JP2015102485A - 形状測定装置、光走査装置、構造物製造システム、形状測定方法、構造物製造方法、及び形状測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】構造光を、測定対象物に容易かつ正確に投影させることにより、測定対象物の三次元形状を精度よく測定する。【解決手段】第１の方向Ｄ１に沿って異なる光強度の分布を有する構造光を生成する光生成部２０と、構造光を第１の方向Ｄ１とは異なる測定対象物２上の第２の方向Ｄ２に沿って走査する走査部４０と、構造光が投影された測定対象物２を撮像する撮像部５０と、撮像部５０で得られた測定対象物２の像に応じた信号強度に基づいて、測定対象物２の形状を算出する演算部６０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定装置、光走査装置、構造物製造システム、形状測定方法、構造物製造方法、及び形状測定プログラムに関する。

測定対象物の三次元形状を測定する手法として位相シフト法が知られている。位相シフト法を用いた形状測定装置は、投影部、撮像部、及び演算部を備えている。この投影部は、正弦波状の光強度の分布を有する縞状のパターン光（以下、構造光という。）を測定対象物に投影する。この際、構造光の縞の位相を１周期（２π）にわたって例えばπ／２ずつ４回シフトさせて、縞の位相が０、π／２、π、３π／２となる４種類の構造光を投影する。投影部に対し撮像部は異なる角度から対象を撮影し、投影部、測定対象物、撮影部が三角測量の位置関係になるよう配置されている。この撮像部は、４種類の異なる位相の構造光がそれぞれ測定対象物に投影されるときに、それぞれ測定対象物を撮像して４つの位相画像を取得する。演算部は、撮像部が撮像した４つの画像における各画素の信号強度に関するデータを所定の演算式に当てはめ、測定対象物の面形状に応じた各画素における縞の位相値を求める。そして、演算部は、三角測量の原理を利用して、各画素における縞の位相値から測定対象物の三次元座標データを算出する。

この位相シフト法を利用した装置は、例えば、特許文献１に開示されている。この装置において、投影部は、位相が変化する構造光を測定対象物であるプリント基板に投影する。また、撮像部は構造光に基づく測定対象物の複数の画像データを取得する。そして、演算部が複数の画像データからプリント基板上に印刷されている半田の位置、面積等を取得する。

米国特許第５４５０２０４号明細書

上記した形状測定装置における投影部は、ＬＤ（Laser Diode）等の光源、シリンドリカルレンズ、及びＭＥＭＳミラー（ＭＥＭＳ：Micro
Electro Mechanical System）等を含む走査部を備えている。ＬＤは、周期的に変化する電圧信号が入力されることにより、時間の経過とともに強度が周期的に変化する。ＬＤからの光をシリンドリカルレンズを含む光学系に通すことでライン状の照明パターンを成形する。ＭＥＭＳミラーは、所定の振幅及び所定の周波数で振動するミラーである。振動するミラーにシリンドリカルレンズで成形されたライン状の光が入射することによって、ミラーで反射したライン状の光が測定対象物の表面において走査される。この走査における時間の経過とともにＬＤからの光の強度が周期的に変化するため、周期的な光強度の分布を有する構造光が測定対象物に投影される。つまり、ＭＥＭＳミラーの振動とＬＤから射出される光の強度の変化とを同期させることにより測定対象物に構造光が形成される。一例として、測定対象物の表面に形成される構造光の光強度分布が所定の振幅の正弦波状となるように、ＭＥＭＳミラーが反復して振動することで、ＭＥＭＳミラーによる光の走査は複数回繰り返される。

しかしながら、上記した形状測定装置では、ＭＥＭＳミラーの振動とＬＤから射出される光の強度との同期をとることは難しく、同期がとれないと、測定対象物に所望の構造光を投影することができなくなり、算出する三次元座標データの精度が低下する。

本発明の態様では、構造光を、測定対象物に容易かつ正確に投影させることにより、測定対象物の三次元形状を精度よく測定することを目的とする。

本発明の第１態様によれば、測定対象物の三次元形状を測定する形状測定装置において、第１の方向に沿って異なる強度の分布を有する構造光を生成する光生成部と、構造光を第１の方向とは異なる測定対象物上の第２の方向に沿って走査する走査部と、構造光が投影された測定対象物を撮像する撮像部と、撮像部で得られた測定対象物の像に応じた信号強度に基づいて、測定対象物の形状を算出する演算部と、を備える形状測定装置が提供される。

本発明の第２態様によれば、光を走査した測定対象物を撮像して取得した該測定対象物の像に応じた信号強度に基づいて三次元形状を測定する該測定対象物に光を走査する光走査装置において、第１の方向に沿って異なる強度の分布を有する構造光を生成する光生成部と、構造光を第１の方向とは異なる測定対象物上の第２の方向に沿って走査する走査部と、を備える光走査装置が提供される。

本発明の第３態様によれば、構造物の形状に関する設計情報を作製する設計装置と、設計情報に基づいて構造物を作製する成形装置と、作製された構造物の形状を測定する第１態様の形状測定装置と、形状測定装置によって得られた構造物の形状に関する形状情報と設計情報とを比較する検査装置と、を含む構造物製造システムが提供される。

本発明の第４態様によれば、測定対象物の三次元形状を測定する形状測定方法において、第１の方向に沿って異なる強度の分布を有する構造光を生成することと、構造光を第１の方向とは異なる測定対象物上の第２の方向に沿って走査することと、構造光が投影された測定対象物を撮像することと、撮像することで得られた測定対象物の像に応じた信号強度に基づいて、測定対象物の形状を算出することと、を含む形状測定方法が提供される。

本発明の第５態様によれば、構造物の形状に関する設計情報を作製することと、設計情報に基づいて構造物を作製することと、作製された構造物の形状を測定する第４態様の形状測定方法と、形状測定方法によって得られた構造物の形状に関する形状情報と設計情報とを比較することと、を含む構造物製造方法が提供される。

本発明の第６態様によれば、形状測定装置に含まれるコンピュータに、第１の方向に沿って異なる強度の分布を有する構造光を生成する光生成処理と、構造光を第１の方向とは異なる測定対象物上の第２の方向に沿って走査する走査処理と、構造光が投影された測定対象物を撮像する撮像処理と、撮像処理で得られた測定対象物の像に応じた信号強度に基づいて、測定対象物の形状を算出する演算処理と、を実行させる形状測定プログラムが提供される。

本発明の態様によれば、構造光を、測定対象物に容易かつ正確に投影させることができる。従って、測定対象物の三次元形状を精度よく測定することができる。

第１実施形態に係る形状測定装置の一例を示す図である。 図１に示す形状測定装置の詳細構成の一例を示すブロック図である。 投影領域における構造光（縞パターン）の強度分布を示す図である。 投影領域と撮像領域との関係を示す図である。 図１に示す光生成部の構成の一例を示す図である。 図１及び図２に示す走査部の構成の一例を示す図である。 測定対象物のない平面に各位相の縞パターンが投影された状態を示す図である。 ４種類の位相の縞パターンをそれぞれ投影した際に検出された撮像装置における所定の同一画素の信号強度から求められる正弦波を示す波形図である。 位相シフト法における位相回復及び位相接続の処理を説明するための図である。 形状測定装置の動作を説明しつつ、形状測定方法の一例について説明するフローチャートである。 第１変形例に係る光生成部の構成の一例を示す図である。 第２変形例に係る光生成部の構成の一例を示す図である。 第３変形例に係る光生成部の構成の一例を示す図である。 第２実施形態に係る形状測定装置に用いられる光生成部の構成の一例を示す図である。 投影領域における空間コードパターンの強度分布を示す図である。 空間コードパターンを平面に投影して撮像した画像を示す図である。 第２実施形態に係る形状測定装置の動作を説明しつつ、形状測定方法の一例について説明するフローチャートである。 空間コードと領域番号との関係を示す図である。 第３実施形態に係る形状測定装置に用いられる投影部の構成の一例を示す図である。 投影部の変形例の構成を示す図である。 光走査装置の実施形態の一例を示す図である。 構造物製造システムの実施形態の一例を示すブロック図である。 構造物製造方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。また、図面においては、実施形態を説明するため、一部分を大きくまたは強調して記載するなど適宜縮尺を変更して表現している。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る形状測定装置の一例を示す図である。なお、図１において、紙面の右方向をＸ１軸とし、Ｘ１軸と直交するある方向をＹ１軸とし、Ｘ１軸及びＹ１軸と直交する方向をＺ１軸としている。形状測定装置１は、位相シフト法を用いて測定対象物２の三次元形状を測定する装置である。形状測定装置１は、図１に示すように、投影部１０と、撮像部５０と、演算処理部６０とを備える。

投影部１０は、第１の方向Ｄ１（図１のＸ１軸方向）に沿って異なる光強度の分布を有する構造光を生成する。そして、投影部１０は、生成した構造光を第１の方向とは異なる第２の方向Ｄ２（図１のＹ１軸方向）に沿って走査することにより、投影領域２００に対して構造光を投影する。第１実施形態の構造光は、位相シフト法で用いる構造光であって、第１の方向Ｄ１に沿って正弦波状の周期的な光強度の分布を有する縞状のパターンの光である。なお、縞パターン１００及び投影領域２００の詳細については後述する（図３及び図４参照）。

投影部１０は、図１に示すように、光生成部２０と、投影光学系３０と、走査部４０とを有する。光生成部２０は、縞パターン１００を生成する。投影光学系３０は、光生成部２０で生成された縞パターン１００を投影する。投影光学系３０から出射された縞パターン１００は、走査部４０を介して測定対象物２または測定対象物２の近傍に向けて投影される。走査部４０は、縞パターン１００を第２の方向Ｄ２（図１のＹ１軸方向）に走査する。

撮像部５０は、投影部１０の位置と異なる位置に配置されている。撮像部５０は、縞パターン１００が投影された測定対象物２を、投影部１０による投影方向とは異なる方向から撮像する。撮像部５０は、受光光学系５１及び撮像装置５２を有している。受光光学系５１は、測定対象物２の表面において、構造光１００が投影された部分を含む領域の像を撮像装置５２に結像させる光学系である。受光光学系５１は、例えば複数のレンズが用いられる。撮像装置５２は、受光光学系５１によって結像された像に基づいて測定対象物２の画像データを生成するとともに、生成した画像データを記憶する。

演算処理部６０は、光生成部２０による縞パターン１００の生成を制御する。また、演算処理部６０は、走査部４０による縞パターン１００の走査と、撮像部５０による測定対象物２の撮像とを同期させるように、走査部４０及び撮像部５０を制御する。また、演算処理部６０は、撮像部５０が撮像した画像データにおける各画素の輝度データ（信号強度）に基づいて、測定対象物２の三次元形状を算出する。

次に、図２を参照して形状測定装置１に含まれる投影部１０、撮像部５０、及び演算処理部６０の詳細な構成について説明する。図２は、図１に示す形状測定装置１の詳細構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように３軸座標系を設定した場合、図２においては、紙面の右方向がＸ１軸となり、紙面の上方向がＺ１軸となり、紙面の裏から表に向かう方向がＹ１軸となる。図２に示すように、投影部１０は、レーザコントローラ２１、レーザダイオード（光源）２２、パターン生成部２３、投影光学系３０、及び走査部４０を有している。図１に示す光生成部２０は、レーザコントローラ２１、レーザダイオード２２、及びパターン生成部２３を含む。

レーザコントローラ２１は、制御部６２からの指令信号に基づいてレーザダイオード２２によるレーザ光の照射を制御する。レーザダイオード２２は、レーザコントローラ２１からの制御信号に基づいてレーザ光をパターン生成部２３に対して照射する光源である。パターン生成部２３は、一次元の格子状の縞パターン１００を生成する。また、パターン生成部２３は、制御部６２からの指令信号に基づいて縞パターン１００の位相を第１の方向Ｄ１（図２のＸ１軸方向）に所定時間毎にπ／２ずつ１周期にわたってシフトさせる。なお、光生成部２０（特にパターン生成部２３）の構成の詳細については後述する。

投影光学系３０は、上述したように、パターン生成部２３が生成した縞パターン１００を投影する。投影光学系３０は、一つまたは複数の透過光学素子または反射光学素子によって構成される。

走査部４０は、投影光学系３０から出射された縞パターン１００を、例えば、ミラー等の反射光学素子を用いて反射し、その反射角を変化させることにより縞パターン１００を第２の方向Ｄ２（図２のＹ１軸方向）に走査する。走査部４０を構成する反射光学素子の一例として、静電気でミラーを共振させて縞パターン１００の反射角を変化させるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーが用いられる。第２の方向Ｄ２は、第１の方向Ｄ１（図２のＸ１軸方向）と異なる測定対象物２上の方向である。例えば、第１の方向Ｄ１と第２の方向Ｄ２とは直交している。

ＭＥＭＳミラーは、図１に示すように紙面内の振動中心Ｓを軸として方向Ｒに振動し、縞パターン１００を所定の反射角で反射させつつ、その反射角を変化させる。ＭＥＭＳミラーによる第２の方向Ｄ２の走査幅（つまり、投影領域２００における第２の方向Ｄ２の長さ）は、ＭＥＭＳミラーにおける反射角が変化する方向の振幅によって決定される。また、ＭＥＭＳミラーにより縞パターン１００が第２の方向Ｄ２に走査される速度は、ＭＥＭＳミラーの角速度（つまり、共振周波数）によって決定される。また、ＭＥＭＳミラーを振動させることにより、縞パターン１００を往復して走査可能となる。縞パターン１００の走査の開始位置は任意である。例えば、投影領域２００の端から縞パターン１００の走査が開始されるほかに、投影領域２００の略中央付近から走査が開始されてもよい。

図３は、投影領域における構造光の強度分布を示す図である。図１に示すように３軸座標系を設定した場合、図３においては、紙面の右方向がＸ１軸となり、紙面の下方向がＹ１軸となり、紙面の裏から表に向かう方向がＺ１軸となる。

図３に示すように、位相シフト法で用いる縞パターン１００（構造光）は、第１の方向（図３のＸ１軸方向）に沿って正弦波状の周期的な光強度の分布を有する縞状のパターンの光である。縞パターン１００は、明るい部分（図３の白い部分）と暗い部分（図３の黒い部分）とが徐々に変化する明暗パターンを有する。また、縞パターン１００は、濃い部分（図３の黒い部分）と薄い部分（図３の白い部分）とが徐々に変化する濃淡パターンとも表現される。また、縞パターン１００は、格子状のパターンであるから格子パターンとも表現される。また、第１の方向Ｄ１を明暗の方向または濃淡の方向、格子の方向ともいう。

図３に示す縞パターン１００は、縞の状態を見やすくするために第２の方向Ｄ２（図３のＹ１軸方向）に対して所定の幅を持って表している。縞パターン１００の幅は任意である。また、図３では、縞パターン１００が走査部４０により第２の方向Ｄ２にわたって走査された状態を示している。縞パターン１００は、第１の方向Ｄ１に所定の長さを有しており、第２の方向Ｄ２に所定の長さにわたって走査されることで矩形状の投影領域２００を形成する。これにより、投影領域２００には、図３に示すような、縞パターン１００が第２の方向Ｄ２に拡張されたパターンが形成される。このように、第１の方向Ｄ１と第２の方向Ｄ２とで規定される領域、すなわち、構造光が投影される領域が投影領域２００である。この投影領域２００は、測定対象物２の一部または全部を含んでいる。

縞パターン１００の縞の位相は、パターン生成部２３により第１の方向Ｄ１にπ／２ずつシフトされる。縞パターン１００において、最も明るい部分と、その部分の隣の最も明るい部分との間（または、最も暗い部分と、その部分の隣の最も暗い部分との間）の位相が２πである。縞パターン１００は、パターン生成部２３によりπ／２ずつシフトされるので、４回のシフトで１周期（２π）シフトされる。位相がシフトされた縞パターン１００ごとに、第２の方向Ｄ２への走査が走査部４０により行われる。なお、縞パターン１００の位相がシフトされない限り、縞の位相が同一の縞パターン１００が投影領域２００に投影される。

撮像部５０は、受光光学系５１、ＣＣＤカメラ５２ａ、及び画像メモリ５２ｂを有している。図１に示す撮像装置５２は、ＣＣＤカメラ５２ａ及び画像メモリ５２ｂを含む。受光光学系５１は、上述したように、測定対象物２の表面において、構造光１００が投影された部分を含む領域の像をＣＣＤカメラ５２ａの受光面に結像させる。ＣＣＤカメラ５２ａは、電荷結合素子(Charge Coupled Device）を用いたカメラである。

ＣＣＤカメラ５２ａにより生成される画像データは画素毎の信号強度データによって構成される。例えば、画像データは５１２×５１２＝２６２１４４画素の信号強度データで構成される。ＣＣＤカメラ５２ａは、制御部６２からの指令信号に基づいて、縞パターン１００の位相が０、π／２、π、３π／２にシフトされた状態において、それぞれ測定対象物２を撮像して画像データを生成する。画像メモリ５２ｂは、ＣＣＤカメラ５２ａが生成した画像データを記憶する。

ここで、撮像部５０が測定対象物２を撮像する領域（以下、撮像領域と称する）について簡単に説明する。図４は、投影領域と撮像領域との関係を示す図である。図１に示すように３軸座標系を設定した場合、図４においては、紙面の右方向がＸ１軸となり、紙面の下方向がＹ１軸となり、紙面の裏から表に向かう方向がＺ１軸となる。図４に示すように、撮像領域２１０は、撮像部５０により撮像される測定対象物２の領域を示している。この撮像領域２１０は、投影領域２００の領域内であって、この投影領域２００よりも狭い領域とされている。ただし、撮像領域２１０は、少なくとも投影領域２００の領域外にはみ出さなければよい。例えば、撮像領域２１０は投影領域２００と同じ領域であってもよい。なお、撮像領域２１０は、投影領域２００よりも大きな領域であってもよい。

また、本明細書においては、撮像領域２１０とは別に撮像視野という表現を適宜用いて説明する。撮像視野は、撮像部５０による１回の撮像で撮像される測定対象物２上の範囲である。すなわち、撮像視野は、受光光学系５１の結像倍率と、形状測定装置１と測定対象物２の距離とで規定される範囲である。例えば、測定対象物２の形状測定を行う際に撮像部５０による撮像が１回だけしか行われない場合は、撮像視野は図４に示す撮像領域２１０と一致する。一方、測定対象物２の形状測定が行われる際に撮像部５０による撮像が複数回行われる場合は、複数回にわたって撮像された範囲が撮像領域２１０となる。なお、以下の説明では、測定対象物２の形状測定を行う際に撮像部５０による撮像が１回だけしか行われない場合、すなわち、撮像視野と撮像領域２１０とが一致する場合について説明する。

図４に示すように、投影領域２００が撮像領域２１０より大きいとき、縞パターン１００は、撮像領域２１０の外側（すなわち撮像視野の外側）から走査が開始される場合と、撮像領域２１０内（すなわち撮像視野内）から走査が開始される場合と、のいずれであってもよい。

演算処理部６０は、操作部６１、制御部６２、設定情報記憶部６３、取込メモリ６４、演算部６５、画像記憶部６６、及び表示制御部６７を有している。

操作部６１は、使用者の操作に応じた操作信号を制御部６２に出力する。この操作部６１は、例えば、使用者によって操作されるボタン、スイッチである。また、表示装置７０には例えばタッチパネルが形成されている。このタッチパネルも操作部６１として用いられる。

制御部６２は、第１制御部６２ａ及び第２制御部６２ｂを含む。第１制御部６２ａは、走査部４０と撮像部５０とを制御する。第２制御部６２ｂは、光生成部２０を制御する。制御部６２は、設定情報記憶部６３に記憶されているプログラムに従って次の制御を実行する。第２制御部６２ｂは、レーザコントローラ２１に指令信号を出力することにより、レーザダイオード２２からレーザ光を照射させる。また、第２制御部６２ｂは、縞の位相がそれぞれ異なる縞パターン１００（すなわち縞の位相が０、π／２、π、３π／２の縞パターン１００）が生成されるようにパターン生成部２３を制御する。具体的には、第２制御部６２ｂは、パターン生成部２３に指令信号を出力することにより、縞パターン１００の縞の位相が所定時間毎にπ／２ずつシフトされるようにパターン生成部２３を制御する。

第１制御部６２ａは、走査部４０及びＣＣＤカメラ５２ａに指令信号を出力し、ＣＣＤカメラ５２ａによる測定対象物２の撮像が、走査部４０による縞パターン１００の走査に同期するように制御する。また、第１制御部６２ａは、ＣＣＤカメラ５２ａによる１フレームの撮像と、縞パターン１００の複数回の走査とを同期させるように制御する。

走査部４０を構成するＭＥＭＳミラーの周波数は、例えば５００Ｈｚ（ＭＥＭＳミラーの振動周期は往復２ｍｓ）に設定される。また、ＣＣＤカメラ５２ａのシャッタースピード（ＣＣＤカメラ５２ａの露光時間）は例えば４０ｍｓに設置される。従って、ＣＣＤカメラ５２ａが１枚の画像を撮像する間に、走査部４０は縞パターン１００を投影領域２００に４０回走査（２０回往復走査）する。第１制御部６２ａは、ＣＣＤカメラ５２ａによる１フレームの撮像の間に、例えば走査部４０による縞パターン１００を２０回往復させるように制御を行う。ただし、ＣＣＤカメラ５２ａによる１フレームの撮像において、縞パターン１００を何往復走査させるかは、任意に設定可能である。例えば、ＣＣＤカメラ５２ａのシャッタースピードの調整や、ＭＥＭＳミラーの周波数の調整により、１フレームの撮像で取り込む縞パターン１００の走査数は調整される。

第１制御部６２ａは、パターン生成部２３によって縞パターン１００の縞の位相がシフトされると、それぞれの縞パターン１００について、走査部４０に指令信号を出力し、縞パターン１００を第２の方向Ｄ２（図２のＹ１軸方向）に走査するように走査部４０を制御する。また、第１制御部６２ａは、ＣＣＤカメラ５２ａに指令信号を出力することにより、縞の位相がシフトした縞パターン１００の走査に同期させてＣＣＤカメラ５２ａによる測定対象物２の撮像を行う。

設定情報記憶部６３は、制御部６２に制御を実行させるためのプログラムを記憶する。設定情報記憶部６３は、演算部６５に三次元形状の演算処理を実行させるためのプログラムを記憶する。設定情報記憶部６３は、表示制御部６７に表示制御を実行させるためのプログラムを記憶する。設定情報記憶部６３は、演算部６５の演算処理において縞パターン１００の縞の位相から測定対象物２の実座標値を算出する際に用いるキャリブレーション情報なども記憶する。

取込メモリ６４は、画像メモリ５２ｂに記憶された画像データを取り込んで記憶する。この取込メモリ６４は、縞パターン１００の位相が０、π／２、π、３π／２のときの４つの画像データそれぞれに対応した記憶領域が設けられている。例えば、縞パターン１００の位相が０のときの画像データが画像メモリ５２ｂに記憶され、その画像データが取込メモリ６４の第１記憶領域に記憶される。同様に、縞パターン１００の位相がπ／２、π、３π／２のときの画像データがそれぞれ画像メモリ５２ｂに記憶され、各画像データが取込メモリ６４の第２、第３、第４記憶領域にそれぞれ記憶される。

演算部６５は、設定情報記憶部６３に記憶されているプログラムやキャリブレーション情報に従って、取込メモリ６４の４つの記憶領域に記憶された画像データから測定対象物２の三次元形状データ（三次元形状の座標データ）を算出する。画像記憶部６６は、演算部６５が算出した測定対象物２の三次元形状データを記憶する。表示制御部６７は、設定情報記憶部６３に記憶されているプログラムに従って三次元形状の画像の表示制御を実行する。すなわち、表示制御部６７は、使用者による操作部６１の操作に応じて、または自動的に、画像記憶部６６に記憶された三次元形状データを読み出す。そして、表示制御部６７は、読み出した三次元形状データに基づいて表示装置７０の表示画面に測定対象物２の三次元形状の画像を表示させる制御を実行する。

表示装置７０は、測定対象物２の三次元形状の画像を表示する装置である。この表示装置７０は、例えば液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置などが用いられる。なお、図１では表示装置７０を省略している。

なお、制御部６２、演算部６５、及び表示制御部６７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算処理装置により構成される。すなわち、演算処理装置が設定情報記憶部６３に記憶されているプログラムに従って制御部６２が実行する処理を行う。また、演算処理装置が設定情報記憶部６３に記憶されているプログラムに従って演算部６５が実行する処理を行う。また、演算処理装置が設定情報記憶部６３に記憶されているプログラムに従って表示制御部６７が実行する処理を行う。

例えば、演算処理装置（ここでは制御部６２）がプログラムに従って光生成部２０を制御することにより、第１の方向Ｄ１に沿って異なる強度の分布を有する構造光を生成する光生成処理が光生成部２０によって実行される。また、演算処理装置（ここでは制御部６２）がプログラムに従って走査部４０を制御することにより、構造光を第１の方向Ｄ１とは異なる測定対象物２上の第２の方向Ｄ２に沿って走査する走査処理が走査部４０によって実行される。また、演算処理装置（ここでは制御部６２）がプログラムに従って撮像部５０を制御することにより、構造光が投影された測定対象物２を撮像する撮像処理が撮像部５０によって実行される。また、演算処理装置（ここでは演算部６５）がプログラムに従って撮像処理で得られた測定対象物２の像に応じた信号強度に基づいて、測定対象物２の形状を算出する演算処理を実行する。演算処理装置に処理を実行させるプログラムのことを形状測定プログラムという。

次に、光生成部２０の構成の詳細について説明する。
図５は、図１に示す光生成部２０Ａの構成の一例を示す図である。図５（ａ）は光生成部２０Ａの構成を示し、図５（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線から見た図である。図５（ａ）において、光軸方向（紙面の右方向）をＸ２軸とし、Ｘ２軸と直交するある方向（紙面の上方向）をＺ２軸とし、Ｘ２軸及びＺ２軸と直交する方向（紙面の裏から表に向かう方向）をＹ２軸としている。図５（ａ）に示すように３軸座標系を設定した場合、図５（ｂ）においては、光軸方向（紙面の右方向）がＸ２軸となり、紙面の裏から表に向かう方向がＺ２軸となり、紙面の下方向がＹ２軸となる。光生成部２０Ａは、光の２光束干渉を利用して正弦波状の光強度分布を有する縞パターン１００を生成する。図５に示すように、光生成部２０Ａは、レーザダイオード２２、コレクタレンズ２３ａ、及びレンズアレイ２３ｂを備えている。また、光生成部２０Ａは、干渉光学系として、位相変調機構２３ｃ、リレーレンズ２３ｄ、及びシリンドリカルレンズ２３ｅを備えている。なお、光生成部２０Ａはレーザコントローラ２１を備えているが、図５においては省略している。

レーザダイオード２２から放出された光は、コレクタレンズ２３ａにより平行光束または略平行光束に変換される。レーザダイオード２２としては、光の干渉原理を利用することから、可干渉性の高い光源、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザやシングルモード半導体レーザ等が用いられる。

コレクタレンズ２３ａを出射した光束は、レンズアレイ２３ｂにより波面分割される。その結果、コレクタレンズ２３ａからの光束は２つの第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２に分割される。第２の光束Ｌ２の光路中には位相変調機構２３ｃが配置されている。位相変調機構２３ｃは、厚みの異なる複数の平行平板ガラスを備えている。第２の光束Ｌ２は、位相変調機構２３ｃによって位相を変更することができる。図５では位相変調機構２３ｃが第２の光束Ｌ２の光路中に配置されるが、第１の光束Ｌ１の光路中に配置されてもよい。本実施形態において、位相変調機構２３ｃの平行平板ガラスにはホウケイ酸ガラスを使用する。なお、平行平板ガラスの材質は、ホウケイ酸ガラスでなくてもよく、例えば、合成石英などのホウケイ酸ガラスとは異なるクラウン系のガラスや、フリント系のガラスであってもよい。また、ガラスでなくてもよく、樹脂の平板でもよい。

第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、それぞれリレーレンズ２３ｄの前側焦点面で集光する。ここで、前側とはレーザダイオード２２側のことをいう。２つの光束は、前側焦点面を通過した後、リレーレンズ２３ｄにそれぞれ入射する。２つの光束は、リレーレンズ２３ｄを出射した後、シリンドリカルレンズ２３ｅにそれぞれ入射する。

シリンドリカルレンズ２３ｅは、図５（ｂ）に示すように、Ａ−Ａ矢視方向（図５に示すＹ２軸方向）に曲率を有しており、中間像位置ＩにおいてＡ−Ａ矢視方向に集光させる。従って、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、シリンドリカルレンズ２３ｅによってＡ−Ａ矢視方向に沿って集光されて、中間像位置１００においてそれぞれＺ２軸方向に長手方向を有しＹ２軸方向に短手方向を有するライン状となり、互いに重なった状態となる。第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は同一の波長であり、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２との位相が異なるため、中間像位置Ｉで集光された第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２とが干渉して干渉縞を形成する。この干渉縞が、一次元の格子状の縞パターン１００となる。

位相変調機構２３ｃは、例えば、投影する複数の縞パターン１００の各位相に相当する厚みの異なる複数の平行平板ガラスを備えている。位相変調機構２３ｃは、例えば、複数の平行平板ガラス（本実施形態では４枚）を互いに第２の光束Ｌ２の光路中に挿入することができ、また、光路中から外すことができる。この場合、不図示の駆動部により複数の平行平板ガラスが駆動される。不図示の駆動部には既存の駆動機構が採用される。このように、位相変調機構２３ｃが複数の平行平板ガラスを、異なる厚さのものと切り替えることで、平行平板ガラスを透過する第２の光束Ｌ２の光路長が変わり、中間像位置Ｉでの位相が変化する。そして、第２の光束Ｌ２の位相の変化によって干渉縞（つまり、縞パターン１００）の縞の位相が変化する。従って、位相変調機構２３ｃの平行平板ガラスの厚みを順に切り替えることにより、縞パターン１００の縞の位相をπ／２ずつシフトさせることができる。不図示の駆動部による平行平板ガラスの切り替えは、制御部６２からの指令信号に基づいて行われる。

図６は、図１及び図２に示す走査部４０の構成の一例を示す図である。図６では、縞パターン１００を生成する光生成部２０Ａや、縞パターン１００を走査部４０に入射させる投影光学系３０も併せて表記している。図６において、光軸方向（紙面の右方向）をＸ２軸とし、Ｘ２軸と直交するある方向（紙面の上方向）をＺ２軸とし、Ｘ２軸及びＺ２軸と直交する方向（紙面の裏から表に向かう方向）をＹ２軸としている。走査部４０としてのＭＥＭＳミラーは光学素子である。ＭＥＭＳミラーは、一定の周期で振動する微小反射鏡である。このＭＥＭＳミラーは、所定の振幅及び所定の周波数で振動しつつ縞パターン１００を反射する。図６に示すように、ＭＥＭＳミラーは紙面内の振動中心Ｓを軸として振動している。

ＭＥＭＳミラーは、Ｚ２軸方向に長手方向を有しＹ２軸方向に短手方向を有する縞パターン１００を所定の反射角で反射させつつ、その反射角を変化させる振動方向（図６に示す振動中心Ｓを軸として振動する方向Ｒ）に振動する。縞パターン１００が振動方向Ｒに振動しているＭＥＭＳミラーで反射されることにより、第２の方向Ｄ２に往復して走査される。

次に、図７〜図９を参照して位相シフト法の原理について説明する。位相シフト法は、三角測量の原理を利用して距離を計測する方法である。位相シフト法は光切断法と計測原理は同様である。光切断法においては、物体に対してライン状のレーザ光を投影する。また、撮像部が物体表面で反射されたライン光を撮像する。そして、演算部が物体表面の形状に応じたライン光の像の変形から物体の三次元形状を復元する。この光切断法の場合、１回に１ライン分の計測しか行うことができない。従って、撮像部の画面全体の計測値を得るためには、撮像部の画面全体にわたってレーザ光の照射と撮像とを繰り返し行う必要がある。

位相シフト法は、正弦波状の光強度分布を有する縞パターン１００の位相をシフトさせて撮像した縞画像（縞パターン１００が投影された測定対象物２の画像）を解析することにより三次元的に形状を計測する。本実施形態において、投影部１０から投影される縞パターン１００は、位相をπ／２ずつシフトさせた４種類の縞パターン１００である。ここで、縞パターン１００の位相は、縞パターン１００の強度の分布である正弦波の位相であり、４種類の縞パターン１００は、任意の正弦波強度分布の縞パターンを基準（つまり、位相０の縞パターン）として、基準の縞パターンと、基準の縞パターンの位相をそれぞれπ／２、π、及び３π／２シフトさせた縞パターンとなる。

図７は、測定対象物２のない平面に各位相の縞パターン１００が投影された状態を示す図である。図７は、平面に投影された各位相の縞パターン１００を撮像部５０によってそれぞれ取得したものであり、平面上における投影領域２００内における撮像領域２１０の画像である。図７に示すように、縞パターン１００の位相が０、π／２、π、３π／２とシフトする毎に、撮像領域２１０上で縞の位置（縞の明るい部分と縞の暗い部分の位置）が位相差分だけずれているのが確認される。なお、図７では、平面上に投影された構造光１００の画像を示しているので、縞パターン１００の形状に変化はない。測定対象物２がある場合は、測定対象物２の表面に縞パターン１００が投影されるので測定対象物２の形状（高さ）に応じて縞パターン１００が第１の方向Ｄ１（図３のＸ１軸方向）に沿って変形する。

ここで、各位相の縞パターン１００が投影されたときにそれぞれ撮像された撮像装置５２の所定画素（ｕ，ｖ）における信号強度をＩｎ（ｕ，ｖ）（ｎ＝０，１，２，３）とする。また、画素の信号強度Ｉに付した番号ｎは、投影する位相の異なる縞パターン１００を区別するための番号であり、ｎ＝０の縞パターンは位相０（基準位相）の縞パターン１００を表し、ｎ＝１の縞パターン１００は位相π／２、ｎ＝２の縞パターン１００は位相π、ｎ＝３の縞パターン１００は位相３π／２の縞パターン１００をそれぞれ表す。すなわち、Ｉ０は位相０の縞パターン１００が投影されたときに撮像された際の撮像装置５２における画素の信号強度である。同様にＩ１は位相π／２、Ｉ２は位相π、Ｉ３は位相３π／２、の縞パターン１００がそれぞれ投影されたときに撮像された際の信号強度である。この信号強度Ｉｎ（ｕ，ｖ）（ｎ＝０，１，２，３）は下記の式（１）で表される。

Ｉｎ（ｕ，ｖ）＝Ａ（ｕ，ｖ）ｃｏｓ（φ（ｕ，ｖ）＋ｎπ／２）＋Ｂ（ｕ，ｖ）・・・（式１）

図８は、４種類の位相の縞パターン１００をそれぞれ投影した際に検出された撮像装置５２における所定の同一画素の信号強度から求められる正弦波を示す波形図である。図８において、縦軸は画素の信号強度、横軸は縞パターン１００の番号ｎ（ｎ＝０，１，２，３）を示す。図８に示すように、式（１）において、Ｂは所定の同一画素における４つの信号強度（Ｉｎ（ｎ＝０，１，２，３））から求められる正弦波の平均値（バイアス成分）を示す。また、Ａは所定画素における４つの信号強度から求められる正弦波の振幅を示す。また、φは所定画素における４つの信号強度から求められる正弦波の位相である。なお、式（１）では各画素（ｕ，ｖ）における振幅Ａ、平均値Ｂとしてそれぞれ、Ａ（ｕ，ｖ）、Ｂ（ｕ，ｖ）と表している。

この４つの異なる位相の縞パターン１００をそれぞれ投影して取得した４つの画像上の同一画素（同一位置）での信号強度Ｉ０〜Ｉ３は物体の表面性状や色などにより変化する。しかし、各位相の縞パターン１００が投影されたときの相対的な信号強度の差は、常に縞パターン１００の縞の位相差分だけの変化を示す。従って、所定画素（ｕ，ｖ）における縞パターン１００の位相φ（ｕ，ｖ）は、４つの画像の同一画素における信号強度から下記の式（２）で求められる。

φ（ｕ，ｖ）＝ｔａｎ−１｛（Ｉ３（ｕ，ｖ）−Ｉ１（ｕ，ｖ））／（Ｉ０（ｕ，ｖ）−Ｉ２（ｕ，ｖ））｝・・・（式２）

このように、画像の画素毎に正弦波状に変化する信号強度の位相を求めることができる。位相φ（ｕ，ｖ）が等しい点を連結して得られる線（等位相線）が、光切断法における切断線と同じく物体をある平面で切断した断面の形状を表す。従って、この位相φ（ｕ，ｖ）に基づいて三角測量の原理により三次元形状（画像の各点での高さ情報）が求められる。

また、位相φから測定対象物２の三次元形状を求める際には、予め、三角測量の原理に基づいて撮像部５０の撮像面上の各画素における位相φ（ｕ，ｖ）と三次元座標値との対応関係を求めておき、この対応関係と、測定対象物２に各位相の縞パターン１００を投影して上述の式（２）で算出されたφ（ｕ，ｖ）に基づいて、各画素（つまり、測定対象物２の各位置）における三次元座標を算出する。ここで、式（２）で算出される位相φ（ｕ，ｖ）は、どの画素においても０〜２πの間のいずれかの値となるが、三次元座標値との対応関係を求める位相は、絶対的な位相値（０〜２π〜４π〜６π・・・）を用いる。以下、絶対的な位相値をφ’（ｕ，ｖ）と称する。この各画素における絶対位相φ’（ｕ，ｖ）と三次元座標値との対応関係は、キャリブレーション情報として設定情報記憶部６３に記憶しておく。

図９は、位相シフト法における位相回復及び位相接続の処理を説明するための図である。図９に示す横軸は、縞パターン１００における縞の方向（第１の方向Ｄ１）の画素の位置を示す。また、縦軸は、それぞれの位置において式（２）により算出された位相を示す。上述したように、所定画素（ｕ，ｖ）における位相φ（ｕ，ｖ）は、信号強度Ｉｎ（ｕ，ｖ）を上記した式（２）に当てはめることにより求められる。このような処理を位相回復という。式（２）に基づいて位相回復された位相φ（ｕ，ｖ）は０〜２πの間の値となる。

また、物体の連続した三次元形状を導出するためには、何周期目の縞であるという情報に基づいた絶対位相を求める。すなわち、図９における左端に対応する縞（位相が０〜２πの鋸波状の縞）を基準として、各画素（ｕ，ｖ）について０〜２π〜４π〜６π・・・と表される絶対的な位相を求める必要がある。図９に示すように、各縞の位相値をつなぎ合わせることで、各画素における絶対位相値を求めることができる。このような処理を位相接続という。そして、求めた各画素（ｕ，ｖ）における絶対位相値φ’（ｕ，ｖ）と設定情報記憶部６３に記憶されたキャリブレーション情報とから測定対象物２の三次元形状を算出する。

次に、第１実施形態に係る形状測定装置１による形状測定方法の一例について説明する。本実施形態に係る形状測定方法は、測定対象物２の三次元形状を測定する方法であり、第１の方向Ｄ１に沿って異なる強度の分布を有する縞パターン（構造光）１００を生成することと、縞パターン１００を測定対象物２上の第２の方向Ｄ２に沿って走査することと、縞パターン１００が投影された測定対象物２を撮像することと、撮像することで得られた測定対象物２の像に応じた信号強度に基づいて、測定対象物２の形状を算出することと、を含む。また、縞パターン１００は、測定対象物２上における撮像視野２１０の一部に生成され、この縞パターン１００を走査して撮像視野２１０に縞パターン１００を投影することを含む。

図１０は、形状測定装置の動作を説明しつつ、形状測定方法の一例について説明するフローチャートである。図１０の説明に際して、図２のブロック図を適宜参照する。

図１０に示すように、形状測定装置１の電源がオンとなった状態で、制御部６２は、使用者によるシャッター操作が行われたか否かを判定する（ステップＳ１）。使用者によりシャッター操作が行われると（ステップＳ１：ＹＥＳ）、制御部６２は、操作部６１からシャッター操作が行われたことを表す信号が入力される。なお、使用者によるシャッター操作が行われない場合（ステップＳ１：ＮＯ）は、待機状態となっている。また、ステップＳ１でシャッター操作が行われた場合、測定対象物２との距離を測定して、投影光学系３０や撮像レンズ５１のフォーカス合わせが行われてもよい。

ステップＳ１でシャッター操作が行われると、制御部６２は、レーザダイオード２２をオンにするようにレーザコントローラ２１に指令信号を出力する。レーザコントローラ２１は、制御部６２からの指令信号に基づいてレーザダイオード２２をオンにする（ステップＳ２）。レーザダイオード２２がレーザ光を照射することによって、光生成部２０Ａ（図５参照）は縞パターン１００を生成する。縞パターン１００は、投影光学系３０及び走査部４０を介して測定対象物２に投影される。また、光生成部２０Ａは、制御部６２からの指令信号により、縞パターン１００の位相を所定時間毎にπ／２ずつシフトさせる。

制御部６２は、走査部４０に指令信号を出力することにより、走査部４０に縞パターン１００を走査させる（ステップＳ３）。走査部４０が縞パターン１００を走査することによって、縞パターン１００が投影領域２００に投影される。制御部６２は、位相がシフトした縞パターン１００ごとに、縞パターン１００の走査を行う。ＣＣＤカメラ５２ａは、制御部６２からの指令信号に基づいて、縞パターン１００の位相が０、π／２、π、３π／２のそれぞれにおいて、構造光１００が投影された測定対象物２の表面を撮像する（ステップＳ４）。ステップＳ３において、縞パターン１００の走査回数は任意に設定される。縞パターン１００の走査回数は、ステップＳ４において撮像する時間に合わせて設定されてもよい。

ＣＣＤカメラ５２ａは、各位相の縞パターン１００における縞画像（縞パターン１００が投影された測定対象物２の画像）の画像データを生成する。ＣＣＤカメラ５２ａが撮像した各位相の縞画像の画像データは、一旦、画像メモリ５２ｂに格納された後、それぞれ、取込メモリ６４に設けられた各記憶領域に記憶される。

次に、演算部６５は、取込メモリ６４の各記憶領域に記憶された４つの画像データに基づいて、各画素の初期位相分布φ（ｕ，ｖ）を求める。すなわち、位相回復処理を実行する（ステップＳ５）。演算部６５は、ステップＳ５において求めた初期位相分布φ（ｕ，ｖ）に対して位相接続処理を行う（ステップＳ６）これにより、連続した位相分布φ’（ｕ，ｖ）が求められる。

次に、演算部６５は、上述した三角測量の原理を用いて、ステップＳ６において求めた位相分布φ’（ｕ，ｖ）から、測定対象物２の三次元形状の座標データ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する（ステップＳ７）。

演算部６５は、算出した測定対象物２の三次元形状の座標データを画像記憶部６６に記憶する。表示制御部６７は、使用者による操作部６１の操作に応じて、または自動的に、画像記憶部６６に記憶された三次元形状の座標データを読み出す。表示制御部６７は、読み出した三次元形状の座標データに基づいて表示装置７０の表示画面に測定対象物２の三次元形状を表示させる。三次元形状は、三次元空間内の点の集合である点群で表示される。この点群のデータは、形状測定装置１から出力可能である。

表示装置７０は、測定対象物２の三次元形状を表示するだけでなく、撮像部５０により撮像された縞画像を表示させてもよい。すなわち、表示制御部６７は、取込メモリ６４に記憶された画像データに基づいて、撮像部５０が撮像した縞画像を表示装置７０に表示させてもよい。このような構成によれば、使用者が撮像部５０により撮像された縞画像に基づいて、撮像現場で測定対象物２が正確に撮像されたか否かを確認することができる。

また、表示装置７０は、撮像部５０により撮像された画像、及び演算部６５により算出された三次元形状、のうち少なくとも一方を表示する構成であってもよい。この場合、撮像部５０により撮像された画像、及び演算部６５により算出された三次元形状、のうち少なくとも一方は、形状測定装置１と無線または有線で接続された外部の表示装置に表示させるものでもよい。

以上に説明したように、第１実施形態によれば、次の課題を解決することができる。従来の形状測定装置では、走査部（例えば、ＭＥＭＳミラー）の振動と光源（例えば、レーザダイオード）から射出される光の強度との同期がとれていないと、ＭＥＭＳミラーが往復振動する毎に投影部から投影される縞パターンの縞の位相がずれてしまう。また、撮像部のシャッター速度よりもＭＥＭＳミラーの振動周期が短く、撮像部が１枚の画像を撮像する間に、ＭＥＭＳミラーは複数回、往復振動する。従って、ＭＥＭＳミラーが往復振動する毎に投影部から投影される縞パターンの縞の位相がずれてしまうと、撮像部が綺麗な正弦波状の縞を撮像することができなくなる。すなわち、撮像部により撮像される縞パターンは、縞の間隔（つまり正弦波状の信号強度の周期）や縞の信号強度（つまり正弦波状の信号強度の振幅）が歪んだ縞パターンとなってしまう。

このように撮像部により撮像される縞パターンに歪みが生じると、演算部は、撮像画像における各画素の信号強度から測定対象物の面形状に応じた正確な各画素の位相値を求めることができなくなる。その結果、演算部によって各画素の位相値から算出される測定対象物の三次元座標データの精度が低下してしまう。このことから、従来の形状測定装置ではＭＥＭＳミラーの振動とレーザダイオードから射出される光の強度とを同期させる制御が必要となる。

しかし、従来の形状測定装置では、ＭＥＭＳミラーの振動とレーザダイオードから射出される光の強度とを同期させることは難しく、複雑かつ高度な同期制御が必要となる。ＭＥＭＳミラーの往路または復路だけを用いることも考えられるが、この場合、投影領域に対する構造光の照度が低下してしまう。

また、従来の形状測定装置では、ＭＥＭＳミラーは、共振を利用してミラーを一定の周波数で振動させているため、ＭＥＭＳミラーの振幅及び周波数は温度、湿度、気圧などによって変化する。また、ＭＥＭＳミラーは機械的な振動であるため、長期間に亘って使用されることでＭＥＭＳミラーの振幅や周波数などの経時変化が生じる。さらに、レーザダイオードの電圧−光出力特性が温度によって変化するため、レーザダイオードから照射される光の強度も温度によって変化する。このように、外部環境の変化や長期使用によるデバイスの経時変化は、投影領域に投影される縞パターンに歪みを生じさせ、形状測定装置における計測誤差の要因となる。

また、ＭＥＭＳミラーの振れ角の角速度ωは、ω＝ωｏsin（Ａｔ＋δ）と表される。ここで、ωｏは振幅、Ａは角振動数、ｔは時間、δは初期位相を示している。このように、角速度ωは一定ではなく、振動中心及びその付近の角速度は振動端及びその付近の角速度よりも速くなる。従って、レーザダイオードから射出される光強度が一定とした場合、投影領域において構造光の照度が不均一となる。具体的には、投影領域における両端の付近では明るくなり、投影領域における中心の付近では暗くなる。また、レーザダイオードが一定の周波数で光強度を正弦波状に変化させる場合、ＭＥＭＳミラーの振れ角の角速度が一定でないと、投影領域において縞のピッチが不均一となる。具体的には、投影領域における両端の付近では縞のピッチが小さくなり、投影領域における中心の付近では縞のピッチが大きくなる。このように、ＭＥＭＳミラーの振れ角の角速度が一定でないことは、投影領域に投影される縞パターンに歪みを生じさせ、形状測定装置における計測精度を低下させる要因となる。

これに対して、第１実施形態においては、光生成部２０Ａは、レーザダイオード２２の光強度を正弦波状に時間的に変化させて縞パターンを生成するのではなく、光の２光束干渉を利用して正弦波状の縞パターン１００を生成する。また、ＭＥＭＳミラー（走査部４０）が、第１の方向Ｄ１に沿って異なる光強度の分布を有する縞パターン１００を、第１の方向Ｄ１と直交する第２の方向Ｄ２に走査する。従って、ＭＥＭＳミラーの往復振動とレーザダイオードから射出される光強度とを同期させる必要がなく、複雑かつ高度な同期制御が不要となる。つまり、外部環境（温度、湿度、気圧など）の変化や、レーザダイオード、ＭＥＭＳミラーなどのデバイスの経時変化が生じたとしても高精度な測定対象物の形状測定を行うことができる。

また、第１実施形態においては、縞パターン１００の濃淡の方向（第１の方向Ｄ１）と走査部４０による走査方向（第２の方向Ｄ２）とが直交しているので、外部環境の変化やＭＥＭＳミラーの経時変化によってＭＥＭＳミラーの振幅や周波数に変化が生じた場合であっても、投影部１０により投影領域２００における縞パターン１００の縞に歪みを生じさせない。また、ＭＥＭＳミラーの振れ角の角速度が一定でない場合であっても、投影部１０により投影領域１００に投影される縞パターン１００の縞に歪みを生じさせない。従って、第１実施形態の形状測定装置１においては、正確な正弦波状の縞パターン１００に基づいて測定対象物２の三次元形状を測定することができる。このため、精度の高い三次元形状のデータを求めることができる。

上記した第１実施形態では、以下の効果も奏する。すなわち、走査部４０が第１の方向Ｄ１に生成された縞パターン１００を第２の方向に沿って走査するので、同一のパターンで複数回走査した場合でも縞パターン１００の歪みが生じにくい。従って、ＭＥＭＳミラー等の振動ミラーによる往復走査が行われても、正確な縞パターン１００を投影することができる。さらに、縞パターン１００の生成が容易であるため、環境変化や装置の長期使用による経年変化の耐性が高く、高いロバストネスを有する測定が可能となる。

また、第１実施形態によれば、縞パターン１００は、測定対象物２上における撮像部５０の撮像視野の一部に生成されるので、この縞パターン１００を第２の方向Ｄ２に走査することにより、測定対象物２に対して容易に縞パターン１００を投影させることができる。

また、第１実施形態によれば、走査部４０は、縞パターン１００を走査して撮像視野に縞パターン１００を投影するため、広い投影領域２００を形成するための光学系が不要となり、装置の小型化を実現できる。また、縞パターン１００の走査範囲を大きくすることにより、投影領域２００を容易に拡げることができる。

また、第１実施形態によれば、制御部６２によって、走査部４０による縞パターン１００の走査と、撮像部５０による測定対象物２の撮像とを同期させるため、測定対象物２上に走査された縞パターン１００を容易かつ確実に撮像することができる。

また、第１実施形態によれば、制御部６２は、撮像部５０による測定対象物２の撮像を、走査部４０による構造光の複数回の走査に同期するように制御するため、測定対象物２に対する光強度を向上させた状態で撮像することができ、縞パターン１００の像の取得を確実にして測定対象物２の形状を正確に測定することができる。

また、第１実施形態によれば、光生成部２０は、第１の方向Ｄ１に周期的に異なる強度の分布を有する縞パターン１００を生成するので、この縞パターン１００を第２の方向Ｄ２に走査することにより、投影領域２１０の全面にわたって容易に縞パターン１００を生成させることができる。

また、第１実施形態によれば、縞の位相がそれぞれ異なる複数の縞パターン１００が生成されるように光生成部２０を制御する第２の制御部（制御部６２）を備え、演算部６５は、撮像部５０により得られた、複数の縞パターン１００がそれぞれ投影された測定対象物２の複数の像に応じた信号強度に基づいて測定対象物２の形状を算出するため、位相がシフトした縞パターン１００を容易に生成することができ、位相シフト法を容易かつ確実に実現することができる。

また、図５に示す光生成部２０Ａによれば、入射した第１の光束と第２の光束とを干渉させる干渉光学系として位相変調機構２３ｃ、リレーレンズ２３ｄ、及びシリンドリカルレンズ２３ｅを含み、これらにより縞パターン１００を生成するため、縞パターン１００の生成が容易となり、さらに正弦波状に光強度が周期的に変化する縞パターン１００を容易に生成することができる。

また、図５に示す光生成部２０Ａによれば、光源であるレーザダイオード２２からの光束を第１の光束と第２の光束とに分割する分割光学系としてレンズアレイ２３ｂを含み、レンズアレイ２３ｂから射出した第１の光束と第２の光束とを干渉光学系である位相変調機構２３ｃ、リレーレンズ２３ｄ、及びシリンドリカルレンズ２３ｅによって干渉させるので、１つの光源を用いて縞パターン１００を容易に生成することができる。

また、図５に示す光生成部２０Ａによれば、第１の方向Ｄ１に正弦波状の周期的な光強度の分布を有する縞パターン１００を生成するので、位相シフト法を容易かつ確実に実現することができる。

また、第１実施形態によれば、第２の方向Ｄ２は第１の方向Ｄ１と直交するので、広い投影領域２００を確保することができ、測定対象物２の形状を効率よく測定することができる。

また、図６に示す走査部４０によれば、縞パターン１００を反射するＭＥＭＳミラー（光学素子）を含み、このＭＥＭＳミラーの反射角を変化させることにより縞パターン１００を走査するので、走査部４０を安価に実現することができる。また、ＭＥＭＳミラーなどの振動ミラーにおいて、角速度が一定でない場合でも縞パターン１００の第２の方向Ｄ２における走査速度が変化するだけで、投影領域２００に投影される縞パターン１００が変形する等の影響が小さい。また、経時変化等によってＭＥＭＳミラーの振幅や周波数に変化が生じた場合でも、縞パターン１００の第２の方向Ｄ２における走査量や走査速度が変化するだけで、投影領域２００に投影される縞パターン１００が大きく変形しないといった利点がある。

＜光生成部の第１変形例＞
次に、光生成部の第１変形例について説明する。図５に示す光生成部２０Ａは、レンズアレイ２３ｂで波面分割した２光束を干渉させることにより、正弦波状の縞パターン１００を生成していた。第１変形例に係る光生成部２０Ｂは、２光束を干渉させる点で図５に示す光生成部２０Ａと同様である。以下の説明において、上記の実施形態と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。

図１１は、第１変形例に係る光生成部２０Ｂの構成の一例を示す図である。なお、図１１（ａ）は光生成部２０Ｂの構成を示し、図１１（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線から見た図である。図１１（ａ）において、光軸方向（紙面の右方向）をＸ２軸とし、Ｘ２軸と直交するある方向（紙面の上方向）をＺ２軸とし、Ｘ２軸及びＺ２軸と直交する方向（紙面の裏から表に向かう方向）をＹ２軸としている。図１１（ａ）に示すように３軸座標系を設定した場合、図１１（ｂ）においては、光軸方向（紙面の右方向）がＸ２軸となり、紙面の裏から表に向かう方向がＺ２軸となり、紙面の下方向がＹ２軸となる。図１１に示す光生成部２０Ｂは、図１に示す光生成部２０の一態様である。光生成部２０Ｂは、図５に示す光生成部２０Ａと同様、光の２光束干渉を利用して正弦波状の縞パターン１００を生成する。

図１１に示すように、光生成部２０Ｂは、レーザダイオード（光源）１２１を備えるとともに、干渉光学系として、位相変調機構１２２、コレクタレンズ１２３、シリンドリカルレンズ１２４、及び偏向プリズム１２５を有している。レーザダイオード１２１から放出された光束のうちの一部の光束（第１の光束Ｌ１）は、直接、コレクタレンズ１２３に到達し、レーザダイオード１２１から放出された光束のうちの他の一部の光束（第２の光束Ｌ２）は、位相変調機構１２２を通過してコレクタレンズ１２３に到達する。位相変調機構１２２は、図５に示した位相変調機構２３ｃと同様に、厚みの異なる複数の平行平板ガラスを備えている。位相変調機構１２２は、レーザダイオード１２１から放出された第２の光束Ｌ２の位相を変えることができる。なお、レーザダイオード１２１は、図５に示すレーザダイオード２２と同様、光の干渉原理を利用することから、可干渉性の高い光源、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザやシングルモード半導体レーザ等が用いられる。

コレクタレンズ１２３は、レーザダイオード１２１から放出された光束（第１の光束Ｌ１、第２の光束Ｌ２）を略平行光束に変換する。コレクタレンズ１２３を出射した２つの光束Ｌ１，Ｌ２は、シリンドリカルレンズ１２４に入射する。シリンドリカルレンズ１２４は、図１１（ｂ）に示すように、Ｂ−Ｂ矢視方向（図１１に示すＹ２軸方向）にのみ曲率を有している。従って、２つの光束Ｌ１，Ｌ２は、シリンドリカルレンズ１２４によってＢ−Ｂ矢視方向にのみ集光されて、それぞれＺ２軸方向に長手方向を有しＹ２軸方向に短手方向を有するライン状の光となる。

偏向プリズム１２５は、屈折作用により第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２をそれぞれ偏向する。ここで、この偏光プリズム１２５は、図１１（ａ）に図示する面において２つの光束Ｌ１，Ｌ２が中間像位置Ｉで交差するように、それぞれの光束Ｌ１，Ｌ２を偏光する。これにより、２つの光束Ｌ１，Ｌ２は、中間像位置Ｉにおいて互いに重なった状態となる。第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、同一の波長であり、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２との位相が異なるため、中間像位置Ｉで集光された第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２とが干渉して干渉縞を形成する。この干渉縞が、縞パターン１００となる。

上述したように、位相変調機構１２２は、厚みの異なる複数の平行平板ガラスを備えている。この平行平板ガラスを、異なる厚さのものと切り替えることで、第２の光束Ｌ２の位相を変えることができる。第２の光束Ｌ２の位相の変化によって干渉縞の縞の位相が変化し、縞パターン１００の縞の位相が変化する。従って、位相変調機構１２２の平行平板ガラスの厚みを順に切り替えることにより、縞パターン１００の縞の位相をπ／２ずつシフトさせることができる。不図示の駆動部による平行平板ガラスの切り替えは、制御部６２からの指令信号に基づいて行われる。

このように、図１１に示す光生成部２０Ｂによれば、干渉光学系である位相変調機構１２２、コレクタレンズ１２３、シリンドリカルレンズ１２４、及び偏向プリズム１２５によって第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２とを干渉させるので、縞パターン１００の生成が容易となり、さらに正弦波状に光強度が周期的に変化する縞パターン１００を容易に生成することができる。

また、図１１に示す光生成部２０Ｂによれば、光源であるレーザダイオード１２１から射出した第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２とを干渉光学系である位相変調機構１２２、コレクタレンズ１２３、シリンドリカルレンズ１２４、及び偏向プリズム１２５によって干渉させるので、１つの光源を用いて縞パターン１００を容易に生成することができる。

また、図１１に示す光生成部２０Ｂによれば、第１の方向Ｄ１に正弦波状の周期的な光強度の分布を有する縞パターン１００を生成するので、位相シフト法を容易かつ確実に実現することができる。

なお、図１１に示した例では、偏光プリズム１２５は、シリンドリカルレンズ１２４の後段側（レーザダイオード１２１と反対側）に配置されていたが、位相変調機構１２２とコレクタレンズ１２３との間に配置してもよい。

＜光生成部の第２変形例＞
次に、光生成部の第２変形例について説明する。第２変形例に係る光生成部２０Ｃ，２０Ｄは、２光束を干渉させる点で図５及び図１１に示す光生成部２０Ａ，２０Ｂと同様である。以下の説明において、上記の実施形態と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。

図１２は、第２変形例に係る光生成部２０Ｃ，２０Ｄの構成の一例を示す図である。図１２（ａ）は、位相変調機構１２２で縞パターン１００の位相を変える構成を示し、図１２（ｂ）は、アクチュエータ１３７が反射ミラー１３６を移動させることにより縞パターン１００の位相を変える構成を示している。図１２において、光軸方向（紙面の下方向）をＸ３軸とし、Ｘ３軸と直交するある方向（紙面の右方向）をＺ３軸とし、Ｘ３軸及びＺ３軸と直交する方向（紙面の裏から表に向かう方向）をＹ３軸としている。図１２（ａ）に示す光生成部２０Ｃは、図１に示す光生成部２０の一態様である。光生成部２０Ｃは、図５及び図１１に示す光生成部２０Ａ，２０Ｂと同様、光の２光束干渉を利用して正弦波状の縞パターン１００を生成する。

図１２（ａ）に示すように、光生成部２０Ｃは、レーザダイオード１２１を備えるとともに、干渉光学系として、位相変調機構１２２、コレクタレンズ１２３、シリンドリカルレンズ１２４、及び反射ミラー１３５，１３６を有している。反射ミラー１３５，１３６は、シリンドリカルレンズ１２４の後段側に並んで配置される。シリンドリカルレンズ１２４の後段側は、光源１２１と反対側である。

レーザダイオード１２１から放出された光束のうちの一部の光束（第１の光束Ｌ１）は、直接、コレクタレンズ１２３に到達し、レーザダイオード１２１から放出された光束のうちの他の一部の光束（第２の光束Ｌ２）は、位相変調機構１２２を通過してコレクタレンズ１２３に到達する。位相変調機構１２２は、図５に示した位相変調機構２３ｃと同様に、厚みの異なる複数の平行平板ガラスを備えている。位相変調機構１２２は、レーザダイオード１２１から放出された第２の光束Ｌ２の位相を変えることができる。

コレクタレンズ１２３は、レーザダイオード１２１から放出された光束（第１の光束Ｌ１、第２の光束Ｌ２）を略平行光束に変換する。コレクタレンズ１２３を出射した２つの光束Ｌ１，Ｌ２は、シリンドリカルレンズ１２４に入射する。シリンドリカルレンズ１２４は、図１２（ａ）に示すＹ３軸方向にのみ曲率を有している。従って、２つの光束Ｌ１，Ｌ２は、シリンドリカルレンズ１２４によってＹ３軸方向にのみ集光されて、それぞれＺ３軸方向に長手方向を有しＹ３軸方向に短手方向を有するライン状の光となる。

ライン状となった第１の光束Ｌ１は、反射ミラー１３５によって反射され、同じくライン状となった第２の光束Ｌ２は、反射ミラー１３６によって反射される。反射ミラー１３５，１３６で反射されたライン状の２つの光束は、中間像位置Ｉにおいて互いに重なった状態となる。第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、干渉して干渉縞を形成する。この干渉縞が、一次元の格子状の縞パターン１００となる。なお、位相変調機構１２２の平行平板ガラスの厚みを順に切り替えることにより、縞パターン１００の位相をπ／２ずつシフトさせることができる点は、光生成部２０Ａ，２０Ｂと同様である。

このように、図１２（ａ）に示す光生成部２０Ｃによれば、干渉光学系である位相変調機構１２２、コレクタレンズ１２３、シリンドリカルレンズ１２４、及び、反射ミラー１３５，１３６を有しているので、図１１に示す光生成部２０Ｂと同様の効果を有する。図１２（ａ）に示す光生成部２０Ｃにおいて、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２のいずれか一方だけを反射ミラー（反射ミラー１３５，１３６のいずれか）で中間像位置Ｉに反射させ、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２のいずれか他方は反射ミラーで反射させずに直接、中間像位置Ｉに導くことにより、中間像位置Ｉにおいて一次元の格子状の縞パターン１００を生成するように構成してもよい。この場合も、位相変調機構１２２の平行平板ガラスの厚みを順に切り替えることにより、縞パターン１００の位相をπ／２ずつシフトさせることができる。

図１２（ｂ）に示す光生成部２０Ｄは、図１２（ａ）に示す光生成部２０Ｃと同様に、レーザダイオード１２１を備えるとともに、干渉光学系として、コレクタレンズ１２３、シリンドリカルレンズ１２４、及び反射ミラー１３５，１３６を有している。シリンドリカルレンズ１２４の後段側に配置された反射ミラー１３５，１３６のうち、第２の光束Ｌ２に対応する反射ミラー１３６は、ピエゾ素子等のアクチュエータ１３７によって移動可能となっている。反射ミラー１３６の移動方向は、Ｘ３軸とＺ３軸とを含む面内であってコレクタレンズ１２３の光軸（Ｘ３軸方向）に対して約４５度の角度の方向である。

アクチュエータ１３７が反射ミラー１３６を移動させることにより、第２の光束Ｌ２は、中間像位置Ｉまでの光路長が変化し、中間像位置Ｉでの位相を変化させる。このような中間像位置Ｉでの第２の光束Ｌ２の位相の変更により、干渉縞は移動する。干渉縞の移動方向は図１２（ｂ）においてはコレクタレンズ１２３の光軸方向である。従って、反射ミラー１３６の移動を用いることにより、縞パターン１００の位相をπ／２ずつシフトさせることができる。なお、反射ミラー１３６の移動量、すなわちアクチュエータ１３７の駆動量は、制御部６２からの指令信号に基づいて行われる。

このように、図１２（ｂ）に示す光生成部２０Ｄによれば、縞パターン１００の位相のシフトを、アクチュエータ１３７の駆動により行うので、容易かつ確実に縞パターン１００の位相をシフトさせることができる。

なお、図１２（ｂ）に示す光生成部２０Ｄにおいて、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２のいずれか一方だけを反射ミラー（反射ミラー１３５，１３６のいずれか）で中間像位置Ｉに反射させ、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２のいずれか他方は反射ミラーで反射させずに直接、中間像位置Ｉに導くことにより、中間像位置Ｉにおいて一次元の格子状の縞パターン１００を生成するように構成してもよい。この場合も、ピエゾ素子等のアクチュエータを駆動することにより反射ミラーの位置を移動させることにより、縞パターン１００の位相をπ／２ずつシフトさせることができる。また、厚さの異なる平行平板を挿入させることでも位相をシフトすることができる。

＜光生成部の第３変形例＞
次に、光生成部の第３変形例について説明する。第３変形例に係る光生成部２０Ｅは、図５、図１１〜図１２に示す光生成部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄのように、波面分割による２光束干渉を用いる構成に代えて、振幅分割による２光束干渉を利用する。以下の説明において、上記の実施形態と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。

図１３は、第３変形例に係る光生成部２０Ｅの構成の一例を示す図である。図１３（ａ）は光生成部２０Ｅの構成を示し、図１３（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線から見た図である。図１３（ａ）において、光軸方向（紙面の下方向）をＸ３軸とし、Ｘ３軸と直交するある方向（紙面の右方向）をＺ３軸とし、Ｘ３軸及びＺ３軸と直交する方向（紙面の裏から表に向かう方向）をＹ３軸としている。図１３（ａ）に示すように３軸座標系を設定した場合、図１３（ｂ）においては、紙面の表から裏に向かう方向がＸ３軸となり、紙面の右方向がＺ３軸となり、紙面の下方向がＹ３軸となる。図１３に示す光生成部２０Ｅは、図１に示す光生成部２０の一態様である。光生成部２０Ｅは、図５、図１１、図１２に示す光生成部２０Ａ〜２０Ｄと同様、光の２光束干渉を利用して正弦波状の縞パターン１００を生成する。

図１３では、振幅分割による２光束干渉を利用する構成の例として、Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ型の配置による構成を示す。図１３に示すように、光生成部２０Ｅは、レーザダイオード１２１を備えるとともに、干渉光学系として、コレクタレンズ１２３、ハーフミラー１５３、位相変調機構１５４、反射ミラー１５５，１５６、及びシリンドリカルレンズ１２４を有している。

レーザダイオード１２１から放出された光は、コレクタレンズ１２３によって平行光束または略平行光束に変換される。コレクタレンズ１２３を出射した光束は、ハーフミラー１５３によって２つの第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２に振幅分割される。すなわち、コレクタレンズ１２３を出射した光束の一部はハーフミラー１５３を透過して第１の光束Ｌ１となり、コレクタレンズ１５２を出射した光束の残りはハーフミラー１５３に反射されて第２の光束Ｌ２となる。ハーフミラー１５３の透過率（反射率）を調整することにより、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２の光強度をほぼ同一にすることが可能である。

ハーフミラー１５３を透過した第１の光束Ｌ１は、反射ミラー１５５に向けて進行する。また、ハーフミラー１５３に反射された第２の光束Ｌ２は、反射ミラー１５６に向けて進行する。反射ミラー１５５の前側（ハーフミラー１５３側）には、位相変調機構１５４が配置されている。この位相変調機構１５４は、図５に示す位相変調機構２３ｃと同様の構成が採用される。また、反射ミラー１５５は、光軸に対してわずかに傾斜した状態で設置されている。

第１の光束Ｌ１は、ハーフミラー１５３を透過した後、位相変調機構１５４を通って反射ミラー１５５で反射され、再度位相変調機構１５４を通ってハーフミラー１５３に入射する。第２の光束Ｌ２は、ハーフミラー１５３に反射された後、反射ミラー１５６で反射されてハーフミラー１５３に入射する。第１の光束Ｌ１は、位相変調機構１５４を通ることにより位相を変えることができる。ただし、位相変調機構１５４を２回通ることにより、位相の変化量は２倍となる。

第１の光束Ｌ１は、ハーフミラー１５３に反射された後にシリンドリカルレンズ１２４に入射する。第２の光束Ｌ２は、ハーフミラー１５３を透過した後にシリンドリカルレンズ１２４に入射する。なお、反射ミラー１５５が傾斜しているため、第１の光束Ｌ１はＸ３軸とＺ３軸とを含む面内であって光軸（Ｘ３軸方向）に対してわずかに傾斜した状態となっており、第２の光束Ｌ２からずれた状態となっている。

第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、シリンドリカルレンズ１２４によって集光されてＸ３軸方向に長手方向を有しＹ３軸方向に短手方向を有するライン状の光となり、中間像位置Ｉにおいて互いに重なった状態となる。中間像位置Ｉにおいて、第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、干渉して干渉縞を形成する。この干渉縞が、一次元の格子状の縞パターン１００となる。なお、位相変調機構１５４の平行平板ガラスの厚みを順に切り替えることにより、縞パターン１００の位相をπ／２ずつシフトさせることができる点は、光生成部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの位相変調機構２３ｃ、１２２と同様である。位相変調機構１５４が厚さの異なる複数の平行平板ガラスを備える点や、平行平板ガラスを切り替える切替装置を備える点等は、図５に示す位相変調機構２３ｃと同様である。

このように、図１３に示す光生成部２０Ｅによれば、干渉光学系であるコレクタレンズ１２３、ハーフミラー１５３、位相変調機構１５４、反射ミラー１５５，１５６、及びシリンドリカルレンズ１２４を有しているので、図１１に示す光生成部２０Ｂと同様の効果を有する。

なお、図１３に示す光生成部２０Ｅにおいて、位相変調機構１５４が平行平板を切り替える構成の代わりに、ピエゾ素子等のアクチュエータを駆動することにより反射ミラー１５５の位置を移動させる構成でもよい。なお、反射ミラー１５５の移動方向は、コレクタレンズ１２３の光軸（Ｘ３軸方向）である。これにより、反射ミラー１５５の位置に応じて中間像位置Ｉにおいて縞パターン１００の位相がπ／２ずつシフトされる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る形状測定装置について説明する。上記した第１実施形態では、縞パターン１００の位相をシフトした像を取得し、位相接続を行うことで測定対象物２の三次元形状を求める。この手法では、測定対象物２の面形状が滑らかに変化する場合、正確に測定対象物２の三次元形状を求めることができる。ここで、以下の説明のため、縞パターン１００の縞を、縞パターン１００の正弦波状の強度分布における正弦波の１周期を単位とするパターンとして示す。つまり、縞パターン１００には、投影領域２００の一方の端に投影された、位相の基準を０とした０〜２πの位相の縞、２π〜４πの位相の縞を含む、（ｍ−１）π〜２ｍπ（但し、ｍは整数）の位相範囲の縞が含まれる。

しかしながら、三角測量の原理に基づくと、測定対象物２の高さの分布に応じて縞パターン１００のそれぞれの縞が第１の方向Ｄ１（図３のＸ１軸方向）に変位するため、例えば、測定対象物２の表面に凸状の段差が存在し、その段差の下面から上面までの標高（図１におけるＹ１座標）の変化が、撮像装置５２の任意の隣り合う画素の領域に対応する測定対象物２上の領域において、縞パターン１００の縞の周期（つまり、２π）に対応する標高差よりも大きい場合（つまり、縞パターン１００の任意の縞が１周期以上、Ｄ１方向に変位する）場合、周期的な正弦波である縞パターン１００の縞の内、どの位相範囲の縞が段差の上面に投影されているのかを確認できない（例えば、０〜２πの位相の縞が投影されているのか、２π〜４πの位相の縞が投影されているのか分からない）。つまり、位相シフト法のみでは、その段差に投影されている縞に対応する絶対位相値を求めることができなくなる問題が生じる可能性がある。

この問題を回避するため、位相シフト法に空間コード法を組み合わせて用いる手法がある。この手法の場合、位相シフト法で正弦波状の強度分布を有する縞パターン１００を測定対象物に投影した領域とほぼ同一の領域に、正弦波状の縞パターン１００とは別に、複数種類の矩形状の強度分布を有する縞パターンを個別に投影しそれぞれ撮像することで、測定対象物２に投影された縞パターン１００における（ｍ−１）π〜２ｍπ（但し、ｍは整数）の位相範囲のそれぞれの縞を識別できるようになる。ここで、それぞれの縞を識別することは、一例として、０〜２πの位相範囲の縞を基準の縞として、各縞がその基準の縞から数えて何番目の縞であるかという情報を付与するものである。なお、以下、複数種類の矩形状の強度分布を有する縞パターンを空間コードパターンと称する。また、位相シフト法と空間コード法とを組み合わせた手法の詳細については後述する。第２実施形態に係る形状測定装置では、位相シフト法と空間コード法とを組み合わせて測定対象物２の三次元形状を測定する。従って、第２実施形態に係る形状測定装置は、縞パターン１００の生成とともに、空間コードを生成するための光生成部を有している。なお一般に空間コード法に用いる照明光は構造光に含まれる。

図１４は、第２実施形態に係る形状測定装置に用いられる光生成部の構成の一例を示す図である。図１４において、光軸方向（紙面の右方向）をＸ２軸とし、Ｘ２軸と直交するある方向（紙面の上方向）をＺ２軸とし、Ｘ２軸及びＺ２軸と直交する方向（紙面の裏から表に向かう方向）をＹ２軸としている。なお、第２実施形態に係る形状測定装置は、図１に示す形状測定装置１と同様の構成が採用される。なお、図１４では、光生成部２０Ｆの他に、投影光学系３０及び走査部４０も示している。以下の説明において、上記の実施形態と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。

図１４に示すように、光生成部２０Ｆは、レーザダイオード１２１、コレクタレンズ１２３、液晶装置１６３、及びシリンドリカルレンズ１２４を有している。レーザダイオード１２１から放出された光は、コレクタレンズ１２３によって平行光束または略平行光束に変換される。コレクタレンズ１２３を出射した光束は、液晶装置１６３に入射する。

液晶装置１６３は、画素ごとに光の透過率を変更することができる。液晶装置１６３は、測定対象物２と共役に配置される。液晶装置１６３は、制御部６２からの指令信号に基づいて、各画素の透過率が設定され、液晶装置１６３を透過する光を所望の強度分布の光に変換する。測定対象物２に正弦波状の強度分布を有する縞パターンを投影する場合、液晶装置１６３の各画素の透過率が図２のＺ２軸方向に沿って正弦波状に変化させるように設定されることにより、液晶装置１６３を透過した光の強度がＺ２軸方向において正弦波状に変化するパターン光となる。このパターン光は、走査部４０を介して投影領域２００に縞パターン１００として投影される。また、液晶装置１６３は、各画素の透過率を変化させることにより、パターン光の位相をπ／２ずつシフトさせる。液晶装置１６３で生成されたパターン光は、シリンドリカルレンズ１２４に入射されて、Ｚ２軸方向に長手方向を有しＹ２軸方向に短手方向を有するライン状の光となり、縞パターン１００となる。なお、この縞パターン１００が投影光学系３０によって投影領域２００に投影され、さらに走査系４０によって第２の方向Ｄ２に走査される点は、第１実施形態の形状測定装置１と同様である。

また、液晶装置１６３は、各画素の透過率を調整して、矩形波状の空間コードパターン１１０を投影するためのパターン光を生成する。空間コードパターン１１０においても、縞パターン１００と同様に、シリンドリカルレンズ１２４及び投影光学系３０を介して投影され、さらに走査系４０によって第２の方向Ｄ２に走査されて投影領域２００に投影される。

図１５は、空間コードパターン１１０の強度分布を示す図である。図１５において、紙面の右方向をＸ１軸とし、Ｘ１軸と直交するある方向（紙面の裏から表に向かう方向）をＺ１軸とし、Ｘ１軸及びＺ１軸と直交する方向（紙面の下方向）をＹ１軸としている。図１５に示すように、空間コードパターン１１０は、第１の方向Ｄ１（Ｘ１軸方向）に沿って光強度が矩形波状に変化する。この空間コードパターン１１０においては、明るい部分（図１５の白い部分）と暗い部分（図１５の黒い部分）が交互に現れる。走査部４０が空間コードパターン１１０を第１の方向Ｄ１と直交する第２の方向Ｄ２（Ｙ１軸方向）に走査することにより、図１５に示すような白黒のストライプのパターンが投影領域２００に投影される。

空間コードとしては、例えば、図１６に示すものが用いられる。図１６は、空間コードパターンを平面に投影して撮像した画像を示す図である。液晶装置１６３は、図１６の（ａ）〜（ｄ）に示す空間コードとなるように、各画素の透過率を調整する。縞パターン１００及び空間コードパターン１１０のそれぞれについて、投影領域２００（測定対象物２）に投影された像が撮像部５０で取得される点は、第１実施形態の形状測定装置１と同様である。

図１７は、第２実施形態に係る形状測定装置の動作を説明しつつ、形状測定方法の一例について説明するフローチャートである。図１７の説明に際して、図２のブロック図を適宜参照する。

図１７に示すように、形状測定装置の電源がオンとなった状態で、制御部６２は、使用者によるシャッター操作が行われたか否かを判定する（ステップＳ１１）。使用者によりシャッター操作が行われると（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、制御部６２は、レーザダイオード２２に指令信号を出力してレーザダイオード２２をオンにする（ステップＳ１２）。なお、使用者によるシャッター操作が行われない場合（ステップＳ１１：ＮＯ）は、待機状態となっている。また、ステップＳ１１でシャッター操作が行われた場合、測定対象物２との距離を測定して、投影光学系３０や撮像レンズ５１のフォーカス合わせが行われてもよい。

次に、レーザダイオード２２がレーザ光を照射されると、制御部６２は、走査部４０に指令信号を出力して走査部４０による走査を開始させる（ステップＳ１３）。次に、制御部６２は、空間コードパターン１１０を撮像する（ステップＳ１４）。空間コードパターン１１０は、投影領域２００内の複数の領域に空間コードと呼ばれる番号を割り当てるためのパターンであり、空間コードパターンが投影された投影領域２００に正弦波状の縞パターン１００を投影することで、空間コードと縞パターン１００の縞との対応付けを行い、この空間コードが割り当てられて区分された投影領域２００内におけるそれぞれの領域で正弦波状の縞パターン１００のそれぞれの縞（ｍ−１）π〜２ｍπ（但し、ｍは整数）が識別される。本実施形態では、周波数の異なる４種類の矩形状の光強度分布を有する空間コードパターンを用いて説明する。なお、言い換えると、空間コードパターンは、例えば、白色と黒色とを組み合わせた格子状のパターンである。

図１６に示す例において、（ａ）の空間コードパターンは、左半分が白色で右半分が黒色となっている。（ｂ）の空間コードパターンは、２本の白色のラインと２本の黒色のラインが交互に配置されている。（ｃ）の空間コードパターンは、４本の白色のラインと４本の黒色のラインが交互に配置されている。（ｄ）の空間コードパターンは、８本の白色のラインと８本の黒色のラインが交互に配置されている。

図１８は、空間コードと領域番号との関係を示す図である。図１８に示すように、「０」が黒に対応し、「１」が白に対応する。「空間コード」の欄の１段目〜４段目は、それぞれ図１６における（ａ）〜（ｄ）の空間コードパターンに対応する。「領域番号」の欄は、空間コードによって識別される１６分割された領域に付された番号である。例えば、測定対象物において「領域番号」が「０」の領域は、上から「００００」となっており、投影領域２００の内、４種類の空間コードの各コードが共に白色となる領域として識別される。また、測定対象物において「領域番号」が「１０」の領域は、上から「１０１０」となっており、投影領域２００の内、４種類の空間コードの各コードが黒色・白色・黒色・白色として投影された領域として識別される。このように、投影領域２００内の１６分割された領域が識別される。

上述したように、液晶装置１６３は、制御部６２からの指令信号に基づいて、図１６の（ａ）〜（ｄ）に示す空間コードパターンとなるように、各画素の透過率を変化させる。走査部４０は、それぞれの空間コードパターン１１０を走査して、投影領域２００に各空間コードパターン１１０を投影する。ＣＣＤカメラ５２ａは、各空間コードパターン１１０をそれぞれ撮像して画像データを生成する。これらの画像データは、一旦、画像メモリ５２ｂに格納された後、それぞれ、取込メモリ６４に設けられた各記憶領域（第１空間コード領域、第２空間コード領域、第３空間コード領域、第４空間コード領域）に順に記憶される。

次に、制御部６２は、縞パターン１００を撮像する（ステップＳ１５）。このステップＳ１５は、図１０に示すステップＳ４と同様であるため、説明を省略する。

次に、演算部６５は、取込メモリ６４の記憶領域に記憶された４枚の縞パターンの画像データに基づいて、各画素の初期位相分布φ（ｕ，ｖ）を求める。すなわち、位相回復処理を実行する（ステップＳ１６）。演算部６５は、取込メモリ６４の空間コード領域に記憶された４枚の空間コードの画像データに基づいて、投影領域２００において１６分割された領域の空間コードを認識する。次に、演算部６５は、認識した各領域の空間コードに基づいて縞パターン１００の縞の次数を検出する（ステップＳ１７）。ここで縞の次数とは、縞パターン１００における（ｍ−１）π〜２ｍπ（但し、ｍは整数）の各縞について、投影領域２００の一方の端に投影された基準の縞（０〜２πの位相範囲の縞）から数えて何番目の縞であるかを特定するための数である。

演算部６５は、ステップＳ１７の処理において特定した各縞の次数を用いて位相接続処理を行う（ステップＳ１８）。演算部６５は、縞の次数に基づいて、それぞれの次数の縞が画像上においてどの位置にあるのかを特定する。そして、演算部６５は、−π〜πの間で求めたｎ本目の縞を正しく接続する。これにより、絶対位相分布φ’（ｕ，ｖ）が求められる。その後、演算部６５は、上述した三角測量の原理を用いて、ステップＳ１８において求めた絶対位相分布φ’（ｕ，ｖ）から、測定対象物２の三次元形状の座標データ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する（ステップＳ１９）。

このように、第２実施形態によれば、位相シフト法と空間コード法とを組み合わせて測定対象物２の三次元形状を測定するので、例えば、測定対象物２の表面に大きく急峻な段差がある場合でも、正確に三次元形状を測定できる。

また、第２実施形態によれば、光生成部２０Ｆが液晶装置１６３を含むので、位相シフト法で用いる縞パターン１００と空間コード法で用いる空間コードパターン１１０のいずれも生成することができ、縞パターン１００と空間コードパターン１１０とで光生成部を切り替える必要がない。パターンの変更も駆動する画素を変更することで容易に対応することができる。

なお、図１４に示す光生成部２０Ｆにおいて、液晶装置１６３に代えて、透過率分布の異なるフィルタを用いて縞パターン１００及び空間コードパターン１１０を生成する構成でもよい。フィルタは、第１の方向Ｄ１に沿った構造光である縞パターン１００や、空間コードパターン１１０を生成するように、部分的に透過率が異なり、透過する光の強度を変更する。フィルタは、コレクタレンズ１２３とシリンドリカルレンズ１２４との間において、測定対象物２と共役に配置される。フィルタは、ピエゾ素子等のアクチュエータを有している。このアクチュエータを駆動することによりフィルタを移動させる。これにより、縞パターン１００の位相をπ／２ずつシフトさせることができる。また、縞パターン１００と空間コードパターン１１０では、使用するフィルタも異なる。

また、図１４に示す光生成部２０Ｆにおいて、液晶装置１６３に代えて、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Mirror Device）を用いて縞パターン１００及び空間コードパターン１１０を生成する構成でもよい。デジタルミラーデバイスは、独立して反射方向を変更可能な複数のマイクロミラーを有するミラー装置である。デジタルミラーデバイスは、ＭＥＭＳデバイスであって、複数のマイクロミラーを平面に配列した反射型の光変調素子である。デジタルミラーデバイスは、半導体チップ上に多数のマイクロミラー（例えば１６μｍ平方の微小鏡面）が所定ピッチ（例えば１７μｍピッチ）で数万〜数十万個ほど形成されている。このデジタルミラーデバイスは、指令に応じてマイクロミラーにより光を所定方向に反射させる。

デジタルミラーデバイスは、第１の方向Ｄ１に沿った構造光である縞パターン１００や、空間コードパターン１１０を生成するように、部分的にマイクロミラーの反射方向を変更する。マイクロミラーの反射方向を変更することで、光強度を正弦波状または矩形波状のいずれも生成できる。デジタルミラーデバイスは、コレクタレンズ１２３とシリンドリカルレンズ１２４との間において、測定対象物２と共役に配置される。

また、走査部４０は、ＭＥＭＳミラーに代えて、ポリゴンミラー（光学素子）を用いて縞パターン１００及び空間コードパターン１１０を第２の方向Ｄ２に走査する構成でもよい。ポリゴンミラーは、回転多面鏡であり、駆動機構により高速で回転する。ポリゴンミラーの各反射鏡は、投影光学系３０から出射した縞パターン１００及び空間コードパターン１１０をそれぞれ投影領域２００（測定対象物２）に向けて反射する。また、各反射鏡は、ポリゴンミラーが回転することにより縞パターン１００及び空間コードパターン１１０を第２の方向Ｄ２にそれぞれ走査する。

また、走査部４０は、ＭＥＭＳミラーに代えて、音響光学素子（光学素子、ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）を用いて縞パターン１００及び空間コードパターン１１０を第２の方向Ｄ２に走査する構成でもよい。音響光学素子は、ＡＯＭ制御装置によって制御される。音響光学素子は、素子中の媒体に超音波を伝搬させることによって、媒体中に超音波の波長と振幅とに対応した屈折率変化の波（定在波）を発生させる。この定在波は回折格子として働くため、音響光学素子に入射した光線は所定の回折角で偏向する。このとき、ＡＯＭ制御装置は、媒体に伝播させる超音波の周波数を変化させることにより回折格子のピッチを変化させ、偏向方向を制御する。このように、ＡＯＭ制御装置が音響光学素子の偏向方向を制御することにより、縞パターン１００や空間コードパターン１１０の偏向方向が制御され、縞パターン１００等を投影領域２００において第２の方向Ｄ２に走査することができる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係る形状測定装置について説明する。上記した第１実施形態及び第２実施形態では、縞パターン１００の生成と空間コードパターン１１０の生成を、一つの光生成部で行っているが、本実施形態では、縞パターン１００と空間コードパターン１１０とを別の光生成部で生成する。

図１９は、第３実施形態に係る形状測定装置に用いられる投影部の構成の一例を示す図である。なお、第３実施形態に係る形状測定装置は、投影部を除いて、図１に示す形状測定装置１と同様の構成が採用される。図１９に示す投影部１０Ａは、図１に示す投影部１０の一態様である。以下の説明において、上記の実施形態と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。図１９に示す投影部１０Ａの座標軸として、光軸方向（紙面の左方向）をＸ２軸とし、Ｘ２軸と直交するある方向（紙面の上方向）をＺ２軸とし、Ｘ２軸及びＺ２軸と直交する方向（紙面の表から裏に向かう方向）をＹ２軸としている。また、図１９に示す構造光の投影領域２００（測定対象物２）側の座標軸として、紙面の右方向をＸ１軸とし、Ｘ１軸と直交するある方向（紙面の上方向）をＺ１軸とし、Ｘ１軸及びＺ１軸と直交する方向（紙面の裏から表に向かう方向）をＹ１軸としている。

図１９に示すように、投影部１０Ａは、縞パターン生成部２０Ｍと、空間コードパターン生成部２０Ｎと、ハーフミラー１２３ｆと、投影光学系３０と、走査部４０と、を備える。縞パターン生成部２０Ｍは、縞パターン１００を生成する。空間コードパターン生成部２０Ｎは、空間コードパターン１１０を生成する。ハーフミラー１２３ｆは、縞パターン生成部２０Ｍ及び空間コードパターン生成部２０Ｎの後方側であって、投影光学系３０の前側に配置される。なお、縞パターン生成部２０Ｍは、図５に示す光生成部２０Ａと同様の構成が採用されており、説明を省略する。

縞パターン生成部２０Ｍのシリンドリカルレンズ２３ｅから出射した第１及び第２の光束は、ハーフミラー１２３ｆを透過して中間像位置Ｉにおいて干渉して縞パターン１００を生成する。

空間コードパターン生成部２０Ｎは、光源（レーザダイオード）１６１、コレクタレンズ１６２、液晶装置１６３、リレーレンズ１６５，１６７、反射ミラー１６６、及びシリンドリカルレンズ１６８を有している。なお、液晶装置１６３は、図１４に示す光生成部２０Ｆと同一のものが用いられるため、説明を省略する。光源１６１は、例えば、可干渉性の低い光源、ハロゲンランプやキセノンランプ、発光ダイオード等が用いられる。

光源１６１から放出された光は、コレクタレンズ１６２によって平行光束または略平行光束に変換される。コレクタレンズ１６２から出射した光束は、液晶装置１６３を通過することにより、空間コードパターン１１０に対応したパターンの光となる。この光は、リレーレンズ１６５，１６７でリレーされる間に反射ミラー１６６によって光の進行方向を変えられてシリンドリカルレンズ１６８に入射する。シリンドリカルレンズ１６８を出射した光束は、ハーフミラー１２３ｆに反射されて中間像位置Ｉにおいて空間コードパターン１１０を生成する。

このように、縞パターン生成部２０Ｍが生成した縞パターン１００と、空間コードパターン生成部２０Ｎが生成した空間コードパターン１１０とは、ハーフミラー１２３ｆによって中間像位置Ｉで共に生成され、同一の光軸に沿って進行する。縞パターン１００または空間コードパターン１１０は、投影光学系３０及び走査部４０を介してそれぞれ投影領域２００に投影される。

このように、第３実施形態によれば、縞パターン１００の生成と空間コードパターン１１０の生成とを別の生成部で行うため、それぞれのパターンに適した光源や光学系が用いられることにより、各パターンを精度よく生成することができる。また、縞パターン１００の投影と空間コードパターン１１０の投影とを同時に行うことができ、測定対象物２の計測時間を短縮することができる。

なお、図１９に示す投影部１０Ａにおいて、縞パターン生成部２０Ｍの位相変調機構２３ｃを用いて縞パターン１００の位相をシフトする構成に代えて、ピエゾ素子等のアクチュエータで投影光学系３０を光軸方向（Ｘ２軸方向）に移動させることにより縞パターン１００の位相をシフトする構成でもよい。

＜投影部の変形例＞
図２０は、投影部の変形例の構成を示す図である。図２０に示す投影部１０Ｂの座標軸として、光軸方向（紙面の左方向）をＸ２軸とし、Ｘ２軸と直交するある方向（紙面の上方向）をＺ２軸とし、Ｘ２軸及びＺ２軸と直交する方向（紙面の表から裏に向かう方向）をＹ２軸としている。また、図２０に示す構造光の投影領域２００（測定対象物２）側の座標軸として、紙面の右方向をＸ１軸とし、Ｘ１軸と直交するある方向（紙面の上方向）をＺ１軸とし、Ｘ１軸及びＺ１軸と直交する方向（紙面の裏から表に向かう方向）をＹ１軸としている。以下の説明において、上記の実施形態と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。

図２０に示すように、投影部１０Ｂは、縞パターン生成部２０Ｍと、空間コードパターン生成部２０Ｐと、投影光学系３０と、走査部４０と、ハーフミラー７１とを備える。なお、縞パターン生成部２０Ｍは、図１９に示す縞パターン生成部２０Ｍと同様であり、説明を省略する。縞パターン生成部２０Ｍで生成された縞パターン１００は、投影光学系３０及び走査部４０を介した後に、ハーフミラー７１を透過して投影領域２００に投影される。

本実施形態の空間コードパターン生成部２０Ｐは、Ｚ２軸方向及びＹ２軸方向にそれぞれ所定の幅を有し、Ｚ２軸方向において光強度が矩形波状に変化する空間コードパターンを生成する。空間コードパターン生成部２０Ｐは、光源１６１、コレクタレンズ１６２、液晶装置１６３、及び投影光学系１６９を有している。なお、光源１６１、コレクタレンズ１６２、及び液晶装置１６３は、図１９に示す空間コードパターン生成部２０Ｎのそれぞれと同様である。

投影光学系１６９は、液晶装置１６３で生成した空間コードパターンの像を投影領域２００に投影するための光学系である。投影光学系１６９の後方の射出瞳の位置には、開口絞り７０が配置されている。この空間コードパターン生成部２０Ｐは、例えば、ビデオプロジェクタ等に用いられる二次元のパターン投影を利用した構成が適用される。

液晶装置１６３により生成された空間コードパターンは、投影光学系１６９及び開口絞り７０を介した後に、ハーフミラー７１に反射されて投影領域２００に投影される。このように、空間コードパターン生成部２０Ｐは、図１９に示す空間コードパターン生成部２０Ｎと異なり、液晶装置１６３により生成された空間コードパターンをシリンドリカルレンズでライン状の空間コードパターン１１０に成形せずに、投影光学系１６９から投影する。また、空間コードパターン生成部２０Ｐにより生成された空間コードパターンは、走査部４０で走査されずに、ハーフミラー７１に反射されて投影領域２００に投影される。縞パターン生成部２０Ｍが生成した縞パターン１００と、空間コードパターン生成部２０Ｐが生成した空間コードパターンとは、異なる光軸上で生成された後、ハーフミラー７１によって同一の光軸に沿って進行する。

このように、図２０に示す投影部１０Ｂによれば、縞パターン１００の生成と空間コードパターンの生成とを別の生成部で行うため、第３実施形態と同様の効果を有する。さらに、空間コードパターン生成部２０Ｐは、投影領域２００に対応した二次元の空間コードパターンを生成するので、ライン状のパターンを走査する必要がなく、投影領域２００の全面にわたって容易に空間コードパターンを投影させることができる。

＜光走査装置＞
次に、実施形態に係る光走査装置について説明する。図２１は、光走査装置の実施形態の一例を示す図である。図２１において、紙面の右方向をＸ１軸とし、Ｘ１軸と直交するある方向をＺ１軸とし、Ｘ１軸及びＺ１軸と直交する方向をＹ１軸としている。図２１に示す光走査装置１Ａは、光を走査した測定対象物２を撮像して取得した該測定対象物２の像に応じた信号強度に基づいて三次元形状を測定するために用いられ、測定対象物２に光を走査する装置である。この光走査装置１Ａは、図１に示す形状測定装置１の構成の一部を有している。以下の説明において、上記の実施形態と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。

光走査装置１Ａは、第１の方向Ｄ１（図２１のＸ１軸方向）に沿って異なる強度の分布を有する縞パターン１００または空間コードパターン１１０を生成する光生成部２０と、縞パターン１００等を第２の方向Ｄ２（図２１のＹ１軸方向）に沿って走査する走査部４０と、を有している。これら光生成部２０及び走査部４０は、上記した各実施形態に示すものと同様である。また、光走査装置１Ａは、測定対象物２上における撮像領域（撮像視野）２１０（図４参照）の一部に生成される縞パターン１００または空間コードパターン１１０を第２の方向Ｄ２に沿って走査して撮像領域２１０に縞パターン１００等を投影する。

また、光走査装置１Ａは、光生成部２０や走査部４０の動作を制御するための制御部が設けられてもよい。また、光走査装置１Ａは、外部のコンピュータ等に備える演算処理部２６０からの指令信号に基づいて動作が制御されるものでもよい。

光走査装置１Ａによって測定対象物２に縞パターン１００等が投影された像は、外部の撮像部２５０の受光光学系２５１を介して撮像装置２５２によって撮像される。外部の演算処理部２６０は、撮像装置２５２によって撮像した画像データ（信号強度）に基づいて、測定対象物２の三次元形状を測定する。

このように、実施形態に係る光走査装置１Ａによれば、測定対象物２に対して容易かつ正確に縞パターン１００または空間コードパターン１１０を投影することができる。また、光走査装置１Ａは、演算処理部や撮像部を有しないため、装置全体をコンパクトにまとめることができ、装置の小型化を実現できる。

＜構造物製造システム及び構造物製造方法＞
図２２は、構造物製造システムの実施形態の一例を示すブロック図である。図２２に示す構造物製造システムＳＹＳは、上記した形状測定装置１、設計装置７１０、成形装置７２０、制御装置（検査装置）７３０、及びリペア装置７４０を有している。

設計装置７１０は、構造物の形状に関する設計情報を作製する。そして、設計装置７１０は、作製した設計情報を成形装置７２０及び制御装置７３０に送信する。ここで、設計情報とは、構造物の各位置の座標を示す情報である。また、測定対象物は、構造物である。

成形装置７２０は、設計装置７１０から送信された設計情報に基づいて構造物を成形する。この成形装置７２０の成形工程は、鋳造、鍛造、または切削などが含まれる。形状測定装置１は、成形装置７２０により作製された構造物（測定対象物２）の三次元形状、すなわち構造物の座標を測定する。そして、形状測定装置１は、測定した座標を示す情報（以下、形状情報という。）を制御装置７３０に送信する。

制御装置７３０は、座標記憶部７３１及び検査部７３２を有している。座標記憶部７３１は、設計装置７１０から送信される設計情報を記憶する。検査部７３２は、座標記憶部７３１から設計情報を読み出す。また、検査部７３２は、座標記憶部７３１から読み出した設計情報と、形状測定装置１から送信される形状情報とを比較する。そして、検査部７３２は、比較結果に基づき、構造物が設計情報の通りに成形されたか否かを検査する。

また、検査部７３２は、成形装置７２０により成形された構造物が良品であるか否かを判定する。構造物が良品であるか否かは、例えば、設計情報と形状情報との誤差が所定の閾値の範囲内であるか否かにより判定する。そして、検査部７３２は、構造物が設計情報の通りに成形されていない場合は、その構造物を設計情報の通りに修復することができるか否かを判定する。修復することができると判定した場合は、検査部７３２は、比較結果に基づき、不良部位と修復量を算出する。そして、検査部７３２は、不良部位を示す情報（以下、不良部位情報という。）と、修復量を示す情報（以下、修復量情報という。）と、をリペア装置７４０に送信する。

リペア装置７４０は、制御装置７３０から送信された不良部位情報と修復量情報とに基づいて、構造物の不良部位を加工する。

図２３は、構造物製造システムＳＹＳによる処理を示すフローチャートであり、構造物製造方法の実施形態の一例を示している。図２３に示すように、設計装置７１０は、構造物の形状に関する設計情報を作製する（ステップＳ３１）。設計装置７１０は、作製した設計情報を成形装置７２０及び制御装置７３０に送信する。制御装置７３０は、設計装置７１０から送信された設計情報を受信する。そして、制御装置７３０は、受信した設計情報を座標記憶部７３１に記憶する。

次に、成形装置７２０は、設計装置７１０が作製した設計情報に基づいて構造物を成形する（ステップＳ３２）。そして、形状測定装置１は、成形装置７２０が成形した構造物の三次元形状を測定する（ステップＳ３３）。その後、形状測定装置１は、構造物の測定結果である形状情報を制御装置７３０に送信する。次に、検査部７３２は、形状測定装置１から送信された形状情報と、座標記憶部７３１に記憶されている設計情報とを比較して、構造物が設計情報の通りに成形されたか否か検査する（ステップＳ３４）。

次に、検査部７３２は、構造物が良品であるか否かを判定する（ステップＳ３５）。構造物が良品であると判定した場合は（ステップＳ３５：ＹＥＳ）、構造物製造システムＳＹＳによる処理を終了する。一方、検査部７３２は、構造物が良品でないと判定した場合は（ステップＳ３５：ＮＯ）、検査部７３２は、構造物を修復することができるか否かを判定する（ステップＳ３６）。

検査部７３２が構造物を修復することができると判定した場合は（ステップＳ３６：ＹＥＳ）、検査部７３２は、ステップＳ３４の比較結果に基づいて、構造物の不良部位と修復量を算出する。そして、検査部７３２は、不良部位情報と修復量情報とをリペア装置７４０に送信する。リペア装置７４０は、不良部位情報と修復量情報とに基づいて構造物のリペア（再加工）を実行する（ステップＳ３７）。そして、ステップＳ３３の処理に移行する。すなわち、リペア装置７４０がリペアを実行した構造物に対してステップＳ３３以降の処理が再度実行される。一方、検査部７３２が構造物を修復することができると判定した場合は（ステップＳ３６：ＮＯ）、構造物製造システムＳＹＳによる処理を終了する。

このように、構造物製造システムＳＹＳ及び構造物製造方法では、形状測定装置１による構造物の測定結果に基づいて、検査部７３２が設計情報の通りに構造物が作製されたか否かを判定する。これにより、成形装置７２０により作製された構造物が良品であるか否か精度よく判定することができるとともに、その判定の時間を短縮することができる。また、上記した構造物製造システムＳＹＳでは、検査部７３２により構造物が良品でないと判定された場合に、直ちに構造物のリペアを実行することができる。

なお、上記した構造物製造システムＳＹＳ及び構造物製造方法において、リペア装置７４０が加工を実行することに代えて、成形装置７２０が再度加工を実行するように構成してもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は、上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能である。また、上記の実施形態で説明した要件の１つ以上は、省略されることがある。そのような変更または改良、省略した形態も本発明の技術的範囲に含まれる。また、上記した実施形態や変形例の構成を適宜組み合わせて適用することも可能である。

また、上記した各実施形態及び変形例において、第１の方向Ｄ１と第２の方向Ｄ２とが直交していたが、第１の方向Ｄ１と第２の方向Ｄ２とが異なる方向であれば直交していなくてもよい。例えば、第２の方向Ｄ２は、第１の方向Ｄ１に対して６０度や８０度の角度に設定されてもよい。

また、上記した各実施形態及び変形例において、各図面では光学素子を一つまたは複数で表しているが、特に使用する数を指定しない限り、同様の光学性能を発揮させるものであれば、使用する光学素子の数は任意である。

また、上記した各実施形態及び変形例において、光生成部２０等が縞パターン１００を生成するための光は、可視光領域の波長の光、赤外線領域の波長の光、紫外線領域の波長の光、のいずれが用いられてもよい。可視光領域の波長の光が用いられることにより、使用者が投影領域２００を認識可能となる。この可視光領域のうち、赤色の波長が用いられることにより、測定対象物２へのダメージを軽減させることができる。

また、上記した各実施形態及び変形例において、走査部４０は、構造光を反射または回折する光学素子を用いているがこれに限定されない。例えば、屈折光学素子や、平行平板ガラス等が用いられてもよい。レンズ等の屈折光学素子を光軸に対して振動させることで構造光を走査させてもよい。なお、この屈折光学素子としては、投影光学系３０の一部の光学素子が用いられてもよい。

また、上記した各実施形態及び変形例において、撮像部５０としてＣＣＤカメラ５２ａが用いられるがこれに限定されない。例えば、ＣＣＤカメラに代えて、ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＭＯＳ：Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補性金属酸化膜半導体）などのイメージセンサが用いられてもよい。

また、上記した図５、図１１及び図１３に示す位相変調機構２３ｃ，１２２，１５４において、厚みの異なる平行平板ガラスを切り替える構成を採用しているがこれに限定されない。例えば、平行平板ガラスに代えて、カーセルまたはポッケルスセルなどの電気光学効果を利用した素子が用いられてもよい。カーセルやポッケルスセルは、電荷を付加すると屈折率が変化する電気光学素子であり、印加する電圧を変化させて電気的に縞パターンの位相を変化させることができる。

また、上記した各実施形態及び変形例において、位相シフト法に用いる縞パターン１００の位相を一周期の間に４回シフトさせる４バケット法が用いられるが、これに限定されない。例えば、縞パターン１００の位相の一周期２πを５分割した５バケット法や、同じく６分割した６バケット法などが用いられてもよい。

また、上記した各実施形態及び変形例において、いずれも位相シフト法が用いられているが、第２実施形態で説明した空間コード法のみを用いて測定対象物２の三次元形状を測定するものでもよい。

また、上記した図１３に示す第３変形例では、Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ型の配置による構成が用いられるが、これに限定されず、例えば、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型やＪａｍｉｎ型など周知の他の光学配置が用いられてもよい。

また、上記した図１４に示す光生成部２０Ｆにおいて、液晶装置１６３として透過型の液晶装置が用いられるが、これに限定されず、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の反射型の液晶装置が用いられてもよい。反射型の液晶装置の場合も位相シフト法で用いる縞パターン１００と、空間コード法で用いる空間コードパターン１１０の双方を生成できる。また、ＬＣＯＳが用いられる場合は、ＬＣＯＳの駆動速度が早いことにより、測定時間を短縮することができる。

また、上記した第２実施形態において、空間コードパターン１１０の撮像後に縞パターン１００を撮像しているが、これとは逆に行ってもよい。

また、上記した各実施形態及び変形例において、縞パターン１００や空間コードパターン１１０を白色及び黒色で表していたが、これに限定されず、いずれか一方または双方が着色されたものでもよい。例えば、縞パターン１００や空間コードパターン１１０は、白色と赤色とで生成されるものでもよい。

また、上記した第２実施形態において、図１８に示す空間コードはバイナリコードを用いているが、グレイコードが用いられてもよい。グレイコードは、バイナリコードと符号の付け方が異なる。このため、図１６に示す空間コード画像のストライプのパターンも異なるパターンが用いられる。

また、上記した第２実施形態において、液晶装置１６３、フィルタ、及びデジタルミラーデバイスは、第１実施形態や第３実施形態においても適用可能である。

また、上記した第２実施形態において、光生成部は、縞パターン１００の生成時と、空間コードパターン１１０の生成時とで、光源を変更してもよい。光源の変更は、制御部６２からの指令信号に基づいて行われるようにしてもよい。空間コードパターン１１０の生成時には、例えば、可干渉性の低い光源、ハロゲンランプやキセノンランプ、発光ダイオード等が用いられてもよい。

また、上記した各実施形態において、中間像位置Ｉに縞パターン１００や空間コードパターン１１０の中間像を形成させることに限定されず、中間像を形成させずに投影領域２００（測定対象物２上）において縞パターン１００や空間コードパターン１１０を結像させてもよい。

また、走査部４０としてＭＥＭＳミラー等の振動ミラーが用いられる場合、角速度の不均一に対応して、レーザダイオード１２１からの光の強度を変更させてもよい。例えば、投影領域２００における走査方向の端部付近では光強度を低下させ、中央付近では光強度を強くさせるように、レーザダイオード１２１を制御してもよい。これにより、投影領域２００において一様な明るさを実現できる。

また、上記した第３実施形態及び投影部の変形例において、縞パターン１００の投影と空間コードパターン１１０の投影を同時に行ってもよい。この場合、縞パターン１００を生成する光の波長と、空間コードパターン１１０を生成する光の波長とを分けて、撮像部において波長ごとに分割して撮像し、それぞれ位相シフト法及び空間コード法を実行させてもよい。

また、上記した図１９及び図２０では、縞パターン生成部２０Ｍ（図５に示す光生成部２０Ａに相当する構成）を用いているが、これに限定されず、例えば、図１１〜図１４に示す縞パターン生成部２０Ｂ〜２０Ｆに相当する構成が用いられてもよい。

また、上述の実施形態及び変形例において、投影部１０、撮像部５０、演算処理部６０、及び表示装置７０を持ち運びが可能な筐体に収容してもよい。持ち運び可能な筐体６内に各構成が収容されているので、測定者は、形状測定装置を測定対象物がある現場まで容易に持ち運ぶことができる。また、例えば大型装置の裏面や背面など、定置型の測定装置では測定が難しい対象物に対して、容易に形状を測定することができる。なお、演算処理部６０の全ての機能を持ち運びが可能な筐体に収容しなくてもよく、演算処理部６０の一部の機能（演算部、画像記憶部、表示制御部、及び設定情報記憶部の少なくとも一部）を外部のコンピュータに持たせてもよい。

この場合であっても、上述の実施形態と同様に、ＭＥＭＳミラーの往復振動とレーザダイオードから射出される光強度とを同期させる必要がなく、複雑かつ高度な同期制御が不要となる。投影部１０、撮像部５０、演算処理部６０、及び表示装置７０を持ち運びが可能な筐体に収容した形状測定装置を持ち運ぶ場合、特に外部の測定環境（温度、湿度、気圧など）が変化しやすくなるが、外部環境が変化したとしても高精度な測定対象物の形状測定を行うことができる。

また、上記した各実施形態及び変形例において、測定対象物２が撮像部５０の撮像視野に収まらない場合は、測定対象物２の異なる位置をそれぞれ測定して、各測定結果をつなぎ合わせることで測定対象物２全体の三次元形状を測定してもよい。測定結果をつなぎ合わせるさいには、測定結果の一部を重ねあわせる、オーバーラッピング処理が用いられてもよい。このオーバーラッピング処理は、演算部６５が行う。

オーバーラッピング処理について説明する。先ず、撮像部５０によって測定対象物２の第１部分を撮像する。次いで、撮像部５０によって、測定対象物２の第１部分と一部重なる第２部分を撮像する。演算部６５は、第１部分及び第２部分についてそれぞれ三次元形状を算出する。さらに、演算部６５は、第１部分と第２部分とが重なる部分をサーチし、この部分を重ねることにより第１部分及び第２部分の三次元形状をつなぎ合わせる。なお、演算部６５は、第１部分の三次元形状と第２部分の三次元形状とで共通の座標データとなる所定領域の画素をサーチして、第１部分と第２部分との重複部分を判断する。

このような処理を測定対象物２の全体が撮像されるまで繰り返し実行することで、測定対象物２全体の三次元形状が測定される。これによれば、測定対象物２が大きな物体であった場合でも、測定対象物２全体の三次元形状を容易に測定することができる。

また、形状測定装置１の一部の構成をコンピュータにより実現してもよい。例えば、演算部処理部６０をコンピュータにより実現してもよい。この場合、コンピュータは、記憶部に記憶された形状測定プログラムに従って、第１の方向Ｄ１に沿って異なる強度の分布を有する構造光を生成する光生成処理と、構造光を第１の方向Ｄ１とは異なる測定対象物２上の第２の方向Ｄ２に沿って走査する走査処理と、構造光が投影された測定対象物２を撮像する撮像処理と、撮像処理で得られた測定対象物２の像に応じた信号強度に基づいて、測定対象物２の形状を算出する演算処理と、を実行する。

なお、上述の各実施形態の要件は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。また、法令で許容される限りにおいて、上述の各実施形態及び変形例で引用した検査装置や検査方法などに関する全ての公開公報及び米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。

Ｄ１…第１の方向、Ｄ２…第２の方向、Ｌ１…第１の光束、Ｌ２…第２の光束、ＳＹＳ…構造物製造システム、１…形状測定装置、１Ａ…光走査装置、２…測定対象物、１０，１０Ａ，１０Ｂ…投影部、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ，２０Ｆ，…光生成部、２２，１２１，１６１…レーザダイオード（光源）、２３…パターン生成部、２３ｂ…レンズアレイ（分割光学系）、２３ｃ，１２２，１５４…位相変調機構（干渉光学系）、２３ｄ…リレーレンズ（干渉光学系）、２３ｅ，１２４，１６８…シリンドリカルレンズ（干渉光学系）、４０…走査部（光学素子）、５０…撮像部、５２ａ…ＣＣＤカメラ、６０…演算処理部、６２…制御部、６２ａ…第１制御部、６２ｂ…第２制御部、６５…演算部、７０…表示装置、１００…縞パターン（構造光）、１１０…空間コードパターン（構造光）、１２５…偏向プリズム（分割光学系）、１６３…液晶装置、２１０…撮像領域（撮像視野）

Claims (28)

1. 測定対象物の三次元形状を測定する形状測定装置において、
   第１の方向に沿って異なる強度の分布を有する構造光を生成する光生成部と、
   前記構造光を前記第１の方向とは異なる前記測定対象物上の第２の方向に沿って走査する走査部と、
   構造光が投影された前記測定対象物を撮像する撮像部と、
   前記撮像部で得られた前記測定対象物の像に応じた信号強度に基づいて、前記測定対象物の形状を算出する演算部と、
   を備える形状測定装置。
2. 前記構造光は、前記測定対象物上における前記撮像部の撮像視野の一部に生成される請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記走査部は、前記撮像視野の一部に生成される前記構造光を走査して前記撮像視野に前記構造光を投影する請求項２に記載の形状測定装置。
4. 前記撮像視野は、前記撮像部により１回に撮像される範囲である請求項２または請求項３に記載の形状測定装置。
5. 前記走査部による前記構造光の走査と、前記撮像部による前記測定対象物の撮像とを同期させるように前記走査部と前記撮像部とを制御する制御部を備える請求項１〜請求項４のうちいずれか１項に記載の形状測定装置。
6. 前記制御部は、前記撮像部による前記測定対象物の撮像を、前記走査部による前記構造光の複数回の走査に同期するように制御する請求項５に記載の形状測定装置。
7. 前記光生成部は、前記第１の方向に周期的に異なる強度の分布を有する縞状の構造光を生成する請求項１〜請求項６のうちいずれか１項に記載の形状測定装置。
8. 縞の位相がそれぞれ異なる複数の構造光が生成されるように前記光生成部を制御する第２の制御部を備え、
   前記演算部は、前記撮像部により得られた、前記複数の構造光がそれぞれ投影された前記測定対象物の複数の像に応じた信号強度に基づいて前記測定対象物の形状を算出する請求項７に記載の形状測定装置。
9. 前記光生成部は、光源からの光束から前記構造光を生成する液晶装置を含む請求項１〜請求項８のうちいずれか１項に記載の形状測定装置。
10. 前記光生成部は、前記第１の方向に沿って透過率が異なるフィルタを含み、該フィルタに光源からの光束を透過させることにより前記構造光を生成する請求項１〜請求項８のうちいずれか１項に記載の形状測定装置。
11. 前記光生成部は、反射方向を変更可能な複数のマイクロミラーを有するミラー装置を含み、光源からの光束を複数の前記マイクロミラーで反射させることにより前記構造光を生成する請求項１〜請求項８のうちいずれか１項に記載の形状測定装置。
12. 前記光生成部は、入射した第１の光束と第２の光束とを干渉させる干渉光学系を含み、該干渉光学系により前記構造光を生成する請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の形状測定装置。
13. 前記光生成部は、光源からの光束を第１の光束と第２の光束とに分割する分割光学系を含み、
    該分割光学系から射出した前記第１の光束と前記第２の光束とは前記干渉光学系に入射する請求項１２に記載の形状測定装置。
14. 前記光生成部は、前記第１の方向に正弦波状の周期的な強度の分布を有する構造光を生成する請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の形状測定装置。
15. 前記光生成部は、前記第１の方向に矩形波状の周期的な強度の分布を有する構造光を生成する請求項１４に記載の形状測定装置。
16. 前記光生成部は、前記第１の方向に矩形波状の周期的な強度の分布を有する構造光を生成する請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の形状測定装置。
17. 前記第２の方向は、前記第１の方向と直交する請求項１〜請求項１６のうちいずれか１項に記載の形状測定装置。
18. 前記走査部は、前記構造光を反射または回折する光学素子を含み、前記光学素子により、前記構造光の反射角または回折角を変化させることにより前記構造光を走査する請求項１〜請求項１７のうちいずれか１項に記載の形状測定装置。
19. 持ち運び可能な筐体に、前記光生成部、前記走査部、前記撮像部、及び前記演算部が収容された請求項１〜請求項１８のうちいずれか１項に記載の形状測定装置。
20. 前記撮像部により撮像された画像、及び前記演算部により算出された形状、のうち少なくとも一方を表示する表示装置を備える請求項１９に記載の形状測定装置。
21. 光を走査した測定対象物を撮像して取得した該測定対象物の像に応じた信号強度に基づいて三次元形状を測定する該測定対象物に光を走査する光走査装置において、
    第１の方向に沿って異なる強度の分布を有する構造光を生成する光生成部と、
    前記構造光を前記第１の方向とは異なる前記測定対象物上の第２の方向に沿って走査する走査部と、
    を備える光走査装置。
22. 前記走査部は、前記測定対象物上における撮像視野の一部に生成される前記構造光を走査して該撮像視野に前記構造光を投影する請求項２１に記載の光走査装置。
23. 構造物の形状に関する設計情報を作製する設計装置と、
    前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形装置と、
    作製された前記構造物の形状を測定する請求項１〜請求項２０のうちいずれか１項に記載の形状測定装置と、
    前記形状測定装置によって得られた前記構造物の形状に関する形状情報と前記設計情報とを比較する検査装置と、
    を含む構造物製造システム。
24. 測定対象物の三次元形状を測定する形状測定方法において、
    第１の方向に沿って異なる強度の分布を有する構造光を生成することと、
    前記構造光を前記第１の方向とは異なる前記測定対象物上の第２の方向に沿って走査することと、
    構造光が投影された前記測定対象物を撮像することと、
    前記撮像することで得られた前記測定対象物の像に応じた信号強度に基づいて、前記測定対象物の形状を算出することと、
    を含む形状測定方法。
25. 前記構造光は、前記測定対象物上における撮像視野の一部に生成し、
    前記撮像視野の一部に生成される前記構造光を走査して前記撮像視野に前記構造光を投影する請求項２４に記載の形状測定方法。
26. 構造物の形状に関する設計情報を作製することと、
    前記設計情報に基づいて前記構造物を作製することと、
    作製された前記構造物の形状を測定する請求項２４または請求項２５に記載の形状測定方法と、
    前記形状測定方法によって得られた前記構造物の形状に関する形状情報と前記設計情報とを比較することと、
    を含む構造物製造方法。
27. 形状測定装置に含まれるコンピュータに、
    第１の方向に沿って異なる強度の分布を有する構造光を生成する光生成処理と、
    前記構造光を前記第１の方向とは異なる前記測定対象物上の第２の方向に沿って走査する走査処理と、
    前記構造光が投影された前記測定対象物を撮像する撮像処理と、
    前記撮像処理で得られた前記測定対象物の像に応じた信号強度に基づいて、前記測定対象物の形状を算出する演算処理と、
    を実行させる形状測定プログラム。
28. 前記光生成処理で、前記構造光を前記測定対象物上における撮像視野の一部に生成し、
    前記走査処理で、前記撮像視野の一部に生成される前記構造光を走査して前記撮像視野に前記構造光を投影する請求項２７に記載の形状測定プログラム。