JP2015203588A - 検出装置、検出方法、形状測定装置、形状測定方法、構造物製造システム、構造物製造方法、及び形状測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】測定誤差を精度よく検出することが可能な検出方法、測定対象の三次元形状を精度よく測定することが可能な形状測定方法、形状測定装置、構造物製造方法、構造物製造システム、及び形状測定プログラムを提供すること。【解決手段】形状測定装置１は、位相情報の異なる複数のパターンを被測定物に順次投影すると共に、複数のパターンが投影された被測定物の測定像をそれぞれ撮像する測定部１０，５０と、撮像された複数の測定像に基づいて、被測定物と測定部との間の相対的なぶれを検出する検出部６０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、検出装置、検出方法、形状測定装置、形状測定方法、構造物製造システム、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、及び制御部を備えている。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。制御部は、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初期位相が０の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。

米国特許第５４５０２０４号明細書

しかしながら、上述した形状測定装置においては、複数種類の構造光が測定対象物に投影され、それぞれ測定対象物が撮像される一連の動作の間に、例えば測定者の手ブレなどによって、測定対象と形状測定装置とが相対的に移動する可能性がある。この場合、測定誤差が生じ、算出される三次元座標データの精度が低下してしまう。

以上のような事情に鑑み、本発明は、測定誤差を精度よく検出することが可能な検出方法、測定対象の三次元形状を精度よく測定することが可能な形状測定方法、形状測定装置、構造物製造方法、構造物製造システム、及び形状測定プログラムを提供することを目的とする。

本発明の第１態様によれば、位相情報の異なる複数のパターンを被測定物に順次投影すると共に、複数のパターンが投影された被測定物の測定像をそれぞれ撮像する測定部と、撮像された複数の測定像に基づいて、被測定物と測定部との間の相対的なぶれを検出する検出部とを備える検出装置が提供される。

本発明の第２態様によれば、位相情報の異なる複数のパターンを被測定物に順次投影することと、複数のパターンが投影された被測定物の測定像をそれぞれ撮像することと、撮像された複数の測定像に基づいて、被測定物と測定部との間の相対的なぶれを検出することとを備える検出方法が提供される。

本発明の第３態様によれば、位相情報の異なる複数のパターンを被測定物に順次投影すると共に、複数のパターンが投影された被測定物の測定像をそれぞれ撮像する測定部と、撮像された複数の測定像に基づいて、被測定物と測定部との間の相対的なぶれを検出する検出部と、検出部で検出されたぶれに基づいて、被測定物の形状を測定する制御部とを備える形状測定装置が提供される。

本発明の第４態様によれば、位相情報の異なる複数のパターンを被測定物に順次投影することと、複数のパターンが投影された被測定物の測定像をそれぞれ撮像することと、撮像された複数の測定像に基づいて、被測定物と測定部との間の相対的なぶれを検出することと、検出されたぶれに基づいて、被測定物の形状を測定することとを備える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請求項７に記載の形状測定装置と、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６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７態様によれば、被測定物の形状を測定する形状測定装置に含まれるコンピュータに、位相情報の異なる複数のパターンを被測定物に順次投影する処理と、複数のパターンが投影された被測定物の測定像をそれぞれ撮像する処理と、撮像された複数の測定像に基づいて、被測定物と測定部との間の相対的なぶれを検出する処理と、検出されたぶれに基づいて、被測定物の形状を測定する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、測定誤差を精度よく検出することができ、測定対象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の強度分布を示す図である。 形状測定装置の動作を説明しつつ、検出方法及び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。 （ａ）〜（ｈ）は第１実施形態に係る検出方法において得られる画像の一例を示す図である。 補正方法について模式的に示す図である。 （ａ）〜（ｆ）は、第２実施形態に係る検出方法において撮像される画像の一例を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、変形例に係る検出方法において撮像される画像の一例を示す図である。 （ａ）（ｂ）は変形例に係る検出方法において得られる画像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。

図１は、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Ｘ軸とし、Ｘ軸と直交するある方向をＹ軸とし、Ｘ軸及びＹ軸と直交する方向をＺ軸としている。形状測定装置１は、位相シフト法を用いて被測定物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（検出装置）６０とを備える。

投影部１０は、第１の方向Ｄ１（図１のＸ軸方向）に沿った構造光１００を生成する。そして、投影部１０は、生成した構造光１００を第１の方向とは異なる第２の方向Ｄ２（図１のＹ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１００を投影する。本実施形態の構造光１００は、位相シフト法で用いる構造光である。なお、構造光１００及び投影領域２００の詳細については後述する（図３参照）。

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、構造光１００を生成する。投影光学系３０は、光生成部２０で生成された構造光１００を投影する。投影光学系３０から出射された構造光１００は、走査部４０を介して被測定物２または被測定物２の近傍に向けて投影される。走査部４０は、構造光１００を第２の方向Ｄ２（図１のＹ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、構造光１００が投影された被測定物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。例えば、撮像部５０は、構造光１００が投影された被測定物２の像（以下、「測定像」と表記する。）を撮像する。

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、被測定物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被測定物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による構造光１００の生成を制御する。また、演算処理部６０は、走査部４０による構造光１００の走査と、撮像部５０による被測定物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、被測定物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Ｘ軸となり、紙面の上方向がＺ軸となり、紙面の裏から表に向かう方向がＹ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、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、及びレーザダイオード２２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による周期的に強度が変化す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照射する光源である。レーザダイオード２２は、例えば赤色光を射出する赤色レーザダイオードと、緑色光を射出する緑色レーザダイオードと、青色光を射出する青色レーザダイオードとを有している。

投影光学系３０は、上述したように、構造光１００を投影する。投影光学系３０はレーザダイオード２２から発した光をＸ方向に強度が一様なライン光を形成している。なお、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から出射された構造光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構造光１００を第２の方向Ｄ２（図２のＹ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構造光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Ｘ軸方向）と異なる被測定物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、所定の振動中心を軸として方向Ｒ（図１参照）に振動し、構造光１００を所定範囲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ミラーにより構造光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、周波数によって角速度が決まるが、共振を利用したＭＥＭＳの場合は周波数は共振周波数となる）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、構造光１００を往復して走査可能となる。構造光１００の走査の開始位置は任意である。例えば、投影領域２００の端から構造光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１００の強度分布を示す図である。図３（ａ）は構造光１００の強度分布を示している。図１に示すような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Ｘ軸となり、紙面の下方向がＹ軸となり、紙面の裏から表に向かう方向がＺ軸となる。

図３では、構造光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。構造光１００は、第２の方向Ｄ２に所定の距離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。投影領域２００は、構造光１００が投影される領域であり、第１の方向Ｄ１と第２の方向Ｄ２とで規定される領域である。投影領域２００は、被測定物２の一部または全部を含んでいる。

図３に示す構造光１００は、例えば所定波長（例、約６８０ｎｍ）の光である。構造光１００は、第２の方向Ｄ２に沿って周期的な光強度の分布を有するパターン光（縞パターンＰ）である。縞パターンＰは、第２の方向Ｄ２に沿って正弦波状の周期的な光強度の分布を有している。縞パターンＰ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）とに第２の方向Ｄ２に沿って変化する明暗パターンを有する。また、縞パターンＰは、濃い部分（図３の黒い部分）と薄い部分（図３の白い部分）とに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Ｐ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２の方向Ｄ２を明暗の方向または濃淡の方向、格子の方向ともいう。

続いて、図２に示すように、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。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、被測定物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。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。

撮像部５０が被測定物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。

撮像領域は、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、撮像領域は投影領域２００と同じ領域であってもよい。なお、撮像領域は、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被測定物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と被測定物２の距離とで規定される範囲である。例えば、被測定物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、撮像視野は撮像領域と一致する。一方、被測定物２の形状測定が行われる際に撮像部５０による撮像が分割して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となる。なお、以下の説明では、被測定物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とが一致する場合について説明する。

なお、投影領域２００が撮像領域より大きいとき、構造光１００は、撮像領域の外側（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。

続いて、図２に示すように、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による被測定物２の撮像が、走査部４０による構造光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、構造光１００の複数回の走査とを同期させるように制御する。

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から赤色光、青色光及び緑色光を組み合わせた所望のレーザ光を照射可能である。また、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から照射されるレーザ光の光強度を調整可能である。

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は構造光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による構造光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、構造光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構造光１００の走査数は調整される。

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。また、設定情報記憶部６３は、演算部６５に対して、ぶれの検出処理を実行させるためのプログラムや、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構造光１００の縞の位相から被測定物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、構造光１００を投影して撮像した被測定物２の測定像などが記憶される。取込メモリ６４には、複数の記憶領域が設けられている。測定像の画像データ及び参照像の画像データは、例えばそれぞれ異なる記憶領域に記憶される。

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、所定の演算を実行する。例えば、取込メモリ６４に記憶された測定像の画像データから、被測定物２と形状測定装置１との間の相対的なぶれを検出する。このぶれは、被測定物２と形状測定装置１との間の相対的な位置変化及び姿勢変化のうち少なくとも一方に関する変化情報である。ここでは、位置変化及び姿勢変化は、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ軸方向についてそれぞれ回転変位量と並進変位量である（以下、適宜各変位量と称する）。また、演算部６５は、取込メモリ６４に記憶された測定像の画像データから、被測定物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。この三次元形状データの算出において、演算部６５は、測定像と上記ぶれとに基づいて、演算を行うことができる。

演算部６５は、測定像における特徴部分（後述、図５参照）を検出する。特徴部分は、測定像に含まれる領域である。特徴部分は、予め設定することができる。特徴部分は、測定像において所定の距離を空けて配置される複数の領域を含むものであり、例えば３つの領域を含んでいる。本実施形態では、測定像のうち被測定物２の上面２ａ及びその周辺に対応する領域を特徴部分とするように設定されている場合を例に挙げて説明する。

画像記憶部６６は、演算部６５が算出した被測定物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の表示画面に被測定物２の擬似的な三次元形状の画像（以下、適宜三次元形状の画像と称する）を表示させる制御を実行する。

表示装置７０は、被測定物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。

また、上記の制御部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。このプログラムには、形状測定プログラムが含まれる。

この形状プログラムは、演算処理装置（制御部６２）に対して、初期位相の異なる複数の縞パターンＰを被測定物２に順次投影する処理と、初期位相の異なる複数の縞パターンＰが投影された被測定物２の測定像をそれぞれ撮像する処理と、を実行させる。また、この形状プログラムは、演算処理装置（演算部６５）に対して、撮像された複数の測定像に基づいて、被測定物２と形状測定装置１との間の相対的なぶれを検出する処理を実行させる。したがって、演算処理部６０は、ぶれの検出を行う検出装置として構成される。また、この形状プログラムは、検出されたぶれに基づいて、被測定物２の形状を測定する処理を実行させる。

次に、位相シフト法の原理について説明する。
位相シフト法は、例えば正弦波状の光強度分布を有する構造光１００の位相をシフトさせて撮像した縞画像（縞パターンＰが投影された被測定物２の測定像）を解析することにより、三次元的に形状を計測する手法である。本実施形態において、縞パターンＰは、位相をπ／２ずつシフトさせた４種類の縞パターンＰである。

縞パターンＰの位相は、構造光１００の強度の分布である正弦波の位相である。以下、例えば正弦波強度分布の初期位相が０である基準の縞パターンＰを第１縞パターン（第１位相光）Ｐ１とし、この第１縞パターンＰ１の位相をπ／２だけシフトさせた縞パターンＰを第２縞パターン（第２位相光）Ｐ２とし、第１縞パターンＰ１の位相をπだけシフトさせた縞パターンＰを第３縞パターン（第３位相光）Ｐ３とし、第１縞パターンＰ１の位相を３π／２だけシフトさせた縞パターンＰを第４縞パターン（第４位相光）Ｐ４とする。

位相シフト法では、第１縞パターンＰ１〜第４縞パターンＰ４を投影部１０から被測定物２に投影し、投影部１０に対して異なる角度に配置される撮像部５０で被測定物２を撮影する。このとき、投影部１０、被測定物２、撮影部５０は、三角測量の位置関係になるよう配置される。

撮像部５０は、第１縞パターンＰ１〜第４縞パターンＰ４がそれぞれ測定対象に投影された状態で、それぞれ被測定物２を撮像して４つの測定像を取得する。そして、演算処理部６０は、撮像部５０が撮像した４つの測定像のそれぞれの信号強度に関するデータを以下の（式１）に当てはめ、被測定物２の面形状に応じた各画素における縞の位相値φを求める。

φ（ｕ，ｖ）＝ｔａｎ^−１｛（Ｉ４（ｕ，ｖ）−Ｉ２（ｕ，ｖ））／（Ｉ１（ｕ，ｖ）−Ｉ３（ｕ，ｖ））｝・・・（式１）
ただし、（ｕ、ｖ）は画素の位置座標を示している。また、Ｉ１は第１縞パターンＰ１が投影されたときに撮像された測定像の信号強度である。同様に、Ｉ２は第２縞パターンＰ２、Ｉ３は第３縞パターンＰ３、Ｉ４は第４縞パターンＰ４がそれぞれ投影されたときの測定像の信号強度である。

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。

次に、第１実施形態に係る形状測定装置１によるぶれの検出方法の一例と、この検出方法を用いた形状測定方法の一例とについて説明する。本実施形態に係る検出方法は、形状測定用の構造光１００を投影部１０から被測定物２に投影した被測定物２の測定像を撮像部５０で撮像することと、被測定物２と形状測定装置１との間の相対的なぶれを検出することとを含む。また、本実施形態に係る形状測定方法は、被測定物２の測定像と上記ぶれとに基づいて、被測定物２の形状を算出することとを含む。

図４は、第１実施形態に係る検出方法及び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。また、図５（ａ）〜（ｈ）は、本実施形態に係る検出方法において得られる画像の一例を示す図である。

形状測定装置１の電源がオンとなった状態で、使用者によりシャッター操作が行われると、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は、待機状態となっている。また、シャッター操作が行われた場合、被測定物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。なお、被測定物２の複数の点について距離を測定しそれぞれの点に焦点が合うようにフォーカス合わせすることもできる。なお、複数の点について距離を測定することにより被測定物２の表面の傾きや曲率を求めることもできる。また、フォーカス合わせは、位相差法やコントラスト法によって行うことも可能である。

シャッター操作が行われると、制御部６２は、光生成部２０及び走査部４０に対して指令信号を出力し、初期位相０の第１縞パターンＰ１を被測定物２に投影させる。また、制御部６２は、撮像部５０に対して指令信号を出力し、第１縞パターンＰ１が投影された被測定物２の測定像を撮像させる。同様に、制御部６２は、第２縞パターンＰ２〜第４縞パターンＰ４を順に被測定物２に投影させ、この第２縞パターンＰ２〜第４縞パターンＰ４が投影された被測定物２の測定像をそれぞれ撮像する（ステップＳ０１）。

測定像の撮像において、制御部６２は、光生成部２０による構造光１００の光生成と、走査部４０による走査とを同期させるように光生成部２０及び走査部４０の動作を制御する。光生成部２０による光生成の制御について、制御部６２は、構造光１００の光強度を正弦波状で周期的に変化し、かつ位相が０、π／２、π、３π／２となるようにそれぞれ調整する。走査部４０による走査の制御について、制御部６２は、構造光１００を第２の方向Ｄ２に所定速度で走査させる。これにより、光強度（又は、明暗、濃淡）が第２の方向Ｄ２に正弦波状で周期的に変化し、初期位相が０である第１縞パターンＰ１が投影領域２００に投影される。なお、１回の撮像中に第１縞パターンを走査する回数は任意に設定できる。したがって、投影領域２００に配置された被測定物２に第１縞パターンＰ１〜第４縞パターンＰ４が投影される。

また、制御部６２からの指令信号に基づいて、ＣＣＤカメラ５２ａは、第１縞パターンＰ１〜第４縞パターンＰ４が投影された被測定物２の表面を撮像する。図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、この撮像によって、第１縞パターンＰ１が投影された被測定物２の第１測定像Ｍ１と、第２縞パターンＰ２が投影された被測定物２の第２測定像Ｍ２と、第３縞パターンＰ３が投影された被測定物２の第３測定像Ｍ３と、第４縞パターンＰ４が投影された被測定物２の第４測定像Ｍ４とがそれぞれ取得される。そして、ＣＣＤカメラ５２ａは、この第１測定像Ｍ１〜第４測定像Ｍ４の画像データを生成する。第１測定像Ｍ１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に設けられた記憶領域に記憶される。

なお、図５の第１測定像Ｍ１〜第４測定像Ｍ４として、説明の便宜上、平面上に投影された第１縞パターンＰ１〜第４縞パターンＰ４がそのまま撮像された状態の画像を示している。実際には、被測定物２の表面に第１縞パターンＰ１〜第４縞パターンＰ４が投影されるため、被測定物２の形状に応じて第１縞パターンＰ１〜第４縞パターンＰ４がそれぞれ変形した状態の画像が得られる。

次に、演算部６５は、第１測定像Ｍ１〜第４測定像Ｍ４における特徴部分を検出する（ステップＳ０２）。本実施形態では、演算部６５は、第１参照像Ｒ１〜第４参照像Ｒ４（参照像については後述）のうち被測定物２の上面２ａに対応する特徴部分Ｃを検出する。なお、図５の第１測定像Ｍ１〜第４測定像Ｍ４として、説明の便宜上、特徴部分Ｃのみが表示された状態で示されている。実際には、被測定物２の表面全体が表示された画像が得られる。なお、特徴部Ｃとは被測定物２上の形状や反射率などの差異により被測定物２上の他の部分と識別可能な部分であり、被測定物２とともに移動する。

ここで、撮像された第１測定像Ｍ１〜第４測定像Ｍ４には、第１縞パターンＰ１〜第４縞パターンＰ４による明部及び暗部が含まれている。明部では被測定物２の形状を識別することは容易であるが、暗部では被測定物２の形状を識別することは明部に比べて困難である。ここで暗部とは、パターン光が照射されていない部分と区別するため、無照射部と識別できる程度の光が照射されている。このため、実際には第１測定像Ｍ１〜第４測定像Ｍ４の暗部においても、被測定物２の形状が撮像されている。

そこで、特徴部分Ｃを検出するにあたり、第１縞パターンＰ１〜第４縞パターンＰ４による明暗の影響を緩和し、被測定物２の形状を判別しやすくするため、演算部６５は、第１測定像Ｍ１〜第４測定像Ｍ４のそれぞれについて、正規化処理を行う。正規化処理では、第１測定像Ｍ１〜第４測定像Ｍ４に含まれる暗部のゲインを上げることにより、暗部の明度を明部の明度に対応させる。この場合、暗部の明度を明部の明度と一致させてもよいし、被測定物２の形状が判別可能な程度に暗部の明度を高くしてもよい。正規化処理により、図５（ｅ）〜（ｈ）に示すように、第１縞パターンＰ１〜第４縞パターンＰ４の影響が低減された第１参照ＲＭ１〜第４参照像Ｒ４が得られる。なお、図５（ａ）〜（ｄ）との比較のため、図５（ｅ）〜（ｈ）には、第１縞パターンＰ１〜第４縞パターンＰ４の位相を示すために、最も明るい部分と最も暗い部分とが破線でそれぞれ示されている。

正規化処理を行った後、演算部６５は、第１参照像Ｒ１〜第４参照像Ｒ４の各特徴部分Ｃに基づいて、被測定物２と形状測定装置１との相対的なぶれを検出する（ステップＳ０３）。このステップＳ０３において、演算部６５は、まず、第１参照像Ｒ１に含まれる特徴部分Ｃと、第２参照像Ｒ２に含まれる特徴部分Ｃの各部位（例えば４つの角を含む。以下、適宜特徴部Ｃは各部位を指す場合がある）とについて、フォーカス合わせで検出した被測定物２までの距離に基づいて、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向における位置座標を求める。そして、演算部６５は、第１参照像Ｒ１に含まれる特徴部分Ｃと第２参照像Ｒ２に含まれる特徴部分Ｃとの間の、各変位量を、第１変化情報として算出する。なお、被測定物２の上面２ａに特徴部分Ｃがあり、特徴部分Ｃの大きさ、形状が既知の場合は、その大きさ、形状により、各変位量が算出可能である。なお、第１変化情報は、第１測定像Ｍ１と第２測定像Ｍ２との間で生じたぶれについての情報である。

また、演算部６５は、第３参照像Ｒ３に含まれる特徴部分Ｃについて、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向における位置座標を求める。そして、第２参照像Ｒ２に含まれる特徴部分Ｃと第３参照像Ｒ３に含まれる特徴部分Ｃとの間の各変位量を、第２変化情報として算出する。この第２変化情報は、第２測定像Ｍ２と第３測定像Ｍ３との間で生じたぶれについての情報である。

また、演算部６５は、第４参照像Ｒ４に含まれる特徴部分Ｃについて、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向における位置座標を求める。そして、第３参照像Ｒ３に含まれる特徴部分Ｃと第４参照像Ｒ４に含まれる特徴部分Ｃとの間の各変位量を、第３変化情報として算出する。この第３変化情報は、第３測定像Ｍ３と第４測定像Ｍ４との間で生じたぶれについての情報である。

このように、本実施形態に係る検出方法により、第１測定像Ｍ１と第２測定像Ｍ２との間のぶれ、第２測定像Ｍ２と第３測定像Ｍ３との間のぶれ、及び第３測定像Ｍ３と第４測定像Ｍ４との間のぶれが検出される。

上記検出方法によってぶれを検出した後、演算部６５は、ぶれの検出結果と、第１測定像Ｍ１〜第４測定像Ｍ４とに基づいて、被測定物２の形状を算出する（ステップＳ０４）。このステップＳ１１では、演算部６５は、まず、以下の補正方法を用いて、第１測定像Ｍ１と第２測定像Ｍ２との間のぶれ、第２測定像Ｍ２と第３測定像Ｍ３との間のぶれ、及び第３測定像Ｍ３と第４測定像Ｍ４との間のぶれを補正する。

図６は、ぶれの補正方法の一例を説明するための図である。
被測定物２と形状測定装置１との相対的な位置関係が変化する場合において、被測定物２の位置が不変で形状測定装置１の位置のみが変化する場合と、被測定物２の位置のみが変化し形状測定装置１の位置が不変である場合とは、同値として扱うことができる。したがって、以下では、被測定物２と形状測定装置１との相対的な位置関係を説明するに当たり、被測定物２の位置のみが変化し形状測定装置１の位置が不変であるとする。また、図６では、説明の便宜上、被測定物２の表面２ｆを曲面として表示しているが、平面である場合にも同様の説明が可能である。

第１縞パターンＰ１〜第４縞パターンＰ４が被測定物２に投影され、それぞれ被測定物２の第１測定像Ｍ１〜第４測定像Ｍ４が撮像される一連の動作の間に、例えば測定者の手ブレなどによって、被測定物２と形状測定装置１とが相対的に移動する可能性がある。この場合、図６に示すように、第１測定像Ｍ１を撮像する時（以下、「第１タイミング」と表記する）と、第２測定像Ｍ２以降の測定像を撮像する時（以下、「第２タイミング」と表記する）とで、被測定物２の表面２ｆが移動している。

この場合、撮像部５０（ＣＣＤカメラ５２ａ）の一画素で撮像する被測定対象２上の位置が第１タイミングと第２タイミングで異なることになる。具体的には、表面２ｆの移動によって、第１タイミングにおける撮像位置（以下、第１位置Ｌ１）と、第２タイミングにおける撮像位置（以下、第２位置Ｌ２）とが異なる位置となる。また、投影部１０から投影される構造光１００の位相は、第１位置Ｌ１と第２位置Ｌ２とでδだけずれている。

しかしながら、測定者の手ブレ等によるぶれの場合には、第１位置Ｌ１と第２位置Ｌ２との距離は微小である。このため、第１位置Ｌ１及び第２位置Ｌ２において、構造光１００の光反射率の変化を無視することができ、かつ、表面２ｆの移動に伴う光路長変化による反射光の強度の変化を無視することができる。したがって、第１位置Ｌ１及び第２位置Ｌ２について撮像される光強度の変化は、投影部１０から投影される構造光１００の位相の変化δのみによるものとみなすことができる。そこで、本実施形態では、各画素について、構造光１００の位相の変化δを求め、この変化δを考慮した初期位相分布φ（ｕ，ｖ）を求めることで、ぶれを補正することができる。

具体的には、まず演算部６５は、ぶれを含んだ第１測定像Ｍ１〜第４測定像Ｍ４を用いて、被測定物２のラフな三次元形状を算出する。この場合、演算部６５は、各画素の初期位相分布φ（ｕ，ｖ）を求めると共に、空間コード法等の情報に基づき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。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、三角測量の原理を用いて、求めた位相分布φ’（ｕ，ｖ）から、被測定物２のラフな三次元形状の座標データ（ｘ′，ｙ′，ｚ′）を算出する。なお、この処理では、第１測定像Ｍ１〜第４測定像Ｍ４のうち１枚の画像からフーリエ変換法によって被測定物２のラフな三次元形状を求めてもよい。

次に、演算部６５は、被測定物２のラフな三次元形状と第１測定像Ｍ１とから第１タイミングでの撮像位置である第１位置Ｌ１の位置座標を求めると共に、被測定物２のラフな三次元形状と第２測定像Ｍ２とから第１位置に対応する第２タイミングでの撮像位置である第２位置Ｌ２の位置座標を求める。そして、投影部１０から第１位置Ｌ１及び第２位置Ｌ２に構造光Ｌ１を投影した時の位相の変化δを求める。この位相の変化δは、第１位置Ｌ１と投影部１０とを結ぶ直線と、第２位置Ｌ２と投影部１０とを結ぶ直線とのなす角度として求めることができる。

次に、演算部６５は、第２タイミング以降に対応する縞パターンＰの初期位相を、（π／２＋δ）、（π＋δ）あるいは（３π／２＋δ）として、初期位相分布φ（ｕ，ｖ）を求め、位相接続処理を行う。そして、演算部６５は、求めた位相分布φ’（ｕ，ｖ）から、三角測量の原理を用いて被測定物２の三次元形状の座標データ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する。演算部６５は、求めた三次元形状の座標データ（ｘ，ｙ，ｚ）を用いて、上記の補正を繰り返し行ってもよい。

演算部６５は、算出した被測定物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の表示画面に被測定物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、被測定物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を撮像現場で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。

以上のように、第１実施形態によれば、位相情報の異なる第１縞パターンＰ１〜第４縞パターンＰ４を被測定物２に順次投影すると共に、第１縞パターンＰ１〜第４縞パターンＰ４が投影された被測定物２の第１測定像Ｍ１〜第４測定像Ｍ４をそれぞれ撮像し、撮像された第１測定像Ｍ１〜第４測定像Ｍ４に基づいて、被測定物２と形状測定装置１との間の相対的なぶれを検出するため、測定者の手ブレなどによる測定誤差を精度よく検出することができる。また、第１実施形態によれば、検出したぶれに基づいて、測定像を補正して被測定物２の形状を算出するため、測定対象の三次元形状を精度よく測定することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態を説明する。第１実施形態では、ぶれの検出方法において、第１縞パターンＰ１、第２縞パターンＰ２、第３縞パターンＰ３、及び第４縞パターンＰ４をこの順序で時系列的に被測定物２に投影して撮像する場合を例に挙げて説明した。これに対して、本実施形態では、縞パターンＰの投影順序を、第１縞パターンＰ１、第３縞パターンＰ３、第２縞パターンＰ２、及び第４縞パターンＰ４の順で時系列的に投影して撮像する検出方法を説明する。

図７（ａ）〜（ｆ）は、第２実施形態に係る検出方法において得られる画像の一例を示す図である。
測定者によって形状測定装置１のシャッター操作が行われると、制御部６２は、位相０の第１縞パターンＰ１を被測定物２に投影させると共に、第１縞パターンＰ１が投影された被測定物２の測定像を撮像させる。これにより、図７（ａ）に示す第１測定像ＭＡ１が得られる。次に、制御部６２は、位相πの第３縞パターンＰ３を被測定物２に投影させると共に、第３縞パターンＰ３が投影された被測定物２の測定像を撮像させる。これにより、図７（ｂ）に示す第２測定像ＭＡ２が得られる。

次に、制御部６２は、位相π／２の第２縞パターンＰ２を被測定物２に投影させると共に、第２縞パターンＰ２が投影された被測定物２の測定像を撮像させる。これにより、図７（ｃ）に示す第３測定像ＭＡ３が得られる。そして、制御部６２は、位相３π／２の第４縞パターンＰ４を被測定物２に投影させると共に、第４縞パターンＰ４が投影された被測定物２の測定像を撮像させる。これにより、図７（ｄ）に示す第４測定像ＭＡ４が得られる。

次に、演算部６５は、第１測定像ＭＡ１と第２測定像ＭＡ２とを被測定物２の同じ部分が重なり合うように合成する。第１測定像ＭＡ１に含まれる第１縞パターンＰ１と、第２測定像ＭＡ２に含まれる第３縞パターンＰ３とは、位相がπだけずれている。したがって、第１測定像ＭＡ１と第２測定像ＭＡ２とを重ね合わせることにより、互いに逆位相である第１縞パターンＰ１と第３縞パターンＰ３とが重ねられる。

このため、図７（ｅ）に示すように、第１縞パターンＰ１及び第３縞パターンＰ３の明暗が均一化された第１参照像ＲＡ１が得られる。この第１参照像ＲＡ１には、第１測定像ＭＡ１に含まれる所定の図形ＣＡと、第２測定像ＭＡ２に含まれる所定の図形ＣＡとが重なった図形ＣＡ２が含まれる。演算部６５は、この図形ＣＡ２を特徴部分として検出する。

次に、同様に演算部６５は、第３測定像ＭＡ３と第４測定像ＭＡ４とを重ね合わせるように合成し、図７（ｆ）に示すように、第２縞パターンＰ２及び第４縞パターンＰ４の明暗が均一化された第２参照像ＲＡ２が得られる。この第２参照像ＲＡ２には、第３測定像ＭＡ３に含まれる図形ＣＡと、第４測定像ＭＡ４に含まれる図形ＣＡとが重なった図形ＣＡ３が含まれる。演算部６５は、この図形ＣＡ３を特徴部分として検出する。

次に、演算部６５は、第１参照像ＲＡ１に含まれる特徴部分ＣＡ２と、第２参照像ＲＡ２に含まれる特徴部分ＣＡ３とについて、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向における位置座標をそれぞれ求める。そして、演算部６５は、特徴部分ＣＡ２と特徴部分ＣＡ３との間の、Ｘ方向、Ｙ方向についての位置の変化量及びθＺ方向についての姿勢の変化量を、ぶれに関する情報として算出する。

なお、ぶれに関する情報としてＣＡ２とＣＡ３の重心を用いることもできる。重心として求めるぶれは、第１縞パターン撮像時と第３縞パターン撮像時の平均の姿勢と、第２縞パターン撮像時と第４縞パターン撮像時の平均の姿勢との間のぶれと捉えることができる。また、第１縞パターン撮像時から第４縞パターン撮像時は短時間であることから、一定のぶれが発生していると捉えることができる。したがって、ＣＡ２とＣＡ３の重心のぶれから外挿して第２測定像ＭＡ２〜第４測定像ＭＡ４におけるぶれを求めることができる。

上記検出方法によってぶれを検出した後、演算部６５は、ぶれの検出結果と、第１測定像Ｍ１〜第４測定像Ｍ４とに基づいて、第１実施形態と同様の手法によって被測定物２の形状を算出する。

以上のように、第２実施形態によれば、撮像された第１測定像ＭＡ１〜第４測定像ＭＡ４に基づいて、被測定物２と形状測定装置１との間の相対的なぶれを検出するため、測定者の手ブレなどによる測定誤差を精度よく検出することができる。また、第２実施形態によれば、検出したぶれに基づいて、測定像を補正して被測定物２の形状を算出するため、測定対象の三次元形状を精度よく測定することができる。加えて、第２実施形態によれば、互いに逆位相である縞パターンＰを含む測定像同士を合成することにより、正規化処理を別途行わなくても、縞パターンＰの明暗の影響を緩和することができる。これにより、処理の効率化を図ることができる。

＜変形例＞
次に、上記実施形態の変形例を説明する。
例えば、上記各実施形態においては、特徴部分として第１参照像〜第４参照像のすべてにおいて共通する部分を用いる場合を説明したが、これに限定するものではない。

図８（ａ）〜（ｄ）は、変形例に係る検出方法において得られる画像の一例を示す図である。
例えば図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、第１参照像ＲＢ１及び第２参照像ＲＢ２に含まれる図形ＣＢ１は、第３参照像ＲＢ３では一部が切れた状態で含まれ、第４参照像ＲＢ４では含まれていない。また、第３参照像ＲＢ３及び第４参照像ＲＢ４に含まれる図形ＣＢ２は、第１参照像ＲＢ１には含まれず、第２参照像ＲＢ２では一部が切れた状態で含まれている。

つまり、図８（ａ）〜（ｄ）では、第１参照像ＲＢ１と第２参照像ＲＢ２との間には共通の図形ＣＢ１が含まれ、第３参照像ＲＢ３と第４参照像ＲＢ４との間には共通の図形ＣＢ２が含まれている。一方、第２参照像ＲＢ２と第３参照像ＲＢ３との間には、共通の図形が完全な形では含まれていない。

この場合、演算部６５は、図形ＣＢ１を用いて第１参照像ＲＢ１と第２参照像ＲＢ２との間のぶれを算出する。また、演算部６５は、図形ＣＢ２を用いて第３参照像ＲＢ３と第４参照像ＲＢ４との間のぶれを検出する。そして、各算出結果に基づいて、内挿処理を行うことで第２参照像ＲＢ２と第３参照像ＲＢ４との間のぶれを推定する。

このように、演算部６５は、第１参照像ＲＢ１〜第４参照像ＲＢ４のうち少なくとも２つの間に共通する図形があれば、その図形を特徴部分として設定し、その設定した特徴部分に基づいて２つの画像の間のぶれを算出する。そして、演算部６５は、算出結果に基づいて、例えば内挿処理や外挿処理などを行うことにより、他の画像との間のぶれを推定する。この場合であっても、被測定物２と形状測定装置１との間の相対的なぶれを検出するため、測定者の手ブレなどによる測定誤差を精度よく検出することができる。

また、例えば、上記実施形態においては、特徴部分の位置等に基づいてぶれを検出する場合を例に挙げて説明したが、これに限定するものではない。
例えば、被測定物の一部である図形に基づいてぶれを検出してもよく、複数の図形の重心位置に基づいてぶれを検出してもよい。

また、上記各実施形態では、第１測定像〜第４測定像を合成または加工する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。
図９（ａ）は、変形例に係る検出方法において得られる画像の一例を示す図である。図９（ａ）に示すように、制御部６２は、構造光１００のパターンとして、光強度が一様に設定された一様パターンＱが縞パターン（第１縞パターンＰ１〜第４縞パターンＰ４）の左右（走査方向の両端）に配置されたパターンを、被測定物２に投影するようにしてもよい。

この手法によれば、例えば第１測定像ＭＤ１〜第４測定像ＭＤ４に共通する特徴部分ＣＤが一様パターンＱに含まれる場合、この特徴部分ＣＤの位置及び姿勢の変化を求めることにより、ぶれを検出することができる。なお、一様パターンＱは、被測定物２の三次元形状の画像を表示させるときに三次元形状の表面に色を張り付けるために用いられる光によって形成することができる。この光は、例えば赤色光、緑色光及び青色光が含まれた光である。

なお、この一様パターンＱについては、縞パターン（第１縞パターンＰ１〜第４縞パターンＰ４）の左右に配置される場合に限定されない。図９（ｂ）は、変形例に係る検出方法において得られる画像の一例を示す図である。図９（ｂ）に示すように、例えば一様パターンＱを投影領域２００の被測定物２の全体に投影させ、この一様パターンＱが投影された被測定物２の参照像を撮像し、この参照像を用いて、例えば第１実施形態で説明した第１測定像Ｍ１〜第４測定像Ｍ４を正規化してもよい。

また、上記各実施形態では、ぶれを補正する際に、ＣＣＤカメラ５２ａの画素ごとに位相の変化δを求める手法を例に挙げて説明したが、これに限定するものではない。例えば、被測定物２の表面２ｆがほぼ平坦であり、かつ、被測定物２と形状測定装置１との相対位置がＺ方向にほぼ固定されている場合であれば、被測定物２のラフな形状を求めた後、演算部６５は、求めた形状（又は位置座標）に応じて被測定物２の表面２ｆの特徴部分のズレ量から直接δを求めることができる。この場合であっても、ぶれによる位相の変化を適正に補正することができる。

＜構造物製造システム及び構造物製造方法＞
図１０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１０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（被測定物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１１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１１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。

例えば、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等が構造光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、被測定物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、回折光学素子や、屈折光学素子、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Ｐ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Ｐの位相の一周期２πを５分割や６分割など２πをｎ分割してもよい。

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を中心に説明したが、位相シフト法に空間コード法を適宜組み合わせることができる。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２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、被測定物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。また、空間コード法のみを用いて被測定物２の三次元形状を測定するものでもよい。

また、上記した各実施形態及び変形例において、縞パターンＰ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Ｐは、白色と赤色とで生成されるものでもよい。

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の少なくとも一部の機能（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、外部のコンピュータが検出装置として構成される。また、演算処理部６０を着脱可能な構成としてもよい。

また、上記した各実施形態及び変形例において、被測定物２が撮像部５０の撮像視野に収まらない場合は、被測定物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被測定物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によって被測定物２の第１部分を撮像する。次いで、撮像部５０によって、被測定物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（被測定物上の同一部分）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。

このような処理を被測定物２の全体が撮像されるまで繰り返し実行することで、被測定物２全体の三次元形状が測定される。これによれば、被測定物２が大きな物体であった場合でも、被測定物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、位相情報の異なる複数のパターンを被測定物に順次投影する処理と、複数のパターンが投影された被測定物２の測定像をそれぞれ撮像する処理と、撮像された複数の測定像に基づいて、被測定物２と形状測定装置１との間の相対的なぶれを検出する処理と、検出された前記ぶれに基づいて、被測定物の形状を測定する処理と、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。

Ｃ、ＣＡ…特徴部分、ＳＹＳ…構造物製造システム、Ｐ…縞パターン、Ｑ…一様パターン、Ｍ１〜Ｍ４、ＭＤ１〜ＭＤ４…第１測定像〜第４測定像、Ｒ１〜Ｒ４、ＲＡ１〜ＲＡ４、ＲＢ１〜ＲＢ４、ＲＣ１〜ＲＣ４…第１参照像〜第４参照像、１…形状測定装置（形状測定装置、測定部）、２…被測定物、１０…投影部、２０…光生成部、４０…走査部、５０…撮像部、６０…演算処理部（検出装置）、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…構造光

Claims (9)

1. 位相情報の異なる複数のパターンを被測定物に順次投影すると共に、前記複数のパターンが投影された前記被測定物の測定像をそれぞれ撮像する測定部と、
   撮像された複数の前記測定像に基づいて、前記被測定物と前記測定部との間の相対的なぶれを検出する検出部と
   を備える検出装置。
2. 前記検出部は、撮像された複数の前記測定像同士の間で対応する特徴部分に基づいて前記ぶれを検出する
   請求項１に記載の検出装置。
3. 前記複数のパターンは、位相が逆となる一対の逆位相パターンを含み、
   前記測定部は、前記一対の逆位相パターンが投影された前記測定像同士を合成する
   請求項１又は請求項２に記載の検出装置。
4. 位相情報の異なる複数のパターンを被測定物に順次投影することと、
   前記複数のパターンが投影された前記被測定物の測定像をそれぞれ撮像することと、
   撮像された複数の前記測定像に基づいて、前記被測定物と前記測定部との間の相対的なぶれを検出することと
   を備える検出方法。
5. 位相情報の異なる複数のパターンを被測定物に順次投影すると共に、前記複数のパターンが投影された前記被測定物の測定像をそれぞれ撮像する測定部と、
   撮像された複数の前記測定像に基づいて、前記被測定物と前記測定部との間の相対的なぶれを検出する検出部と、
   前記検出部で検出された前記ぶれに基づいて、前記被測定物の形状を測定する制御部と
   を備える形状測定装置。
6. 位相情報の異なる複数のパターンを被測定物に順次投影することと、
   前記複数のパターンが投影された前記被測定物の測定像をそれぞれ撮像することと、
   撮像された複数の前記測定像に基づいて、前記被測定物と前記測定部との間の相対的なぶれを検出することと、
   検出された前記ぶれに基づいて、前記被測定物の形状を測定することと
   を備える形状測定方法。
7. 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５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。
8. 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６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。
9. 被測定物の形状を測定する形状測定装置に含まれるコンピュータに、
   位相情報の異なる複数のパターンを前記被測定物に順次投影する処理と、
   前記複数のパターンが投影された前記被測定物の測定像をそれぞれ撮像する処理と、
   撮像された複数の前記測定像に基づいて、前記被測定物と前記測定部との間の相対的なぶれを検出する処理と、
   検出された前記ぶれに基づいて、前記被測定物の形状を測定する処理と
   を実行させる形状測定プログラム。