JP2015102532A - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度を向上させることができる三次元形状測定装置を提供する。【解決手段】投影光学系２は、空間的に周期的なパターンの光を含む周期パターン光を標本１に投影する。投影パターン切替機構４ａは、周期パターン光の位相をシフトする。投影光学系２は、空間的にランダムなパターンの光を含むランダムパターン光を標本１に投影する。撮像部７は、位相をずらしながら標本１に投影した周期パターン光を順次撮像して一連の位相シフト画像を生成し、標本１に投影されたランダムパターン光を撮像してランダム投影画像を生成する。演算部８ｂは、位相シフト画像に基づいて、位相シフト法による演算処理を行い、三次元形状に対応する位相を含む位相分布を算出し、ランダム投影画像に基づいて、ランダムパターン投影法による測定を行い、三次元形状を算出し、算出された三次元形状に基づいて、位相分布の不連続な位相が連続するように位相接続を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置に関する。

工業部品の計測、建築物の構造や配管などの劣化度合いの計測、デザイン模型モデルの計測、人体計測を行う場合、数百μｍ〜数ｍのオーダの大きさの測定対象物の三次元形状の計測が行われる。例えば、測定対象物に既知の２次元パターンの光を投影し、投影されたパターン光の変形量から測定対象物の三次元形状を測定する技術が知られている。既知の２次元パターンを用いて測定を行う技術は、周期パターンを用いる技術（周期パターン投影法）と、ランダムパターンを用いる技術（ランダムパターン投影法）とに大きく分かれる。

周期パターン投影法では、周期的な縞パターンの光が測定対象物上に投影され、光が投影された方向とは異なる方向から、投影されたパターン光の画像が取得される。取得された画像において、縞パターンは、測定対象物の表面形状に応じた変形パターンとして観測される。三角測量の原理を用いてパターンの横方向のシフト量（変形量）から測定対象物の三次元形状が求まる。パターンの横方向のシフト量を求める方法として位相シフト法が最も広く利用されている。

パターンの横方向のシフト量を高精度に求める技術として位相シフト法が知られている。位相シフト法は、例えば特許文献１に記載されている。

位相シフト法では、位相が既知量だけシフトした周期的なパターンの光が投影された測定対象物の複数枚の画像が取得される。例えば、４分の１周期ずつ位相がシフトした周期的なパターンの光が投影された測定対象物を撮像した４枚の画像の輝度値をＩ１（ｘ，ｙ），Ｉ２（ｘ，ｙ），Ｉ３（ｘ，ｙ），Ｉ４（ｘ，ｙ）とした場合、画素（ｘ，ｙ）におけるパターンの位相分布φ（ｘ，ｙ）は式（１）となる。

この方法によれば、測定対象物上のパターンの変形量が位相分布φ（ｘ，ｙ）として画素毎に算出できる。このため、Ｘ，Ｙ方向の分解能の高い高精度な三次元形状計測が可能である。

位相シフト法が規則正しい周期パターンを利用するのに対し、ランダムパターン投影法は、その名の通り、不規則なパターンを利用する。ランダムパターン投影法は、例えば特許文献２に記載されている。

ランダムパターン投影法では、ランダムパターンの光が投影された測定対象物の画像が取得される。さらに、パターンの不規則性を利用した部分画像のパターンマッチング処理により、変形前のパターンと変形後のパターンとで対応する領域が探索される。探索された領域について、変形前のパターンを基準とした、変形後のパターンにおける横シフト量が算出される。

位相シフト法では複数枚の画像の取得が必要であるのに対し、ランダムパターン投影法では一枚の画像から測定対象物の三次元形状を求めることができる。このため、ランダムパターン投影法はリアルタイム化に好都合である。

特許第３６９０２１２号公報 国際公開第２００７／０４３０３６号パンフレット

位相シフト法では、逆正接関数から位相分布φ（ｘ，ｙ）を求めるので、位相分布φ（ｘ，ｙ）は、０〜２πの値に畳み込まれた不連続な分布となる。この０〜２πの不連続な位相分布において位相が連続するように位相を滑らかに接続する処理は位相接続処理（アンラッピング）と呼ばれる。

位相接続処理は測定対象物の領域全体に渡って行われる。測定対象物が滑らかな表面を持つ場合には位相接続は容易である。しかし、測定対象物が急峻な段差を持つ場合、特に位相に換算してπを越える段差を持つ場合、その段差では正確な位相接続はできない問題がある。

また、撮影されたパターンの輝度値が極端に暗い場合（例えばパターンの死角部分など）、位相分布φ（ｘ，ｙ）には多くのノイズ情報が含まれる。このようなノイズ情報を含む部分では位相接続エラーが発生しやすい。位相接続処理では、隣接する画素の位相値の差分がπを超えるような不連続点を検出し、その画素およびその画素以降の画素の位相値に対して、隣接画素間の位相差がπ以下となるように２π×（位相の次数）が加算もしくは減算される。

位相接続エラーの発生により、加算もしくは減算される値が誤っていると、位相が不連続となる画素およびその画素以降の画素の全ての位相値に対して、誤った値が加算される。つまり、ひとたび位相接続エラーが発生すると、そのエラーが発生した画素を基点として、その後の位相接続処理においても位相接続エラーが伝播し続けるという問題がある。

特許文献１では、位相接続を確実にするために、補助パターンが用いられている。補助パターンの光は点状光、線状光、あるいは周期パターン光であり、注目した位相の不連続点のみに対して位相の次数が決定される。つまり、測定対象物の領域全体に渡って各画素の位相の次数を決定する訳ではない。このため、位相接続エラーが一度発生すると、そのエラーが発生した画素を基点として誤差が伝播し、測定精度が低下するという問題があった。

ランダムパターン投影法では、画像の部分領域の不規則性を利用したパターンマッチング処理により横シフト量を求めるため、パターンマッチング処理に用いる部分画像よりも小さな構造の変化を捉えることが難しい。つまりＸ，Ｙ方向の分解能が悪く、測定精度が低下するという問題があった。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、測定精度を向上させることができる三次元形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、空間的に周期的なパターンの光を含む周期パターン光を測定対象物に投影する第１の投影機構と、前記周期パターン光の位相をシフトする位相シフト機構と、空間的にランダムなパターンの光を含むランダムパターン光を測定対象物に投影する第２の投影機構と、前記位相シフト機構により位相をずらしながら前記測定対象物に投影した前記周期パターン光を順次撮像して一連の位相シフト画像を生成し、前記測定対象物に投影された前記ランダムパターン光を撮像してランダム投影画像を生成する撮像機構と、前記位相シフト画像に基づいて、位相シフト法による演算処理を行い、三次元形状に対応する位相を含む位相分布を算出し、前記ランダム投影画像に基づいて、ランダムパターン投影法による測定を行い、三次元形状を算出し、算出された三次元形状に基づいて、前記位相分布の不連続な位相が連続するように位相接続を行う測定部と、を有することを特徴とする三次元形状測定装置である。

また、本発明の三次元形状測定装置において、前記測定部は、前記位相シフト画像に基づいて、位相シフト法による演算処理を行い、三次元形状に対応する各位置の位相を含む位相分布を算出し、前記ランダム投影画像に基づいて、ランダムパターン投影法による測定を行い、各位置の高さを含む三次元形状を算出し、前記ランダムパターン投影法による測定によって算出された前記各位置の高さと、前記位相分布の所定の位相に対応する高さを単位とする次数とを対応付け、前記各位置の高さに対応付けられた前記次数に基づいて、前記位相分布において、前記各位置の不連続な位相が連続するように位相接続を行うことを特徴とする。

また、本発明の三次元形状測定装置において、前記第１の投影機構は、前記周期パターン光を前記測定対象物に投影する第１の光学系を有し、前記第２の投影機構は、前記ランダムパターン光を前記測定対象物に投影する、前記第１の光学系と異なる第２の光学系を有することを特徴とする。

また、本発明の三次元形状測定装置において、測定モードの指示に応じて、前記位相シフト法による測定を行う第１の測定モードと、前記ランダムパターン投影法による測定を行う第２の測定モードと、前記ランダムパターン投影法による測定の結果を用いて、前記位相シフト法による測定によって算出された前記位相分布の前記位相接続を行う第３の測定モードと、のいずれかを選択して測定を行うことを特徴とする。

本発明によれば、ランダムパターン投影法による測定によって算出された三次元形状に基づいて、位相シフト法による測定によって算出された位相分布の不連続な位相が連続するように位相接続を行うことによって、測定精度を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態による三次元形状測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態における投影パターン列の詳細を示す構成図である。 本発明の第１の実施形態による三次元形状測定装置の動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態による三次元形状測定装置がランダムパターン投影法による測定を行う際の処理内容を示す参考図である。 本発明の第１の実施形態における測定の結果を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態において、位相分布φ（ｘ，ｙ）の所定の位相に相当する高さを求める方法を示す参考図である。 本発明の第１の実施形態（変形例）による三次元形状測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態による三次元形状測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態による三次元形状測定装置の動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態による三次元形状測定装置の動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態による三次元形状測定装置の動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態による三次元形状測定装置の動作の手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。

［第１の実施形態］
（構成）
図１は、第１の実施形態による三次元形状測定装置の構成を示している。図１に示す三次元形状測定装置は、測定対象物である標本１の三次元形状を測定する装置であり、投影光学系２、投影パターン列３、投影パターン切替機構４ａ、投影パターン切替機構制御部４ｂ、光源５ａ、光源制御部５ｂ、撮像光学系６、撮像部７、コンピュータ８、指示部９、表示器１０を有する。

標本１の表面に向き合う方向に撮像光学系６が配置され、標本１と光学的におおよそ共役な位置に撮像部７が配置されている。撮像部７はＣＣＤ（Charge Coupled Devices）素子やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の２次元イメージングセンサである。

撮像光学系６の光軸の方向とは異なる方向に投影光学系２と光源５ａとが配置されている。投影光学系２に対する標本１の位置と光学的におおよそ共役な位置には投影パターン列３が配置されている。投影パターン列３は投影パターン切替機構４ａ（例えばメカニカルステージ）に配置されている。

光源５ａは、標本１に投影される光を発生する。投影パターン列３は、光源５ａからの光の一部を透過し光源５ａからの光の一部を遮断することにより、空間的に周期的なパターンの光を含む周期パターン光または空間的にランダムなパターンの光を含むランダムパターン光を生成する。投影パターン切替機構４ａは、投影パターン列３が生成する光を周期パターン光とランダムパターン光との間で切り替える。投影光学系２は、投影パターン列３からの光を標本１に投影する。本実施形態では、投影光学系２は、周期パターン光を測定対象物（標本１）に投影する第１の投影機構と、ランダムパターン光を測定対象物（標本１）に投影する第２の投影機構との両方を兼ねている。

図２は投影パターン列３の詳細を示している。投影パターン列３は、２次元方向にパターンがランダム（不規則）に変化するランダムパターン２１と、２次元の一定方向にパターン（明部と暗部とが交互に連続する縞状パターン）が周期的に変化する周期パターン３１とを有する。これら２つのパターンは、互いに重ならないように並べられている。これら２つのパターンは投影パターン切替機構４aによって投影光学系２の光路に選択的に配置される。また、投影パターン切替機構４ａは、後述する位相シフト動作の際の周期パターン３１のスキャニング機構を兼ねている。すなわち、投影パターン切替機構４ａは、周期パターン光の位相をシフトする位相シフト機構を兼ねている。

撮像光学系６は、周期パターン光またはランダムパターン光が投影された標本１で反射または散乱した光を撮像部７に結像する。撮像部７は、投影パターン切替機構４ａにより位相をずらしながら標本１に投影した周期パターン光を順次撮像して一連の位相シフト画像（第１の画像）を生成し、標本１に投影されたランダムパターン光を撮像してランダム投影画像（第２の画像）を生成する撮像機構である。撮像部７が生成した画像はコンピュータ８に取り込まれる。

コンピュータ８は、記憶部８ａ、演算部８ｂ、通信部８ｃを有する。記憶部８ａは、アプリケーションプログラムや、取得した画像のデータを記憶する。演算部８ｂは、各種演算を行う。通信部８ｃは、外部機器と通信を行う。コンピュータ８にはマウスやキーボード等の指示部９と、アプリケーションプログラムの画面や測定結果等を表示する表示器１０とが接続されている。

投影パターン切替機構制御部４ｂは、コンピュータ８からの指示に応じて、投影パターン切替機構４ａの駆動を行う。光源制御部５ｂは、コンピュータ８からの指示に応じて、光源５ａのＯＮ／ＯＦＦや調光を行う。

演算部８ｂは、本実施形態の特徴的な演算として、三次元形状の測定を行う。すなわち、演算部８ｂは、周期パターン光を撮像して生成された位相シフト画像（第１の画像）に基づいて、位相シフト法による演算処理（位相シフト法による測定）を行い、三次元形状に対応する位相を含む位相分布を算出する。演算部８ｂは、ランダムパターン光を撮像して生成されたランダム投影画像（第２の画像）に基づいて、ランダムパターン投影法による測定を行い、三次元形状を算出する。演算部８ｂは、算出された三次元形状に基づいて、位相分布の不連続な位相が連続するように位相接続を行う。

より具体的には、演算部８ｂは、周期パターン光を撮像して生成された位相シフト画像（第１の画像）に基づいて、位相シフト法による演算処理（位相シフト法による測定）を行い、三次元形状に対応する各位置の位相を含む位相分布を算出する。演算部８ｂは、ランダムパターン光を撮像して生成されたランダム投影画像（第２の画像）に基づいて、ランダムパターン投影法による測定を行い、各位置の高さを含む三次元形状を算出する。演算部８ｂは、ランダムパターン投影法による測定によって算出された各位置の高さと、位相分布の所定の位相に対応する高さを単位とする次数とを対応付ける。演算部８ｂは、各位置の高さに対応付けられた次数に基づいて、位相分布において、各位置の不連続な位相が連続するように位相接続を行う。演算部８ｂが行う三次元形状の測定の詳細については、後述する。

（動作）
図３は、本実施形態による三次元測定装置の動作の手順を示している。以下、図３を参照して三次元測定装置の動作を説明する。

操作者からの指示によって処理開始の指示がコンピュータ８に入力され、処理が開始される（ステップＳ１００）。

処理が開始されると、コンピュータ８は、通信部８ｃを介して光源制御部５ｂに光源５ａの点灯を指示し、投影パターン切替機構制御部４ｂに、投影パターン切替機構４ａのランダムパターン２１を光路に入れる指示を行う。光源５ａからの光によって照明されたランダムパターン２１の光を含むランダムパターン光は、投影光学系２を通して標本１の表面に投影される。撮像部７は、コンピュータ８からの指示によって、投影光学系２を通して標本１の表面に投影されたランダムパターン光によって形成されたパターンを撮影し、撮影パターンＩｒｄｍ（ｘ，ｙ）を含む画像（ランダム投影画像）を取得する。撮影された画像は記憶部８ａに保存される（ステップＳ１０５）。

コンピュータ８（演算部８ｂ）は、撮影パターンＩｒｄｍ（ｘ，ｙ）と、ランダムパターン２１の画像とを使って、ランダムパターン投影法によって、標本１の概略の凹凸形状である表面形状Ｚｒｄｍ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ１５０）。ランダムパターン２１を正面から撮影した画像、あるいは、ランダムパターン２１と同一のパターンを有し、デジタル的に生成された画像がランダムパターン２１の画像として予め記憶部８ａに保存されている。

図４は、ステップＳ１５０の処理内容を示している。説明を簡単にするために、例えば図４（ａ）で示すような単純な段差を持つ標本１ａを例に、ステップＳ１５０の処理内容を説明する。

図４（ｂ）は、ランダムパターン２１の画像である基準パターン４１を示している。図４（ｃ）は、標本１ａの表面形状によって変形を受けた撮影パターンＩｒｄｍ（ｘ，ｙ）を示している。撮影パターンＩｒｄｍ（ｘ，ｙ）には、標本１の影が映った領域５１が含まれる。

演算部８ｂは、基準パターン４１の部分画像６１，６２に対応する撮影パターンＩｒｄｍ（ｘ，ｙ）中の領域である探索位置６３，６４をパターンマッチング処理によりそれぞれ探索する。この際、例えば異なる位置毎に正規化相互相関係数が算出され、その係数が最大となる位置が探索位置６３，６４となる。部分画像６１に探索位置６３が対応し、部分画像６２に探索位置６４が対応する。探索位置６４は、標本１ａにおいて、探索位置６３よりも高い段差部分にあるため、部分画像６２に対して、より大きく右方向にシフトしている。

演算部８ｂは、対応付けられた部分領域について、変形前のパターン（基準パターン４１）を基準とした、変形後のパターン（撮影パターンＩｒｄｍ（ｘ，ｙ））における横シフト量を算出する。さらに、演算部８ｂは、算出した横シフト量に基づいて、三角測量の原理を用いて、標本１ａの三次元的な表面形状Ｚｒｄｍ（ｘ，ｙ）を算出する。以上の内容が、ステップＳ１５０の処理内容である。

ステップＳ１５０の処理と並行して、以下で説明するステップＳ１１０〜Ｓ１３０の処理によって、位相シフト法による測定が行われる。

投影パターン切替機構４ａは、コンピュータ８からの指示によって、投影光学系２の光路に配置される投影パターンをランダムパターン２１から周期パターン３１へと切り替える。光源５ａからの光によって照明された周期パターン３１の光を含む周期パターン光は、投影光学系２を通して標本１の表面に投影される。撮像部７は、コンピュータ８からの指示によって、投影光学系２を通して標本１の表面に投影された周期パターン光によって形成されたパターンを撮影し、撮影パターンＩ１（ｘ，ｙ）を含む画像を取得する。取得された画像は記憶部８ａに保存される（ステップＳ１１０）。

続いて、投影パターン切替機構４ａは、コンピュータ８からの指示によって、明暗（縞）の周期の１／４、つまり明暗の位相で９０度に相当する量だけ周期パターン３１を横にシフトする。この状態で、再び標本１に周期パターン光が投影され、撮像部７が、撮影パターンＩ２（ｘ，ｙ）を含む画像を取得する。取得された画像は記憶部８ａに保存される（ステップＳ１１５）。この周期パターン３１を横にシフトする動作が、前述した位相シフト動作と呼ばれる動作である。

ステップＳ１１５と同様に、位相が９０度シフト（ステップＳ１１０の状態から位相が１８０度シフト）し、撮影パターンＩ３（ｘ，ｙ）を含む画像が取得される。取得された画像は記憶部８ａに保存される（ステップＳ１２０）。さらに、位相が９０度シフト（ステップＳ１１０の状態から位相が２７０度シフト）し、撮影パターンＩ４（ｘ，ｙ）を含む画像が取得される。取得された撮影パターンＩ４（ｘ，ｙ）は記憶部８ａに保存される（ステップＳ１２５）。

演算部８ｂは、上記の処理で取得された一連の画像（位相シフト画像）における撮影パターンＩ１（ｘ，ｙ），Ｉ２（ｘ，ｙ），Ｉ３（ｘ，ｙ），Ｉ４（ｘ，ｙ）を式（２）に代入して標本１の位相分布φ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ１３０）。

図５は、測定の結果の一例を示している。図５（ａ）は、位相シフト法による測定の結果である位相分布φ（ｘ，ｙ）のグラフ７１を示している。グラフ７１の横軸は基準平面（例えばＸＹ平面）上の測定位置（図５（ａ）ではＸ方向の位置）を示し、グラフ７１の縦軸は位相分布φ（ｘ，ｙ）の位相値を示している。位相分布φ（ｘ，ｙ）は、逆正接関数から求められるので、０〜２πの値をとる不連続な分布である。グラフ７１の曲線は、標本１の三次元形状に対応する各位置（Ｘ方向の位置）の位相を示している。

図５（ｂ）は、ランダムパターン投影法による測定の結果である表面形状Ｚｒｄｍ（ｘ，ｙ）のグラフ７２を示している。グラフ７２の横軸は基準平面（例えばＸＹ平面）上の測定位置（図５（ｂ）ではＸ方向の位置）を示し、グラフ７２の縦軸は表面形状Ｚｒｄｍ（ｘ，ｙ）の高さの値を示している。グラフ７２の曲線は、標本１の三次元形状に対応する各位置（Ｘ方向の位置）の高さを示している。

演算部８ｂは、表面形状Ｚｒｄｍ（ｘ，ｙ）を高さ方向に複数の領域に分割する。分割は、位相シフト法による測定で得られた位相分布φ（ｘ，ｙ）の所定の位相（２π）に相当する高さを単位として行われる。演算部８ｂは、分割後の各領域に対して、位相の次数（ｎ＝０，１，２，３，・・・）を割り当てることにより、標本１の三次元形状に対応する各位置（Ｘ方向の位置）の高さと位相の次数とを対応付ける。図５（ｂ）では、表面形状Ｚｒｄｍ（ｘ，ｙ）が５つの領域に分割され、各領域に０〜４の次数が割り当てられている。例えば、領域８１の各位置に対応付けられた次数は４であり、領域８２の各位置に対応付けられた次数は３である。各領域の高さは、位相分布φ（ｘ，ｙ）の所定の位相（２π）に相当する。

演算部８ｂは、位相の次数に基づいて、位相分布φ（ｘ，ｙ）の位相接続を行う。具体的には、演算部８ｂは、標本１の三次元形状に対応する各位置の高さに対応付けられた位相の次数に相当する位相量だけ、位相分布φ（ｘ，ｙ）の位相値を補正することによって、補正後（位相接続後）の位相分布φｕｎｗｒａｐ（ｘ，ｙ）を取得する。

図５（ｃ）は、位相分布φ（ｘ，ｙ）に位相接続を行うことにより取得された位相分布φｕｎｗｒａｐ（ｘ，ｙ）のグラフ７３を示している。グラフ７３の横軸は基準平面（例えばＸＹ平面）上の測定位置（図５（ｃ）ではＸ方向の位置）を示し、グラフ７３の縦軸は位相分布φｕｎｗｒａｐ（ｘ，ｙ）の位相値を示している。位相分布φｕｎｗｒａｐ（ｘ，ｙ）は、位相接続後の位相分布であるので、連続な分布である。グラフ７３の曲線は、標本１の三次元形状に対応する各位置（Ｘ方向の位置）の位相を示している。

例えば、位相分布φ（ｘ，ｙ）のグラフ７１における位置Ｘ１の位相φ（Ｘ１，ｙ）と、表面形状Ｚｒｄｍ（ｘ，ｙ）のグラフ７２における位置Ｘ１の表面形状Ｚｒｄｍ（Ｘ１，ｙ）とが互いに対応している。グラフ７２において、位置Ｘ１に対応する位相の次数は１である。したがって、演算部８ｂは、位相分布φ（ｘ，ｙ）のグラフ７１における位置Ｘ１の位相φ（Ｘ１，ｙ）を２πだけ補正することにより、位相分布φｕｎｗｒａｐ（ｘ，ｙ）のグラフ７３における位相φｕｎｗｒａｐ（Ｘ１，ｙ）を算出する。

つまり、演算部８ｂは、表面形状Ｚｒｄｍ（ｘ，ｙ）の各位置（ｘ，ｙ）に対応する位相の次数ｎを用いて、式（３）によって位相φｕｎｗｒａｐ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ１３５）。
位相φｕｎｗｒａｐ（ｘ，ｙ）＝φ（ｘ，ｙ）＋ｎ×２π （３）

上記の処理では、ある位置（ｘ，ｙ）の画素の位相φｕｎｗｒａｐ（ｘ，ｙ）が、隣接する画素の位相に関係なく算出される。したがって、位相接続エラーの伝搬はない。

図６は、位相分布φ（ｘ，ｙ）の所定の位相（２π）に相当する高さを求める方法の一例を示している。２πの位相に相当する高さは、投影光学系２と撮像光学系６との幾何学的な配置から簡単な演算によって求めることができる。例えば、図６に示すように、投影光学系２と撮像光学系６との光軸が交差する角度をθとし、標本１に投影された周期パターン光における周期パターンの周期をｐとすると、２πの位相に相当する高さｈは式（４）によって求められる。
ｈ＝ｐ／ｓｉｎθ （４）

演算部８ｂは、ステップＳ１３５で位相分布φｕｎｗｒａｐ（ｘ，ｙ）を算出した後、位相分布φｕｎｗｒａｐ（ｘ，ｙ）に基づいて、標本１に投影された周期パターン光における周期パターンの横シフト量を算出する。さらに、演算部８ｂは、周期パターンの横シフト量に基づいて、三角測量の原理を用いて標本１の表面形状Ｚ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ１４０）。

続いて、コンピュータ８の指示によって、測定結果である表面形状Ｚ（ｘ，ｙ）が表示器１０に表示され、測定が終了する（ステップＳ１４５）。

ステップＳ１５０におけるランダムパターン光の投影および撮影は、ステップＳ１１０〜Ｓ１２５における周期パターン光の投影および撮影とは異なるタイミングで行われる。ランダムパターン光が投影された標本１の画像が取得された後のステップＳ１５０における残りの処理は、ステップＳ１１０〜Ｓ１２５の処理と並行して行われてもよい。また、ステップＳ１１５〜Ｓ１２５の処理の順番は上記の順番と異なっていてもよい。

（効果）
本実施形態によれば、空間的に周期的なパターンの光を含む周期パターン光を投影する第１の投影機構（投影光学系２）と、周期パターン光の位相をシフトする位相シフト機構（投影パターン切替機構４ａ）と、空間的にランダムなパターンの光を含むランダムパターン光を投影する第２の投影機構（投影光学系２）と、位相シフト機構により位相をずらしながら測定対象物（標本１）に投影した周期パターン光を順次撮像して一連の位相シフト画像を生成し、測定対象物（標本１）に投影されたランダムパターン光を撮像してランダム投影画像を生成する撮像機構（撮像部７）と、位相シフト画像に基づいて、位相シフト法による演算処理を行い、三次元形状に対応する位相を含む位相分布を算出し、ランダム投影画像に基づいて、ランダムパターン投影法による測定を行い、三次元形状を算出し、算出された三次元形状に基づいて、位相分布の不連続な位相が連続するように位相接続を行う測定部（演算部８ｂ）と、を有することを特徴とする三次元形状測定装置が構成される。

本実施形態では、位相接続の必要のないランダムパターン投影法による測定の結果から位相の次数が算出され、その位相の次数に基づいて位相接続が行われる。このため、従来の位相シフト法の問題点であった位相接続エラーの伝播の問題は発生しない。よって、測定精度を向上させることができる。

また、表面形状Ｚ（ｘ，ｙ）は、位相シフト法による測定によって算出された位相分布φ（ｘ，ｙ）に基づいて求められるので、ランダムパターン投影法による測定の結果よりもＸ，Ｙ方向の分解能の高い高精度な測定結果を得ることができる。また、測定対象物が、位相分布φ（ｘ，ｙ）の２πに相当する高さよりも高い段差を有する場合でも、測定対象物の三次元形状を測定することができる。

本実施形態の特徴的な構成である第１の投影機構（投影光学系２）、第２の投影機構（投影光学系２）、撮像機構（撮像部７）、測定部（演算部８ｂ）以外の構成は、測定精度を向上させることができるという効果に直接寄与しているわけではないため、本実施形態に必須の構成ではない。

＜変形例＞
図７を用いて本実施形態の変形例を説明する。図７は、本変形例における三次元形状測定装置の構成を示している。

（構成）
図７において、図１に示す構成と同様の構成には同一の符号が付与されている。図１に示す構成と同様の構成については、説明を省略する。本変形例では、図１における投影パターン切替機構４ａと投影パターン切替機構制御部４ｂとがそれぞれデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）９０ａとＤＭＤ制御部９０ｂとに置き換わる。

ＤＭＤ９０ａは、数十万〜数百万個の微細な２次元ミラーアレイを有するデバイスである。ＤＭＤ９０ａは、例えば近年のコンピュータ画面の表示用のプロジェクターに使われている。ＤＭＤ９０ａでは個々のミラーの角度が可変である。ＤＭＤ９０ａは、個々のミラーの角度を所望の角度に設定して２次元パターンの光を投影する。ＤＭＤ９０ａは反射光を利用するため、光源５ａはＤＭＤ９０ａの反射光路に設けられている。

（動作）
図３に示す動作では投影パターンの切替がメカニカルステージで行われるが、本変形例ではメカニカルステージが電子デバイスに置き換わる。ミラーの角度の変更により、投影パターンの変更と周期パターンの位相シフトとが可能となる。他の部分については、図３に示す動作と同様であるので、説明を省略する。

（効果）
メカニカルな可動部が無いので小型化、高速化が可能である。

［第２の実施形態］
（構成）
図８は、第２の実施形態による三次元形状測定装置の構成を示している。図８に示す三次元形状測定装置は、測定対象物である標本１の三次元形状を測定する装置であり、撮像光学系６、撮像部７、コンピュータ８、指示部９、表示器１０、周期パターン３１、第１の投影光学系１０２、位相シフト機構１０４ａ、位相シフト機構制御部１０４ｂ、第１の光源１０５ａ、第１の光源制御部１０５ｂ、第２の投影光学系１１２、第２の光源１１５ａ、第２の光源制御部１１５ｂ、ランダムパターン１２１を有する。図８において、図１に示す構成と同様の構成には同一の符号が付与されている。図１に示す構成と同様の構成については、説明を省略する。

撮像光学系６の光軸の方向とは異なる方向に第１の投影光学系１０２と第１の光源１０５ａとが配置されている。第１の投影光学系１０２に対する標本１の位置と光学的におおよそ共役な位置には周期パターン３１が配置されている。周期パターン３１は位相シフト機構１０４ａ（例えばメカニカルステージ）に配置されている。

第１の光源１０５ａは、標本１に投影される光を発生する。周期パターン３１は、第１の光源１０５ａからの光の一部を透過し第１の光源１０５ａからの光の一部を遮断することにより、空間的に周期的なパターンの光を含む周期パターン光を生成する。位相シフト機構制御部１０４ｂは、周期パターン光の位相をシフトする。第１の投影光学系１０２は、周期パターン３１からの光を標本１に投影する。

撮像光学系６の光軸の方向および第１の投影光学系１０２の光軸の方向とは異なる方向に第２の投影光学系１１２と第２の光源１１５ａとが配置されている。第２の投影光学系１１２に対する標本１の位置と光学的におおよそ共役な位置にはランダムパターン１２１が配置されている。

第２の光源１１５ａは、標本１に投影される光を発生する。ランダムパターン１２１は、第２の光源１１５ａからの光の一部を透過し第２の光源１１５ａからの光の一部を遮断することにより、空間的にランダムなパターンの光を含むランダムパターン光を生成する。第２の投影光学系１１２は、ランダムパターン１２１からの光を標本１に投影する。

位相シフト機構制御部１０４ｂは、コンピュータ８からの指示に応じて、位相シフト機構１０４ａの駆動を行う。第１の光源制御部１０５ｂ、第２の光源制御部１１５ｂは、コンピュータ８からの指示に応じて、それぞれ第１の光源１０５ａ、第２の光源１１５ａのＯＮ／ＯＦＦや調光を行う。

（動作）
本実施形態による三次元測定装置の動作の手順は、図３に示す手順と同様である。以下、図３を参照して三次元測定装置の動作を説明する。

操作者からの指示によって処理開始の指示がコンピュータ８に入力され、処理が開始される（ステップＳ１００）。

処理が開始されると、コンピュータ８は、通信部８ｃを介して第１の光源制御部１０５ｂに第１の光源１０５ａの消灯を指示し、第２の光源制御部１１５ｂに第２の光源１１５ａの点灯を指示する。第２の光源１１５ａからの光によって照明されたランダムパターン１２１の光を含むランダムパターン光は、第２の投影光学系１１２を通して標本１の表面に投影される。撮像部７は、コンピュータ８からの指示によって、第２の投影光学系１１２を通して標本１の表面に投影されたランダムパターン光によって形成されたパターンを撮影し、撮影パターンＩｒｄｍ（ｘ，ｙ）を含む画像（ランダム投影画像）を取得する。撮影された画像は記憶部８ａに保存される（ステップＳ１０５）。

コンピュータ８（演算部８ｂ）は、撮影パターンＩｒｄｍ（ｘ，ｙ）と、ランダムパターン１２１の画像とを使って、ランダムパターン投影法によって、標本１の概略の凹凸形状である表面形状Ｚｒｄｍ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ１５０）。ランダムパターン１２１を正面から撮影した画像、あるいは、ランダムパターン１２１と同一のパターンを有し、デジタル的に生成された画像がランダムパターン１２１の画像として予め記憶部８ａに保存されている。表面形状Ｚｒｄｍ（ｘ，ｙ）を算出する処理は、第１の実施形態で説明した処理と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ１５０の処理と並行して、以下で説明するステップＳ１１０〜Ｓ１３０の処理によって、位相シフト法による測定が行われる。

コンピュータ８は、通信部８ｃを介して第１の光源制御部１０５ｂに第１の光源１０５ａの点灯を指示し、第２の光源制御部１１５ｂに第２の光源１１５ａの消灯を指示する。第１の光源１０５ａからの光によって照明された周期パターン３１の光を含む周期パターン光は、第１の投影光学系１０２を通して標本１の表面に投影される。撮像部７は、コンピュータ８からの指示によって、第１の投影光学系１０２を通して標本１の表面に投影された周期パターン光によって形成されたパターンを撮影し、撮影パターンＩ１（ｘ，ｙ）を含む画像を取得する。取得された画像は記憶部８ａに保存される（ステップＳ１１０）。

続いて、位相シフト機構１０４ａは、コンピュータ８からの指示によって、明暗（縞）の周期の１／４、つまり明暗の位相で９０度に相当する量だけ周期パターン３１を横にシフトする。この状態で、再び標本１に周期パターン光が投影され、撮像部７が撮影パターンＩ２（ｘ，ｙ）を含む画像を取得する。取得された画像は記憶部８ａに保存される（ステップＳ１１５）。

ステップＳ１１５と同様に、位相が９０度シフト（ステップＳ１１０の状態から位相が１８０度シフト）し、撮影パターンＩ３（ｘ，ｙ）を含む画像が取得される。取得された画像は記憶部８ａに保存される（ステップＳ１２０）。さらに、位相が９０度シフト（ステップＳ１１０の状態から位相が２７０度シフト）し、撮影パターンＩ４（ｘ，ｙ）を含む画像が取得される。取得された画像は記憶部８ａに保存される（ステップＳ１２５）。

ステップＳ１３０〜Ｓ１４５の処理については、第１の実施形態で説明した処理と同様であるので説明を省略する。

（効果）
本実施形態による三次元形状測定装置において、第１の投影機構は、周期パターン光を測定対象物（標本１）に投影する第１の光学系（第１の投影光学系１０２）を有し、第２の投影機構は、ランダムパターン光を測定対象物（標本１）に投影する、第１の光学系と異なる第２の光学系（第２の投影光学系１１２）を有する。

本実施形態では、第１の実施形態で得られる効果と同様の効果に加えて以下の効果が得られる。位相シフト法による測定の機能を有する単独の機器にランダムパターン光の投影機構を追加したり、ランダムパターン投影法による測定の機能を有する単独の機器に周期パターン光の投影機構や位相シフト機構を追加したりといったシステム上のアドオンが容易である。また、測定方式ごとに専用の投影光学系が備わるので、それぞれの測定に適した照明条件や絞りの配置などが施せるため、測定性能を最適にすることが設計上容易である。

本実施形態の特徴的な構成である第１の投影機構（第１の投影光学系１０２）、第２の投影機構（第２の投影光学系１１２）、撮像機構（撮像部７）、測定部（演算部８ｂ）以外の構成は、測定精度を向上させることができるという効果に直接寄与しているわけではないため、本実施形態に必須の構成ではない。

［第３の実施形態］
（構成）
本実施形態による三次元形状測定装置の構成は、第１の実施形態または第２の実施形態による三次元形状測定装置の構成と同様である。本実施形態では、測定者は、表示器１０に表示されている測定モードの選択画面を見て、指示部９に指示を与えることによって、測定モードを選択することが可能である。

本実施形態では、位相シフト法による測定を行う第１の測定モードと、ランダムパターン投影法による測定を行う第２の測定モードと、ランダムパターン投影法による測定の結果を用いて、位相シフト法による測定によって算出された位相分布の位相接続を行う第３の測定モードと、を選択することが可能である。第３の測定モードは、第１の実施形態または第２の実施形態における測定と同様の測定を行うモードである。本実施形態による三次元形状測定装置は、測定モードの指示に応じて、第１の測定モードと、第２の測定モードと、第３の測定モードと、のいずれかを選択して測定を行う。

（動作）
図９は、本実施形態による三次元測定装置の動作の手順を示している。以下、図９を参照して三次元測定装置の動作を説明する。

操作者からの指示によって処理開始の指示がコンピュータ８に入力され、処理が開始される（ステップＳ１０）。

処理が開始されると、操作者によって測定モードの指示が入力される（ステップＳ１１）。標本１が、平滑でなだらかな表面を有する場合には、第１の測定モードが好ましい。標本１の形状によらず瞬間的な測定（リアルタイム性）が求められる場合には、第２の測定モードが好ましい。標本１の形状が複雑で、標本１が段差などを有し、かつ高精度な測定が必要な場合には、第３の測定モードが好ましい。操作者は、測定場面に応じて測定モードを選択する。

続いて、入力された測定モードの指示に応じて処理が分岐する（ステップＳ１２）。第１の測定モードが選択された場合、第１の測定モードの処理が開始され、位相シフト法による測定が行われる（ステップＳ２０）。第１の測定モードの処理が終了すると、全体の処理が終了する（ステップＳ２１）。

第２の測定モードが選択された場合、第２の測定モードの処理が開始され、ランダムパターン投影法による測定が行われる（ステップＳ２２）。第２の測定モードの処理が終了すると、全体の処理が終了する（ステップＳ２３）。

第３の測定モードが選択された場合、第３の測定モードの処理が開始され、第１の実施形態または第２の実施形態における測定と同様の測定が行われる（ステップＳ２４）。第３の測定モードの処理が終了すると、全体の処理が終了する（ステップＳ２５）。

図１０は、第１の測定モードの処理内容を示している。第１の測定モードの処理が開始される（ステップＳ２００）と、図３を参照して説明したステップＳ１１０〜Ｓ１３０の処理が行われる。ステップＳ１３０で位相分布φ（ｘ，ｙ）が算出された後、演算部８ｂは、位相分布φ（ｘ，ｙ）の不連続な位相が連続するように位相接続を行い、位相分布φｕｎｗｒａｐ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ１５５）。この位相接続は、従来技術の位相接続と同様である。第１の測定モードでは、標本１が滑らかな表面形状を持っていることが想定されるため、位相接続エラーの発生の可能性は低い。このため、測定精度の低下の問題は小さい。

ステップＳ１５５で位相分布φｕｎｗｒａｐ（ｘ，ｙ）が算出された後、図３を参照して説明したステップＳ１４０の処理が行われる。ステップＳ１４０で表面形状Ｚ（ｘ，ｙ）が算出された後、コンピュータ８の指示によって、測定結果である表面形状Ｚ（ｘ，ｙ）が表示器１０に表示され、第１の測定モードの処理が終了する（ステップＳ２１０）。

図１１は、第２の測定モードの処理内容を示している。第２の測定モードの処理が開始される（ステップＳ２２０）と、図３を参照して説明したステップＳ１０５，Ｓ１５０の処理が行われる。ステップＳ１５０で表面形状Ｚｒｄｍ（ｘ，ｙ）が算出された後、コンピュータ８の指示によって、測定結果である表面形状Ｚｒｄｍ（ｘ，ｙ）が表示器１０に表示され、第２の測定モードの処理が終了する（ステップＳ２３０）。

図１２は、第３の測定モードの処理内容を示している。第３の測定モードの処理が開始される（ステップＳ２４０）と、図３を参照して説明したステップＳ１０５〜Ｓ１５０の処理が行われる。すなわち、位相シフト法による測定の結果と、ランダムパターン投影法による測定の結果との両方を使用して測定が行われる。ステップＳ１４０で表面形状Ｚ（ｘ，ｙ）が算出された後、コンピュータ８の指示によって、測定結果である表面形状Ｚ（ｘ，ｙ）が表示器１０に表示され、第３の測定モードの処理が終了する（ステップＳ２５０）。

本実施形態では、指示部９が操作者から測定モードの選択の指示を受けることによって測定モードの選択が行われるが、操作者による測定モードの選択の指示が予め設定されたアプリケーションプログラムに従って自動的に測定モードの選択が行われてもよい。

（効果）
測定場面に応じて適した測定方法を選択することができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。上記の実施形態による三次元形状測定装置は、画像を取得できる装置であればよい。例えば、顕微鏡を利用して画像を取得する装置や内視鏡を利用して画像を取得する装置を三次元形状測定装置として用いることが可能である。

１，１ａ 標本、２ 投影光学系、３ 投影パターン列、４ａ 投影パターン切替機構、４ｂ 投影パターン切替機構制御部、５ａ 光源、５ｂ 光源制御部、６ 撮像光学系、７ 撮像部、８ コンピュータ、８ａ 記憶部、８ｂ 演算部、８ｃ 通信部、９ 指示部、１０ 表示器、２１，１２１ ランダムパターン、３１ 周期パターン、９０ａ ＤＭＤ、９０ｂ ＤＭＤ制御部、１０２ 第１の投影光学系、１０４ａ 位相シフト機構、１０４ｂ 位相シフト機構制御部、１０５ａ 第１の光源、１０５ｂ 第１の光源制御部、１１２ 第２の投影光学系、１１５ａ 第２の光源、１１５ｂ 第２の光源制御部

Claims (4)

1. 空間的に周期的なパターンの光を含む周期パターン光を測定対象物に投影する第１の投影機構と、
   前記周期パターン光の位相をシフトする位相シフト機構と、
   空間的にランダムなパターンの光を含むランダムパターン光を測定対象物に投影する第２の投影機構と、
   前記位相シフト機構により位相をずらしながら前記測定対象物に投影した前記周期パターン光を順次撮像して一連の位相シフト画像を生成し、前記測定対象物に投影された前記ランダムパターン光を撮像してランダム投影画像を生成する撮像機構と、
   前記位相シフト画像に基づいて、位相シフト法による演算処理を行い、三次元形状に対応する位相を含む位相分布を算出し、前記ランダム投影画像に基づいて、ランダムパターン投影法による測定を行い、三次元形状を算出し、算出された三次元形状に基づいて、前記位相分布の不連続な位相が連続するように位相接続を行う測定部と、
   を有することを特徴とする三次元形状測定装置。
2. 前記測定部は、
   前記位相シフト画像に基づいて、位相シフト法による演算処理を行い、三次元形状に対応する各位置の位相を含む位相分布を算出し、
   前記ランダム投影画像に基づいて、ランダムパターン投影法による測定を行い、各位置の高さを含む三次元形状を算出し、
   前記ランダムパターン投影法による測定によって算出された前記各位置の高さと、前記位相分布の所定の位相に対応する高さを単位とする次数とを対応付け、
   前記各位置の高さに対応付けられた前記次数に基づいて、前記位相分布において、前記各位置の不連続な位相が連続するように位相接続を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
3. 前記第１の投影機構は、前記周期パターン光を前記測定対象物に投影する第１の光学系を有し、
   前記第２の投影機構は、前記ランダムパターン光を前記測定対象物に投影する、前記第１の光学系と異なる第２の光学系を有する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の三次元形状測定装置。
4. 測定モードの指示に応じて、前記位相シフト法による測定を行う第１の測定モードと、前記ランダムパターン投影法による測定を行う第２の測定モードと、前記ランダムパターン投影法による測定の結果を用いて、前記位相シフト法による測定によって算出された前記位相分布の前記位相接続を行う第３の測定モードと、のいずれかを選択して測定を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置。