JP2015212630A - ３次元形状測定装置、３次元データ連結方法、３次元形状測定方法、構造物製造システム、及び構造物製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象が撮像部の撮像視野に収まらないとき、各測定結果をつなぎ合わせることで測定対象全体の３次元形状を測定する際に、複数の３次元データの連結処理を短時間に行う３次元形状測定装置を提供する。
【解決手段】測定対象２の３次元形状を示す３次元データを測定する測定部６０Ａと、測定部６０Ａの姿勢を検出する検出部８０と、３次元データと測定部６０Ａの姿勢との関連を求める処理部６６とを備え、複数の３次元データの連結処理を短時間に行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、３次元形状測定装置、３次元データ連結方法、３次元形状測定方法、構造物製造システム、及び構造物製造方法に関する。

測定対象の３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。この位相シフト法を用いた３次元形状測定装置は、投影部、撮像部、及び演算処理部を備えている。この投影部は、正弦波状の光強度の分布を有する縞状の光（以下、パターン光という。）を測定対象に投影するとともに、初期位相を例えばπ／２ずつ３回シフトさせる。撮像部は投影部の位置と異なる位置に配置されている。この撮像部は、縞の初期位相が０、π／２、π、３π／２のパターン光が投影された状態で、それぞれ測定対象を撮像する。演算処理部は、撮像部が撮像した４つの画像における各画素の輝度データを所定の演算式に当てはめ、測定対象の面形状に応じた各画素における初期位相０の縞の位相を求める。そして、演算処理部は、三角測量の原理を利用して、各画素における縞の位相から測定対象の３次元データ（測定対象の３次元形状を示す３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。

上記の場合において、例えば測定対象が撮像部の撮像視野に収まらないときには、３次元形状測定装置は、測定対象の異なる位置をそれぞれ測定し、各測定結果をつなぎ合わせることで測定対象全体の３次元形状を測定する。測定結果をつなぎ合わせる際には、例えば測定結果の一部同士を重ねあわせる、連結処理が行われる。

連結処理では、撮像部が測定対象の第１部分を撮像し、測定対象の第１部分と一部重なる第２部分を撮像する。演算処理部は、第１部分及び第２部分についてそれぞれ３次元データを算出する。さらに、演算処理部は、測定対象の表面の特徴点に基づいて第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部分の３次元データと第２部分の３次元データとを連結する。このような処理を測定対象の全体が撮像されるまで繰り返し実行することで、測定対象全体の３次元形状が測定される。これによれば、測定対象が大きな物体であった場合でも、測定対象全体の３次元形状を容易に測定することができる。

米国特許第５４５０２０４号明細書

演算処理部が第１部分と第２部分とが重なる部分をサーチする際に、あらゆる姿勢（方向）でのサーチを試みる必要がある。従って、演算処理部による連結処理に時間がかかってしまう。

本発明の態様では、複数の３次元データの連結処理を短時間に行うことを目的とする。

本発明の第１態様によれば、測定対象の３次元形状を示す３次元データを測定する測定部と、測定部の姿勢を検出する検出部と、３次元データと測定部の姿勢との関連を求める処理部とを備える３次元形状測定装置が提供される。

本発明の第２態様によれば、測定対象の３次元形状を示す複数の３次元データと、該３次元データを測定した測定部の姿勢と３次元データとの関連を取得し、複数の３次元データを関連に基づいて連結する３次元データ連結方法が提供される。

本発明の第３態様によれば、測定対象の異なる複数の部分の形状を示す３次元データを測定し、３次元データを測定した測定部の姿勢を検出し、３次元データと測定部の姿勢との関連を求め、関連に基づいて複数の部分の３次元データを連結する３次元形状測定方法が提供される。

本発明の第４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１から請求項４のいずれか一項に記載の３次元形状測定装置と、３次元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請求項８記載の３次元形状測定方法で測定することと、３次元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。

本発明の態様によれば、複数の３次元データの連結処理を短時間に行うことができる。

３次元形状測定装置の構成を示す図である。 投影領域における縞パターンの強度分布を示す図である。 図１に示す３次元形状測定装置の構成を示すブロック図である。 所定画素の輝度値から求められる正弦波を示す波形図である。 形状測定処理の一例を示すフローチャートである。 第１実施形態の姿勢検出処理を示すフローチャートである。 第１実施形態の連結処理を示すフローチャートである。 複数の３次元データの連結前後の状態を示す図である。 第２実施形態の姿勢検出処理を示すフローチャートである。 加速度及び姿勢変化量を示すグラフである。 第２実施形態の連結処理を示すフローチャートである。 構造物製造システムの構成を示すブロック図である。 構造物製造方法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、一部分を大きく又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、３次元形状測定装置１の一例を示す図である。また、図２は、投影領域２００における縞パターンの強度分布を示す図である。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。また、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、紙面の上方向がＸ１軸となり、紙面の右方向がＹ１軸となり、紙面の裏から表に向かう方向がＺ１軸となる。

３次元形状測定装置１は、位相シフト法を用いて測定対象（被測定物、被検物）２の３次元形状を測定する装置である。３次元形状測定装置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、検出部としての加速度センサ８０とを備える。

投影部１０は、ライン状の光、すなわち、一次元の光（以下、ライン光１００という。）を投影領域２００に対して投影（投光）する。この投影部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、レーザ光源・集光レンズ・シリンドリカルレンズなどを備え、無変調なライン光１００を生成する。投影光学系３０は、光生成部２０で生成されたライン光１００の１次像を投影領域２００の所定の位置に結像させる。投影光学系３０は、一つ又は複数の集光レンズなどの透過光学素子又は反射光学素子によって構成される。投影光学系３０から出射されたライン光１００は、走査部４０を介して投影領域２００に対して投影される。投影領域において、ライン光１００の一次元の方向が第２の方向Ｄ２（図１のＸ１軸方向）である。投影領域２００における第２の方向Ｄ２の長さは、投影部１０がライン光１００を投影する際の視野角θと、投影部１０（つまり走査部４０）から測定対象２までの距離とによって決定される。図１に示す例では、測定対象２は投影領域２００内に配置されている。

走査部４０は、投影領域２００においてライン光１００を第１の方向Ｄ１（図１のＹ１軸方向）に走査（スキャン）する。走査部４０は、例えばＭＥＭＳミラー（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical System）で構成される。ＭＥＭＳミラーは、所定の回動周期で振動する微小反射鏡である。このＭＥＭＳミラーは、所定の振幅角及び所定の振動周波数で振動しつつ一次元のライン光１００を反射する。これにより、一次元のライン光１００は、投影領域２００においてＭＥＭＳミラーの振動周期（振動周期＝１／振動周波数）で走査される。走査方向である第１の方向Ｄ１は、図１に示すように、第２の方向Ｄ２と直交する方向である。走査方向が第１の方向Ｄ１となるように、ＭＥＭＳミラーの回動方向が設定される。また、投影領域２００における第１の方向Ｄ１の長さは、ＭＥＭＳミラーの振幅角と、投影部１０（つまり走査部４０）から測定対象２までの距離とによって決定される。

図２に示すように、光生成部２０からのライン光１００は走査に応じて光強度が正弦波状に変化する。従って、走査部４０がライン光１００を第１の方向Ｄ１に走査することにより、投影領域２００において、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パターンが現れる。この縞パターンのことを「パターン光」という。位相シフト法では、このような縞パターンが３次元形状の測定に用いられる。縞パターンは、明るい部分（図２の白い部分）と暗い部分（図２の黒い部分）とに徐々に変化する明暗パターンを有する。また、第１の方向Ｄ１を明暗の方向又は濃淡の方向ともいう。図２に示す縞パターンは、第２の方向Ｄ２に所定の長さを有しており、第１の方向Ｄ１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が空間上に形成される。

投影領域２００において、縞パターンの各部分における縞の位相は所定時間毎にπ／２ずつ３回シフトされる。投影部１０は、演算処理部６０からの指令信号に基づいて、ライン光１００の正弦波の周期と走査部４０の振動とを同期させるタイミングを変化させることにより、縞パターンの位相をシフトさせる。ここで、同期とは例えば走査部４０の振動の角速度が変化する場合は、その角速度の変化にライン光１００の正弦波の位相を合わせることを含む。

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。この撮像部５０は、ライン光１００が投影された測定対象２を撮像する。撮像領域（撮像視野）は、撮像部５０により１回に撮像される範囲である。この撮像領域は、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、撮像領域とは後述の処理に用いる領域であり、撮像部５０により実際に撮像される領域は投影領域２００より大きくてもよい。

撮像部５０は、受光光学系（撮影レンズ）５１及び撮像装置５２を有している。受光光学系５１は、撮像領域上の測定対象２の表面より反射された縞パターンを受光し、受光した縞パターンの像を撮像装置５２に結像させる。撮像装置５２は、受光光学系５１からの縞パターンに基づいて測定対象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。上述したように、投影領域２００における縞パターンの位相は所定時間毎にπ／２ずつ３回シフトされる。撮像装置５２は、縞パターンの初期位相が０、π／２、π、３π／２のタイミングにおいて、それぞれ測定対象２を撮像して画像データを生成する。ここで初期位相とは、左から右へ走査される縞パターンの左端の位相を意味する。

演算処理部６０は、光生成部２０によるライン光１００の生成を制御する。また、演算処理部６０は、光生成部２０で生成されるライン光１００の正弦波（時間に対して正弦波状に変化する正弦波）の周期と走査部４０の振動周期とを同期させるように、光生成部２０と走査部４０とを制御する。また、演算処理部６０は、縞パターンの初期位相が０、π／２、π、３π／２のタイミングにおいて撮像部５０に測定対象２を撮像させるように、撮像部５０の撮像タイミングを制御する。また、演算処理部６０は、撮像部５０が撮像した４つの画像データ（縞パターンの初期位相が０、π／２、π、３π／２のときの画像データ）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２の３次元形状を示す３次元データ（３次元座標データ）を算出する。

また、演算処理部６０は、加速度センサ８０により検出される、３次元形状測定装置１に加わる加速度を示す加速度情報を取得する。そして、演算処理部６０は、取得した加速度情報に基づいて重力方向ベクトル（３次元形状測定装置１が受ける重力方向の加速度のベクトル）を検出する。そして、演算処理部６０は、３次元データの算出時において、加速度情報に基づいて検出した重力方向ベクトルを３次元データに付加する。また、演算処理部６０は、測定対象２が撮像部５０の撮像領域に収まらない場合には、複数の３次元データそれぞれに付加された重力方向ベクトルの向きを確認しつつ、複数の３次元データを連結（フィッティング）する処理（連結処理）を実行する。

加速度センサ８０は、センサ自体（つまり３次元形状測定装置１）の３軸方向（Ｘ１軸方向、Ｙ１軸方向、Ｚ１軸方向）の直線加速度を検出する３軸加速度センサである。加速度センサ８０は、検出した加速度を示す加速度情報を演算処理部６０に出力する。

次に、図３を参照して３次元形状測定装置１に含まれる投影部１０、撮像部５０、演算処理部６０、及び加速度センサ８０の詳細な構成について説明する。図３は、図１に示す３次元形状測定装置１の構成を示すブロック図である。図３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、ライン生成部２３、投影光学系３０、及び走査部４０を有している。すなわち、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、及びライン生成部２３を有している。

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ライン生成部２３に対してレーザ光を照射する光源である。このレーザダイオード２２は、走査部４０の動きに応じた電圧信号が入力されることにより、時間の経過とともに光強度が正弦波状に変化するレーザ光を照射する。ライン生成部２３は、レーザダイオード２２が照射したレーザ光から一次元のライン光１００を生成する。

投影光学系３０は、図１において説明したように、ライン生成部２３が生成したライン光１００を投影する。走査部４０は、図１において説明したように、ライン生成部２３が生成した一次元のライン光１００を走査方向（投影領域２００における第１の方向Ｄ１）に沿って走査する。なお、図３において、第１の方向Ｄ１は紙面と垂直な方向とし、第２の方向Ｄ２は紙面内における左右方向（横方向）としている。

撮像部５０は、受光光学系５１、ＣＣＤ撮像装置５２ａ（電荷結合素子(Charge Coupled Device）を用いたカメラ)、及び画像メモリ５２ｂを有している。すなわち、図１に示す撮像装置５２は、ＣＣＤ撮像装置５２ａ及び画像メモリ５２ｂを有している。受光光学系５１は、図１において説明したように、撮像領域上の測定対象２の表面より反射された縞パターンを受光し、測定対象２の表面に投影された縞パターンをＣＣＤ撮像装置５２ａの受光面に結像させる。

ＣＣＤ撮像装置５２ａは、受光面における像の光の強度を強度に応じた電荷量に光電変換し、その電荷量を順次読み出して電気信号に変換する。これにより、縞パターンが投光された測定対象２の画像データが生成される。画像データは画素毎の輝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画素とされている。また、１枚の撮像範囲は２３ｃｍ角とされている。ＣＣＤ撮像装置５２ａは、縞パターンの初期位相が０、π／２、π、３π／２のタイミングにおいて、それぞれ測定対象２を撮像して画像データを生成する。画像メモリ５２ｂは、ＣＣＤ撮像装置５２ａが生成した画像データを記憶する。

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、処理部６６、記憶部６７、及び連結処理部６８を有している。図３に示すように、演算処理部６０の構成のうち、操作部６１、制御部６２、設定情報記憶部６３、取込メモリ６４、及び演算部６５は、測定対象２の３次元データを測定するための測定部６０Ａを構成する。なお、演算処理部６０における制御部６２、演算部６５、処理部６６、及び連結処理部６８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算処理装置が制御プログラムに従って実行する処理に相当する。

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、表示装置７０の表示画面上のタッチパネルなどにより構成される。

制御部６２は、設定情報記憶部６３に記憶されている制御プログラムに従って以下の制御を実行する。制御部６２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。このとき、制御部６２は、指令信号において、レーザ光の照射の開始及び終了だけでなく、レーザ光の光強度（レーザ出力）についても指令する。レーザコントローラ２１は、制御部６２からの指令信号で指令された光強度のレーザ光を照射させるように、レーザダイオード２２を制御する。

また、制御部６２は、レーザコントローラ２１及び走査部４０に指令信号を出力することにより、レーザダイオード２２における光強度と走査部（ＭＥＭＳミラー）４０の振動とを投影される縞パターンの強度変化が正弦波となるように、レーザコントローラ２１及び走査部４０を制御する。なお、レーザダイオード２２における光強度の正弦波の周期と走査部４０の振動との同期がとれていない場合、走査部４０が往復振動する毎に縞パターンにおける縞の位置がずれてしまう。また、制御部６２は、レーザコントローラ２１及び走査部４０に指令信号を出力することにより、縞パターンの位相が所定時間毎にπ／２ずつ順にシフトしていくように、レーザコントローラ２１及び走査部４０を制御する。なお、走査部４０が左から右に走査する場合の左端の位相を初期位相と呼ぶ。また、１つの縞パターンの撮像完了に応じて縞パターンの位相をシフトさせてもよい。

また、制御部６２は、走査部４０及びＣＣＤ撮像装置５２ａに指令信号を出力することにより、ＣＣＤ撮像装置５２ａによる測定対象２の撮像を、走査部４０による縞パターンの複数回の走査に同期するように制御する。具体的には、走査部４０の振動周波数は５００Ｈｚ（すなわち、走査部４０の振動周期は往復２ｍｓ）とされ、ＣＣＤ撮像装置５２ａのシャッター速度（すなわち、ＣＣＤ撮像装置５２ａの撮像時間）は４０ｍｓとされているものとする。この場合、ＣＣＤ撮像装置５２ａが１枚の画像を撮像する間に、走査部４０はライン光１００を２０往復走査する。このように、制御部６２は、ＣＣＤ撮像装置５２ａによる１回の測定対象２の撮像を、走査部４０によるライン光１００の２０往復の走査に同期させる。また、制御部６２は、ＣＣＤ撮像装置５２ａに指令信号を出力することにより、ＣＣＤ撮像装置５２ａによる測定対象２の撮像を、縞パターンの位相がシフトされるタイミングと同期させる。

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制御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３次元形状の演算処理を実行させるための制御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の演算処理において縞パターンの位相から測定対象２の撮像部５０を基準とする３次元データである座標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。また、設定情報記憶部６３は、処理部６６に姿勢検出処理（図６参照）を実行させるための制御プログラムを記憶する。さらに、設定情報記憶部６３は、連結処理部６８に連結処理（図７参照）を実行させるための制御プログラムを記憶する。

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、縞パターンの初期位相が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、縞パターンの初期位相が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。また、縞パターンの初期位相がπ／２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２記憶領域に記憶される。また、縞パターンの初期位相がπ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３記憶領域に記憶される。また、縞パターンの初期位相が３π／２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４記憶領域に記憶される。

演算部６５は、設定情報記憶部６３に記憶されている制御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２の３次元形状データ（３次元形状の座標データ）を算出する。本実施形態においては、測定対象２が撮像部５０の撮像領域に収まらず、演算部６５は、撮像部５０が測定対象２の異なる位置から撮像した４つの画像データに基づいて複数の３次元データを算出する。

処理部６６は、加速度センサ８０から出力される加速度情報を取得し、取得した加速度情報に基づいて重力方向ベクトルを検出する。そして、処理部６６は、検出した重力方向ベクトルを３次元データに付加する。ここで、重力方向ベクトルは、３次元データ算出時における３次元形状測定装置１の姿勢を示す姿勢情報として３次元データに付加される。記憶部６７は、処理部６６によって重力方向ベクトルが付加された３次元データを記憶する。

連結処理部６８は、使用者による操作部６１の操作に応じて、又は自動的に、記憶部６７に記憶された複数の３次元データを読み出す。連結処理部６８は、読み出した複数の３次元データそれぞれに付加された重力方向ベクトルの向きを略一致させた上で、測定対象２の表面の特徴点（例えば測定対象２上の角や突起など）に基づいて複数の３次元データの重なる部分をサーチする。そして、連結処理部６８は、サーチした重なる部分を重ねることで複数の３次元データを連結する連結処理を実行する。連結処理部６８は、連結処理を施した３次元データに基づいて表示装置７０の表示画面に測定対象２の３次元形状の疑似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２の３次元形状の疑似画像を表示する装置である。この表示装置７０は、例えば液晶ディスプレイなどで構成される。なお、図１においては、表示装置７０は３次元形状測定装置１に含まれていなかったが、３次元形状測定装置１に含まれてもよい。

本実施形態において、３次元形状測定装置１は、例えば持ち運び可能な小型の装置として構成される。このような装置の場合、投影部１０、撮像部５０、演算処理部６０、表示装置７０、及び加速度センサ８０は、持ち運び可能な大きさの筐体内に収容される。かかる構成によれば、測定者は、３次元形状測定装置１を測定対象２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、定置型の形状測定装置では測定が難しい測定対象２に対して、容易に形状を測定することができる。

次に、図４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。位相シフト法においては、正弦波状の縞パターンの位相をシフトさせて撮像した縞パターン画像を解析することにより距離を計測する。このときに投影部から投影される縞パターンは、上述したように、位相をπ／２ずつシフトさせた４種類の画像となる。

縞パターンの初期位相が０、π／２、π、３π／２とシフトする毎に、縞の濃淡が位相差に対応する分だけずれて投影される。測定対象２が撮像領域内に位置している場合は、測定対象２の表面に縞パターンが現れる。撮像部５０（すなわちＣＣＤ撮像装置５２ａ）は、表面に縞パターンが現れた測定対象２を、縞パターンの初期位相が０、π／２、π、３π／２のタイミングにおいてそれぞれ撮像する。これにより、縞パターンの初期位相が０、π／２、π、３π／２のときの４つの画像が得られる。これらの画像を「縞パターン画像」という。

輝度値Ｉ_ｎ（ｘ，ｙ）（ｎ＝０，１，２，３）は各位相の縞パターンが投影されたときに撮像された各画像の所定画素（ｘ，ｙ）の輝度値である。すなわち、Ｉ_０は初期位相０の縞パターンが投影されたときに撮像された画像の輝度値である。Ｉ_１は初期位相π／２の縞パターンが投影されたときに撮像された画像の輝度値である。Ｉ_２は初期位相πの縞パターンが投影されたときに撮像された画像の輝度値である。Ｉ_３は初期位相３π／２の縞パターンが投影されたときに撮像された画像の輝度値である。この輝度値Ｉ_ｎ（ｘ，ｙ）（ｎ＝０，１，２，３）は下記の式（１）で表される。

Ｉ_ｎ（ｘ，ｙ）＝Ａ（ｘ，ｙ）ｃｏｓ（φ（ｘ，ｙ）＋ｎπ／２）＋Ｂ（ｘ，ｙ）・・・（１）

図４は、所定画素の輝度値から求められる正弦波を示す波形図である。図４に示すように、式（１）において、Ｂ（ｘ，ｙ）はバイアス成分を示す。また、Ａ（ｘ，ｙ）は撮像時の正弦波のコントラストの強さを示す。また、φ（ｘ，ｙ）は所定画素（ｘ，ｙ）における正弦波の位相である。４つの画像上の同一画素（同一位置）での輝度値Ｉ_０〜Ｉ_３は、図４に示すように、物体の表面性状や色などにより絶対的な値は変化する。しかし、相対的な輝度値の差は、常に縞パターンの位相差分だけの変化を示す。従って、所定画素（ｘ，ｙ）おける縞パターンの位相φ（ｘ，ｙ）は、４つの画像の同一画素における輝度値から下記の式（２）で求められる。

φ（ｘ，ｙ）＝ｔａｎ^−１｛（Ｉ_３（ｘ，ｙ）−Ｉ_１（ｘ，ｙ））／（Ｉ_０（ｘ，ｙ）−Ｉ_２（ｘ，ｙ））｝・・・（２）

このように、画像の画素毎に正弦波の初期位相０の時の位相を求めることができる。位相φ（ｘ，ｙ）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（ｘ，ｙ）に基づいて三角測量の原理により３次元形状（画像の各点での高さ情報）が求められる。

位相回復された各画素の位相は、縞パターンの縞ごとの位相、すなわち−π〜πの間の値となる。このため、物体の連続した３次元形状を導出するためには、複数の縞の絶対位相を求める必要がある。すなわち、各縞の位相をつなぎ合わせることで、絶対位相を求めることができる。このような処理を位相接続（アンラッピング）という。

上記した位相シフト法における位相接続において、測定対象２の面形状が滑らかに変化する連続的な面形状であるときは、１本の縞に相当する２πの位相を−π〜π〜３π〜５π・・・と単純につなげることが可能である。しかし、測定対象２の面形状が急な段差変化があるような不連続な面形状であるときは、その位相がどの縞の位相であるかがわからなくなる。例えば、ある縞の位相が−π〜πの位相であるか、π〜３πの位相であるかがわからなくなる。この場合、位相が連続して接続されない、いわゆる位相飛び現象が生じる。このような位相飛び現象を防止するため、本実施形態では、位相シフト法と空間コード法を組み合わせて測定対象２の３次元形状を測定する。従って、本実施形態においては、投影部１０は、投影領域２００において、位相シフト法で用いる縞パターンを投影するとともに、空間コード法で用いる空間コードパターンを投影する。なお、この空間コードパターンのことも、縞パターンと同様に「パターン光」という。空間コードパターンは、投影領域２００における第１の方向Ｄ１（に沿って光強度のプロファイルが矩形波状となっている。

次に、第１実施形態に係る３次元形状測定装置１の動作について説明する。

図５は、形状測定処理の一例を示すフローチャートである。図５に示すように、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Ｓ１）。また、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による走査を開始させる（ステップＳ２）。そして、制御部６２は、使用者による測定開始操作が行われたか否かを判定する（ステップＳ３）。

使用者により測定開始操作が行われると（ステップＳ３：ＹＥＳ）、すなわち、制御部６２は操作部６１から測定開始操作が行われたことを表す信号を入力すると、制御部６２は標準パターンを撮像する（ステップＳ４）。この処理において、レーザダイオード２２は、無変調の光強度（ハイレベル一定の光強度）のレーザ光を出力する。ライン生成部２３が、レーザダイオード２２から出力されたレーザ光から一次元のライン光１００を生成する。そして、走査部４０が一次元のライン光１００を走査することにより、標準パターンが投影領域２００に投影される。ＣＣＤ撮像装置５２ａは、標準パターンを撮像して標準画像の画像データを生成する。標準画像の画像データは、一旦、画像メモリ５２ｂに格納された後、取込メモリ６４に設けられた記憶領域（標準画像領域）に記憶される。

次に、制御部６２は、空間コードパターンを撮像する（ステップＳ５）。次に、制御部６２は、空間コードパターンに対応する白黒参照パターンをそれぞれ投影し撮像する（ステップＳ６）。

次に、制御部６２は、縞の位相がπ／２ずつシフトされた４つの縞パターンを撮像する（ステップＳ７）。ＣＣＤ撮像装置５２ａは、制御部６２からの指令信号に基づいて、縞パターンの初期位相が０、π／２、π、３π／２のタイミングにおいて、それぞれ測定対象２を撮像して４つの縞パターン画像の画像データを生成する。ＣＣＤ撮像装置５２ａが撮像した各位相の縞パターン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（第１記憶領域、第２記憶領域、第３記憶領域、第４記憶領域）に順に記憶される。

その後、演算部６５は、取込メモリ６４の記憶領域に記憶された４つの縞パターン画像の画像データに基づいて、各画素の初期位相０における位相分布φ（ｉ，ｊ）を求める。すなわち、位相回復処理を実行する（ステップＳ８）。そして、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画像データに基づいて測定対象２を−π〜πの位相に相当する空間コードとして認識する。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画像の縞の次数を検出する（ステップＳ９）。

演算部６５は、ステップＳ９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（アンラッピング処理）を行う（ステップＳ１０）。すなわち、演算部６５は、縞の次数に基づいて、ｎ本目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本目の縞の位相回復値を正しく接続する。これにより、連続した初期位相分布φ’（ｉ，ｊ）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Ｓ１０において求めた初期位相０における位相分布φ’（ｉ，ｊ）から、測定対象２の３次元形状の座標データＸ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する（ステップＳ１１）。なお、測定対象２の３次元形状の座標データＸが３次元データである。この座標データＸはＣＣＤ撮像装置５２を基準とする座標として求められる。

使用者は、測定対象２が撮像領域に収まらないときには、３次元形状測定装置１を移動させる。そして、使用者は、測定開始操作を行うことにより、異なる位置から測定対象２を撮像する（ステップＳ３〜Ｓ７参照）。このとき、撮像部５０は、測定対象２を前回撮像した部分と一部重なる部分を撮像する。そして、演算部６５は、撮像部５０が撮像した画像データに基づいて測定対象２の３次元データを算出する（ステップＳ８〜Ｓ１１参照）。このような処理を測定対象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２全体の３次元形状が測定される。

図６は、第１実施形態の姿勢検出処理を示すフローチャートである。図６に示す処理において、処理部６６は、加速度センサ８０から出力される加速度情報を取得する（ステップＳ２０）。本実施形態においては、加速度センサ８０は、常時、３次元形状測定装置１が受ける加速度を検出し、検出した加速度を示す加速度情報を演算処理部６０に出力する。従って、処理部６６は、加速度センサ８０から出力される加速度情報を常に取得している。なお、処理部６６は、演算部６５により３次元データが算出されたと判定した場合に、加速度センサ８０から出力される加速度情報を取得してもよい。

処理部６６は、演算部６５により３次元データが算出されたか否かを判定する（ステップＳ２１）。処理部６６は、演算部６５により３次元データが算出されたと判定した場合は（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、加速度センサ８０から取得した加速度情報（３次元データの算出時の加速度情報）に基づいて重力方向ベクトルを検出する（ステップＳ２２）。

ここで、演算部６５による３次元データの算出時（すなわち撮像部５０による画像データの生成時）において３次元形状測定装置１が静止している場合は、３次元形状測定装置１が受ける加速度は重力方向のみである。従って、加速度センサ８０からの加速度情報が示す加速度は重力方向の加速度であるので、処理部６６は加速度情報が示す加速度の量及び向きを重力方向ベクトルとして検出することができる。一方、演算部６５による３次元データの算出時において使用者の手ぶれが生じている場合は、３次元形状測定装置１は重力方向以外の方向の加速度を受ける。この場合、加速度センサ８０からの加速度情報が示す加速度は重力方向の加速度であるとは限らない。そこで、処理部６６は、例えば、３次元データの算出時の前後所定期間における３軸方向（Ｘ１軸方向、Ｙ１軸方向、Ｚ１軸方向）の加速度の平均値をそれぞれ算出する。処理部６６は、算出した３軸方向の加速度の平均値をそれぞれローパスフィルタでフィルタリングし、フィルタリング後の値から加速度ベクトルを求める。手ぶれは往復移動となる場合が多いのでこれにより手ぶれ成分が相殺され、３次元データの測定時に手ぶれが生じた場合でも、処理部６６が加速度情報に基づいて重力方向ベクトルを検出することができる。

処理部６６は、図５のステップＳ１１で算出した３次元データに、ステップＳ２２で検出した重力方向ベクトルを付加する（ステップＳ２３）。上述したように、重力方向ベクトルは、３次元データ算出時における３次元形状測定装置１の姿勢（方向、向き）を示す姿勢情報として３次元データに付加される。その後、処理部６６は、重力方向ベクトルを付加した３次元データを記憶部６７に記憶する（ステップＳ２４）。なお、処理部６６は、演算部６５により複数の３次元データが算出された場合は、複数の３次元データそれぞれに重力方向ベクトルを付加した上で記憶部６７に記憶する。

図７は、第１実施形態の連結処理を示すフローチャートである。なお、連結処理部６８は、使用者による操作部６１の操作に応じて、又は自動的に、図７に示す連結処理を実行する。図７に示す処理において、連結処理部６８は、記憶部６７に記憶されている複数の３次元データを読み出し、読み出した複数の３次元データそれぞれから特徴点を抽出する（ステップＳ３１）。

図８は、複数の３次元データの連結前後の状態を示す図である。図８において、連結前の３次元データとして、測定対象の一部分の曲面の３次元形状を示す３次元データ５０１と、測定対象における３次元データ５０１と一部重なる部分の曲面の３次元形状を示す３次元データ５０２とを示している。３次元データ５０１には重力方向ベクトル５１１が付加され、３次元データ５０２には重力方向ベクトル５１２が付加されている（ステップＳ２３参照）。また、３次元データ５０１，５０２には、それぞれ特徴点となり得る３本の線５２１，５２２，５２３が曲面上に形成されている。図８に示す例では、連結処理部６８は、ステップＳ３１において、３次元データ５０１から特徴点として３本の線５２１，５２２，５２３を抽出し、３次元データ５０２からも特徴点として３本の線５２１，５２２，５２３を抽出する。

次に、連結処理部６８は、複数の３次元データに付加された重力方向ベクトルの向きを一致させる（ステップＳ３２）。図８に示す例では、３次元データ５０１に付加された重力方向ベクトル５１１の向きと、３次元データ５０２に付加された重力方向ベクトル５１２の向きとを同じ方向に（つまり重力方向ベクトルの向きが平行になるように）一致させる。

次に、連結処理部６８は、３次元データから抽出した特徴点を照合して複数の３次元データを連結する（ステップＳ３３）。図８に示す例では、連結処理部６８は、３次元データ５０１，５０２に付加された重力方向ベクトル５１１，５１２の向きを一致させつつ、特徴点として抽出した３本の線５２１，５２２，５２３が重なるように３次元データ５０１，５０２の少なくとも一方を移動させて、３本の線５２１，５２２，５２３が一致した位置で３次元データ５０１，５０２を連結する。図８において、連結後の３次元データが３次元データ５０３である。なお、連結処理部６８は、ステップＳ３１〜Ｓ３３に示す処理を繰り返し実行することにより、測定対象全体の３次元データを連結する。

その後、連結処理部６８は、連結後の３次元データ（３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２の３次元形状を表示させる。３次元形状は、３次元空間内の点の集合である点群を疑似的な立体画像として表示される。なお、点群データである３次元座標を、たとえば（ｘ、ｙ、ｚ）の形式で表示することもできる。

表示装置７０は、測定対象２の３次元形状を表示するだけでなく、撮像部５０により撮像された画像を表示する構成であってもよい。すなわち、連結処理部６８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により撮像された画像に基づいて、撮像現場で測定対象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３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３次元形状算出部６５により算出された３次元形状、のうち少なくとも一方に基づいて、使用者は撮像現場で測定対象２が正確に撮像されたか否かを確認することができる。その後、使用者は、３次元形状測定装置１をコンピュータなどに接続して、画像や３次元形状をコンピュータなどに取り込む。そして、使用者は、コンピュータなどの表示部に画像や３次元形状を表示させることができる。

なお、演算部６５が３次元形状の点群データの算出に失敗した失敗部分や、測定対象２の形状によって影となったオルクージョン部分については、使用者が確認可能な態様で表示する。例えば、連結処理部６８は、失敗部分を赤色で点滅表示し、オルクージョン部分を青色で点滅表示する。また、演算部６５が算出した３次元形状の点群データや、連結処理部６８が連結した３次元形状の点群データは、使用者が持ち運び可能なＳＤカードなどの不揮発性の記憶媒体に記憶されてもよい。

以上に説明したように、第１実施形態では、測定対象２の３次元形状を示す３次元データを測定する測定部６０Ａと、測定部６０Ａの姿勢（つまり３次元形状測定装置１の姿勢）を検出する検出部８０と、３次元データと測定部６０Ａの姿勢との関連を求める処理部６６とを備える。このような構成によれば、３次元データに関連付けられた測定部６０Ａの姿勢に基づいて複数の３次元データの連結（フィッティング）を行うことができ、複数の３次元データの連結処理を短時間に行うことができる。

また、第１実施形態では、３次元データと測定部６０Ａの姿勢との関連に基づいて、複数の３次元データの連結処理を行う連結処理部６８を更に備える。このような構成によれば、複数の３次元データの連結処理の時間を短縮することができるとともに、複数の３次元データの誤った連結を防止することができる。すなわち、連結処理部６８が複数の３次元データの連結を行う際に、３次元データと関連付けられた測定部６０Ａの姿勢（方向）については３次元データの重複部分のサーチを行う必要がなくなる。従って、複数の３次元データの連結処理の時間を短縮することができる。また、連結処理部６８が複数の３次元データの連結を行う際に、３次元データに関連付けられた測定部６０Ａの姿勢（方向）が一致するように複数の３次元データの方向に制約がかかるので、この制約に合致しない特徴点は除外される。従って、連結処理部６８が測定対象２の表面のノイズなどを特徴点として抽出した場合でも、そのような特徴点に基づいて複数の３次元データの連結処理が行わることが防止される。

また、第１実施形態では、検出部８０は、測定部６０Ａの姿勢として測定部６０Ａが受ける重力方向を検出する。このような構成によれば、測定部６０Ａ（つまり３次元形状測定装置１）が常に受けている重力加速度に基づいて測定部６０Ａの姿勢を検出することができる。従って、処理部６６は３次元データと測定部６０Ａの姿勢との関連を確実に求めることができる。

＜第２実施形態＞
上記した第１実施形態では、処理部６６が加速度センサ８０からの加速度情報に基づいて重力方向ベクトルを検出し、検出した重力方向ベクトルを３次元データに付加し、連結処理部６８が３次元データに付加された重力方向ベクトルの向きを一致させつつ複数の３次元データの連結を行っていた。第２実施形態では、このような構成に加えて、処理部６６が前回の３次元データ算出時から今回の３次元データ算出時までの時間の姿勢変化量及びその姿勢変化量の誤差範囲を算出し、連結処理部６８が姿勢変化量及び誤差範囲に基づいて複数の３次元データを粗整列させた上で、複数の３次元データの連結を行う。

第２実施形態における３次元形状測定装置１は、図１及び図３に示した構成と同様である。ただし、第２実施形態における加速度センサ（検出部）８０は、センサ自体の３軸回り（Ｘ１軸回り、Ｙ１軸回り、Ｚ１軸回り）の角加速度を検出する３軸ジャイロセンサと、センサ自体の３軸方向（Ｘ１軸方向、Ｙ１軸方向、Ｚ１軸方向）の直線加速度を検出する３軸加速度センサとで構成される。すなわち、第２実施形態における加速度センサ８０は、３軸回り及び３軸方向の６要素の加速度を検出可能なセンサである。加速度センサ８０は、検出した加速度（角加速度、直線加速度）を示す加速度情報を演算処理部６０（処理部６６）に出力する。

図９は、第２実施形態の姿勢検出処理を示すフローチャートである。なお、図９におけるステップＳ２０〜Ｓ２３の処理は、図６におけるステップＳ２０〜Ｓ２３の処理と同様であるため、重複する説明を省略する。ただし、ステップＳ２２における重力方向ベクトルの検出は、処理部６６が加速度センサ８０の３軸加速度センサが検出する３軸方向（Ｘ１軸方向、Ｙ１軸方向、Ｚ１軸方向）の直線加速度に基づいて行われる。

処理部６６は、加速度センサ８０からの加速度情報に基づいて、前回の３次元データ算出時から今回の３次元データ算出時までの時間における３次元形状測定装置１の姿勢変化量を算出する（ステップＳ２５）。また、処理部６６は、ステップＳ２４で算出した姿勢変化量の誤差範囲を算出する（ステップＳ２６）。

図１０は、加速度及び姿勢変化量を示すグラフである。図１０の上図に示す加速度は、加速度センサ８０が検出する６要素の加速度のうちの１つの要素の加速度（例えばＸ１軸方向の加速度）を示している。また、図１０の下図に示す姿勢変化量は、図１０の上図に示す加速度が３次元形状測定装置１に加わった場合の３次元形状測定装置１の姿勢変化量（すなわち、３次元形状測定装置１の位置の変化量）を示している。図１０において、Ｔ０及びＴ１のタイミングにおいて演算部６５が３次元データを算出したものとする。

処理部６６は、加速度センサ８０からの加速度情報に基づいて図１０の上図に示すような加速度を検出した場合、加速度の２重積分を行うことにより、前回の３次元データ算出のタイミングＴ０から今回の３次元データ算出のタイミングＴ１までの時間における３次元形状測定装置１の位置Ｖ０から位置Ｖ１までの変化量を姿勢変化量として算出する。また、処理部６６は、予め求められている加速度センサ８０の検出精度を示す値（係数）と、タイミングＴ０からタイミングＴ１までの時間とをかけあわせることにより、３次元形状測定装置１が実際に存在していると想定される位置の範囲を誤差範囲として算出する。

処理部６６は、ステップＳ２５で算出した姿勢変化量と、ステップＳ２６で算出した誤差範囲とを３次元データに付加する（ステップＳ２７）。その後、処理部６６は、重力方向ベクトルを付加した３次元データを記憶部６７に記憶する（ステップＳ２８）。なお、図１０では、ある１つの要素の加速度を示しているが、他の５つの要素（ｘｙｚの３軸方向の平行移動と３軸周りの回転移動のうちの残りの５つの要素）の加速度についても同様に姿勢変化量と誤差範囲とが算出され、その姿勢変化量と誤差範囲とが３次元データに付加される。

図１１は、第２実施形態の連結処理を示すフローチャートである。なお、図１１におけるステップＳ３１及びＳ３２の処理は、図７におけるステップＳ３１及びＳ３２の処理と同様であるため、重複する説明を省略する。連結処理部６８は、３次元データに付加されている姿勢変化量に基づいて複数の３次元データを並べる（ステップＳ３２Ａ）。すなわち、連結処理部６８は、複数の３次元データそれぞれの位置を姿勢変化量に基づいて確認し、確認した位置に複数の３次元データをそれぞれ整列させる。これにより、複数の３次元データの粗い精度の位置合わせが行われたことになる。

次に、連結処理部６８は、３次元データに付加されている誤差範囲内において、重力方向ベクトルの向きを一致させつつ、３次元データから抽出した特徴点を照合して複数の３次元データを連結する（ステップＳ３２Ｂ）。このように、誤差範囲内において特徴点の照合を行うので、第１実施形態の場合よりも、さらに連結処理の時間を短縮することができる。また、連結処理部６８が複数の３次元データの連結を行う際に、姿勢変化量及び誤差範囲によって３次元データの位置及び方向に制約がかかるので、ノイズの除去効果が大きくなる。従って、連結処理部６８が測定対象２の表面のノイズなどを特徴点として抽出した場合でも、そのような特徴点に基づいて複数の３次元データの連結処理が行わることがより一層防止される。なお、第２実施形態において、重力方向ベクトルを用いない構成であってもよい。すなわち、処理部６６は図９のステップＳ２２及びＳ２３を実行せず、連結処理部６８は図１１のステップＳ３２を実行しない構成であってもよい。

上記した第１実施形態及び第２実施形態では、処理部６６が加速度センサ８０からの加速度情報に基づいて重力方向ベクトルを検出し、検出した重力方向ベクトルを３次元データに付加し、連結処理部６８が３次元データに付加された重力方向ベクトルの向きを一致させつつ複数の３次元データの連結を行っていた。しかし、このような構成に限定されず、３次元形状測定装置１は、例えば地磁気を利用して方位を検出する磁気コンパスを備え、磁気コンパスが常に一定の方向（例えば北の方向、南の方向）を検出する。そして、処理部６６は、３次元データの算出時に、磁気コンパスが検出した方向を３次元データに付加する。そして、連結処理部６８は、磁気コンパスが検出した方向を一致させつつ、複数の３次元データを連結する。このような構成によっても、複数の３次元データの連結処理を短時間に行うことができるとともに、誤った３次元データの連結を防止することができる。

また、信号を送信する送信機を所定の基準位置に設けるとともに、３次元形状測定装置１は、送信機からの信号を受信する受信機を備える。そして、処理部６６は、受信機が受信する信号に基づいて、送信機の基準位置を確認し、基準位置の方向のベクトルを３次元データに付加する。そして、連結処理部６８は、３次元データに付加されたベクトルの向きを一致させつつ、複数の３次元データを連結する。このような構成によっても、複数の３次元データの連結処理を短時間に行うことができるとともに、誤った３次元データの連結を防止することができる。

＜構造物製造システム及び構造物製造方法＞
図１２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１２に示す構造物製造システムＳＹＳは、上記した３次元形状測定装置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。なお、構造物製造システムＳＹＳは、第１実施形態の３次元形状測定装置１に代えて、第２実施形態の３次元形状測定装置１Ａ又は第３実施形態の形状測定装置を有する構成でもよい。

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、たとえば複数の２次元設計情報から求められた構造物の各位置の座標を示す情報である。また、被測定物は、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、又は切削などが含まれる。３次元形状測定装置１は、成形装置７２０により作製された構造物（測定対象２）の３次元形状、すなわち構造物の座標を測定する。そして、３次元形状測定装置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、３次元形状測定装置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１３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１３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Ｓ４１）。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Ｓ４２）。そして、３次元形状測定装置１は、成形装置７２０が成形した構造物の３次元形状を測定する（ステップＳ４３）。その後、３次元形状測定装置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、３次元形状測定装置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Ｓ４４）。

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Ｓ４５）。構造物が良品であると判定した場合は（ステップＳ４５：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Ｓ４５：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Ｓ４６）。

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Ｓ４６：ＹＥＳ）、検査部７３２は、ステップＳ４４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Ｓ４７）。そして、ステップＳ４３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Ｓ４３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ないと判定した場合は（ステップＳ４６：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、３次元形状測定装置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、多様な変更又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。そのような変更又は改良、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において、各図面では光学素子を一つ又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において、走査部４０は、パターン光を反射又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パターン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において、撮像部５０としてＣＣＤ撮像装置５２ａが用いられるがこれに限定されない。例えば、ＣＣＤ撮像装置に代えて、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において、位相シフト法に用いる縞パターン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、０・π／２・π・３π／２の縞パターンを投影した後に再び０位相の縞パターンを投影する５バケット法や、さらにπ／２位相の縞パターンを投影する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において、いずれも位相シフト法が用いられているが、空間コード法のみを用いて測定対象２の３次元形状を測定するものでもよい。

また、上記した第１実施形態においては、縞パターンの撮像前に空間コードパターンを撮像していれば、その他のパターンの撮像の順序は問わない。また、上記した第２実施形態においては、縞パターンの撮像前に白黒参照パターンを撮像していれば、その他のパターンの撮像の順序は問わない。

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

また、上記した各実施形態において、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、空間コードパターン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、上記した各実施形態において、標準画像を取得しているが、この標準画像は取得しなくてもよい。

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強くし、中央付近では光強度を低下させるように、レーザダイオードを制御してもよい。これにより、投影領域２００の端部と中央部とで生じる明るさの不均一を抑制できる。

また、３次元形状測定装置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パターン光を生成する光生成処理と、パターン光を第１の方向Ｄ１とは異なる測定対象２上の第２の方向Ｄ２に沿って走査する走査処理と、パターン光が投光された測定対象２を撮像する撮像処理と、撮像処理で得られた測定対象２の像に応じた信号強度に基づいて、測定対象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装置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。

ＳＹＳ…構造物製造システム、１…形状測定装置、２…測定対象、１０…投影部、２０…光生成部、４０…走査部、５０…撮像部、６０…演算処理部、６０Ａ…測定部、６５…演算部、６６…処理部、６７…記憶部、６８…連結処理部、１００…ライン光、２００…投影領域

Claims (10)

1. 測定対象の３次元形状を示す３次元データを測定する測定部と、
   前記測定部の姿勢を検出する検出部と、
   前記３次元データと前記測定部の姿勢との関連を求める処理部とを備える３次元形状測定装置。
2. 前記３次元データと前記測定部の姿勢との関連に基づいて、複数の３次元データの連結処理を行う連結処理部を更に備える請求項１に記載の３次元形状測定装置。
3. 前記検出部は、前記測定部の姿勢として前記測定部が受ける重力方向を検出する請求項１または請求項２に記載の３次元形状測定装置。
4. 前記３次元データと前記測定部の姿勢との関連が、前記３次元データを規定する座標系における前記測定部の姿勢を示す方向である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の３次元形状測定装置。
5. 測定対象の３次元形状を示す複数の３次元データと、該３次元データを測定した測定部の姿勢と前記３次元データとの関連を取得し、
   前記複数の３次元データを前記関連に基づいて連結する３次元データ連結方法。
6. 前記測定部の姿勢とは該測定部が受ける重力方向である請求項５に記載の３次元データ連結方法。
7. 前記３次元データと前記測定部の姿勢との関連が、前記３次元データを規定する座標系における前記測定部の姿勢を示す方向である請求項５または請求項６に記載の３次元データ連結方法。
8. 測定対象の異なる複数の部分の形状を示す３次元データを測定し、
   前記３次元データを測定した測定部の姿勢を検出し、
   前記３次元データと前記測定部の姿勢との関連を求め、
   前記関連に基づいて前記複数の部分の３次元データを連結する３次元形状測定方法。
9. 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から請求項４のいずれか一項に記載の３次元形状測定装置と、
   前記３次元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。
10. 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請求項８記載の３次元形状測定方法で測定することと、
    前記３次元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。