パターンを投影する照明ユニットと、
線状パターンが投影された物体を所定方向から撮影する撮影ユニットと、
撮影ユニットによる撮影画像上の線状パターンを解析することにより、物体の三次元形状データを作成する形状解析ユニットと、
を設け、
照明ユニットが、
コヒーレントな光ビームを発生させるコヒーレント光源と、
線状パターンに対応する形状をもった散乱体の像が記録されたホログラム記録媒体と、
光ビームをホログラム記録媒体に照射し、かつ、光ビームのホログラム記録媒体に対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置と、
を有し、
ホログラム記録媒体には、所定光路に沿って照射される参照光を用いて散乱体の像がホログラムとして記録されており、
コヒーレント光源は、散乱体の像を再生することが可能な波長をもった光ビームを発生させ、
光ビーム走査装置は、ホログラム記録媒体に対する光ビームの照射方向が参照光の光路に沿った方向になるように、光ビームの走査を行い、
ホログラム記録媒体から得られるホログラムの再生光により線状パターンが投影されるようにしたものである。
(16) According to a sixteenth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus for an object,
An illumination unit that projects a linear pattern of light onto an object;
A photographing unit for photographing an object on which a linear pattern is projected from a predetermined direction;
A shape analysis unit that creates three-dimensional shape data of an object by analyzing a linear pattern on a photographed image by the photographing unit;
Provided,
The lighting unit
A coherent light source that generates a coherent light beam;
A hologram recording medium on which an image of a scatterer having a shape corresponding to a linear pattern is recorded;
A light beam scanning device that irradiates the hologram recording medium with a light beam and performs scanning so that the irradiation position of the light beam with respect to the hologram recording medium changes with time;
Have
In the hologram recording medium, an image of a scatterer is recorded as a hologram using reference light irradiated along a predetermined optical path,
The coherent light source generates a light beam with a wavelength that can reproduce the image of the scatterer,
The light beam scanning device scans the light beam so that the irradiation direction of the light beam on the hologram recording medium is in a direction along the optical path of the reference light,
A linear pattern is projected by the reproduction light of the hologram obtained from the hologram recording medium.
(17) 本発明の第１７の態様は、上述した第１６の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体に、１本もしくは複数本の線状散乱体の像が記録されており、ホログラムの再生光により１本もしくは複数本の線を有する線状パターンが投影されるようにしたものである。
(17) A seventeenth aspect of the present invention is the object three-dimensional shape measuring apparatus according to the sixteenth aspect described above,
An image of one or a plurality of linear scatterers is recorded on a hologram recording medium, and a linear pattern having one or a plurality of lines is projected by the reproduction light of the hologram. .
(18) 本発明の第１８の態様は、上述した第１６の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体が複数の分割領域に分割されており、個々の分割領域には、それぞれ１本もしくは複数本の線状散乱体の像が記録されており、個々の分割領域から得られるホログラムの再生光により、それぞれ１本もしくは複数本の線を有する線状パターンが投影され、かつ、１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンと、別な１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンとが、空間上の異なる位置に形成されるようにしたものである。
(18) An eighteenth aspect of the present invention is the object three-dimensional shape measuring apparatus according to the sixteenth aspect described above,
The hologram recording medium is divided into a plurality of divided areas, and one or a plurality of linear scatterers images are recorded in each divided area, and the hologram obtained from each divided area is reproduced. A linear pattern having one or more lines is projected by light, and the linear pattern projected by the reproduction light of a hologram obtained from one divided area and another divided area are obtained. The linear pattern projected by the reproduced light of the hologram to be formed is formed at different positions in space.
(19) 本発明の第１９の態様は、上述した第１８の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
光ビーム走査装置が、第１番目の分割領域、第２番目の分割領域、第３番目の分割領域、... 、というように、所定の順番で光ビームの走査を行い、第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域を走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に第ｉ番目の線状パターンが投影されるようにし、物体に対する線状パターンの投影位置を時間的に変化させるようにしたものである。
(19) According to a nineteenth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus for an object according to the eighteenth aspect described above,
The light beam scanning device scans the light beam in a predetermined order such as the first divided area, the second divided area, the third divided area,. i = 1, 2, 3,...) is scanned so that the i-th linear pattern is projected at the i-th position in the space. The projection position of the pattern is changed with time.
(20) 本発明の第２０の態様は、上述した第１８または第１９の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体が、横方向に細長い複数の分割領域が縦方向に並んで配置されるように分割されており、個々の分割領域の長手方向と個々の分割領域から得られる再生像の長手方向とが平行になるようにホログラムの記録が行われているようにしたものである。
(20) A twentieth aspect of the present invention is the object three-dimensional shape measurement apparatus according to the eighteenth or nineteenth aspect described above,
The hologram recording medium is divided so that a plurality of divided areas elongated in the horizontal direction are arranged in the vertical direction, and the longitudinal direction of each divided area and the longitudinal direction of the reproduced image obtained from each divided area are The holograms are recorded so that are parallel to each other.
(21) 本発明の第２１の態様は、上述した第１６の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体に、横方向に伸びる線状散乱体を互いに平行になるように縦方向に複数並べた横方向格子状散乱体の像が記録されており、ホログラムの再生光により、互いに平行な複数の線を有する線状パターンが投影されるようにしたものである。
(21) According to a twenty-first aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus for an object according to the sixteenth aspect described above,
On the hologram recording medium, images of lateral grid-like scatterers in which a plurality of linear scatterers extending in the lateral direction are arranged in parallel to each other are recorded. A linear pattern having a line is projected.
(22) 本発明の第２２の態様は、上述した第１６の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体に、横方向に伸びる線状散乱体を互いに平行になるように縦方向に複数並べた横方向格子状散乱体の像と、縦方向に伸びる線状散乱体を互いに平行になるように横方向に複数並べた縦方向格子状散乱体の像と、が重畳して記録されており、ホログラムの再生光により、網目格子状の線状パターンが投影されるようにしたものである。
(22) According to a twenty-second aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measurement apparatus for an object according to the sixteenth aspect described above,
An image of a horizontal lattice scatterer in which a plurality of linear scatterers extending in the vertical direction are arranged in parallel to each other on the hologram recording medium and a linear scatterer extending in the vertical direction are made parallel to each other. A plurality of images of vertical grid-like scatterers arranged in the horizontal direction are superimposed and recorded, and a mesh-like grid-like linear pattern is projected by the reproduction light of the hologram.
(23) 本発明の第２３の態様は、上述した第１６の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体に、網目格子状散乱体の像が記録されており、ホログラムの再生光により、網目格子状の線状パターンが投影されるようにしたものである。
(23) According to a twenty-third aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measurement apparatus for an object according to the sixteenth aspect described above,
An image of a mesh lattice scatterer is recorded on the hologram recording medium, and a mesh lattice linear pattern is projected by the reproduction light of the hologram.
(24) 本発明の第２４の態様は、上述した第１６〜第２３の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
物体を載置する載置ステージと、
照明ユニットと載置ステージとについて、一方を他方に対して移動させる搬送装置と、
を更に設けるようにしたものである。
(24) According to a twenty-fourth aspect of the present invention, in the three-dimensional shape measuring apparatus for an object according to the sixteenth to twenty-third aspects described above,
A mounting stage for mounting an object;
About the illumination unit and the mounting stage, a transfer device that moves one relative to the other;
Is further provided.
(25) 本発明の第２５の態様は、上述した第１６〜第２３の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
照明ユニットから得られるホログラムの再生光の向きを変える光学系を更に設け、再生光によって投影される線状パターンを走査するようにしたものである。
(25) A twenty-fifth aspect of the present invention is the object three-dimensional shape measuring apparatus according to the sixteenth to twenty-third aspects described above,
An optical system for changing the direction of the reproduction light of the hologram obtained from the illumination unit is further provided so as to scan the linear pattern projected by the reproduction light.
(26) 本発明の第２６の態様は、上述した第１６〜第２５の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
撮影ユニットが、それぞれ異なる方向から物体を撮影する複数台のカメラを有し、
形状解析ユニットが、複数台のカメラによって撮影された撮影画像上の線状パターンを解析することにより、物体の三次元形状データを作成するようにしたものである。
(26) A twenty-sixth aspect of the present invention is the object three-dimensional shape measuring apparatus according to the sixteenth to twenty-fifth aspects described above.
The shooting unit has multiple cameras that shoot objects from different directions,
The shape analysis unit generates the three-dimensional shape data of the object by analyzing the linear pattern on the captured image captured by a plurality of cameras.
本発明によれば、コヒーレント光源を用いて物体に対する線状パターンの投影を行う機能をもち、かつ、物体表面でのスペックルの発生を抑制することが可能な線状照明装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a linear illumination device that has a function of projecting a linear pattern onto an object using a coherent light source and that can suppress speckle generation on the object surface. it can.
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
＜＜＜ §１．本発明に係る三次元形状測定装置の基本構成 ＞＞＞
本発明は、線状照明装置に関するものであるが、コヒーレント光源を用いたスキャナ装置およびこれを利用した物体の三次元形状測定装置に利用可能な技術である。そこで、ここでは、本発明に係る三次元形状測定装置の基本構成を説明する。
<<< §1. Basic configuration of three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention >>>
The present invention relates to a linear illumination device, and is a technique that can be used for a scanner device using a coherent light source and an object three-dimensional shape measuring device using the scanner device . Therefore, here, the basic configuration of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention will be described.
図１は、本発明に係る物体の三次元形状測定装置による測定原理を示す斜視図である。ここでは、照明ユニット１００（本発明に係る線状照明装置）からの照明を用いて、半球状の物体Ｍの三次元形状を測定する例が示されている。図示のとおり、物体Ｍは載置ステージ２１０の上面に置かれており、この載置ステージ２１０を図の白矢印で示す方向に移動させると、物体Ｍも同方向に移動する。一方、物体Ｍの上方には照明ユニット１００が配置されており、物体Ｍに対して線状パターンＵを投影する。この線状パターンＵは、図では、便宜上、黒い太線で示しているが、実際には、載置ステージ２１０上に形成される帯状の照明領域である。
FIG. 1 is a perspective view showing the principle of measurement by an object three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention. Here, an example is shown in which the three-dimensional shape of a hemispherical object M is measured using illumination from the illumination unit 100 (linear illumination device according to the present invention) . As illustrated, the object M is placed on the upper surface of the mounting
また、載置ステージ２１０の上方には、３台のカメラ３０１，３０２，３０３が配置されており、線状パターンＵが投影された物体Ｍをそれぞれ異なる方向から撮影できる。３台のカメラ３０１，３０２，３０３は、載置ステージ２１０に取り付けられており、載置ステージ２１０の移動に伴って移動する。載置ステージ２１０を、図に白矢印で示す方向（通常は、線状パターンＵに直交する方向）に所定のステップで移動させながら、３台のカメラ３０１，３０２，３０３で物体Ｍを撮影すれば、線状パターンＵを物体Ｍの表面の様々な位置に投影した状態の撮影画像が得られる。
Also, three
図２は、こうして得られた多数の撮影画像を解析して、物体Ｍの三次元形状に関する情報を得る処理の基本原理を示すブロック図である。図２の左に示す画像Ｇ（３０１，ｉ）は第１のカメラ３０１による撮影画像であり、中央に示す画像Ｇ（３０２，ｉ）は第２のカメラ３０２による撮影画像であり、右に示す画像Ｇ（３０３，ｉ）は第３のカメラ３０３による撮影画像である。ここで、ｉは、載置ステージ２１０を移動させたステップ数を示すパラメータであり、たとえば、画像Ｇ（３０１，ｉ）は、第ｉ番目の移動ステップにおける第１のカメラ３１０の撮影画像を意味している。
FIG. 2 is a block diagram showing the basic principle of processing for obtaining information related to the three-dimensional shape of the object M by analyzing a large number of captured images thus obtained. An image G (301, i) shown on the left in FIG. 2 is a photographed image by the
ステップ数ｉが共通の３枚の撮影画像は、同一の被写体（物体Ｍと線状パターンＵ）についての撮影画像であるが、撮影方向がそれぞれ異なるため、画像上に現れる線状パターンＵの位置や形状は互いに異なる。そこで、３台のカメラ３０１，３０２，３０３の物体Ｍに対する幾何学的な配置情報を考慮しながら、各撮影画像に現れる線状パターンＵを解析することにより、物体Ｍの三次元形状データＴを得ることができる。
The three captured images having the same step number i are captured images of the same subject (the object M and the linear pattern U). However, since the capturing directions are different, the position of the linear pattern U appearing on the image is different. And the shapes are different from each other. Therefore, the three-dimensional shape data T of the object M is obtained by analyzing the linear pattern U appearing in each captured image while considering the geometrical arrangement information of the three
図３は、本発明に係る物体の三次元形状測定装置の基本構成を示すブロック図である。図示のとおり、この測定装置は、照明ユニット１００，パターン走査機構２００，撮影ユニット３００，形状解析ユニット４００を備えている。照明ユニット１００は、図１に例示するように、物体Ｍに光の線状パターンＵを投影する機能を果たす。
FIG. 3 is a block diagram showing the basic configuration of the object three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention. As shown in the figure, the measuring apparatus includes an
パターン走査機構２００は、線状パターンＵの物体Ｍに対する投影位置を時間的に変化させる機能を有し、図示の基本的な実施形態の場合、載置ステージ２１０と搬送装置２２０によって構成されている。載置ステージ２１０は、図１に示すように、上に物体Ｍを載置するための構造体であり、搬送装置２２０は、この載置ステージ２１０を、図の白矢印に示す方向に移動させる装置である。この搬送装置２２０は、たとえば、ベルトコンベアなどで構成することができる。載置ステージ２１０を移動させる方向は、線状パターンＵの構成要素となる線に平行な方向でなければ、任意の方向でよいが、実用上は、物体Ｍに対する効率的な走査を行うために、線状パターンＵの構成要素となる線に直交する方向に移動させるのが好ましい。図１に示す実施形態では、そのような向きへの移動が可能になるように、照明ユニット１００の位置や向きが調整されている。
The
一方、撮影ユニット３００は、線状パターンＵが投影された物体Ｍを所定方向から撮影し、物体Ｍの表面情報を取り込む機能を果たす。図１に示す例は、３台のカメラ３０１，３０２，３０３（ＣＣＤカメラなど）を撮影ユニット３００として用いた例であるが、用いるカメラの台数は３台に限定されるわけではなく、物体Ｍの形状や必要な三次元形状データの内容などに応じて必要な台数を用意すればよい。場合によっては１台のカメラだけで足りることもあるが、一般的には、複数台のカメラを用意し、それぞれ異なる方向から物体Ｍを撮影できる構成を採るのが好ましい。
On the other hand, the photographing
また、形状解析ユニット４００は、図２に示すとおり、撮影ユニット３００（３台のカメラ３０１〜３０３）によって撮影された撮影画像Ｇ上の線状パターンＵを解析することにより、物体Ｍの三次元形状データＴを作成する処理を行う。すなわち、形状解析ユニット４００は、撮影ユニット３００から与えられる撮影画像Ｇをデジタルデータとして取り込み、撮影ユニット３００に関する幾何学的情報（３台のカメラ３０１〜３０３の位置、向き、撮影の光学的な条件）を参照して所定のアルゴリズムに基づく演算を行い、物体Ｍの三次元形状データＴを求める機能を有している。
Further, as shown in FIG. 2, the
実際には、この形状解析ユニット４００は、コンピュータに専用の形状解析用プログラムを組み込むことによって構成される。このような形状解析の具体的な方法については、前述したとおり、光切断法として様々なアルゴリズムが知られており（たとえば、Model-based Analysis and Evaluation of Point Sets from Optical 3D Laser Scanners、Shaker Verlag GmbH, Germany (2007年12月17日刊行）：ISBN-13: 978-3832267759 には、三次元形状測定の基礎原理から、具体的なレーザスキャンの方法まで、詳細な記載がなされている）、また、本発明の特徴には直接関係しない部分であるため、ここでは詳しい説明は省略する。
Actually, the
結局、図３に示す測定装置において、照明ユニット１００，パターン走査機構２００，撮影ユニット３００の部分は、物体Ｍを光の線状パターンＵで走査し、当該物体Ｍの表面情報を取り込むスキャナ装置としての役割を果たす。図３に示す測定装置は、このようなスキャナ装置によって得られる物体Ｍの表面情報を解析して、三次元形状データＴを作成する形状解析ユニット４００を更に付加した装置ということができる。
After all, in the measuring apparatus shown in FIG. 3, the
なお、線状パターンＵを走査する必要がない三次元形状測定装置の場合は、パターン走査機構２００を省略することができる。たとえば、図１に示すように、半球状の物体Ｍを被測定対象として、その頂点を通る円周の形状のみを測定すれば足りる用途に用いる場合、図示のように物体Ｍの頂点を通る線状パターンＵを投影した状態の撮影画像が得られれば十分なので、パターン走査機構２００を省略しても支障はない。また、後に＜５−４＞で述べる変形例の場合も、パターン走査機構２００を省略できる。
In the case of a three-dimensional shape measuring apparatus that does not need to scan the linear pattern U, the
以上、図１〜図３を参照して、本発明に係るスキャナ装置および三次元形状測定装置の基本構成を説明したが、本発明の本質的な特徴は、これらの構成要素のうち、照明ユニット１００の部分にある。照明ユニット１００は、物体Ｍに線状パターンＵを投影するための構成要素である。ここで、線状パターンＵは、形状解析ユニット４００における画像解析において重要な指標を与える要素になるため、できるだけ鮮明な一様パターンであり、かつ、できるだけ輝度の高いパターンであることが望ましい。
The basic configuration of the scanner device and the three-dimensional shape measuring device according to the present invention has been described above with reference to FIGS. 1 to 3. The essential feature of the present invention is the illumination unit among these components. There are 100 parts. The
すなわち、形状解析ユニット４００における画像解析では、まず、図２に示すような各撮影画像Ｇから、線状パターンＵの領域を認識し、これを抽出する必要がある。幾何学的な解析は、こうして抽出された線状パターンＵに対して行われる。このため、線状パターンＵが不鮮明であったり、輝度が低かったりすると、撮影画像Ｇ上において、線状パターンＵの領域と他の領域との識別が困難になり、正しい領域抽出を行うことができない。
That is, in the image analysis in the
そこで、従来装置では、レンズなどの光学系を用いて光を集光して線状パターンＵを形成したり、光源からの光をスリットに通して線状パターンＵを形成したりする方法を採り、必要に応じて、高圧水銀ランプなどの高輝度光源を利用する工夫を行っていた。しかしながら、既に述べたとおり、このような方法では、必ずしも十分な線状パターンＵを形成することができず、また、高輝度光源の寿命が比較的短いという問題も発生する。 Therefore, the conventional apparatus adopts a method of forming a linear pattern U by collecting light using an optical system such as a lens, or forming a linear pattern U by passing light from a light source through a slit. If necessary, they devised to use a high-intensity light source such as a high-pressure mercury lamp. However, as already described, such a method cannot always form a sufficient linear pattern U, and there is a problem that the lifetime of the high-intensity light source is relatively short.
これに対して、レーザ光源などのコヒーレント光源を用いて照明ユニット１００を構成すれば、上記問題を解決することができる。コヒーレント光源は、指向性に優れた光を発生することができるため、たとえば、載置ステージ２１０上をレーザビームで直線状に走査すれば、輪郭が極めて鮮明な線状パターンＵを形成することができる。また、コヒーレント光源は、高輝度の光を発生させることができるため、撮影画像Ｇ上において、線状パターンＵの領域と他の領域との識別が容易になる。しかも、コヒーレント光源は、単色性に優れているため、撮影画像Ｇ上において、色を基準として個々の画素をふるい分けることにより、線状パターンＵの領域のみを抽出することが可能になる。また、半導体レーザなどのコヒーレント光源は、高圧水銀ランプなどに比べて極めて長寿命であり、しかも小型化を図ることができる利点もある。
On the other hand, if the
このような観点に関する限り、コヒーレント光源は、スキャナ装置や三次元形状測定装置に組み込む照明ユニット用の光源として、理想的な光源と言うことができる。しかしながら、既に述べたとおり、コヒーレント光源を用いた照明には、スペックルの発生という新たな問題が生じる。 As far as this viewpoint is concerned, the coherent light source can be said to be an ideal light source as a light source for an illumination unit incorporated in a scanner device or a three-dimensional shape measuring device. However, as already mentioned, illumination using a coherent light source has a new problem of speckle generation.
実際、図１に示す構成において、照明ユニット１００内にレーザ光源を組み込み、載置ステージ２１０上でレーザビームを走査して線状パターンＵを投影した場合、得られる線状パターンＵにはギラギラしたスペックルが出現する。したがって、このような線状パターンＵを用いて撮影ユニット３００による撮影を行うと、得られる撮影画像上の線状パターンＵの部分には、斑点状の輝度ムラが生じてしまい、何らかの画像処理を施さないと、線状パターンＵの領域のみを正確に抽出することができなくなる。
In fact, in the configuration shown in FIG. 1, when the laser light source is incorporated in the
もちろん、スペックルノイズを低減させるための工夫として、前掲公報には、レーザ光を散乱板に当て、この散乱板を回転させたり、振動させたりする方法が開示されているが、この方法では、大掛かりな機械的駆動機構が必要であり、装置全体が大型化するとともに、消費電力も増加するという問題がある点は、既に述べたとおりである。 Of course, as a device for reducing speckle noise, the above-mentioned publication discloses a method in which a laser beam is applied to a scattering plate, and the scattering plate is rotated or vibrated. As described above, there is a problem that a large mechanical drive mechanism is required, and the entire apparatus is increased in size and power consumption is increased.
本願発明者は、レーザ光源のようなコヒーレント光源を採用しつつ、特有の工夫を施すことにより、スペックルを効果的に低減させるユニークな方法の着想を得た。本発明に係る照明ユニット１００は、このような着想に基づく特徴を有している。
The inventor of the present application has come up with the idea of a unique method for effectively reducing speckles by adopting a specific device while employing a coherent light source such as a laser light source. The
本願発明者の最初の着想は、図１に示す構成において、線状パターンＵを、細長い散乱体のホログラム再生像によって形成する、というアイデアである。たとえば、図４に示すような線状散乱体３０を用意する。この散乱体３０は、入射した照明光を表面もしくは内部で一様に散乱させる性質をもった物体であれば、どのようなものでもかまわない。ホログラムは、コヒーレント光を用いて、任意の物体の再生像を任意の空間上に再生する技術であり、物体の三次元像を媒体上に記録する技術である。
The first idea of the present inventor is the idea that the linear pattern U is formed by a hologram reproduction image of an elongated scatterer in the configuration shown in FIG. For example, a
そこで、まず、準備段階として、図４に示すような線状散乱体３０を用意し、その三次元像をホログラムとして記録媒体に記録しておく。そして、照明ユニット１００の内部には、このような記録が行われたホログラム記録媒体とその再生に必要な構成要素を組み込んでおき、投影段階では、線状散乱体３０の再生像によって線状パターンＵを形成する。たとえば、図１に示す例の場合、照明ユニット１００から図の下方に照射されている照明光は、図４に示す線状散乱体３０の再生光ということになる。
Therefore, first, as a preparation stage, a
ここで、再生像の形成位置が、載置ステージ２１０の上面になるように調整しておけば、載置ステージ２１０の上面には、線状散乱体３０の再生像として、線状パターンＵが形成されることになり、物体Ｍ上に投影される線状パターンＵは、この再生像を形成するための再生光によって生じたパターンということになる。このようにコヒーレント光によって生じた線状パターンＵは、高い輝度をもち、単色性に優れ、その輪郭も鮮明なものになる。しかも、散乱体３０の再生像によってパターンが形成されるため、全体的に一様な輝度をもったパターンが得られる。
Here, if the reproduction image formation position is adjusted so as to be on the upper surface of the mounting
ただ、ホログラム再生像を得るためにコヒーレント光を用いているため、何らかの工夫を施さないとスペックルの発生は免れない。そこで、本願発明者は、スペックルを低減するための更なる工夫についての着想を得た。その基本概念は、ホログラムを再生する際に、ホログラム記録媒体をコヒーレントな光ビーム（再生用照明光）で走査し、再生に寄与する媒体上の領域が、時間とともに変化するようにする、というものである。このような方法で再生像を得ると、ホログラム記録媒体から照射される再生光の向きが時間的に変化するため、スペックルの発生要因が時間的に分散し、結果的に、スペックルの発生を抑制する効果が得られる。以下、このような工夫について詳述する。 However, since coherent light is used to obtain a hologram reproduction image, the generation of speckle is inevitable unless some measures are taken. Therefore, the inventor of the present application has come up with an idea about a further device for reducing speckle. The basic concept is that when reproducing a hologram, the hologram recording medium is scanned with a coherent light beam (reproducing illumination light) so that the area on the medium that contributes to reproduction changes with time. It is. When a reconstructed image is obtained by this method, the direction of the reconstructed light emitted from the hologram recording medium changes with time, so speckle generation factors are dispersed over time, resulting in speckle generation. The effect which suppresses is acquired. Hereinafter, such a device will be described in detail.
＜＜＜ §２．本発明に用いるホログラム記録媒体 ＞＞＞
はじめに、本発明の基本的実施形態に係るスキャナ装置（あるいは物体の三次元形状測定装置）に組み込まれる照明ユニット１００について、その構成要素として用いるホログラム記録媒体の特徴を説明する。図５は、このホログラム記録媒体を作成するプロセスを示す光学系の配置図である。この光学系により、散乱体の像が記録されたホログラム記録媒体が作成される。
<<< §2. Hologram recording medium used in the present invention >>>
First, the characteristics of a hologram recording medium used as a component of the
図の右上に示されているコヒーレント光源１０は、コヒーレントな光ビームＬ１０を生成する光源であり、実際には、断面が円形をした単色レーザ光を発生するレーザ光源が用いられている。このレーザ光源で生成されたコヒーレントな光ビームＬ１０は、ビームスプリッタ２０で２本のビームに分けられる。すなわち、光ビームＬ１０の一部は、そのままビームスプリッタ２０を透過して図の下方へと導かれ、残りの一部は、ビームスプリッタ２０で反射して光ビームＬ２０として図の左方へと導かれる。
The coherent
ビームスプリッタ２０を透過した光ビームＬ１０は、散乱体の物体光Ｌobj を発生させる役割を果たす。すなわち、図の下方へと進んだ光ビームＬ１０は、反射鏡１１で反射して光ビームＬ１１となり、更に、ビームエキスパンダー１２によって径が広げられ、平行光束Ｌ１２を構成し、散乱体３０の右側の面の全領域に照射される。
The light beam L10 transmitted through the
散乱体３０は、図４の斜視図に示されているような細長い線状散乱体である。この線状散乱体３０の形状は、載置ステージ２１０上に形成する線状パターンＵに対応する形状にしておけばよい。以下の図では、図示の便宜上、図４に示す線状散乱体３０の形状をデフォルメして（全長を縮めて）示してある。
The
この散乱体３０としては、一般に光学的拡散板と呼ばれている、照射された光を散乱する性質をもった板状材料を用いればよい。ここに示す実施例の場合、内部に光を散乱するための微小粒子（光の散乱体）が練り込まれた透過型散乱体（たとえば、オパールガラス板）を用いている。したがって、図示のとおり、散乱体３０の右側の面に照射された平行光束Ｌ１２は、散乱体３０を透過して、左側の面から散乱光Ｌ３０として射出する。この散乱光Ｌ３０は、散乱体３０の物体光Ｌobj を構成する。
As the
一方、ビームスプリッタ２０で反射した光ビームＬ２０は、参照光Ｌref を発生させる役割を果たす。すなわち、ビームスプリッタ２０から図の左方へと進んだ光ビームＬ２０は、反射鏡２１で反射して光ビームＬ２１となり、更に、ビームエキスパンダー２２によって径が広げられ、平行光束Ｌ２２を構成し、点Ｃを焦点とする凸レンズ２３で屈折された後にホログラム感光媒体４０に照射される。なお、平行光束Ｌ２２は、必ずしも厳密な平行光線の集合でなくても、ほぼ平行な光線の集合であれば、実用上は問題ない。ホログラム感光媒体４０は、ホログラム像を記録するために用いる感光性の媒体である。このホログラム感光媒体４０への照射光Ｌ２３は、参照光Ｌref を構成する。
On the other hand, the light beam L20 reflected by the
結局、ホログラム感光媒体４０には、散乱体３０の物体光Ｌobj と、参照光Ｌref とが照射されることになる。ここで、物体光Ｌobj および参照光Ｌref は、いずれもコヒーレント光源１０（レーザ光源）で生成された同一波長λをもったコヒーレント光であるから、ホログラム感光媒体４０には、両者の干渉縞が記録されることになる。別言すれば、ホログラム感光媒体４０には、散乱体３０の像がホログラムとして記録される。
Eventually, the hologram
図６は、図５に示す参照光Ｌ２３（Ｌref ）の断面Ｓ１とホログラム感光媒体４０との位置関係を示す平面図である。ビームエキスパンダー２２によって径が広げられた平行光束Ｌ２２は円形断面を有しているため、凸レンズ２３で集光された参照光Ｌref は、レンズの焦点Ｃを頂点とする円錐状に収束する。ただ、図５に示す例では、ホログラム感光媒体４０が、この円錐の中心軸に対して斜めに配置されているため、参照光Ｌ２３（Ｌref ）をホログラム感光媒体４０の表面で切断した断面Ｓ１は、図６に示すように楕円になる。
FIG. 6 is a plan view showing the positional relationship between the cross section S1 of the reference light L23 (Lref) shown in FIG. Since the parallel light beam L22 whose diameter is expanded by the
このように、図６に示す例では、参照光Ｌref は、ホログラム感光媒体４０の全領域のうち、図にハッチングを示す領域内にのみ照射されるので、散乱体３０のホログラムは、このハッチングを施した領域内にのみ記録されることになる。もちろん、ビームエキスパンダー２２によって径がより大きな平行光束Ｌ２２を生成し、径がより大きな凸レンズ２３を用いれば、図７に示す例のように、参照光Ｌref の断面Ｓ２内に、ホログラム感光媒体４０がそっくり含まれるようにすることもできる。この場合、図にハッチングを施したように、ホログラム感光媒体４０の全面に散乱体３０のホログラムが記録される。本発明に用いるホログラム記録媒体を作成する上では、図６，図７のいずれの形態で記録を行ってもかまわない。
In this way, in the example shown in FIG. 6, the reference light Lref is irradiated only in the area shown hatching in the figure in the entire area of the hologram
続いて、散乱体３０の像が、ホログラム感光媒体４０上に記録される光学的なプロセスを、より詳しく見てみよう。図８は、図５に示す光学系における散乱体３０およびホログラム感光媒体４０の周囲の部分拡大図である。上述したように、参照光Ｌref は、円形断面を有する平行光束Ｌ２２を、焦点Ｃをもつ凸レンズ２３で集光したものであり、焦点Ｃを頂点とする円錐状に収束する。そこで、以下、この焦点Ｃを収束点と呼ぶことにする。ホログラム感光媒体４０に照射される参照光Ｌ２３（Ｌref ）は、図示のとおり、この収束点Ｃに収束する光ということになる。
Next, let us look at the optical process in which the image of the
一方、散乱体３０から発せられる光（物体光Ｌobj ）は散乱光であるから、様々な方向に向かうことになる。たとえば、図示のように、散乱体３０の左側面の上端に物体点Ｑ１を考えると、この物体点Ｑ１からは、四方八方に散乱光が射出される。同様に、任意の物体点Ｑ２やＱ３からも、四方八方に散乱光が射出される。したがって、ホログラム感光媒体４０内の任意の点Ｐ１に着目すると、物体点Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３からの物体光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３と収束点Ｃへ向かう参照光Ｌref との干渉縞の情報が記録されることになる。もちろん、実際には、散乱体３０上の物体点は、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３だけではないので、散乱体３０上のすべての物体点からの情報が、同様に、参照光Ｌref との干渉縞の情報として記録される。別言すれば、図示の点Ｐ１には、散乱体３０の全情報が記録されることになる。また、全く同様に、図示の点Ｐ２にも、散乱体３０の全情報が記録される。このように、ホログラム感光媒体４０内のいずれの部分にも、散乱体３０の全情報が記録されることになる。これがホログラムの本質である。
On the other hand, since the light (object light Lobj) emitted from the
さて、このような方法で、散乱体３０の情報が記録されたホログラム感光媒体４０を、以下、ホログラム記録媒体４５と呼ぶことにする。このホログラム記録媒体４５を再生して、散乱体３０のホログラム再生像を得るためには、記録時に用いた光と同一波長のコヒーレント光を、記録時の参照光Ｌref に応じた方向から、再生用照明光として照射すればよい。
Now, the hologram photosensitive medium 40 in which the information of the
図９は、図８に示すプロセスで作成されたホログラム記録媒体４５を用いて、散乱体の像３５を再生するプロセスを示す図である。図示のとおり、ホログラム記録媒体４５に対して、下方から再生用照明光Ｌrep が照射されている。この再生用照明光Ｌrep は、収束点Ｃに位置する点光源から球面波として発散するコヒーレント光であり、その一部分は、図示のように円錐状に広がりながらホログラム記録媒体４５を照射する光になる。また、この再生用照明光Ｌrep の波長は、ホログラム記録媒体４５の記録時の波長（すなわち、図５に示すコヒーレント光源１０が発生するコヒーレント光の波長）に等しい。
FIG. 9 is a diagram showing a process of reproducing the
ここで、図９に示すホログラム記録媒体４５と収束点Ｃとの位置関係は、図８に示すホログラム感光媒体４０と収束点Ｃとの位置関係と全く同じである。したがって、図９に示す再生用照明光Ｌrep は、図８に示す参照光Ｌref の光路を逆進する光に対応する。このような条件を満たす再生用照明光Ｌrep をホログラム記録媒体４５に照射すると、その回折光Ｌ４５（Ｌdif ）によって、散乱体３０のホログラム再生像３５（図では、破線で示す）が得られる。図９に示すホログラム記録媒体４５と再生像３５との位置関係は、図８に示すホログラム感光媒体４０と散乱体３０との位置関係と全く同じである。
Here, the positional relationship between the
このように、任意の物体の像をホログラムとして記録し、これを再生する技術は、古くから実用化されている公知の技術である。ただ、一般的な用途に利用するホログラム記録媒体を作成する場合、参照光Ｌref として平行光束が用いられる。平行光束からなる参照光Ｌref を用いて記録したホログラムは、再生時にも、平行光束からなる再生用照明光Ｌrepを利用すればよいので、利便性に優れている。 As described above, a technique for recording an image of an arbitrary object as a hologram and reproducing it is a known technique that has been put into practical use for a long time. However, when creating a hologram recording medium used for general purposes, a parallel light beam is used as the reference light Lref. Holograms recorded using the reference light Lref consisting of a parallel light beam are excellent in convenience since the reproduction illumination light Lrep consisting of a parallel light beam may be used even during reproduction.
これに対して、図８に示すように、収束点Ｃに収束する光を参照光Ｌref として利用すると、再生時には、図９に示すように、収束点Ｃから発散する光を再生用照明光Ｌrep として用いる必要がある。実際、図９に示すような再生用照明光Ｌrep を得るためには、特定の位置にレンズなどの光学系を配置する必要がある。また、再生時のホログラム記録媒体４５と収束点Ｃとの位置関係が、記録時のホログラム感光媒体４０と収束点Ｃとの位置関係に一致していないと、正確な再生像３５が得られなくなるので、再生時の照明条件が限定されてしまう（平行光束を用いて再生する場合であれば、照明条件は照射角度だけが満足されていればよい）。
On the other hand, as shown in FIG. 8, when the light that converges at the convergence point C is used as the reference light Lref, during reproduction, the light that diverges from the convergence point C is reproduced as shown in FIG. It is necessary to use as. Actually, in order to obtain the reproduction illumination light Lrep as shown in FIG. 9, it is necessary to arrange an optical system such as a lens at a specific position. Further, if the positional relationship between the
このような理由から、収束点Ｃに収束する参照光Ｌrefを用いて作成したホログラム記録媒体は、一般的な用途には不向きである。それにもかかわらず、ここに示す実施形態において、収束点Ｃに収束する光を参照光Ｌref として用いる理由は、再生時に行う光ビーム走査を容易にするためである。すなわち、図９では、説明の便宜上、収束点Ｃから発散する再生用照明光Ｌrep を用いて散乱体３０の再生像３５を生成する方法を示したが、本発明では、実際には、図示のように円錐状に広がる再生用照明光Ｌrep を用いた再生は行わない。その代わりに、光ビームを走査するという方法を採る。以下、この方法を詳しく説明する。
For these reasons, the hologram recording medium created using the reference light Lref that converges at the convergence point C is not suitable for general applications. Nevertheless, in the embodiment shown here, the reason why the light converged at the convergence point C is used as the reference light Lref is to facilitate the light beam scanning performed during reproduction. That is, FIG. 9 shows a method for generating the
図１０は、図８に示すプロセスで作成されたホログラム記録媒体４５に対して、１本の光ビームのみを照射して散乱体３０の像３５を再生するプロセスを示す図である。すなわち、この例では、収束点Ｃから媒体内の１点Ｐ１に向かう１本の光ビームＬ６１のみが再生用照明光Ｌrep として与えられる。もちろん、光ビームＬ６１は、記録時の光と同じ波長をもったコヒーレント光である。既に図８を参照して説明したとおり、ホログラム記録媒体４５内の任意の点Ｐ１には、散乱体３０全体の情報が記録されている。したがって、図１０の点Ｐ１の位置に対して、記録時に用いた参照光Ｌref に対応した条件で再生用照明光Ｌrep を照射すれば、この点Ｐ１の近傍に記録されている干渉縞のみを用いて、散乱体３０の再生像３５を生成することが可能である。図１０には、点Ｐ１からの回折光Ｌ４５（Ｌdif ）によって、再生像３５が再生された状態が示されている。
FIG. 10 is a diagram showing a process of reproducing the
一方、図１１は、収束点Ｃから媒体内の別な点Ｐ２に向かう１本の光ビームＬ６２のみを再生用照明光Ｌrep として与えた例である。この場合も、点Ｐ２には、散乱体３０全体の情報が記録されているので、点Ｐ２の位置に対して、記録時に用いた参照光Ｌref に対応した条件で再生用照明光Ｌrep を照射すれば、この点Ｐ２の近傍に記録されている干渉縞のみを用いて、散乱体３０の再生像３５を生成することが可能である。図１１には、点Ｐ２からの回折光Ｌ４５（Ｌdif ）によって、再生像３５が再生された状態が示されている。図１０に示す再生像３５も、図１１に示す再生像３５も、同じ散乱体３０を原画像とするものであるから、理論的には、同じ位置に生成される同じ再生像ということになる。
On the other hand, FIG. 11 shows an example in which only one light beam L62 directed from the convergence point C to another point P2 in the medium is given as the reproduction illumination light Lrep. Also in this case, since the information of the
図１２は、図１０および図１１に示す再生プロセスにおける光ビームの照射位置を示す平面図である。図１２の点Ｐ１は、図１０の点Ｐ１に対応し、図１２の点Ｐ２は、図１１の点Ｐ２に対応する。Ａ１，Ａ２は、それぞれ再生用照明光Ｌrep の断面を示している。断面Ａ１，Ａ２の形状および大きさは、光ビームＬ６１，Ｌ６２の断面の形状および大きさに依存する。また、ホログラム記録媒体４５上の照射位置にも依存する。ここでは、便宜上、円形の断面Ａ１，Ａ２を示しているが、実際には、円形断面をもつ光ビームＬ６１，Ｌ６２を用いた場合、断面形状は照射位置に応じて扁平した楕円になる。
FIG. 12 is a plan view showing the irradiation position of the light beam in the reproduction process shown in FIGS. A point P1 in FIG. 12 corresponds to the point P1 in FIG. 10, and a point P2 in FIG. 12 corresponds to the point P2 in FIG. A1 and A2 respectively indicate cross sections of the reproduction illumination light Lrep. The shapes and sizes of the cross sections A1 and A2 depend on the shapes and sizes of the cross sections of the light beams L61 and L62. Further, it also depends on the irradiation position on the
このように、図１２に示す点Ｐ１近傍と、点Ｐ２近傍では、それぞれ記録されている干渉縞の内容は全く異なるものであるが、いずれの点に再生用照明光Ｌrep となる光ビームを照射した場合でも、同じ位置に同じ再生像３５が得られることになる。これは、再生用照明光Ｌrep が収束点Ｃから各点Ｐ１，Ｐ２に向かう光ビームであるため、いずれの点についても、図８に示す記録時の参照光Ｌref の向きに応じた向きの再生用照明光Ｌrep が与えられるためである。
As described above, the recorded interference fringes are completely different in the vicinity of the point P1 and in the vicinity of the point P2 shown in FIG. 12, but the light beam serving as the reproduction illumination light Lrep is irradiated to any point. Even in this case, the same reproduced
図１２には、２つの点Ｐ１，Ｐ２のみを例示したが、もちろん、ホログラム記録媒体４５上の任意の点についても同様のことが言える。したがって、ホログラム記録媒体４５上の任意の点に光ビームを照射した場合、当該光ビームが収束点Ｃからの光である限り、同一位置に同一の再生像３５が得られることになる。もっとも、図６に示すように、ホログラム感光媒体４０の一部分の領域（図にハッチングを施して示す領域）にのみホログラムを記録した場合、再生像３５が得られるのは、当該領域内の点に光ビームを照射した場合に限られる。
FIG. 12 illustrates only two points P1 and P2, but the same can be said of an arbitrary point on the
結局、ここで述べたホログラム記録媒体４５は、特定の収束点Ｃに収束する参照光Ｌref を用いて散乱体３０の像がホログラムとして記録されている媒体であり、この収束点Ｃを通る光ビームを再生用照明光Ｌrep として任意の位置に照射すると、散乱体３０の再生像３５が生成される、という特徴を有している。したがって、再生用照明光Ｌrep として、収束点Ｃを通る光ビームを、ホログラム記録媒体４５上で走査すると、個々の照射箇所から得られる回折光Ｌdif によって、同一の再生像３５が同一位置に再生されることになる。
Eventually, the
＜＜＜ §３．本発明の基本的実施形態に係る照明ユニット ＞＞＞
本発明の特徴は、スキャナ装置あるいは物体の三次元形状測定装置に、スペックル抑制機能をもった特有の照明ユニットを採用した点にある。そこで、ここでは、本発明の基本的実施形態に係る照明ユニット１００の構成を、図１３の側面図を参照しながら説明する。図示のとおり、この照明ユニット１００は、ホログラム記録媒体４５、コヒーレント光源５０、光ビーム走査装置６０によって構成されている。
<<< §3. Lighting unit according to a basic embodiment of the present invention >>>
A feature of the present invention is that a specific illumination unit having a speckle suppression function is employed in the scanner device or the three-dimensional shape measuring device for an object. Therefore, here, the configuration of the
ここで、ホログラム記録媒体４５は、§２で述べた特徴を有する媒体であり、散乱体３０の像３５が記録されている。また、コヒーレント光源５０は、ホログラム記録媒体４５を作成する際に用いた光（物体光Ｌobj および参照光Ｌref ）の波長と同一波長をもつコヒーレントな光ビームＬ５０を発生させる光源である。
Here, the
一方、光ビーム走査装置６０は、コヒーレント光源５０が発生した光ビームＬ５０を、所定の走査基点Ｂで屈曲させてホログラム記録媒体４５に照射し、かつ、光ビームＬ５０の屈曲態様を時間的に変化させることにより、屈曲された光ビームＬ６０のホログラム記録媒体４５に対する照射位置が時間的に変化するように走査する装置である。このような装置は、一般に、走査型ミラーデバイスとして公知の装置である。図には、説明の便宜上、時刻ｔ１における屈曲態様を一点鎖線で示し、時刻ｔ２における屈曲態様を二点鎖線で示している。すなわち、時刻ｔ１では、光ビームＬ５０は走査基点Ｂで屈曲し、光ビームＬ６０（ｔ１）としてホログラム記録媒体４５の点Ｐ（ｔ１）に照射されるが、時刻ｔ２では、光ビームＬ５０は、走査基点Ｂで屈曲し光ビームＬ６０（ｔ２）としてホログラム記録媒体４５の点Ｐ（ｔ２）に照射される。
On the other hand, the light
図には、便宜上、時刻ｔ１，ｔ２の２つの時点における屈曲態様しか示されていないが、実際には、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームの屈曲方向は滑らかに変化し、光ビームＬ６０のホログラム記録媒体４５に対する照射位置は、図の点Ｐ（ｔ１）〜Ｐ（ｔ２）へと徐々に移動してゆくことになる。すなわち、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームＬ６０の照射位置は、ホログラム記録媒体４５上において点Ｐ（ｔ１）〜Ｐ（ｔ２）へと走査されることになる。
For the sake of convenience, only the bending modes at two points in time t1 and t2 are shown in the figure, but actually, the bending direction of the light beam changes smoothly during the period from time t1 to time t2, and the light beam L60. The irradiation position with respect to the
ここで、走査基点Ｂの位置を、図８に示す収束点Ｃの位置に一致させておけば（別言すれば、図１３におけるホログラム記録媒体４５と走査基点Ｂとの位置関係が、図８におけるホログラム感光媒体４０と収束点Ｃとの位置関係に等しくなるようにしておけば）、ホログラム記録媒体４５の各照射位置において、光ビームＬ６０は、図８に示す参照光Ｌref に応じた向き（図８に示す参照光Ｌref の光路を逆進する向き）に照射されることになる。したがって、光ビームＬ６０は、ホログラム記録媒体４５の各照射位置において、そこに記録されているホログラムを再生するための正しい再生用照明光Ｌrep として機能する。
Here, if the position of the scanning base point B coincides with the position of the convergence point C shown in FIG. 8 (in other words, the positional relationship between the
たとえば、時刻ｔ１では、点Ｐ（ｔ１）からの回折光Ｌ４５（ｔ１）によって、散乱体３０の再生像３５が生成され、時刻ｔ２では、点Ｐ（ｔ２）からの回折光Ｌ４５（ｔ２）によって、散乱体３０の再生像３５が生成される。もちろん、時刻ｔ１〜ｔ２の期間においても、光ビームＬ６０が照射された個々の位置からの回折光によって、同様に散乱体３０の再生像３５が生成される。すなわち、光ビームＬ６０が、走査基点Ｂからホログラム記録媒体４５へ向かう光である限り、ホログラム記録媒体４５上のどの位置に光ビームＬ６０が照射されたとしても、照射位置からの回折光によって、同一の再生像３５が同一位置に生成されることになる。
For example, at time t1, a reproduced
このような現象が起こるのは、図８に示すとおり、ホログラム記録媒体４５には、特定の収束点Ｃに収束する参照光Ｌ２３を用いて散乱体３０の像がホログラムとして記録されており、光ビーム走査装置６０が、この収束点Ｃを走査基点Ｂとして光ビームＬ６０の走査を行うためである。もちろん、光ビーム走査装置６０による走査を停止して、光ビームＬ６０の照射位置をホログラム記録媒体４５上の１点に固定したとしても、同じ再生像３５が同一位置に生成され続けることに変わりはない。それにもかかわらず、光ビームＬ６０を走査するのは、スペックルノイズを抑制するために他ならない。
Such a phenomenon occurs, as shown in FIG. 8, in the
図１４は、図１３に示す照明ユニット１００を用いて、載置ステージ２１０を照明している状態を示す側面図である。ここでは、図示の便宜上、右端に配置された載置ステージ２１０を左方から照明する状態が示されているが、図１に示す三次元形状測定装置に用いる場合、照明ユニット１００は、下方に配置された載置ステージ２１０を上方から照明することになる。
FIG. 14 is a side view showing a state in which the mounting
既に述べたとおり、照明ユニット１００は、ホログラム記録媒体４５から得られる散乱体の像３５の再生光を照明光として用いる装置である。ここでは、載置ステージ２１０の左側の面（図１に示す構成の場合は上面）を照明ユニット１００によって照明するために、図示のように、散乱体の再生像３５の左側面に載置ステージ２１０の左側面が一致するような位置に、載置ステージ２１０を配置した場合を考えてみる。この場合、載置ステージ２１０の左側面が受光面Ｒとなり、ホログラム記録媒体４５からの回折光は、この受光面Ｒに照射されることになる。
As already described, the
そこで、この受光面Ｒ上に任意の着目点Ｑを設定し、この着目点Ｑに到達する回折光がどのようなものかを考えてみる。まず、時刻ｔ１では、コヒーレント光源５０から出た光ビームＬ５０は、図に一点鎖線で示すように走査基点Ｂで屈曲し、光ビームＬ６０（ｔ１）として点Ｐ（ｔ１）に照射される。そして、点Ｐ（ｔ１）からの回折光Ｌ４５（ｔ１）が着目点Ｑに到達する。一方、時刻ｔ２では、コヒーレント光源５０から出た光ビームＬ５０は、図に二点鎖線で示すように走査基点Ｂで屈曲し、光ビームＬ６０（ｔ２）として点Ｐ（ｔ２）に照射される。そして、点Ｐ（ｔ２）からの回折光Ｌ４５（ｔ２）が着目点Ｑに到達する。
Accordingly, an arbitrary point of interest Q is set on the light receiving surface R, and the diffracted light reaching the point of interest Q is considered. First, at time t1, the light beam L50 emitted from the coherent
結局、このような回折光によって、着目点Ｑの位置には、常に、散乱体３０の着目点Ｑの位置に対応する再生像が生成されることになるが、着目点Ｑに対する回折光の入射角は、時刻ｔ１と時刻ｔ２とで異なる。別言すれば、光ビームＬ６０を走査した場合、受光面Ｒ上に形成される再生像３５に変わりはないものの、受光面Ｒ上の個々の点に到達する回折光の入射角度は時間とともに変化することになる。このような入射角度の時間変化は、スペックルを低減させる上で大きな貢献を果たす。
Eventually, a reproduced image corresponding to the position of the point of interest Q of the
前述したとおり、コヒーレント光を用いるとスペックルが発生する理由は、受光面Ｒの各部で反射したコヒーレント光が、その極めて高い可干渉性ゆえに、互いに干渉し合うためである。ところが、本発明では、光ビームＬ６０の走査により、受光面Ｒ（もしくは物体Ｍの表面）の各部への回折光の入射角度が時間的に変動するため、干渉の態様も時間的に変動し、多重度をもつことになる。このため、スペックルの発生要因は、時間的に分散し、線状パターンＵに生じる輝度ムラを低減させることができる。これが図１４に示す照明ユニット１００のもつ有利な特徴である。
As described above, speckles are generated when coherent light is used because the coherent light reflected from each part of the light receiving surface R interferes with each other because of its extremely high coherence. However, in the present invention, the incident angle of the diffracted light to each part of the light receiving surface R (or the surface of the object M) varies with time by scanning with the light beam L60, so the mode of interference also varies with time. It will have multiplicity. For this reason, speckle generation factors are dispersed over time, and luminance unevenness generated in the linear pattern U can be reduced. This is an advantageous feature of the
本発明に係るスキャナ装置および物体の三次元形状測定装置は、このような特徴をもつ照明ユニット１００を用いて、物体Ｍに対する線状パターンＵの投影を行う。図１５は、図１３に示す照明ユニット１００を用いて物体Ｍ上に線状パターンＵを投影した状態を示す側面図である。線状パターンＵは、本来は厚みのないパターンであるが、ここでは、説明の便宜上、黒い太線で示している。
The scanner device and the object three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention project the linear pattern U onto the object M using the
図示の例の場合、物体Ｍを載せるための載置ステージ２１０の上面を構成する受光面Ｒに、ホログラム再生像３５が形成された状態が示されている。したがって、線状パターンＵのうち、受光面Ｒ上に形成されている部分は、ホログラム再生像３５そのものになるが、物体Ｍの上面に形成されている部分は、ホログラム再生光が物体Ｍの表面で遮られて散乱した領域からなるパターンということになる。したがって、前者に比べて後者は、輪郭部分が若干ボケて不鮮明になるが、物体Ｍの高さに比べて、照明ユニット１００と受光面Ｒとの距離が十分に大きければ、実用上、問題は生じない。
In the case of the illustrated example, a state in which the
同様の理由により、ホログラム再生像３５の形成位置は、必ずしも載置ステージ２１０の上面の位置に正確に一致させる必要はなく、たとえば、ホログラム再生像３５が物体Ｍの上端位置に形成されるようにしてもかまわない。上述したように、物体Ｍの高さに比べて、照明ユニット１００と受光面Ｒとの距離が十分に大きくなるように設定しておけば、物体Ｍの近傍面上にホログラム再生像３５が形成されるようにすれば、実用上、問題は生じない。
For the same reason, the formation position of the
かくして、本発明に係る照明ユニット１００を用いれば、コヒーレント光を用いることにより、単色性をもった高輝度の線状パターンＵを物体Ｍ上に投影しつつ、スペックルの低減を図ることができる。しかも、光ビーム走査装置６０は、比較的小型の装置で実現することができるので、散乱体を回転させたり、振動させたりする従来装置に比べて、照明ユニット１００を小型化することが可能であり、消費電力も低く抑えることができる。
Thus, by using the
＜＜＜ §４．照明ユニット各部の詳細な説明 ＞＞＞
図１３に示す照明ユニット１００は、§３で述べたとおり、ホログラム記録媒体４５、コヒーレント光源５０、光ビーム走査装置６０によって構成されている。ここでは、これら各構成要素について、より詳細な説明を行う。
<<< §4. Detailed explanation of each part of the lighting unit >>>
The
＜４−１＞ コヒーレント光源
まず、コヒーレント光源５０としては、ホログラム記録媒体４５を作成する際に用いた光（物体光Ｌobj および参照光Ｌref ）の波長と同一波長をもつコヒーレントな光ビームＬ５０を発生させる光源を用いればよい。もっとも、コヒーレント光源５０が発生させる光ビームＬ５０の波長は、ホログラム記録媒体４５を作成する際に用いた光の波長と完全に同一である必要はなく、近似する波長であれば、ホログラムの再生像を得ることができる。要するに、本発明に用いるコヒーレント光源５０は、散乱体の像３５を再生することが可能な波長をもったコヒーレントな光ビームＬ５０を発生させる光源であればよい。
<4-1> Coherent light source First, as the coherent
実際には、図５に示すコヒーレント光源１０と同一の光源を、そのままコヒーレント光源５０として利用することができる。ここに示す実施形態の場合、波長λ＝５３２ｎｍ（緑色）のレーザ光を射出することが可能なＤＰＳＳ（Diode Pumped Solid State）レーザ装置をコヒーレント光源５０として用いた。ＤＰＳＳレーザは、小型でありながら比較的高出力の所望の波長のレーザ光を得ることができるため、本発明に係るスキャナ装置や物体の三次元形状測定装置への利用に適したコヒーレント光源である。
Actually, the same light source as the coherent
このＤＰＳＳレーザ装置は、一般的な半導体レーザに比べてコヒーレント長が長いため、スペックルが発生しやすく、従来は、照明の用途には不適当と考えられていた。すなわち、従来は、スペックルを低減させるためには、レーザ光の発振波長に幅をもたせ、できるだけコヒーレント長を短くする努力が払われてきた。これに対して、本発明では、コヒーレント長が長い光源を用いたとしても、前述した原理により、スペックルの発生を効果的に抑制することができるので、光源としてＤＰＳＳレーザ装置を用いたとしても、実用上、スペックルの発生は問題にならなくなる。このような点において、本発明を利用すれば、光源の選択範囲をより広げる効果が得られる。 Since this DPSS laser device has a longer coherence length than a general semiconductor laser, speckles are likely to occur, and it has been conventionally considered inappropriate for illumination applications. That is, conventionally, in order to reduce speckle, efforts have been made to increase the oscillation wavelength of laser light and shorten the coherent length as much as possible. On the other hand, in the present invention, even if a light source having a long coherent length is used, the generation of speckle can be effectively suppressed by the above-described principle, so even if a DPSS laser device is used as the light source. In practice, the generation of speckle is no longer a problem. In such a point, if the present invention is used, an effect of further expanding the selection range of the light source can be obtained.
＜４−２＞ 光ビーム走査装置
光ビーム走査装置６０は、ホログラム記録媒体４５上で、光ビームを走査する機能をもった装置である。ここでは、この光ビーム走査装置６０によるビーム走査の具体的な方法を述べておく。図１６は、図１３に示す照明ユニット１００におけるホログラム記録媒体４５上の光ビームの走査態様の第１の例を示す平面図である。この例では、ホログラム記録媒体４５として、横幅Ｄａ＝１２ｍｍ、縦幅Ｄｂ＝１０ｍｍの媒体を用い、この媒体上を走査する光ビームＬ６０として、直径１ｍｍの円形断面をもったレーザビームを用いている。図示のとおり、ＣＲＴにおける電子線の走査と同様に、光ビームＬ６０の照射位置を、第１行目の開始領域Ａ１Ｓから終了領域Ａ１Ｅまで水平方向に走査し、続いて、第２行目の開始領域Ａ２Ｓから終了領域Ａ２Ｅまで水平方向に走査し、... 、最後に、第ｎ行目の開始領域ＡｎＳから終了領域ＡｎＥまで水平方向に走査し、再び、第１行目の開始領域Ａ１Ｓへ戻って、同様の作業を繰り返す方法が採られている。
<4-2> Light Beam Scanning Device The light
この図１６に示す走査方法では、ホログラム記録媒体４５の全面が光ビームによる走査を受けることになるが、本発明では、必ずしもホログラム記録媒体４５の全面を漏れなく走査する必要はない。たとえば、図１７は、図１６に示す走査方法における奇数行目の走査のみを行い、偶数行目の走査を省略した例である。このように、１行おきに走査を行うと、ホログラム記録媒体４５の一部の領域に記録されているホログラム情報は、像の再生に全く寄与しないことになるが、それでも特に問題が生じることはない。図１８は、更に極端な走査方法を示す例であり、縦幅Ｄｂの中央位置において、開始領域Ａ１Ｓから終了領域Ａ１Ｅまで水平方向に１行だけ走査する作業を繰り返し行うものである。
In the scanning method shown in FIG. 16, the entire surface of the
もちろん、走査方向の設定も自由であり、１行目の走査を左から右へ行った後、２行目の走査を右から左へ行うようにしてもよい。また、走査方向は必ずしも直線に限定されるものではなく、ホログラム記録媒体４５上で円を描くような走査を行うことも可能である。
Of course, the setting of the scanning direction is also arbitrary, and the scanning of the first row may be performed from left to right and then the scanning of the second row may be performed from right to left. Further, the scanning direction is not necessarily limited to a straight line, and it is also possible to perform scanning that draws a circle on the
なお、図６に示す例のように、ホログラム感光媒体４０の一部の領域（ハッチングを施した領域）にのみ参照光Ｌref を照射して記録を行った場合は、他の領域（外側の白い領域）にはホログラムが記録されていない。このような場合、外側の白い領域まで走査を行うと再生像３５が得られないため、照明が一時的に暗くなってしまう。したがって、実用上は、ホログラムが記録されている領域内のみを走査するようにするのが好ましい。
As shown in the example of FIG. 6, when recording is performed by irradiating only a partial area (hatched area) of the hologram photosensitive medium 40 with the reference light Lref, the other area (white outer area) is recorded. No area is recorded with a hologram. In such a case, if the outer white area is scanned, the reproduced
既に述べたとおり、ホログラム記録媒体４５上における光ビームの走査は、光ビーム走査装置６０によって行われる。この光ビーム走査装置６０は、コヒーレント光源５０からの光ビームＬ５０を、走査基点Ｂ（ホログラム記録時の収束点Ｃ）で屈曲させてホログラム記録媒体４５に照射する機能を有する。しかも、その屈曲態様（屈曲の方向と屈曲角度の大きさ）を時間的に変化させることにより、屈曲された光ビームＬ６０のホログラム記録媒体４５に対する照射位置が時間的に変化するように走査する。このような機能をもった装置は、走査型ミラーデバイスとして種々の光学系で利用されている。
As already described, the light beam scanning on the
たとえば、図１３に示す例では、光ビーム走査装置６０として、便宜上、単なる反射鏡の図が描かれているが、実際には、この反射鏡を２軸方向に回動させる駆動機構が備わっている。すなわち、図示の反射鏡の反射面の中心位置に走査基点Ｂを設定し、この走査基点Ｂを通り、反射面上で互いに直交するＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、この反射鏡をＶ軸（図の紙面に垂直な軸）まわりに回動させる機構と、Ｗ軸（図に破線で示す軸）まわりに回動させる機構とが備わっている。
For example, in the example shown in FIG. 13, a simple reflecting mirror is illustrated as the light
このように、Ｖ軸およびＷ軸まわりに独立して回動可能な反射鏡を用いれば、反射した光ビームＬ６０を、ホログラム記録媒体４５上で水平方向および垂直方向に走査することが可能である。たとえば、上述の機構において、反射光をＶ軸まわりに回動すれば、図１６に示すホログラム記録媒体４５上で光ビームＬ６０の照射位置を水平方向に走査することができ、Ｗ軸まわりに回動すれば、垂直方向に走査することができる。
In this way, by using a reflecting mirror that can be rotated independently about the V-axis and the W-axis, the reflected light beam L60 can be scanned on the
要するに、光ビーム走査装置６０が、走査基点Ｂを含む平面上で揺動運動を行うように光ビームＬ６０を屈曲させる機能を有していれば、ホログラム記録媒体４５上で光ビームＬ６０の照射位置を一次元方向に走査することができる。図１８に示す例のように、光ビームを水平方向にのみ走査を行う運用をとるのであれば、光ビーム走査装置６０は、ホログラム記録媒体４５上での光ビームの照射位置を一次元方向に走査する機能を有していれば足りる。
In short, if the light
これに対して、ホログラム記録媒体４５上で光ビームＬ６０の照射位置を二次元方向に走査する運用をとるのであれば、光ビーム走査装置６０に、走査基点Ｂを含む第１の平面上で揺動運動を行うように光ビームＬ６０を屈曲させる機能と（図１３において、Ｖ軸まわりに反射鏡を回動させれば、光ビームＬ６０は、紙面に含まれる平面上で揺動運動を行う）、走査基点Ｂを含み第１の平面と直交する第２の平面上で揺動運動を行うように光ビームＬ６０を屈曲させる機能と（図１３において、Ｗ軸まわりに反射鏡を回動させれば、光ビームＬ６０は、紙面に垂直な平面上で揺動運動を行う）、をもたせておけばよい。
On the other hand, if the operation of scanning the irradiation position of the light beam L60 in the two-dimensional direction on the
光ビームの照射位置を一次元方向に走査するための走査型ミラーデバイスとしては、ポリゴンミラーが広く利用されている。また、二次元方向に走査するための走査型ミラーデバイスとしては、ポリゴンミラーを２組組み合わせたものを用いることもできるし、ジンバルミラー、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラーなどのデバイスが知られている。更に、通常のミラーデバイス以外でも、全反射プリズム、屈折プリズム、電気光学結晶（ＫＴＮ結晶など）等も、光ビーム走査装置６０として利用可能である。
A polygon mirror is widely used as a scanning mirror device for scanning the irradiation position of a light beam in a one-dimensional direction. As a scanning mirror device for scanning in a two-dimensional direction, a combination of two polygon mirrors can be used, and devices such as a gimbal mirror, a galvano mirror, and a MEMS mirror are known. In addition to a normal mirror device, a total reflection prism, a refraction prism, an electro-optic crystal (such as a KTN crystal), and the like can be used as the light
なお、光ビームＬ６０の径が、ホログラム記録媒体４５の寸法に近くなると、スペックルを抑制する効果が損なわれることがあるので留意する必要がある。図１６〜図１８に示す例の場合、上述したとおり、ホログラム記録媒体４５の横幅はＤａ＝１２ｍｍ、縦幅はＤｂ＝１０ｍｍであり、光ビームＬ６０は直径１ｍｍの円形断面をもったレーザビームである。このような寸法条件であれば、スペックルを抑制する効果が十分に得られる。これは、ホログラム記録媒体４５上のいずれの領域も、光ビームＬ６０の照射を一時的に受けるだけであり、同一領域から継続して回折光が出ることはないためである。
Note that when the diameter of the light beam L60 is close to the dimension of the
ところが、たとえば、図１９に示す例のように、ホログラム記録媒体４５の寸法に近い径をもった光ビームを照射した場合、継続して回折光を出し続ける領域（図のハッチング部分）が形成されることになる。すなわち、光ビームＬ６０の照射位置を、第１行目の開始領域Ａ１Ｓから終了領域Ａ１Ｅまで水平方向に走査したとしても、図にハッチングを施した領域ａ１は、常に光ビームの照射を受けることになる。同様に、第ｎ行目の開始領域ＡｎＳから終了領域ＡｎＥまで水平方向に走査したとしても、領域ａ２は、常に光ビームの照射を受けることになる。また、垂直方向の走査を考えると、各行の開始領域に関しては領域ａ３が、各行の終了領域に関しては領域ａ４が、それぞれ重複した領域となるので、走査する行を変えても、常に光ビームの照射を受けることになる。
However, for example, as shown in the example shown in FIG. 19, when a light beam having a diameter close to the dimension of the
結局、これらハッチングを施した領域については、光ビーム走査の恩恵を受けることができず、継続して回折光が出ることになる。その結果、そのような領域から発せられた回折光は、照明対象物の受光面Ｒ上に同一角度で入射し続けることになり、スペックル発生の要因となる。したがって、光ビームＬ６０の径は、ホログラム記録媒体４５の寸法に近いほど大きくすべきではない。
Eventually, these hatched areas cannot receive the benefits of light beam scanning, and diffracted light continues to be emitted. As a result, diffracted light emitted from such a region continues to be incident on the light receiving surface R of the illumination object at the same angle, which causes speckle generation. Therefore, the diameter of the light beam L60 should not be increased as it approaches the dimension of the
このような弊害は、走査ピッチを光ビームＬ６０の径より小さく設定した場合にも生じる。たとえば、図１６は、縦方向の走査ピッチを光ビームＬ６０の径に等しく設定した例であり、図１７は、縦方向の走査ピッチを光ビームＬ６０の径の２倍に設定した例である。このように、縦方向（副走査方向）の走査ピッチを光ビームの径以上に設定しておけば、第ｉ行目の走査領域と第（ｉ＋１）行目の走査領域とが重複することはないが、走査ピッチが光ビームの径未満になると、重複領域が発生し、上述したようにスペックル発生の要因になる可能性がある。 Such an adverse effect also occurs when the scanning pitch is set smaller than the diameter of the light beam L60. For example, FIG. 16 is an example in which the vertical scanning pitch is set equal to the diameter of the light beam L60, and FIG. 17 is an example in which the vertical scanning pitch is set to twice the diameter of the light beam L60. Thus, if the scanning pitch in the vertical direction (sub-scanning direction) is set to be equal to or larger than the diameter of the light beam, the i-th scanning region and the (i + 1) -th scanning region overlap. However, if the scanning pitch is less than the diameter of the light beam, an overlapping region is generated, which may cause speckles as described above.
また、撮影ユニット３００の撮影時間（ＣＣＤカメラの露光時間）に比べて遅い走査速度も、スペックル発生の要因になる。たとえば、１行の走査に１時間を要するような遅い速度で走査したとしても、撮影ユニット３００の撮影時間の尺度からは、走査を行っていないのと同じであり、撮影画像上にはスペックルが現れることになる。光ビームを走査することによりスペックルが低減するのは、前述したとおり、受光面Ｒ（もしくは物体Ｍの表面）の各部に照射される光の入射角度が時間的に多重化されるためである。したがって、ビーム走査によるスペックル低減の効果を十分に得るためには、スペックルを生じさせる原因となる同一の干渉条件が維持される時間が、撮影ユニット３００の撮影時間よりも短くなるようにし、１枚の画像を撮影するための露光時間の間に、スペックルを発生させる条件が時間的に変化するようにすればよい。
Also, a slower scanning speed than the photographing time of the photographing unit 300 (exposure time of the CCD camera) causes speckles. For example, even if scanning is performed at such a low speed that one hour is required for scanning one line, the scanning time scale of the photographing
＜４−３＞ ホログラム記録媒体
ホログラム記録媒体４５については、既に§２において、詳細な製造プロセスを述べたとおりである。すなわち、本発明に用いるホログラム記録媒体４５は、特定の収束点Ｃに収束する参照光を用いて散乱体３０の像がホログラムとして記録されている、という特徴を有している媒体であればよい。そこで、ここでは、本発明に利用するのに適した具体的なホログラム記録媒体の形態を述べておく。
<4-3> Hologram recording medium The
ホログラムには、いくつかの物理的な形態がある。本願発明者は、本発明に利用するには、体積型ホログラムが最も好ましいと考えている。特に、フォトポリマーを用いた体積型ホログラムを用いるのが最適である。 There are several physical forms of holograms. The inventor of the present application considers that a volume hologram is most preferable for use in the present invention. In particular, it is optimal to use a volume hologram using a photopolymer.
一般に、キャッシュカードや金券などに偽造防止用シールとして利用されているホログラムは、表面レリーフ（エンボス）型ホログラムと呼ばれており、表面の凹凸構造によってホログラム干渉縞の記録が行われる。もちろん、本発明を実施する上では、散乱体３０の像を、表面レリーフ型ホログラムとして記録しているホログラム記録媒体４５（一般に、ホログラフィック・ディフーザーと呼ばれている）を利用することも可能である。しかしながら、この表面レリーフ型ホログラムの場合、表面の凹凸構造による散乱が、新たなスペックル生成要因となる可能性があるため、スペックルを低減させる、という観点からは好ましくない。また、表面レリーフ型ホログラムでは、多次回折光が発生するため、回折効率が低くなり、更に、回折性能（回折角をどこまで大きくできるかという性能）にも限界がある。
In general, a hologram used as an anti-counterfeit seal for a cash card or a cash voucher is called a surface relief (emboss) type hologram, and hologram interference fringes are recorded by a concavo-convex structure on the surface. Of course, in carrying out the present invention, it is also possible to use a hologram recording medium 45 (generally called a holographic diffuser) that records an image of the
これに対して、体積型ホログラムでは、媒体内部の屈折率分布としてホログラム干渉縞の記録が行われるため、表面の凹凸構造による散乱による影響を受けることはない。また、一般に、回折効率や回折性能も表面レリーフ型ホログラムより優れている。したがって、本発明を実施する際には、散乱体３０の像を、体積型ホログラムとして記録している媒体をホログラム記録媒体４５として利用するのが最適である。
On the other hand, in the volume hologram, since hologram interference fringes are recorded as a refractive index distribution inside the medium, it is not affected by scattering due to the uneven structure on the surface. In general, the diffraction efficiency and the diffraction performance are also superior to the surface relief hologram. Therefore, when carrying out the present invention, it is optimal to use a medium in which the image of the
ただ、体積型ホログラムでも、銀塩材料を含む感光媒体を利用して記録するタイプのものは、銀塩粒子による散乱が新たなスペックル生成要因となる可能性があるため、避けた方が好ましい。このような理由から、本願発明者は、本発明に利用するホログラム記録媒体４５としては、フォトポリマーを用いた体積型ホログラムが最適であると考えている。このようなフォトポリマーを用いた体積型ホログラムの具体的な化学組成は、たとえば、特許第２８４９０２１号公報に例示されている。
However, volume holograms that are recorded using a photosensitive medium containing a silver salt material are preferably avoided because scattering by silver salt particles may cause new speckle generation. . For these reasons, the present inventor believes that a volume hologram using a photopolymer is optimal as the
もっとも、量産性という点では、体積型ホログラムよりも表面レリーフ型ホログラムの方が優れている。表面レリーフ型ホログラムは、表面に凹凸構造をもった原版を作成し、この原版を用いたプレス加工により、媒体の量産を行うことができる。したがって、製造コストを低減させる必要がある場合には、表面レリーフ型ホログラムを利用すればよい。 However, the surface relief type hologram is superior to the volume type hologram in terms of mass productivity. The surface relief hologram can be mass-produced by producing an original plate having a concavo-convex structure on the surface and press working using the original plate. Therefore, when it is necessary to reduce the manufacturing cost, a surface relief hologram may be used.
また、ホログラムの物理的な形態としては、平面上に濃淡パターンとして干渉縞を記録した振幅変調型ホログラムも広く普及している。しかしながら、この振幅変調型ホログラムは、回折効率が低く、濃いパターン部分で光の吸収が行われてしまうため、本発明に利用した場合、十分な照明効率を確保することができない。ただ、その製造工程では、平面上に濃淡パターンを印刷する簡便な方法を採ることができるため、製造コストの点ではメリットが得られる。したがって、用途によっては、振幅変調型ホログラムを本発明に採用することも可能である。 As a physical form of the hologram, an amplitude modulation type hologram in which interference fringes are recorded as a light and shade pattern on a plane is also widely used. However, since this amplitude modulation hologram has low diffraction efficiency and light is absorbed in a dark pattern portion, sufficient illumination efficiency cannot be secured when used in the present invention. However, in the manufacturing process, since a simple method of printing a shading pattern on a flat surface can be adopted, a merit can be obtained in terms of manufacturing cost. Therefore, depending on the application, it is also possible to employ an amplitude modulation hologram in the present invention.
なお、図５に示す記録方法では、いわゆるフレネルタイプのホログラム記録媒体が作成されることになるが、散乱体３０をレンズを通して記録することにより得られるフーリエ変換タイプのホログラム記録媒体を作成してもかまわない。この場合、必要に応じて、回折光Ｌ４５の光路上にレンズを設けて集光するようにし、照明効率を向上させるようにしてもよいが、レンズなしでも照明ユニット１００としての機能を十分に果たすことができる。
In the recording method shown in FIG. 5, a so-called Fresnel type hologram recording medium is produced. However, even if a Fourier transform type hologram recording medium obtained by recording the
＜＜＜ §５．本発明に用いる照明ユニットの変形例 ＞＞＞
これまで、本発明に係るスキャナ装置および物体の三次元形状測定装置を、基本的な実施形態について説明した。この基本的な実施形態の特徴は、図１３に示すような、固有の特徴を有する照明ユニット１００を用いて、物体Ｍに対する照明を行う点にある。
<<< §5. Modification of lighting unit used in the present invention >>
So far, the basic embodiment of the scanner device and the object three-dimensional shape measuring device according to the present invention has been described. The feature of this basic embodiment is that the object M is illuminated using an
すなわち、照明ユニット１００を利用して照明を行う場合、まず、線状パターンＵを構成するための散乱体３０の像３５をホログラムとして記録用媒体４０上に記録することによりホログラム記録媒体４５を作成する準備段階を行い、この準備段階で作成したホログラム記録媒体４５を用いて照明ユニット１００を構成する。そして、ホログラム記録媒体４５から得られるホログラムの再生光の照射を受ける位置に物体Ｍを配置した状態で、ホログラム記録媒体４５上にコヒーレントな光ビームＬ６０を照射し、かつ、照射位置が時間的に変化するように光ビームＬ６０をホログラム記録媒体４５上で走査し、物体Ｍ上に線状パターンＵを投影する投影段階と、この線状パターンＵが投影された物体Ｍを所定方向から撮影し、物体Ｍの表面情報を取り込む撮影段階と、を行い、物体Ｍの表面情報を取得すればよい。
That is, when the
この場合、準備段階では、図５に示すように、コヒーレントな照明光Ｌ１２を散乱体３０に照射し、散乱体３０から得られる散乱光Ｌ３０を物体光Ｌobj として用いる。また、所定光路に沿って記録用媒体４０に照射され、照明光Ｌ１２と同一波長のコヒーレントな光Ｌ２３を参照光Ｌref として用いる。そして、物体光Ｌobj と参照光Ｌref とによって形成される干渉縞を記録用媒体４０に記録することによりホログラム記録媒体４５を作成する。また、投影段階では、図１３に示すように、参照光Ｌref と同一波長（もしくは、ホログラムの再生が可能な近似波長）の光ビームＬ６０が、参照光Ｌref の光路に沿った光路を通ってホログラム記録媒体４５上の照射位置へ向かうように走査を行い（別言すれば、参照光Ｌref と光学的に共役になる方向から光ビームＬ６０を与え）、ホログラム記録媒体４５から得られる、散乱体３０の像３５の再生光を照明光として投影することになる。
In this case, in the preparation stage, as shown in FIG. 5, the coherent illumination light L12 is irradiated onto the
ここでは、上述した基本的な実施形態に係るスキャナ装置および物体の三次元形状測定装置に組み込まれる照明ユニット１００について、いくつかの変形例を述べておく。
Here, some modifications will be described for the
＜５−１＞ 一次元走査を前提としたホログラム記録媒体
図５に示すホログラム記録媒体の作成プロセスでは、平行光束Ｌ２２を凸レンズ２３（収束点Ｃの位置に焦点を有するレンズ）で集光して参照光Ｌref として媒体４０に照射している。すなわち、収束点Ｃを頂点とした円錐（理論的には、互いに半径の異なる円錐が無限に存在する）の側面に沿って、収束点Ｃに三次元的に収束する参照光Ｌref を用いて散乱体３０の像が記録されることになる。
<5-1> Hologram Recording Medium Premised on One-Dimensional Scanning In the hologram recording medium production process shown in FIG. 5, the parallel light beam L22 is condensed by a convex lens 23 (a lens having a focal point at the convergence point C). The medium 40 is irradiated as the reference light Lref. That is, scattering is performed using the reference light Lref that converges three-dimensionally to the convergence point C along the side surface of the cone having the convergence point C as a vertex (theoretically, cones having different radii exist infinitely). An image of the
このように三次元的に収束する参照光Ｌref を用いているのは、図１３に示す照明ユニット１００において、走査基点Ｂから三次元的に発散する光路をとるように、光ビームＬ６０を三次元的に走査すること（反射鏡のＶ軸まわりの回動とＷ軸まわりの回動とを組み合わせてビームを走査すること）を前提としているためである。そして、光ビームＬ６０を三次元的に走査する理由は、ホログラム記録媒体４５上における光ビームの照射位置を二次元的に走査するため（図１６において、横方向の走査と縦方向の走査とを行うため）である。
The reference light Lref that converges three-dimensionally is used in the
ただ、ホログラム記録媒体４５上における光ビームの照射位置の走査は、必ずしも二次元的に行う必要はない。たとえば、図１８には、光ビームを水平方向にのみ走査する例が示されている。このように、光ビームの照射位置を一次元的に走査することを前提とすれば、ホログラム記録媒体も、そのような前提で作成しておく方が合理的である。具体的には、一次元的な走査が前提であれば、図１８に示すようなホログラム記録媒体４５を作成する代わりに、図２０に示すような帯状のホログラム記録媒体８５を作成すれば足りる。
However, the scanning of the irradiation position of the light beam on the
このホログラム記録媒体８５を用いた場合、光ビーム走査装置６０による走査は、左端の起点領域Ａ１Ｓから右端の終点領域Ａ１Ｅに至る１行分の走査を繰り返せばよい。この場合、左から右へと向かう１行分の走査を繰り返してもよいし、左から右へ走査したら、今度は右から左へ走査する、というような往復運動を行ってもかまわない。用いる光ビームＬ６０が直径１ｍｍの円形断面をもったレーザビームである場合、図２０に示すホログラム記録媒体８５の縦幅は、Ｄｂ＝１ｍｍとすれば十分である。したがって、図１８に示すホログラム記録媒体４５を用いる場合に比べて省スペース化を図ることができ、装置全体を小型化することが可能になる。
When this
このような一次元走査を前提としたホログラム記録媒体８５は、図５に示す光学系を用いて作成することも可能であるが、その代わりに、図２１に示す光学系を用いて作成することも可能である。この図２１に示す光学系は、図５に示す光学系における凸レンズ２３をシリンドリカルレンズ２４に置き換え、矩形状の平面をもったホログラム感光媒体４０を、細長い帯状の平面をもったホログラム感光媒体８０に置き換えたものであり、その他の構成要素に変わりはない。ホログラム感光媒体８０の横幅Ｄａは、ホログラム感光媒体４０の横幅と同じであるが、その縦幅Ｄｂ（図２１において、紙面に垂直方向の幅）は、光ビームの直径程度（前述の例の場合、１ｍｍ程度）である。
The
シリンドリカルレンズ２４は、図２１の紙面に垂直な中心軸を有する円柱の表面を有するレンズであり、図２１において、収束点Ｃを通り紙面に垂直な集光軸を定義した場合に、平行光束Ｌ２２を当該集光軸に集光する機能を果たす。ただ、シリンドリカルレンズの性質上、光の屈折は、紙面に平行な平面内においてのみ生じ、紙面に垂直な方向への屈折は生じない。別言すれば、収束点Ｃを含み、シリンドリカルレンズの円柱の中心軸に直交する平面（図２１の紙面）に着目すれば、当該平面に沿って二次元的に収束する光Ｌ２４が、参照光Ｌref として与えられることになる。
The
このように、本願において「光が収束点Ｃに収束する」と言った場合、図５の光学系に示す凸レンズ２３による三次元的な収束のみならず、図２１の光学系に示すシリンドリカルレンズ２４による二次元的な収束も意味するものである。そして、図２０に例示するような一次元走査を前提としたホログラム記録媒体８５を作成する場合は、図２１の光学系に示すように、収束点Ｃを通る所定の集光軸（図の例の場合、収束点Ｃを通り紙面に垂直な軸）に平行な中心軸をもつ円柱面を有するシリンドリカルレンズ２４を用いて、ほぼ平行なコヒーレント光の光束Ｌ２２を当該集光軸上に集光し、収束点Ｃに二次元的に収束する光Ｌ２４を参照光Ｌref として用いて、散乱体３０のホログラム像を記録すればよい。
As described above, when “the light converges at the convergence point C” in the present application, not only the three-dimensional convergence by the
＜５−２＞ ＣＧＨからなるホログラム記録媒体
これまで述べたホログラム記録媒体の作成プロセスは、ホログラム感光媒体に実際に光を照射し、そこに生じる干渉縞を感光媒体の化学変化によって固定する、という純然たる光学的な方法をとるものである。これに対して、最近では、このような光学的なプロセスをコンピュータ上でシミュレーションし、演算によって干渉縞の情報を計算し、その結果を何らかの物理的な方法で媒体上に固定する、という手法が確立している。このような手法で作成されたホログラムは、一般に計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）と呼ばれている。
<5-2> Hologram Recording Medium Consisting of CGH The hologram recording medium creation process described so far involves actually irradiating the hologram photosensitive medium with light and fixing the interference fringes generated there by chemical changes in the photosensitive medium. It takes a purely optical method. On the other hand, recently, there is a method of simulating such an optical process on a computer, calculating interference fringe information by calculation, and fixing the result on a medium by some physical method. Established. A hologram created by such a method is generally called a computer generated hologram (CGH).
本発明に用いるホログラム記録媒体に記録されているホログラムは、このような計算機合成ホログラムであってもかまわない。すなわち、§２で述べた光学的なプロセスでホログラム記録媒体を作成する代わりに、仮想の散乱体からの仮想物体光と仮想の参照光とを用いたシミュレーション演算を実行し、仮想の記録面上に生じる干渉縞の情報を求め、この情報を物理的な方法で媒体上に記録して計算機合成ホログラムを作成すればよい。 The hologram recorded on the hologram recording medium used in the present invention may be such a computer-generated hologram. That is, instead of creating a hologram recording medium by the optical process described in §2, a simulation operation using virtual object light and virtual reference light from a virtual scatterer is executed, What is necessary is just to obtain information on the interference fringes generated in the above, and record this information on the medium by a physical method to create a computer-generated hologram.
図２２は、本発明に係る照明ユニットの構成要素であるホログラム記録媒体を、ＣＧＨの手法で作成する原理を示す側面図であり、図８に示す光学的な現象を、コンピュータ上でシミュレートする方法を示すものである。ここで、図２２に示す仮想の散乱体３０′は、図８に示す実在の散乱体３０に対応し、図２２に示す仮想の記録面４０′は、図８に示す実在のホログラム感光媒体４０に対応する。図示の物体光Ｌobj は、仮想の散乱体３０′から発せられる仮想の光であり、図示の参照光Ｌref は、この物体光Ｌobj と同一波長の仮想の光である。参照光Ｌref が、収束点Ｃに収束する光である点は、これまで述べた方法と全く同じである。記録面４０′上の各点では、この仮想の物体光Ｌobj と参照光Ｌref との干渉縞の情報が演算される。
FIG. 22 is a side view showing the principle of creating a hologram recording medium, which is a component of the illumination unit according to the present invention, by the CGH method, and simulates the optical phenomenon shown in FIG. 8 on a computer. The method is shown. Here, the virtual scatterer 30 'shown in FIG. 22 corresponds to the
なお、仮想の散乱体３０′としては、たとえば、ポリゴンなどで表現された微細な三次元形状モデルを用いることも可能であるが、ここでは、平面上に多数の点光源Ｄを格子状に配列した単純なモデルを用いている。図２３は、図２２に示されている仮想の散乱体３０′の正面図であり、小さな白丸は、それぞれ点光源Ｄを示している。図示のとおり、多数の点光源Ｄが、横方向ピッチＰａ，縦方向ピッチＰｂで格子状に配列されている。ピッチＰａ，Ｐｂは、散乱体の表面粗さを定めるパラメータとなる。
As the virtual scatterer 30 ', for example, a fine three-dimensional model represented by polygons or the like can be used. Here, however, a large number of point light sources D are arranged in a lattice pattern on a plane. A simple model is used. FIG. 23 is a front view of the
本願発明者は、点光源ＤのピッチＰａ，Ｐｂをそれぞれ１０μｍ程度の寸法に設定して記録面４０′上に生じる干渉縞の情報を演算し、その結果に基づいて、実在の媒体表面に凹凸パターンを形成し、表面レリーフ型のＣＧＨを作成した。そして、このＣＧＨをホログラム記録媒体４５として用いた照明ユニット１００を構成したところ、スペックルを抑制した良好な照明環境が得られた。
The inventor of the present application calculates the information of interference fringes generated on the
図２４は、本発明によりスペックルの低減効果が得られた実験結果を示す表である。一般に、受光面Ｒ上に生じたスペックルの程度を示すパラメータとして、スペックルコントラスト（単位％）という数値を用いる方法が提案されている。このスペックルコントラストは、本来は均一の輝度分布をとるべき条件において、実際に生じる輝度のばらつきの標準偏差を、輝度の平均値で除した値として定義される量である。このスペックルコントラストの値が大きければ大きいほど、受光面上のスペックル発生程度が大きいことを意味し、観察者に対して、斑点状の輝度ムラ模様がより顕著に提示されていることになる。 FIG. 24 is a table showing experimental results obtained by the speckle reduction effect according to the present invention. In general, a method of using a numerical value called speckle contrast (unit%) as a parameter indicating the degree of speckle generated on the light receiving surface R has been proposed. The speckle contrast is an amount defined as a value obtained by dividing the standard deviation of the actually occurring luminance variation by the average luminance value under the condition that a uniform luminance distribution should be originally obtained. The larger the speckle contrast value is, the greater the degree of speckle generation on the light-receiving surface is, and the spotted luminance unevenness pattern is more prominently presented to the observer. .
図２４の表は、図１３に示す照明ユニット１００もしくはこれに対比するための従来の照明ユニットを利用して、載置ステージ２１０を照明する４通りの測定系について、載置ステージ２１０の上面についてのスペックルコントラストを測定した結果を示すものである。測定例１〜３は、いずれも、緑色のレーザ光を射出することが可能な同一のＤＰＳＳレーザ装置を照明ユニット１００内のコヒーレント光源５０として用いた結果である。なお、測定例２，３で用いるホログラム記録媒体の拡散角（ホログラム記録媒体上の点から再生像３５を望む最大角度）は、いずれの場合も２０°に設定されている。
The table of FIG. 24 shows the four measurement systems that illuminate the mounting
まず、測定例１として示す測定結果は、図１３に示す照明ユニット１００を用いる代わりに、コヒーレント光源５０からの光ビームＬ５０をビームエキスパンダーで広げて平行光束とし、この平行光束（レーザ平行光）をそのまま載置ステージ２１０に照射する測定系を用いて得られた結果である。この場合、表に示すとおり、スペックルコントラスト２０．１％という結果が得られた。これは、載置ステージ２１０を肉眼観察した場合に、斑点状の輝度ムラ模様がかなり顕著に観察できる状態であり、実用的な三次元形状測定には不適当なレベルである。
First, instead of using the
一方、測定例２および３として示す測定結果は、いずれも図１３に示す照明ユニット１００を利用して照明を行った結果である。ここで、測定例２は、ホログラム記録媒体４５として、光学的な方法で作成された体積型ホログラムを利用した結果であり、測定例３は、ホログラム記録媒体４５として、上述した表面レリーフ型ＣＧＨを利用した結果である。いずれも４％に満たないスペックルコントラストが得られており、これは肉眼観察した場合に、輝度ムラ模様がほとんど観察できない極めて良好な状態である（一般に、スペックルコントラスト値が５％以下であれば、観察者に不快感が生じないとされている）。したがって、ホログラム記録媒体４５として、光学的な方法で作成された体積型ホログラムを利用した場合も、表面レリーフ型ＣＧＨを利用した場合も、実用的に十分な三次元形状測定装置を構成することができる。測定例２の結果（３．０％）が、測定例３の結果（３．７％）よりも良好になった理由は、原画像となる実在の散乱体３０の解像度が、仮想の散乱体３０′（図２３に示す点光源の集合体）の解像度よりも高いためと考えられる。
On the other hand, the measurement results shown as measurement examples 2 and 3 are the results of illumination using the
最後の測定例４として示す測定結果は、照明ユニット１００を用いる代わりに、緑色のＬＥＤ光源からの光をそのまま載置ステージ２１０に照射する測定系を用いて得られた結果である。そもそもＬＥＤ光源は、コヒーレント光源ではないので、スペックルの発生という問題を考慮する必要はなく、表に示すとおり、スペックルコントラスト４．０％という良好な結果が得られた。非コヒーレント光を用いた測定例４の結果が、コヒーレント光を用いた測定例２，３の結果に劣る理由は、ＬＥＤ光源が発する光自体に輝度ムラが生じていたためと考えられる。
The measurement result shown as the last measurement example 4 is a result obtained by using a measurement system that directly irradiates the mounting
＜５−３＞ 線状パターンＵの走査形態
図３に示す基本的な実施形態に係る物体の三次元形状測定装置には、パターン走査機構２００が設けられている。ここに示すパターン走査機構２００は、物体Ｍを載置する載置ステージ２１０と、この載置ステージ２１０を、線状パターンＵの構成要素となる線に直交する方向に移動させる搬送装置２２０と、によって構成されている。すなわち、図１において、載置ステージ２１０を白矢印の方向に移動させることにより、線状パターンＵによる物体Ｍに対する走査が行われる。
<5-3> Scanning Pattern of Linear Pattern U The
ただ、パターン走査機構２００の構成は、上例の構成に限定されるものではない。たとえば、搬送装置２２０は、照明ユニット１００と載置ステージ２１０とについて、一方を他方に対して移動させる機能を有していればよい。したがって、載置ステージ２１０を移動させる代わりに、照明ユニット１００を載置ステージ２１０に対して、線状パターンＵの構成要素となる線に直交する方向に移動させるようにしてもよい。
However, the configuration of the
また、パターン走査機構２００は、必ずしも上例のような機械式走査を行う機構を採用する必要はなく、光学式走査を行う機構を採用してもよい。たとえば、照明ユニット１００から得られるホログラムの再生光の向きを変える光学系（たとえば、ポリゴンミラー）によってパターン走査機構２００を構成すれば、再生光によって投影される線状パターンＵを、その構成要素となる線に直交する方向に光学的に走査することができる。
Further, the
物体Ｍに投影される線状パターンＵを走査する別な方法は、予め、ホログラム記録媒体を複数の分割領域に分割しておき、個々の分割領域に、それぞれ異なる位置に線状パターンＵの再生像を生成する異なるホログラムを記録しておく方法である。すなわち、物体Ｍ上に投影される線状パターンＵは、ホログラム記録媒体から得られるホログラムの再生光により形成されるので、予め、それぞれ異なる位置に再生像を生成する複数のホログラムを記録しておき、これを順番に再生してゆけば、実質的に、これまで述べてきたパターン走査機構２００が行う走査と同等の走査が行われることになる。
Another method for scanning the linear pattern U projected on the object M is to divide the hologram recording medium into a plurality of divided areas in advance and reproduce the linear pattern U at different positions in the respective divided areas. This is a method of recording different holograms for generating an image. That is, since the linear pattern U projected onto the object M is formed by the reproduction light of the hologram obtained from the hologram recording medium, a plurality of holograms that generate reproduction images are recorded in advance at different positions. If these are reproduced in order, scanning substantially equivalent to the scanning performed by the
図２５は、このような変形例に用いるホログラム記録媒体８８を示す平面図である。図示のとおり、ホログラム記録媒体８８は、複数ｎ個の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎに分割されており、個々の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎには、それぞれ図４に示す線状散乱体３０の像が記録されている。
FIG. 25 is a plan view showing a
既に＜５−１＞で述べたとおり、光ビームによる一次元走査を前提とする場合、図２１に示すシリンドリカルレンズ２４を用いた記録方法で、細長い帯状の平面をもったホログラム感光媒体８０への記録を行い、図２０に示すような縦幅Ｄｂをもった細長いホログラム記録媒体８５を作成することができる。図２５に示すホログラム記録媒体８８は、いわば、図２０に示す帯状のホログラム記録媒体８５をｎ組だけ縦に並べたものに相当する。実際、個々の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎに記録されているホログラムの干渉縞は、図２０に示す帯状のホログラム記録媒体８５に記録されている干渉縞と同じものになる。
As already described in <5-1>, when one-dimensional scanning with a light beam is premised, the recording method using the
これまで述べてきた基本的実施形態で用いたホログラム記録媒体４５と比べると、図２５に示すホログラム記録媒体８８は、再生像３５の位置に相違が生じる。すなわち、前者について再生を行う場合、図１６に示すように、媒体上のどの位置に光ビームを照射しても、再生像３５が生成される位置は同じである。これは、ホログラム記録媒体４５には、全面に同一の線状散乱体３０の像が記録されているためである。これに対して、後者について再生を行う場合、光ビームを照射する分割領域に応じて、再生像３５が生成される位置が異なる。これは、各分割領域にそれぞれ別個独立した線状散乱体３０の像が記録されているためである。
Compared to the
図２６は、図２５に示すホログラム記録媒体８８上の光ビームの走査態様を示す平面図である。たとえば、第１の分割領域８８−１について再生を行う場合、この分割領域８８−１内の開始領域Ａ１Ｓから終了領域Ａ１Ｅまで水平方向に走査を行うことになるが、このとき生成される再生像は、図２７に示す第１の線状パターンＵ１を形成する。また、第２の分割領域８８−２について再生を行う場合、この分割領域８８−２内の開始領域Ａ２Ｓから終了領域Ａ２Ｅまで水平方向に走査を行うことになるが、このとき生成される再生像は、図２７に示す第２の線状パターンＵ２を形成する。以下同様であり、最後に、第ｎの分割領域８８−ｎについて再生を行う場合、この分割領域８８−ｎ内の開始領域ＡｎＳから終了領域ＡｎＥまで水平方向に走査を行うことになるが、このとき生成される再生像は、図２７に示す第ｎの線状パターンＵｎを形成する。
FIG. 26 is a plan view showing a scanning mode of a light beam on the
結局、個々の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎから得られるホログラムの再生光により、それぞれ１本の線からなる線状パターンＵ１，Ｕ２，Ｕ３，... ，Ｕｎが投影されることになる。別言すれば、任意の１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンと、別な任意の１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンとが、空間上の異なる位置に形成されるようになっている。 Eventually, the linear patterns U1, U2, U3, each consisting of one line, are generated by the reproduction light of the holograms obtained from the individual divided regions 88-1, 88-2, 88-3,. ..., Un will be projected. In other words, a linear pattern projected by the reproduction light of a hologram obtained from any one divided region, and a linear pattern projected by the reproduction light of a hologram obtained from another arbitrary one of the divided regions Are formed at different positions in space.
したがって、図２６に示すように、ホログラム記録媒体８８の全分割領域を光ビームで走査すると、載置ステージ２１０上には、図２７に示すように、ｎ本の線状パターンＵ１，Ｕ２，Ｕ３，... ，Ｕｎからなる統合線状パターンＵが形成されることになるが、実際には、この統合線状パターンＵは同時に現れるパターンではなく、１行ずつ順番に現れるパターンになる。
Therefore, as shown in FIG. 26, when the entire divided area of the
そこで、図１３に示す照明ユニット１００において、ホログラム記録媒体４５の代わりに、図２５に示すホログラム記録媒体８８を用い、光ビーム走査装置６０によって、図２６に示すように、第１番目の分割領域８８−１、第２番目の分割領域８８−２、第３番目の分割領域８８−３、... 、というように、所定の順番で光ビームの走査を行うことにする。
Therefore, in the
そうすると、光ビームが第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域８８−ｉを走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に第ｉ番目の線状パターンＵｉが投影されることになる。すなわち、第１番目の分割領域８８−１を走査しているときには、図２７に示す第１番目の線状パターンＵ１が現れ、第２番目の分割領域８８−２を走査しているときには、図２７に示す第２番目の線状パターンＵ２が現れ、... というように、１本の線からなる線状パターンＵｉが順番に現れることになる。これは、物体Ｍ上を線状パターンＵｉで走査していることと同じである。 Then, when the light beam scans the i-th (i = 1, 2, 3,...) Divided region 88-i, the i-th linear shape is located at the i-th position in space. The pattern Ui is projected. That is, when the first divided area 88-1 is scanned, the first linear pattern U1 shown in FIG. 27 appears, and when the second divided area 88-2 is scanned, FIG. A second linear pattern U2 shown in FIG. 27 appears, and a linear pattern Ui consisting of one line appears in order. This is the same as scanning the object M with the linear pattern Ui.
なお、上例では、個々の分割領域に、それぞれ１本の線状散乱体３０の像を記録しているが、個々の分割領域に、それぞれ複数本の線状散乱体３０の像を記録するようにしてもかまわない。この場合、光ビームが第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域８８−ｉを走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に複数本の線からなる線状パターンＵｉが投影されることになる。
In the above example, one image of the
このように、図２５に示すホログラム記録媒体８８を用い、光ビーム走査装置６０によって、図２６に示すような走査を行うようにすれば、光ビーム走査装置６０が、これまで述べてきた基本的実施形態におけるパターン走査機構２００の役割を兼ねることになる。したがって、パターン走査機構２００を別途設ける必要はなくなる。
In this way, when the
なお、ホログラム記録媒体８８に形成するｎ個の分割領域は、理論上は、それぞれ任意の形状をもった領域でかまわない。ただ、図４に示すような細長い線状散乱体３０の像を記録するためには、実用上、図２５に示す例のように、横方向に細長い複数の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎが、縦方向に並んで配置されるような分割を行い、個々の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎの長手方向と個々の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎから得られる再生像３５の長手方向とが平行になるようにホログラムの記録を行うようにするのが好ましい。これは、ホログラム記録媒体上に記録される干渉縞の回折能力（入射光をどの程度大きな角度まで屈曲させられるかを示す能力）には限界があるため、細長い記録領域に細長い現画像を長手方向を一致させて記録した方が効率的であるためである。
The n divided regions formed on the
＜５−４＞ 線状パターンＵの形状
上記＜５−３＞では、物体Ｍ上に投影する線状パターンを走査することを前提とした実施形態を述べたが、本発明に係る物体の三次元形状測定装置では、必ずしも線状パターンの走査が必要になるわけではない（もちろん、スペックルを低減させるために光ビームの走査は必要である。本発明において、ホログラム記録媒体上での光ビームの走査と、物体Ｍ上での線状パターンの走査とは、全く別な走査である）。
<5-4> Shape of Linear Pattern U In the above <5-3>, the embodiment on the premise that the linear pattern projected onto the object M is scanned has been described. In the original shape measuring apparatus, scanning of a linear pattern is not necessarily required (of course, scanning of a light beam is necessary to reduce speckle. In the present invention, a light beam on a hologram recording medium is required. And the scanning of the linear pattern on the object M are completely different scans).
そもそも、これまで述べた実施形態において、線状パターンを走査する理由は、線状パターンが１本の線からなるパターンであるという前提で、物体Ｍの全体形状を測定するためである。たとえば、図１に示す例の場合、線状パターンＵの走査を行わないと、半球状の物体Ｍの頂点を通る円周に沿った部分の形状測定しか行うことができない。線状パターンＵを物体Ｍに対して、図の白矢印方向に走査することにより、はじめて物体Ｍの全体形状の測定が可能になる。 In the first place, in the embodiments described so far, the reason for scanning the linear pattern is to measure the entire shape of the object M on the premise that the linear pattern is a pattern composed of one line. For example, in the case of the example shown in FIG. 1, only the shape measurement of the portion along the circumference passing through the apex of the hemispherical object M can be performed unless the linear pattern U is scanned. By scanning the linear pattern U with respect to the object M in the direction of the white arrow in the figure, the entire shape of the object M can be measured for the first time.
しかしながら、線状パターンは、必ずしも１本の線からなるパターンである必要はない。すなわち、ホログラム記録媒体に、もともと複数の線からなる原画像を記録しておけば、ホログラム再生像も、複数の線からなる線状パターンになるので、物体Ｍ上には複数の線からなる縞模様をした線状パターンが一度に投影されることになる。よって、線状パターンを物体Ｍ上で走査しなくても、物体Ｍの全体形状の測定が可能になる。 However, the linear pattern is not necessarily a pattern composed of one line. That is, if an original image consisting of a plurality of lines is originally recorded on the hologram recording medium, the hologram reproduction image also becomes a linear pattern consisting of a plurality of lines. A linear pattern with a pattern is projected at a time. Therefore, the entire shape of the object M can be measured without scanning the linear pattern on the object M.
図２８は、このような変形例に用いるホログラム記録媒体に記録する散乱体３０Ａの形状を示す平面図である。これまで述べてきた基本的な実施形態では、図４に示す１本の細長い線状散乱体３０をホログラムとして記録し、その再生像を線状パターンＵとして利用しているが、ホログラムとして記録する散乱体は、必ずしも１本の線状散乱体である必要はなく、複数本の線状散乱体であってもかまわない。
FIG. 28 is a plan view showing the shape of the
図２８に示す散乱体３０Ａは、互いに平行な複数ｎ本の線状散乱体３０Ａ−１，３０Ａ−２，３０Ａ−３，... ，３０Ａ−ｎによって構成される横方向格子状散乱体と呼ぶべき集合的な散乱体である。このような散乱体３０Ａをホログラムとして記録しているホログラム記録媒体を用いて再生を行えば、ホログラムの再生光により互いに平行な複数ｎ本の線Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，... ，Ｕｎを有する線状パターンＵを投影することができる。すなわち、図２７に示すような縞模様をした線状パターンＵを、物体Ｍ上に投影することができ、撮影ユニット３００によって、このような縞模様が表面に投影された物体Ｍを撮影することができる。形状解析ユニット４００は、撮影画像上において、物体Ｍ上に投影された縞模様の形状を解析することにより、物体Ｍの全体形状を示す三次元形状データＴを作成する。
The
もちろん、図２７に示す縞模様の代わりに、縦横の縞模様が交差した網目格子模様の線状パターンを投影することも可能である。具体的には、ホログラム記録媒体に、図２８に示すように、横方向に伸びるｎ本の線状散乱体３０Ａ−１，３０Ａ−２，３０Ａ−３，，... ，３０Ａ−ｎを互いに平行になるように縦方向に並べた横方向格子状散乱体３０Ａの像と、図２９に示すように、縦方向に伸びるｍ本の線状散乱体３０Ｂ−１，３０Ｂ−２，３０Ｂ−３，，... ，３０Ｂ−ｍを互いに平行になるように横方向に並べた縦方向格子状散乱体３０Ｂの像と、を重畳して記録しておけばよい。
Of course, instead of the striped pattern shown in FIG. 27, it is also possible to project a mesh lattice line pattern in which vertical and horizontal striped patterns intersect. Specifically, as shown in FIG. 28, n
このように散乱体３０Ａ，３０Ｂをホログラムとして重畳記録しているホログラム記録媒体を用いて再生を行えば、ホログラムの再生光により縦縞と横縞とを重ねた網目格子模様の線状パターンを投影することができる。撮影ユニット３００は、このような網目格子模様が表面に投影された物体Ｍを撮影することができるので、形状解析ユニット４００は、撮影画像上において、物体Ｍ上に投影された網目格子模様の形状を解析することにより、物体Ｍの全体形状を示す三次元形状データＴを作成できる。
When reproduction is performed using a hologram recording medium in which the
横方向格子状散乱体３０Ａと縦方向格子状散乱体３０Ｂとをホログラムとして重畳記録するには、図５に示すような光学系を用いて、同一のホログラム感光媒体４０に対して、ホログラムを記録するプロセスを２回繰り返して行えばよい。すなわち、１回目には、図２８に示す横方向格子状散乱体３０Ａを記録するプロセスを行い、２回目には、図２９に示す縦方向格子状散乱体３０Ｂを記録するプロセスを行えばよい。あるいは、横方向格子状散乱体３０Ａを記録した層と、縦方向格子状散乱体３０Ｂを記録した層とを別個に作成し、両者を貼り合わせるようにしてもよい。
In order to superimpose and record the lateral lattice scatterer 30A and the
網目格子模様の線状パターンを投影する別な方法として、予め、図３０に示すような網目格子状散乱体３０Ｃを用意しておき、ホログラム記録媒体に、この網目格子状散乱体３０Ｃの像を記録するようにしてもよい。この場合も、ホログラムの再生光により、網目格子状の線状パターンが投影されることになる。
As another method of projecting a mesh lattice pattern, a
このように、本発明において物体Ｍに投影する線状パターンＵは、必ずしも図１に示すような１本の線からなるパターンである必要はなく、図２７に示すような複数の線からなる縞状のパターンであってもよいし、このような縞状パターンを縦横に重ねて得られる網目格子状のパターンであってもかまわない。そして、縞状パターンや網目格子状パターンを物体Ｍ上に投影するようにすれば、パターン走査機構２００を用いることなしに、物体Ｍの全体形状の測定が可能になる。
Thus, in the present invention, the linear pattern U projected onto the object M does not necessarily have to be a pattern consisting of a single line as shown in FIG. 1, but is a stripe consisting of a plurality of lines as shown in FIG. The pattern may be a mesh pattern, or a mesh lattice pattern obtained by superimposing such striped patterns vertically and horizontally. If a striped pattern or a mesh lattice pattern is projected onto the object M, the entire shape of the object M can be measured without using the
もちろん、必要に応じて、更にパターン走査機構２００を設け、縞状パターンや網目格子状パターンを、物体Ｍ上で走査するようにしてもかまわない。たとえば、図２７に示すような縞模様からなる線状パターンＵを投影した状態において、この線状パターンＵ全体を図の下方に走査して、パターンＵｎの下に走査後の新たなパターンＵ１が来るようにすれば、より広い領域をカバーする線状パターンの投影が可能になる。
Of course, if necessary, a
あるいは、図２７に示すｎ本の線を有する線状パターンＵから、偶数番目のパターンＵ２，Ｕ４，Ｕ６，... を間引き、奇数番目のパターンＵ１，Ｕ３，Ｕ５，... のみからなる線状パターンＵを再生するホログラム記録媒体を用意しておき、パターン走査機構２００による走査を行うことにより、間引いた偶数番目のパターンＵ２，Ｕ４，Ｕ６，... の位置に奇数番目のパターンＵ１，Ｕ３，Ｕ５，... を移動させることにより、結果的に、ｎ本の線を有する線状パターンＵの投影を行うようなことも可能である。
Alternatively, the even-numbered patterns U2, U4, U6,... Are thinned out from the linear pattern U having n lines shown in FIG. 27, and only the odd-numbered patterns U1, U3, U5,. A hologram recording medium for reproducing the linear pattern U is prepared, and scanning by the
このように、本発明において用いる線状パターンＵは、線の成分を含むパターンであれば、どのようなパターンであってもかまわない。形状解析ユニット４００は、物体Ｍ上に投影された線の成分を解析することにより、三次元形状データＴを作成することができる。
As described above, the linear pattern U used in the present invention may be any pattern as long as it includes a line component. The
したがって、ホログラム記録媒体に記録する散乱体も、図４に示すような線状散乱体３０に限定されるものではなく、線状パターンＵとして利用可能な形状であれば、どのような形状の散乱体を用いてもかまわない。図２８に示す散乱体３０Ａ，図２９に示す散乱体３０Ｂ，図３０に示す散乱体３０Ｃは、このような散乱体の一例である。結局、本発明では、線の成分を有する線状パターンＵに対応する形状をもった散乱体の像をホログラム記録媒体に記録しておけばよい。
Therefore, the scatterer to be recorded on the hologram recording medium is not limited to the
なお、図２８〜図３０に示すような形状をもった散乱体３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、図４に示す線状散乱体３０を複数組み合わせて作成することも可能であるが、実用上は、１枚の散乱板（たとえば、オパールガラス板のように、一般に光学的拡散板と呼ばれている板）の上面に、一部の領域の光を遮蔽するマスクを重ねたものを、散乱体の原画像として用いるようにすればよい。
The
たとえば、図２８に示す散乱体３０Ａの像を記録するのであれば、図示の線状散乱体３０Ａ−１，３０Ａ−２，３０Ａ−３，... ，３０Ａ−ｎに対応する領域のみ光が透過し、それ以外の領域の光を遮蔽するマスクを用意し、１枚の透光性散乱板の上面に、このマスクを被せた物を、図５に示す散乱体３０として用い、ホログラムの記録を行えばよい。図２９に示す散乱体３０Ｂや図３０に示す散乱体３０Ｃの像を記録する場合も同様である。また、図４に示す線状散乱体３０の像を記録する場合も、１枚の透光性散乱板の上面に、細長いスリット領域のみ光が透過するマスクを重ねて記録を行えばよい。
For example, if an image of the
＜５−５＞ ホログラム記録媒体作成の幾何学的バリエーション
§２では、図５を参照して、ホログラム感光媒体４０に散乱体３０のホログラム像を記録する方法を説明した。この方法は、収束点Ｃに収束する参照光を用いて反射型のホログラム記録媒体を作成する方法であり、必要な構成要素の幾何学的な配置は、図３１の側面図に示すとおりである。
<5-5> Geometric Variation of Hologram Recording Medium Creation In §2, the method of recording the hologram image of the
図３１に示す例の場合、凸レンズ２３によって、収束点Ｃに向かう収束参照光Ｌref が生成され、媒体４０は、凸レンズ２３と収束点Ｃとの間に配置される。また、媒体４０は図示のとおり斜めに配置され、その下面側に、散乱体３０からの物体光Ｌobj が照射される。このような方法で作成されたホログラム記録媒体は、反射型の媒体となる。すなわち、再生時には、図３２に示すように、再生用照明光Ｌrep として機能する光ビームが媒体４５の下面側に照射され、点Ｐからの反射回折光Ｌdif によって再生像３５が生成されることになる。
In the example shown in FIG. 31, the convergent reference light Lref toward the convergence point C is generated by the
このように、これまで説明した例は、ホログラム記録媒体４５に記録されているホログラムが、反射型ホログラムであり、光ビームの反射回折光を照明光として用いる例である。これに対して、ホログラム記録媒体４５に記録されているホログラムを、透過型ホログラムとし、光ビームの透過回折光を照明光として用いるようにしてもかまわない。
As described above, the example described so far is an example in which the hologram recorded on the
図３３は、このような透過型ホログラムを作成する場合の幾何学的な配置を示す側面図である。図３１に示す配置との相違点は、媒体４０の向きである。図３１に示す反射型ホログラムの作成方法では、参照光Ｌref を媒体の上面から照射し、物体光Ｌobj を媒体の下面から照射している。このように、参照光と物体光とを逆側の面に照射すると反射型のホログラムが記録できる。これに対して、図３３に示す方法では、参照光Ｌref および物体光Ｌobj の双方が媒体４０の上面に照射されている。このように、参照光と物体光とを同じ側から照射すると透過型のホログラムが記録できる。すなわち、再生時には、図３４に示すように、再生用照明光Ｌrep として機能する光ビームが媒体４５の下面側に照射され、点Ｐからの透過回折光Ｌdif によって再生像３５が生成されることになる。
FIG. 33 is a side view showing a geometrical arrangement for producing such a transmission hologram. The difference from the arrangement shown in FIG. 31 is the direction of the medium 40. In the reflection hologram creating method shown in FIG. 31, the reference light Lref is irradiated from the upper surface of the medium, and the object light Lobj is irradiated from the lower surface of the medium. In this way, a reflection hologram can be recorded by irradiating the opposite surface with the reference light and the object light. On the other hand, in the method shown in FIG. 33, both the reference light Lref and the object light Lobj are irradiated on the upper surface of the medium 40. As described above, when the reference light and the object light are irradiated from the same side, a transmission hologram can be recorded. That is, at the time of reproduction, as shown in FIG. 34, a light beam functioning as reproduction illumination light Lrep is irradiated on the lower surface side of the medium 45, and a reproduced
また、これまで述べてきた例は、いずれも収束点Ｃに収束する参照光を用いて反射型もしくは透過型のホログラム記録媒体を作成する方法であるが、その代わりに、収束点Ｃから発散する参照光を用いて反射型もしくは透過型のホログラム記録媒体を作成することも可能である。ただ、そのためには、予め、準備用ホログラム記録媒体を作成しておく必要がある。以下、この方法を行うためのプロセスを順に説明しよう。 In addition, the examples described so far are all methods of creating a reflection type or transmission type hologram recording medium using reference light that converges at the convergence point C. Instead, the light diverges from the convergence point C. It is also possible to create a reflection type or transmission type hologram recording medium using reference light. However, for that purpose, it is necessary to prepare a hologram recording medium for preparation in advance. The process for performing this method will be described below in order.
まず、図３５に示すように、準備用ホログラム感光媒体９０と散乱体３０とを配置し、媒体９０に対して、図示のとおり、斜め右上から平行な参照光Ｌref を照射する。そして、散乱体３０からの物体光Ｌobj と参照光Ｌref とによって生じる干渉縞を媒体９０に記録する。このように、記録時に、物体光と参照光とを同じ側から照射すると、透過型のホログラムが記録される。ここでは、このような記録が行われた媒体９０を、準備用ホログラム記録媒体９５と呼ぶことにする。
First, as shown in FIG. 35, the preparatory hologram
図３６は、この準備用ホログラム記録媒体９５の再生プロセスを示す側面図である。図示のとおり、媒体９５に対して、斜め左下から平行な再生用照明光Ｌrep を照射すると、透過回折光Ｌdif によって、図の右方に再生像３５が生成される。ここで、再生用照明光Ｌrep の方向は、その延長線が図３５に示す参照光Ｌref の方向に一致する方向であり、再生像３５の生成位置は、図３５に示す散乱体３０の配置位置に一致する。
FIG. 36 is a side view showing the reproduction process of the preparation
続いて、準備用ホログラム記録媒体９５による再生像３５を実物の散乱体３０の代用として、ホログラム感光媒体４０へ散乱体３０の像を記録するプロセスを行う。すなわち、図３７に示すように、準備用ホログラム記録媒体９５の右方にホログラム感光媒体４０を配置し、媒体９５に対して、斜め左下から平行な再生用照明光Ｌrep を照射して、図の右方に再生像３５を生成する。この場合、媒体９５から右方へと射出する光は、再生像３５を再生するための透過回折光Ｌdif であると同時に、媒体４０に対しては、物体光Ｌobj としての機能を果たす。
Subsequently, a process of recording the image of the
一方、図の下方から、媒体４０に対して、発散参照光Ｌref を照射する。この発散参照光Ｌref は、収束点Ｃから発散する光（収束点Ｃに点光源が存在する場合に、この点光源から発せられる光）であり、媒体４０に対しては、円錐状に広がる光線束が照射されることになる。図示の例では、収束点Ｃの位置に焦点をもつ凸レンズ２５によって、平行光束Ｌ１０を収束点Ｃに集光して点光源を生成することにより、発散参照光Ｌref を発生させている。凸レンズ２５として、たとえば、直径１ｍｍ程度のマイクロレンズを用いれば、レーザ光源から発せられる断面径１ｍｍ程度のレーザビームを、そのまま平行光束Ｌ１０として利用して、発散参照光Ｌref を発生させることができる。
On the other hand, the divergent reference light Lref is applied to the medium 40 from below in the figure. The divergent reference light Lref is light diverging from the convergence point C (light emitted from this point light source when a point light source is present at the convergence point C). A bundle will be irradiated. In the illustrated example, the divergent reference light Lref is generated by generating a point light source by condensing the parallel light beam L10 at the convergence point C by the
この図３７に示す方法では、物体光Ｌobj は媒体４０の上面に照射され、参照光Ｌref は媒体４０の下面に照射される。このように、参照光と物体光とを逆側の面に照射すると反射型のホログラムが記録できる。したがって、図３７に示す方法で作成されたホログラム記録媒体４５は、実質的に、図３１に示す方法で作成されたホログラム記録媒体４５と同じ反射型ホログラムになる。したがって、再生時には、図３２に示す幾何学的配置をとればよい。
In the method shown in FIG. 37, the object light Lobj is irradiated on the upper surface of the medium 40, and the reference light Lref is irradiated on the lower surface of the medium 40. In this way, a reflection hologram can be recorded by irradiating the opposite surface with the reference light and the object light. Therefore, the
これに対して、図３８は、発散参照光Ｌref を用いて透過型ホログラムを作成する例を示す側面図である。図３７に示す配置との相違点は、媒体４０の向きである。図３７に示す反射型ホログラムの作成方法では、物体光Ｌobj を媒体の上面から照射し、参照光Ｌref を媒体の下面から照射している。これに対して、図３８に示す方法では、物体光Ｌobj および参照光Ｌref の双方が媒体４０の下面に照射されている。このように、参照光と物体光とを同じ側から照射すると透過型のホログラムが記録できる。この図３８に示す方法で作成されたホログラム記録媒体４５は、実質的に、図３３に示す方法で作成されたホログラム記録媒体４５と同じ透過型ホログラムになる。したがって、再生時には、図３４に示す幾何学的配置をとればよい。
On the other hand, FIG. 38 is a side view showing an example of creating a transmission hologram using the divergent reference light Lref. The difference from the arrangement shown in FIG. 37 is the direction of the medium 40. In the method of creating a reflection hologram shown in FIG. 37, object light Lobj is irradiated from the upper surface of the medium, and reference light Lref is irradiated from the lower surface of the medium. On the other hand, in the method shown in FIG. 38, both the object light Lobj and the reference light Lref are irradiated on the lower surface of the medium 40. As described above, when the reference light and the object light are irradiated from the same side, a transmission hologram can be recorded. The
なお、図３７および図３８に示す記録プロセスでは、準備用ホログラム記録媒体９５として、図３５に示す方法で作成された透過型ホログラムを用いたが、準備用ホログラム記録媒体９５として、図３９に示す方法で作成された反射型ホログラムを用いることも可能である。図３９に示す方法では、準備用ホログラム感光媒体９０の左側から参照光Ｌref を照射し、右側から物体光Ｌobj を照射しているため、作成された準備用ホログラム記録媒体９５は反射型ホログラムになる。
In the recording process shown in FIGS. 37 and 38, the transmission hologram created by the method shown in FIG. 35 is used as the preparation
この反射型の準備用ホログラム記録媒体９５を用いて再生を行う場合は、図４０に示すように、媒体９５の右側から再生用照明光Ｌrep を照射し、得られる反射回折光Ｌdif によって再生像３５を生成することになる。したがって、図３７，図３８に示すプロセスでは、再生用照明光Ｌrep を左側から照射する代わりに、右側から照射することになる。
When reproduction is performed using the reflection-type preparation
＜５−６＞ 光ビームの平行移動走査
これまで述べた実施形態では、照明ユニット１００内の光ビーム走査装置６０が、光ビームを所定の走査基点Ｂで屈曲させ、この屈曲態様（屈曲の方向と屈曲角度の大きさ）を時間的に変化させることにより、屈曲された光ビームを走査する方式をとっていたが、光ビーム走査装置６０の走査方法は、光ビームを走査基点Ｂで屈曲させる方法に限定されるものではない。
<5-6> Translational Scanning of Light Beam In the embodiments described so far, the light
たとえば、光ビームを平行移動させるような走査方法を採ることも可能である。ただ、その場合は、ホログラム記録媒体４５に対する散乱体３０の記録方法も変更する必要がある。すなわち、図４１に示す例のように、ホログラム感光媒体４０に対して、平行光束からなる参照光Ｌref を照射し、散乱体３０からの物体光Ｌobj との干渉縞の情報を記録するようにする。別言すれば、こうして作成されたホログラム記録媒体４６には、平行光束からなる参照光Ｌref を用いて散乱体３０の像３５がホログラムとして記録されていることになる。
For example, it is possible to adopt a scanning method in which the light beam is translated. However, in that case, it is also necessary to change the recording method of the
図４２は、図４１に示す方法で作成されたホログラム記録媒体４６を用いた照明ユニット１１０の側面図である。図示のとおり、この照明ユニット１１０は、ホログラム記録媒体４６、コヒーレント光源５０、光ビーム走査装置６５によって構成されている。
FIG. 42 is a side view of the
ここで、ホログラム記録媒体４６は、図４１に示す方法で作成された媒体であり、平行光束からなる参照光Ｌref を利用して、散乱体３０の像３５がホログラムとして記録されている。また、コヒーレント光源５０は、ホログラム記録媒体４６を作成する際に用いた光（物体光Ｌobj および参照光Ｌref ）の波長と同一波長（もしくは、ホログラムの再生が可能な近似波長）をもつコヒーレントな光ビームＬ５０を発生させる光源である。
Here, the
一方、光ビーム走査装置６５は、コヒーレント光源５０が発生した光ビームＬ５０をホログラム記録媒体４６に照射する機能を有するが、このとき、図４１に示す作成プロセスで用いた参照光Ｌref に平行になる方向から光ビームＬ６５がホログラム記録媒体４６に照射されるように走査を行う。より具体的には、光ビームＬ６５を平行移動させながらホログラム記録媒体４６に照射することにより、光ビームＬ６５のホログラム記録媒体４６に対する照射位置が時間的に変化するように走査する。
On the other hand, the light
このような走査を行う光ビーム走査装置６５は、たとえば、可動反射鏡６６と、この可動反射鏡６６を駆動する駆動機構とによって構成することができる。すなわち、図４２に示すように、コヒーレント光源５０が発生した光ビームＬ５０を受光可能な位置に可動反射鏡６６を配置し、この可動反射鏡６６を光ビームＬ５０の光軸に沿って摺動させる駆動機構を設けておけばよい。なお、実用上は、ＭＥＭＳを利用したマイクロミラーデバイスにより、上記機能と同等の機能をもった光ビーム走査装置６５を構成することができる。あるいは、図１３に示す光ビーム走査装置６０によって走査基点Ｂの位置で屈曲された光ビームＬ６０を、走査基点Ｂに焦点をもつ凸レンズに通すことによっても、平行に移動する光ビームを生成することができる。
The light
図４２に示す例の場合、可動反射鏡６６で反射した光ビームＬ６５の照射を受けたホログラム記録媒体４６は、記録された干渉縞に基づく回折光を発生し、この回折光によって、散乱体３０の再生像３５が生成される。照明ユニット１１０は、こうして得られる再生像３５の再生光を照明光として利用した照明を行うことになる。
In the case of the example shown in FIG. 42, the
図４２では、説明の便宜上、時刻ｔ１における光ビームの位置を一点鎖線で示し、時刻ｔ２における光ビームの位置を二点鎖線で示している。すなわち、時刻ｔ１では、光ビームＬ５０は、可動反射鏡６６（ｔ１）の位置で反射し、光ビームＬ６５（ｔ１）としてホログラム記録媒体４６の点Ｐ（ｔ１）に照射されるが、時刻ｔ２では、光ビームＬ５０は、可動反射鏡６６（ｔ２）の位置で反射し（図示の可動反射鏡６６（ｔ２）は、可動反射鏡６６（ｔ１）が移動したものである）、光ビームＬ６５（ｔ２）としてホログラム記録媒体４６の点Ｐ（ｔ２）に照射される。
In FIG. 42, for convenience of explanation, the position of the light beam at time t1 is indicated by a one-dot chain line, and the position of the light beam at time t2 is indicated by a two-dot chain line. That is, at time t1, the light beam L50 is reflected at the position of the movable reflecting mirror 66 (t1), and is applied to the point P (t1) of the
図には、便宜上、時刻ｔ１，ｔ２の２つの時点における走査態様しか示されていないが、実際には、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームＬ６５は図の左右に平行移動し、光ビームＬ６５のホログラム記録媒体４６に対する照射位置は、図の点Ｐ（ｔ１）〜Ｐ（ｔ２）へと徐々に移動してゆくことになる。すなわち、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームＬ６５の照射位置は、ホログラム記録媒体４６上において点Ｐ（ｔ１）〜Ｐ（ｔ２）へと走査されることになる。ここでは、光ビームＬ６５を一次元方向（図の左右方向）に平行移動する例を述べたが、もちろん、光ビーム６５を図の紙面に垂直な方向にも平行移動させる機構（たとえば、ＸＹステージ上に反射鏡を配置した機構）を設けておけば、二次元方向に平行移動させることが可能になる。
For the sake of convenience, only the scanning mode at two points in time t1 and t2 is shown in the figure, but in reality, the light beam L65 moves in parallel to the right and left in the figure during the period from time t1 to t2. The irradiation position of the L65 on the
ここで、光ビームＬ６５は、図４１に示す作成プロセスで用いた参照光Ｌref に常に平行になるように走査されるので、光ビームＬ６５は、ホログラム記録媒体４６の各照射位置において、そこに記録されているホログラムを再生するための正しい再生用照明光Ｌrep として機能する。
Here, since the light beam L65 is scanned so as to be always parallel to the reference light Lref used in the creation process shown in FIG. 41, the light beam L65 is recorded at each irradiation position of the
たとえば、時刻ｔ１では、点Ｐ（ｔ１）からの回折光Ｌ４６（ｔ１）によって、散乱体３０の再生像３５が生成され、時刻ｔ２では、点Ｐ（ｔ２）からの回折光Ｌ４６（ｔ２）によって、散乱体３０の再生像３５が生成される。もちろん、時刻ｔ１〜ｔ２の期間においても、光ビームＬ６５が照射された個々の位置からの回折光によって、同様に散乱体３０の再生像３５が生成される。すなわち、光ビームＬ６５が平行移動走査を受ける限り、ホログラム記録媒体４６上のどの位置に光ビームＬ６５が照射されたとしても、照射位置からの回折光によって、同一の再生像３５が同一位置に生成されることになる。
For example, at time t1, a reproduced
結局、この図４２に示す照明ユニット１１０は、図１３に示す照明ユニット１００と同様に、ホログラム再生光によって線状パターンＵを投影する機能を有している。要するに、本発明では、ホログラム記録媒体に、所定光路に沿って照射される参照光を用いて散乱体の像をホログラムとして記録しておき、光ビーム走査装置によって、このホログラム記録媒体に対する光ビームの照射方向が参照光の光路に沿った方向（光学的に共役な方向）になるように、光ビームの走査を行うようにすればよい。
After all, the
＜５−７＞ マイクロレンズアレイの利用
これまで述べた実施形態は、散乱体のホログラム像が記録されたホログラム記録媒体を用意し、このホログラム記録媒体に対して、コヒーレント光を走査し、得られる回折光を照明光として利用するものであった。ここでは、このホログラム記録媒体の代わりに、マイクロレンズアレイを利用した変形例を述べる。
<5-7> Utilization of Microlens Array The embodiments described so far are obtained by preparing a hologram recording medium on which a hologram image of a scatterer is recorded and scanning the hologram recording medium with coherent light. Diffracted light was used as illumination light. Here, a modified example using a microlens array instead of the hologram recording medium will be described.
図４３は、このマイクロレンズアレイを利用した変形例の側面図である。この変形例に係る照明ユニット１２０は、マイクロレンズアレイ４８、コヒーレント光源５０、光ビーム走査装置６０によって構成されている。コヒーレント光源５０は、これまで述べてきた実施形態と同様に、コヒーレントな光ビームＬ５０を発生させる光源であり、具体的には、レーザ光源を用いることができる。
FIG. 43 is a side view of a modification using this microlens array. The
また、光ビーム走査装置６０は、これまで述べてきた実施形態と同様に、コヒーレント光源５０が発生した光ビームＬ５０の走査を行う装置である。より具体的には、光ビームを走査基点Ｂで屈曲させてマイクロレンズアレイ４８に照射する機能を有し、しかも、光ビームＬ５０の屈曲態様を時間的に変化させることにより、光ビームＬ６０のマイクロレンズアレイ４８に対する照射位置が時間的に変化するように走査する。
The light
一方、マイクロレンズアレイ４８は、多数の個別レンズの集合体からなる光学素子である。このマイクロレンズアレイ４８を構成する個別レンズは、それぞれが、走査基点Ｂから入射した光を屈折させ、所定位置に配置される物体Ｍの近傍面Ｒ（図示の例の場合、物体Ｍが載せられる載置ステージ２１０の上面（図の左面））に照射領域Ｉを形成する機能を有している。
On the other hand, the
この照射領域Ｉは、これまで述べてきた実施形態における線状パターンＵを形成する領域であり、ここに示す実施例の場合、図において上下方向に細長い線状の照射領域になる。すなわち、図の紙面に垂直方向の幅が、投影される線状パターンＵの幅になる（あるいは、図の紙面に垂直方向が、投影される線状パターンＵの長手方向となるようにしてもかまわない）。 This irradiation region I is a region for forming the linear pattern U in the embodiment described so far, and in the case of the example shown here, it becomes a linear irradiation region that is elongated in the vertical direction in the figure. That is, the width in the direction perpendicular to the drawing sheet is the width of the projected linear pattern U (or the direction perpendicular to the drawing sheet is the longitudinal direction of the projected linear pattern U). It doesn't matter)
ここで重要な点は、いずれの個別レンズによって形成される照射領域Ｉも、当該近傍面Ｒ上において同一の共通領域となるように構成されている点である。別言すれば、いずれの個別レンズを通った光も、近傍面Ｒ上の同一位置に同一の照射領域Ｉを形成することになる。このような機能をもったマイクロレンズアレイとしては、たとえば、「フライアイレンズ」と呼ばれるものが市販されている。 The important point here is that the irradiation region I formed by any of the individual lenses is configured to be the same common region on the vicinity surface R. In other words, the light passing through any of the individual lenses forms the same irradiation region I at the same position on the near surface R. As a microlens array having such a function, for example, a so-called “fly eye lens” is commercially available.
図４４は、図４３に示す照明ユニット１００の動作原理を示す側面図である。ここでも、説明の便宜上、光ビームＬ６０の時刻ｔ１における屈曲態様を一点鎖線で示し、時刻ｔ２における屈曲態様を二点鎖線で示している。すなわち、時刻ｔ１では、光ビームＬ５０は走査基点Ｂで屈曲し、光ビームＬ６０（ｔ１）としてマイクロレンズアレイ４８の下方に位置する個別レンズ４８−１に入射する。この個別レンズ４８−１は、走査基点Ｂから入射した光ビームについては、これを広げて、物体Ｍの近傍面Ｒ（この例では、載置ステージ２１０の上面）の二次元照射領域Ｉに照射する機能を有する。したがって、当該近傍面Ｒには、図示のように縦方向に細長い照射領域Ｉが形成され、当該照射領域Ｉが線状パターンＵを構成する。
FIG. 44 is a side view showing the operating principle of the
また、時刻ｔ２では、光ビームＬ５０は走査基点Ｂで屈曲し、光ビームＬ６０（ｔ２）としてマイクロレンズアレイ４８の上方に位置する個別レンズ４８−２に入射する。この個別レンズ４８−２は、走査基点Ｂから入射した光ビームについては、これを広げて、近傍面Ｒ上の二次元照射領域Ｉに照射する機能を有する。したがって、時刻ｔ２においても、近傍面Ｒには、図示のように照射領域Ｉ（線状パターンＵ）が形成される。
At time t2, the light beam L50 is bent at the scanning base point B, and enters the individual lens 48-2 positioned above the
図には、便宜上、時刻ｔ１，ｔ２の２つの時点における動作状態しか示されていないが、実際には、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームの屈曲方向は滑らかに変化し、光ビームＬ６０のマイクロレンズアレイ４８に対する照射位置は、図の下方から上方へと徐々に移動してゆくことになる。すなわち、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームＬ６０の照射位置は、マイクロレンズアレイ４８上で上下に走査されることになる。もちろん、マイクロレンズアレイ４８として、多数の個別レンズが二次元的に配置されたものを用いた場合は、光ビーム走査装置６０によって、この二次元配列上で光ビームが走査されるようにすればよい。
In the figure, for the sake of convenience, only the operating states at two points in time t1 and t2 are shown, but actually, the bending direction of the light beam changes smoothly during the period from time t1 to t2, and the light beam L60. The irradiation position with respect to the
上述したマイクロレンズアレイ４８の性質から、光ビームＬ６０がどの個別レンズに入射したとしても、近傍面Ｒ上に形成される二次元照射領域Ｉ（線状パターンＵ）は共通になる。すなわち、光ビームの走査状態にかかわらず、近傍面Ｒには、常に同一の照射領域Ｉ（線状パターンＵ）が形成されることになる。したがって、この照射領域Ｉ内に物体Ｍを配置すれば、その表面には常に線状パターンＵが投影された状態になる。もちろん、必要に応じて、パターン走査機構２００を設けておけば、線状パターンＵを物体Ｍ上で走査することもできる。
Due to the properties of the
結局、ここに示す照明ユニット１２０の場合、光ビーム走査装置６０は、光ビームＬ６０をマイクロレンズアレイ４８に照射し、かつ、光ビームＬ６０のマイクロレンズアレイ４８に対する照射位置が時間的に変化するように走査する機能をもっている。一方、マイクロレンズアレイ４８を構成する個別レンズは、それぞれが、光ビーム走査装置６０から照射された光を屈折させ、物体Ｍの近傍面Ｒ上に線状の照射領域Ｉを形成する機能を有しており、かつ、いずれの個別レンズによって形成される照射領域Ｉも、この近傍面Ｒ上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されている。このため、この線状の照射領域Ｉを、これまで述べてきた実施形態における線状パターンＵとして利用することができる。
Eventually, in the case of the
この照明ユニット１２０の場合も、これまで述べてきた基本的実施形態に係る照明ユニット１００と同様に、近傍面Ｒの各部に照射される光の入射角度は、時間的に多重化されることになり、また、光ビームＬ６０を走査しているため、スペックルの発生が抑制される。
In the case of the
＜５−８＞ 光拡散素子の利用
これまで、基本的な実施形態として、散乱体３０のホログラム像が記録されたホログラム記録媒体を用いて照明ユニットを構成した例を説明し、上記＜５−７＞では、ホログラム記録媒体の代わりにマイクロレンズアレイを用いて照明ユニットを構成した例を説明した。これらの照明ユニットにおいて、ホログラム記録媒体やマイクロレンズアレイは、結局のところ、入射した光ビームを拡散して所定面上に線状の照射領域を形成する機能を有する光拡散素子の役割を果たしていることになる。しかも、当該光拡散素子は、光ビームの入射位置にかかわらず、形成される照射領域が、物体Ｍの近傍面上において同一の共通領域となる、という特徴を有している。
<5-8> Use of Light Diffusing Element As an example of the basic embodiment, an example in which an illumination unit is configured using a hologram recording medium on which a hologram image of the
したがって、本発明に係る照明ユニットを構成するには、必ずしも上述したホログラム記録媒体やマイクロレンズアレイを用いる必要はなく、一般的に、上記特徴を有する光拡散素子を用いて構成することができる。 Therefore, in order to configure the illumination unit according to the present invention, it is not always necessary to use the above-described hologram recording medium or microlens array, and it can be generally configured using a light diffusing element having the above characteristics.
要するに、本発明に係る装置に用いられる照明ユニットは、本質的には、コヒーレントな光ビームを発生させるコヒーレント光源と、この光ビームの向きもしくは位置またはその双方を制御することにより、ビーム走査を行う光ビーム走査装置と、入射した光ビームを拡散して射出する光拡散素子と、を用いることによって構成することができる。 In short, the illumination unit used in the apparatus according to the present invention essentially performs a beam scan by controlling a coherent light source that generates a coherent light beam and the direction and / or position of the light beam. A light beam scanning device and a light diffusing element that diffuses and emits an incident light beam can be used.
ここで、光ビーム走査装置は、コヒーレント光源が発生した光ビームを、光拡散素子に向けて射出し、かつ、当該光ビームの光拡散素子に対する入射位置が時間的に変化するように走査する機能を有していればよい。また、光拡散素子は、入射した光ビームを拡散して物体の近傍に位置する特定の近傍面上に線状の照射領域を投影する機能を有し、かつ、光ビームの入射位置にかかわらず、形成される照射領域が、当該近傍面上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されていればよい。 Here, the light beam scanning device emits the light beam generated by the coherent light source toward the light diffusing element, and scans so that the incident position of the light beam with respect to the light diffusing element changes with time. As long as it has. The light diffusing element has a function of diffusing an incident light beam and projecting a linear irradiation area on a specific near surface located in the vicinity of the object, and regardless of the incident position of the light beam. The irradiation region to be formed may be configured so as to be substantially the same common region on the vicinity surface.
本発明に係るスキャナ装置は、物体に対して光学的なスキャンを行う用途に広く利用することができる。上記実施例では、このスキャナ装置を、物体の三次元形状測定装置に利用した例を述べたが、このスキャナ装置の用途は、必ずしも三次元形状測定装置に限定されるものではない。たとえば、紙面などの二次元物体上の情報をスキャンする用途にも利用可能である。 The scanner device according to the present invention can be widely used for optical scanning of an object. In the above-described embodiment, an example in which the scanner device is used as a three-dimensional shape measuring apparatus for an object has been described. However, the application of the scanner device is not necessarily limited to the three-dimensional shape measuring apparatus. For example, the present invention can also be used for scanning information on a two-dimensional object such as paper.
一方、本発明に係る物体の三次元形状測定装置は、様々な物体の三次元形状を非接触で測定することができるため、あらゆる物体を対象として、加工を施す分野や検査する分野など、産業上、広く利用することができる。 On the other hand, the object three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention can measure the three-dimensional shape of various objects in a non-contact manner. Besides, it can be widely used.
１０：コヒーレント光源
１１：反射鏡
１２：ビームエキスパンダー
２０：ビームスプリッタ
２１：反射鏡
２２：ビームエキスパンダー
２３：凸レンズ
２４：シリンドリカルレンズ
２５：凸レンズ
３０：線状散乱体
３０Ａ，３０Ｂ：散乱体
３０Ａ−１〜３０Ａ−ｎ：線状散乱体
３０Ｂ−１〜３０Ｂ−ｍ：線状散乱体
３０Ｃ：網目格子状散乱体
３０′：仮想の散乱板
３５：散乱板の像
４０：ホログラム感光媒体
４０′：仮想の記録面
４５，４６：ホログラム記録媒体
４８：マイクロレンズアレイ
４８−１，４８−２：個別レンズ
５０：コヒーレント光源
６０，６５：光ビーム走査装置
６６：可動反射鏡
８０：ホログラム感光媒体
８５：ホログラム記録媒体
８８：ホログラム記録媒体
８８−１〜８８−ｎ：ホログラム記録媒体の分割領域
９０：準備用ホログラム感光媒体
９５：準備用ホログラム記録媒体
１００，１１０，１２０：照明ユニット
２００：パターン走査機構
２１０：載置ステージ
２２０：搬送装置
３００：撮影ユニット
３０１，３０２，３０３：カメラ
４００：形状解析ユニット
Ａ１，Ａ２：再生用照明光の断面
Ａ１Ｓ，Ａ１Ｅ，Ａ２Ｓ，Ａ２Ｅ，Ａ３Ｓ，Ａ３Ｅ，ＡｎＳ，ＡｎＥ：再生用照明光の断面
ａ１〜ａ４：領域
Ｂ：走査基点
Ｃ：収束点
Ｄ：点光源
Ｄａ：ホログラム記録媒体の横幅
Ｄｂ：ホログラム記録媒体の縦幅
Ｇ：画像
Ｇ（３０１，ｉ）：画像
Ｇ（３０２，ｉ）：画像
Ｇ（３０３，ｉ）：画像
Ｉ：照射領域
Ｌ１０：光ビーム
Ｌ１１：光ビーム
Ｌ１２：平行光束
Ｌ２０：光ビーム
Ｌ２１：光ビーム
Ｌ２２：平行光束
Ｌ２３：参照光
Ｌ２４：参照光
Ｌ３０：散乱光
Ｌ３１〜Ｌ３３：物体光
Ｌ４５，Ｌ４６：回折光
Ｌ５０：光ビーム
Ｌ６０，Ｌ６１，Ｌ６２，Ｌ６５：光ビーム
Ｌdif ：回折光
Ｌobj ：物体光
Ｌref ：参照光
Ｌrep ：再生用照明光
Ｍ：物体
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２：照射点
Ｐａ，Ｐｂ：点光源Ｄのピッチ
Ｑ：着目点
Ｑ１〜Ｑ３：物体点
Ｒ：受光面
Ｓ１，Ｓ２：参照光の断面
Ｔ：三次元形状データ
ｔ１，ｔ２：時刻
Ｕ，Ｕ１〜Ｕｎ：線状パターン
Ｖ，Ｗ：回動軸
10: Coherent light source 11: Reflector 12: Beam expander 20: Beam splitter 21: Reflector 22: Beam expander 23: Convex lens 24: Cylindrical lens 25: Convex lens 30: Linear scatterer 30A, 30B: Scatterer 30A-1 30A-n: linear scatterers 30B-1 to 30B-m: linear scatterer 30C: mesh lattice scatterer 30 ': virtual scatter plate 35: image of scatter plate 40: hologram photosensitive medium 40': virtual Recording surface 45, 46: Hologram recording medium 48: Micro lens array 48-1, 48-2: Individual lens 50: Coherent light source 60, 65: Light beam scanning device 66: Movable reflector 80: Hologram photosensitive medium 85: Hologram recording Medium 88: Hologram recording medium 88-1 to 88-n: Divided area 90 of hologram recording medium: Preparation Holographic photosensitive medium 95: Preparation hologram recording medium 100, 110, 120: Illumination unit 200: Pattern scanning mechanism 210: Placement stage 220: Conveying device 300: Imaging units 301, 302, 303: Camera 400: Shape analysis unit A1, A2: Cross sections A1S, A1E, A2S, A2E, A3S, A3E, AnS, AnE of reproduction illumination light: Cross sections a1 to a4 of reproduction illumination light: Area B: Scanning base point C: Converging point D: Point light source Da: Hologram Horizontal width Db of recording medium: Vertical width G of hologram recording medium G: Image G (301, i): Image G (302, i): Image G (303, i): Image I: Irradiation region L10: Light beam L11: Light Beam L12: Parallel beam L20: Light beam L21: Light beam L22: Parallel beam L23: Reference beam L24: Reference beam L30: Scattered
Claims (11)
コヒーレントな光ビーム（Ｌ５０）を発生させるコヒーレント光源（５０）と、
前記線状パターン（Ｕ）に対応する形状をもった散乱体（３０）の像（３５）が記録されたホログラム記録媒体（４５，４６，８５）と、
前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）を前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に照射し、かつ、前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）の前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置（６０，６５）と、
を有し、
前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）には、所定光路に沿って照射される参照光（Ｌ２３，Ｌref ）を用いて前記散乱体（３０）の像がホログラムとして記録されており、
前記コヒーレント光源（５０）は、前記散乱体の像（３５）を再生することが可能な波長をもった光ビーム（Ｌ５０）を発生させ、
前記光ビーム走査装置（６０，６５）は、前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に対する前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）の照射方向が前記参照光（Ｌ２３，Ｌref ）の光路に沿った方向になるように、前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）の走査を行い、
前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）から得られるホログラムの再生光により前記線状パターン（Ｕ）が投影されることを特徴とする線状照明装置。 A linear illumination device (100, 110) for projecting a linear pattern (U) of light onto an object (M),
A coherent light source (50) for generating a coherent light beam (L50);
A hologram recording medium (45, 46, 85) on which an image (35) of a scatterer (30) having a shape corresponding to the linear pattern (U) is recorded;
The light beam (L60, L65) is irradiated to the hologram recording medium (45, 46, 85), and the irradiation position of the light beam (L60, L65) to the hologram recording medium (45, 46, 85) is A light beam scanning device (60, 65) that scans to change over time;
Have
On the hologram recording medium (45, 46, 85), an image of the scatterer (30) is recorded as a hologram using reference light (L23, Lref) irradiated along a predetermined optical path,
The coherent light source (50) generates a light beam (L50) having a wavelength capable of reproducing the image (35) of the scatterer;
In the light beam scanning device (60, 65), the irradiation direction of the light beam (L60, L65) to the hologram recording medium (45, 46, 85) is a direction along the optical path of the reference light (L23, Lref). The light beam (L60, L65) is scanned so that
The linear illumination device, wherein the linear pattern (U) is projected by reproduction light of a hologram obtained from the hologram recording medium (45, 46, 85).
ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に、１本もしくは互いに平行な複数本の線状散乱体（３０）の像（３５）が記録されており、ホログラムの再生光により１本もしくは互いに平行な複数本の線を有する線状パターン（Ｕ）が投影されることを特徴とする線状照明装置。 The linear illumination device according to claim 1,
One or a plurality of linear scatterers (30) images (35) parallel to each other are recorded on the hologram recording medium (45, 46, 85), and one or parallel to each other by the reproduction light of the hologram. A linear illumination device in which a linear pattern (U) having a plurality of lines is projected.
ホログラム記録媒体（８８）が複数の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）に分割されており、個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）には、それぞれ１本もしくは複数本の線状散乱体（３０）の像が記録されており、個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）から得られるホログラムの再生光により、それぞれ１本もしくは複数本の線を有する線状パターンが投影され、かつ、１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンと、別な１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンとが、空間上の異なる位置に形成されることを特徴とする線状照明装置。 The linear illumination device according to claim 1,
The hologram recording medium (88) is divided into a plurality of divided areas (88-1, 88-2, 88-3,..., 88-n), and each divided area (88-1, 88-2). , 88-3,..., 88-n) each record an image of one or a plurality of linear scatterers (30), and each divided region (88-1, 88-2). , 88-3,..., 88-n), a linear pattern having one or more lines is projected by the reproduction light of the hologram obtained from each of the holograms, and the hologram obtained from one divided region a linear pattern projected by reproduction light, a linear pattern projected by the reproduction light of the hologram obtained from another one of the divided areas, characterized in that it is formed at a different position on the spatial linear Lighting device .
光ビーム走査装置（６０，６５）が、第１番目の分割領域、第２番目の分割領域、第３番目の分割領域、... 、というように、所定の順番で光ビームの走査を行い、第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域を走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に第ｉ番目の線状パターンが投影されるようにし、光ビーム走査装置（６０，６５）が、物体（Ｍ）に対する線状パターン（Ｕ）の投影位置を時間的に変化させる機能を有することを特徴とする線状照明装置。 The linear illumination device according to claim 3 ,
The light beam scanning device (60, 65) scans the light beam in a predetermined order such as the first divided area, the second divided area, the third divided area, and so on. , When scanning the i-th (i = 1, 2, 3,...) Divided region, the i-th linear pattern is projected at the i-th position in space. The linear illumination device characterized in that the light beam scanning device (60, 65) has a function of temporally changing the projection position of the linear pattern (U) on the object (M) .
ホログラム記録媒体（８８）が、横方向に細長い複数の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）が縦方向に並んで配置されるように分割されており、個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）の長手方向と個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）から得られる再生像の長手方向とが平行になるようにホログラムの記録が行われていることを特徴とする線状照明装置。 The linear illumination device according to claim 3 or 4 ,
The hologram recording medium (88) is divided so that a plurality of divided areas (88-1, 88-2, 88-3,..., 88-n) elongated in the horizontal direction are arranged in the vertical direction. The longitudinal direction of each divided area (88-1, 88-2, 88-3,..., 88-n) and each divided area (88-1, 88-2, 88-3,. .., 88-n), the linear illumination device is characterized in that the hologram is recorded so that the longitudinal direction of the reproduced image is parallel to the longitudinal direction.
光ビーム走査装置（６０）が、光ビーム（Ｌ５０）を所定の走査基点（Ｂ）で屈曲させ、屈曲された光ビーム（Ｌ６０）をホログラム記録媒体（４５）に照射し、かつ、前記光ビーム（Ｌ５０）の屈曲態様を時間的に変化させることにより、屈曲された光ビーム（Ｌ６０）の前記ホログラム記録媒体（４５）に対する照射位置を時間的に変化させ、
前記ホログラム記録媒体（４５）には、特定の収束点（Ｃ）に収束する参照光（Ｌ２３）または特定の収束点（Ｃ）から発散する参照光（Ｌ２３）を用いて散乱体（３０）の像がホログラムとして記録されており、
前記光ビーム走査装置（６０）が、前記収束点（Ｃ）を前記走査基点（Ｂ）として光ビーム（Ｌ６０）の走査を行うことを特徴とする線状照明装置。 In the linear illuminating device in any one of Claims 1-5 ,
The light beam scanning device (60) bends the light beam (L50) at a predetermined scanning base point (B), irradiates the bent light beam (L60) to the hologram recording medium (45), and the light beam. By changing the bending mode of (L50) with time, the irradiation position of the bent light beam (L60) to the hologram recording medium (45) is changed with time,
The hologram recording medium (45) includes a reference beam (L23) that converges at a specific convergence point (C) or a reference beam (L23) that diverges from a specific convergence point (C). The image is recorded as a hologram,
The linear illumination device characterized in that the light beam scanning device (60) scans the light beam (L60) with the convergence point (C) as the scanning base point (B).
ホログラム記録媒体（４５）に、収束点（Ｃ）を頂点とした円錐の側面に沿って三次元的に収束もしくは発散する参照光を用いて散乱体（３０）の像が記録されていることを特徴とする線状照明装置。 The linear illumination device according to claim 6 ,
The image of the scatterer (30) is recorded on the hologram recording medium (45) using reference light that converges or diverges three-dimensionally along the side surface of the cone having the convergence point (C) as a vertex. A linear illumination device characterized.
ホログラム記録媒体（４５）に、収束点（Ｃ）を含む平面に沿って二次元的に収束もしくは発散する参照光を用いて散乱体（３０）の像が記録されていることを特徴とする線状照明装置。 The linear illumination device according to claim 6 ,
A line characterized in that an image of the scatterer (30) is recorded on the hologram recording medium (45) using reference light that converges or diverges two-dimensionally along a plane including the convergence point (C). Illuminator .
光ビーム走査装置（６５）が、光ビーム（Ｌ６５）を平行移動させながらホログラム記録媒体（４６）に照射することにより、前記光ビーム（Ｌ６５）の前記ホログラム記録媒体（４６）に対する照射位置を時間的に変化させ、
前記ホログラム記録媒体（４６）には、平行光束からなる参照光（Ｌref）を用いて散乱体（３０）の像（３５）がホログラムとして記録されており、
前記光ビーム走査装置（６５）が、前記参照光（Ｌref）に平行になる方向から光ビーム（Ｌ６５）を前記ホログラム記録媒体（４６）に照射して、光ビーム（Ｌ６５）の走査を行うことを特徴とする線状照明装置。 In the linear illuminating device in any one of Claims 1-5 ,
The light beam scanning device (65) irradiates the hologram recording medium (46) while translating the light beam (L65), so that the irradiation position of the light beam (L65) on the hologram recording medium (46) is changed over time. Change
On the hologram recording medium (46), an image (35) of the scatterer (30) is recorded as a hologram using reference light (Lref) made of parallel light flux,
The light beam scanning device (65) scans the light beam (L65) by irradiating the hologram recording medium (46) with the light beam (L65) from a direction parallel to the reference light (Lref). A linear illumination device characterized by the above.
コヒーレントな光ビーム（Ｌ５０）を発生させるコヒーレント光源（５０）と、
多数の個別レンズの集合体からなるマイクロレンズアレイ（４８）と、
前記光ビーム（Ｌ５０）を前記マイクロレンズアレイ（４８）に照射し、かつ、前記光ビーム（Ｌ６０）の前記マイクロレンズアレイ（４８）に対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置（６０）と、
を有し、
前記マイクロレンズアレイ（４８）を構成する個別レンズは、それぞれが、前記光ビーム走査装置（６０）から照射された光を屈折させ、前記物体（Ｍ）の近傍面（Ｒ）に線状の照射領域（Ｉ）を形成する機能を有し、かつ、いずれの個別レンズによって形成される照射領域（Ｉ）も、前記近傍面（Ｒ）上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されていることを特徴とする線状照明装置。 A linear illumination device (120) that projects a linear pattern (U) of light onto an object (M),
A coherent light source (50) for generating a coherent light beam (L50);
A microlens array (48) comprising a collection of a number of individual lenses;
Light beam scanning for irradiating the microlens array (48) with the light beam (L50) and scanning so that the irradiation position of the light beam (L60) on the microlens array (48) changes with time. A device (60);
Have
Each of the individual lenses constituting the microlens array (48) refracts the light irradiated from the light beam scanning device (60), and linearly irradiates the near surface (R) of the object (M). The irradiation region (I) formed by any individual lens has a function of forming the region (I), and is configured to be substantially the same common region on the vicinity surface (R). A linear illumination device characterized by that.
コヒーレントな光ビーム（Ｌ５０）を発生させるコヒーレント光源（５０）と、
前記光ビーム（Ｌ５０）の向きもしくは位置またはその双方を制御することにより、ビーム走査を行う光ビーム走査装置（６０，６５）と、
入射した光ビームを拡散して射出する光拡散素子（４５，４６，４８）と、
を備え、
前記光ビーム走査装置（６０，６５）は、前記コヒーレント光源（５０）が発生した前記光ビーム（Ｌ５０）を、前記光拡散素子（４５，４６，４８）に向けて射出し、かつ、前記光ビーム（Ｌ６０）の前記光拡散素子（４５，４６，４８）に対する入射位置が時間的に変化するように走査し、
前記光拡散素子（４５，４６，４８）は、入射した光ビームを拡散させて前記物体（Ｍ）の近傍面（Ｒ）上に線状の照射領域（Ｉ）を形成する機能を有し、かつ、光ビームの入射位置にかかわらず、形成される照射領域（Ｉ）が、前記近傍面（Ｒ）上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されていることを特徴とする線状照明装置。 A linear illumination device (100, 110, 120) that projects a linear pattern (U) of light onto an object (M),
A coherent light source (50) for generating a coherent light beam (L50);
A light beam scanning device (60, 65) for performing beam scanning by controlling the direction and / or position of the light beam (L50);
A light diffusing element (45, 46, 48) for diffusing and emitting an incident light beam;
With
The light beam scanning device (60, 65) emits the light beam (L50) generated by the coherent light source (50) toward the light diffusion element (45, 46, 48), and the light. Scanning so that the incident position of the beam (L60) with respect to the light diffusing element (45, 46, 48) changes with time,
The light diffusing element (45, 46, 48) has a function of diffusing an incident light beam to form a linear irradiation region (I) on a near surface (R) of the object (M), In addition, the linear illumination is characterized in that the irradiation region (I) to be formed is configured to be substantially the same common region on the near surface (R) regardless of the incident position of the light beam. Equipment .
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