JP2022070697A - 三次元形状計測方法および三次元形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物の形状によらず、対象物の三次元形状を高い計測精度で計測可能な三次元形状計測方法および三次元形状計測装置を提供すること。
【解決手段】第１偏光による第１格子パターン、および、前記第１偏光に対して偏光面が直交している第２偏光による第２格子パターンを、互いに交差させて対象物に投影するステップと、前記対象物に投影されている前記第１格子パターンおよび前記第２格子パターンを、カメラで撮像し、前記第１偏光による第１撮像画像および前記第２偏光による第２撮像画像を得るステップと、前記第１撮像画像および前記第２撮像画像の少なくとも一方について、格子像の位相解析を行い、前記対象物の三次元形状を算出するステップと、を有することを特徴とする三次元形状計測方法。
【選択図】図７

Description

本発明は、三次元形状計測方法および三次元形状計測装置に関するものである。

物体の三次元表面形状を計測する方法として、光学的手法を用いた格子投影法が知られている。

特許文献１には、物体面の格子像をカメラにより撮影して得られた撮影像により、物体面の位置を計測する計測方法が開示されている。この計測方法は、格子像の格子の１周期がＮ画素に合わせられた状態で、カメラにより撮影した撮影像を入力する工程と、入力した撮影像の連続する複数画素を抽出する工程と、抽出した複数画素の画像からＮ画素を１周期とする周波数成分の位相を求める工程と、位相により物体面の位置を求める工程と、を有している。なお、Ｎは、２より大きい整数である。

この計測方法では、格子像１周期分の画像データから格子像の位相を解析することによって、物体面の三次元表面形状を計測する。格子像１周期分の画像データから位相を解析する方法を、特に「１ピッチ位相解析法（ＯＰＰＡ法）」という。１ピッチ位相解析法によれば、１枚の撮影像から位相分布を高速に解析することができる。

国際公開第２０１６／００１９８５号明細書

特許文献１に記載の計測方法では、計測分解能に異方性がある。具体的には、格子の方向と平行な方向では、計測分解能がカメラの１画素相当であるのに対し、格子像の方向と直交する方向では、計測分解能が格子像１周期相当にまで低下する。したがって、物体の形状によっては、十分な計測精度が得られないという課題がある。

本発明の適用例に係る三次元形状計測方法は、
第１偏光による第１格子パターン、および、前記第１偏光に対して偏光面が直交している第２偏光による第２格子パターンを、互いに交差させて対象物に投影するステップと、
前記対象物に投影されている前記第１格子パターンおよび前記第２格子パターンを、カメラで撮像し、前記第１偏光による第１撮像画像および前記第２偏光による第２撮像画像を得るステップと、
前記第１撮像画像および前記第２撮像画像の少なくとも一方について、格子像の位相解析を行い、前記対象物の三次元形状を算出するステップと、
を有することを特徴とする。

本発明の適用例に係る三次元形状計測装置は、
第１偏光による第１格子パターンを射出する第１発光部、および、前記第１偏光に対して偏光面が直交している第２偏光による第２格子パターンを射出する第２発光部、を備え、前記第１格子パターンおよび前記第２格子パターンを互いに交差させて対象物に投影するプロジェクターと、
前記第１偏光と前記第２偏光とを分離する偏光分離部、前記偏光分離部を介して、前記対象物に投影されている前記第１格子パターンを撮像し、前記第１偏光による第１撮像画像を得る第１撮像素子、および、前記偏光分離部を介して、前記対象物に投影されている前記第２格子パターンを撮像し、前記第２偏光による第２撮像画像を得る第２撮像素子、を備えるカメラと、
前記第１撮像画像および前記第２撮像画像の少なくとも一方について、格子像の位相解析を行う位相解析処理部と、
前記位相解析の解析結果に基づいて、前記対象物の高さ情報を算出する高さ情報算出部と、
を有することを特徴とする。

第１実施形態に係る三次元形状計測装置の概略図である。 図１のプロジェクターの内部構造に示す概略図である。 図１のカメラの内部構造を示す概略図である。 図１の三次元形状計測装置の光学系を模式的に示す側面図である。 図１の三次元形状計測装置の光学系を模式的に示す側面図である。 図１の三次元形状計測装置の光学系を模式的に示す上面図である。 第１実施形態に係る三次元形状計測方法を説明するためのフローチャートである。 プロジェクターで投影された第１格子パターンおよび第２格子パターンをカメラで撮像し、第１偏光の成分を分離して得られた第１撮像画像である。 プロジェクターで投影された第１格子パターンおよび第２格子パターンをカメラで撮像し、第２偏光の成分を分離して得られた第２撮像画像である。 平面上に置いた４つの棒状体に、一方向のみの格子パターンを投影したときの撮像画像の例である。 平面上に置いた４つの棒状体に、一方向のみの格子パターンを投影したときの撮像画像の例である。 図１０に示す撮像画像から求めた高さ情報の分布を、一部で切り出して作成したグラフである。 図１１に示す撮像画像から求めた高さ情報の分布を、一部で切り出して作成したグラフである。 １ピッチ格子の輝度値分布を表す輝度値データセットＤＳと、位相をずらしながら生成した複数の正弦波（第１参照波）と、の相関性を求める手順を説明するための図である。 図１４の表から算出した、輝度値データセットＤＳと複数の正弦波との相関係数の絶対値と、その中の最大値と、を示す表である。 第２実施形態に係る三次元形状計測装置が備えるプロジェクターの内部構造を示す概略図である。 第２実施形態に係る三次元形状計測装置が備えるカメラの内部構造を示す概略図である。

以下、本発明の三次元形状計測方法および三次元形状計測装置を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

１．第１実施形態
まず、第１実施形態に係る三次元形状計測方法および三次元形状計測装置について説明する。

１．１．装置構成
図１は、第１実施形態に係る三次元形状計測装置の概略図である。図２は、図１のプロジェクターの内部構造に示す概略図である。図３は、図１のカメラの内部構造を示す概略図である。図１では、互いに直交する３つの軸として、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を設定している。各軸は矢印で表され、先端側を「プラス側」、基端側を「マイナス側」とする。なお、以下の説明では、ｚ軸のマイナス側を特に「上」とし、ｚ軸のプラス側を「下」としている。また、ｚ軸に沿った位置を「高さ」といい、ｘ－ｙ面内における位置を単に「位置」という。

図１に示す三次元形状計測装置１は、基準面９１上に設けられた物体９（対象物）の表面、すなわち物体面９２の位置および高さを算出し、三次元形状を計測する装置である。三次元形状の計測には、格子投影法を用いる。格子投影法では、格子パターンを物体９に投影し、その状態を撮像して得られた撮像画像に対して位相解析を行う。位相解析を行うことで、各画素での格子パターンの位相を求めることができる。そして、この位相から高さ情報を算出することにより、物体面９２の三次元形状が求められる。

図１に示す三次元形状計測装置１は、プロジェクター２と、カメラ３と、制御装置４と、を備えている。また、図１には、上面が基準面９１である載置台９０と、基準面９１上に載置された物体９と、を図示している。

図１に示すプロジェクター２は、任意の波長の光で形成された投影パターンを物体９に向けて投影する機能を有する。このようなプロジェクター２は、図２に示すように、第１発光部２１と、第２発光部２２と、合成プリズム２３と、投影レンズ２４と、を備えている。なお、図２に示すプロジェクター２は、プロジェクター２を構成する要素のうち、一部が省略されて図示されている。

第１発光部２１は、光源２１２と、第１偏光板２１４と、格子マスク２１６と、を備え、第１格子パターンである投影パターンを作成する。

光源２１２は、任意の波長の光、例えば、赤色（Ｒ）の光、緑色（Ｇ）の光、青色（Ｂ）の光、白色（Ｗ）の光等を出射する。

第１偏光板２１４は、光源２１２から出射した光を直線偏光である第１偏光Ｌ１にする光学素子である。

格子マスク２１６は、第１偏光板２１４から出射した第１偏光Ｌ１を空間変調する。これにより、第１偏光Ｌ１により、所望の投影パターン、例えば後述する縞模様等のパターンが作成される。格子マスク２１６としては、例えば、フォトマスク、メタルマスク、ステンシルマスク等の光学用マスクの他、液晶素子等が挙げられる。

光学用マスクとしては、例えば、透明基体と、透明基体に設けられ、投影パターンに対応した遮光膜と、を備えるマスクが挙げられる。このような光学用マスクは、小型化が容易であるため、三次元形状計測装置１の小型化に寄与する。

第２発光部２２は、光源２２２と、第２偏光板２２４と、格子マスク２２６と、を備え、第２格子パターンである投影パターンを作成する。

光源２２２は、任意の波長の光、例えば、赤色（Ｒ）の光、緑色（Ｇ）の光、青色（Ｂ）の光、白色（Ｗ）の光等を出射する。

第２偏光板２２４は、光源２２２から出射した光を直線偏光である第２偏光Ｌ２にする光学素子である。第２偏光Ｌ２の偏光面は、第１偏光Ｌ１の偏光面と直交している。つまり、このような偏光面の関係が成り立つように、第１偏光板２１４および第２偏光板２２４の配置を調整する。なお、第１偏光Ｌ１の偏光面と第２偏光Ｌ２の偏光面とが直交しているとは、両者のなす角度が９０°±５°の範囲内にある状態をいう。

格子マスク２２６は、第２偏光板２２４から出射した第２偏光Ｌ２を空間変調する。これにより、第２偏光Ｌ２により、所望の投影パターン、例えば後述する縞模様等のパターンが作成される。格子マスク２２６としては、例えば、フォトマスク、メタルマスク、ステンシルマスク等の光学用マスクの他、液晶素子等が挙げられる。

光学用マスクとしては、例えば、透明基体と、透明基体に設けられ、投影パターンに対応した遮光膜と、を備えるマスクが挙げられる。このような光学用マスクは、小型化が容易であるため、三次元形状計測装置１の小型化に寄与する。

合成プリズム２３は、第１偏光Ｌ１および第２偏光Ｌ２を合成し、合成光Ｌ３として出力する。合成プリズム２３としては、例えば、第１偏光Ｌ１を透過させ、第２偏光Ｌ２を反射する面を備えた偏光ビームスプリッター等が挙げられる。
投影レンズ２４は、合成光Ｌ３の投影倍率を調整し、物体９に向けて投影する。

また、プロジェクター２は、制御装置４と電気的に接続されている。これにより、制御装置４は、投影パターンの投影を制御することができる。また、格子マスク２１６および格子マスク２２６として液晶素子を用いた場合には、第１格子パターンおよび第２格子パターンの色や方向、ピッチ等を制御装置４で制御することができる。

図１に示すカメラ３は、物体９に向けてプロジェクター２から投影された投影パターンを撮像し、輝度値の２次元分布を検出する機能を有する。このようなカメラ３は、図３に示すように、第１撮像素子３１と、第２撮像素子３２と、分離プリズム３３と、撮像レンズ３４と、を備えている。なお、図３に示すカメラ３は、カメラ３を構成する要素のうち、一部が省略されて図示されている。

第１撮像素子３１および第２撮像素子３２は、それぞれ、例えば行列状に配列した複数の画素を有し、各画素で輝度値を検出する。第１撮像素子３１および第２撮像素子３２としては、例えば、ＣＭＯＳ素子、ＣＣＤ素子等が挙げられる。ＣＭＯＳは、Complementary Metal Oxide Semiconductor（相補性金属酸化膜半導体）を指す。また、ＣＣＤは、Charge Coupled Device（電荷結合素子）を指す。

分離プリズム３３は、プリズム本体３３０と、第１クリーンアップ偏光板３３１と、第２クリーンアップ偏光板３３２と、を備えている。

プリズム本体３３０は、物体９や基準面９１から反射した合成光Ｌ３を、偏光の違いに基づいて、第１偏光Ｌ１および第２偏光Ｌ２に分離する。プリズム本体３３０としては、例えば、第１偏光Ｌ１を透過させ、第２偏光Ｌ２を反射する面を備えた偏光ビームスプリッター等が挙げられる。

第１クリーンアップ偏光板３３１は、プリズム本体３３０と第１撮像素子３１との間に設けられ、第１偏光Ｌ１を選択的に透過させる機能を有する。このような第１クリーンアップ偏光板３３１を用いることにより、プリズム本体３３０の偏光分離特性が十分ではない場合や、物体９や基準面９１における反射で第１偏光Ｌ１の偏光状態が乱れた場合でも、目的とする偏光状態の第１偏光Ｌ１を精度よく選択して取り出すことができる。

第２クリーンアップ偏光板３３２は、プリズム本体３３０と第２撮像素子３２との間に設けられ、第２偏光Ｌ２を選択的に透過させる機能を有する。このような第２クリーンアップ偏光板３３２を用いることにより、プリズム本体３３０の偏光分離特性が十分ではない場合や、物体９や基準面９１における反射で第２偏光Ｌ２の偏光状態が乱れた場合でも、目的とする偏光状態の第２偏光Ｌ２を精度よく選択して取り出すことができる。

なお、第１クリーンアップ偏光板３３１および第２クリーンアップ偏光板３３２は、必要に応じて設けられればよく、例えばプリズム本体３３０が十分な偏光分離特性を有している場合には省略可能である。

撮像レンズ３４は、撮像倍率を調整し、プロジェクター２から投影される投影パターンの撮像画像上でのサイズを調整する。

また、カメラ３は、制御装置４と電気的に接続されている。カメラ３で撮像した撮像画像は、制御装置４に送信され、位相解析処理に供される。なお、以下の説明では、第１撮像素子３１の画素を「第１カメラ画素」といい、第２撮像素子３２の画素を「第２カメラ画素」ともいう。

制御装置４は、制御部４１と、演算部４２と、記憶部４３と、表示部４４と、を備えている。

制御部４１は、プロジェクター２による投影パターンの投影や、カメラ３による投影パターンの撮像といった作動を、互いに協調させつつ制御する。

演算部４２は、カメラ３の撮像画像に含まれた輝度値の分布が持つ信頼性を評価する信頼性評価部４２２と、カメラ３の撮像画像に対して位相解析処理を行う位相解析処理部４２４と、高さ情報を算出する高さ情報算出部４２６と、を有する。

記憶部４３は、カメラ３で撮像した撮像画像、演算部４２による演算結果等を記憶する。

表示部４４は、必要に応じて設けられ、カメラ３による撮像画像、演算部４２による演算結果等を表示する。

制御部４１、演算部４２および記憶部４３の一部または全部は、情報を処理するプロセッサーと、プログラムやデータを記憶するメモリーと、外部インターフェースと、を有するハードウェアで構成される。プロセッサーは、メモリーに記憶された各種プログラムやデータを読み込んで実行することにより、各機能を実現する。

プロセッサーとしては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等が挙げられる。メモリーとしては、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性メモリー、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性メモリー、着脱式の外部記憶装置等が挙げられる。外部インターフェースとしては、例えば有線ＬＡＮ（Local Area Network）、無線ＬＡＮ等が挙げられる。

また、制御部４１および演算部４２の一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアによって実現されてもよい。

以上のような三次元形状計測装置１では、後に詳述するが、互いに偏光面が直交している第１偏光Ｌ１および第２偏光Ｌ２を用いて、第１格子パターンおよび第２格子パターンを物体９に同時に投影する。次いで、物体９に投影された第１格子パターンおよび第２格子パターンを撮像し、第１偏光Ｌ１による第１撮像画像および第２偏光Ｌ２による第２撮像画像を取得する。次いで、第１撮像画像および第２撮像画像の少なくとも一方について、格子像の位相解析を行う。そして、位相分布から物体面９２の高さ情報を算出し、三次元形状を求める。

第１撮像画像および第２撮像画像に対する位相解析方法としては、例えば、第１撮像画像および第２撮像画像に対して位相解析処理を行い、位相分布を求められる方法であれば、いかなる方法も用いることができる。このような方法としては、例えば、サンプリングモアレ法、位相シフト法、１ピッチ位相解析法等が挙げられる。

本実施形態では、１ピッチ位相解析法を用いる。１ピッチ位相解析法の原理については、国際公開第２０１６／００１９８５号明細書に記載されている。

１ピッチ位相解析法では、プロジェクター２の光学系（格子マスク２１６）およびカメラ３の光学系（第１撮像素子３１）が、基準面９１に対してそれぞれ平行になっている。このような光学系をモアレトポグラフィー光学系ともいう。かかる光学系によれば、物体９に投影された第１格子パターンおよび第２格子パターンをカメラ３で撮像して得られる第１撮像画像上および第２撮像画像上では、物体面９２の高さに関係なく、第１格子パターンの周期および第２格子パターンの周期が一定になる。一方、物体面９２の高さによって、カメラ画素での第１格子パターンの位相および第２格子パターンの位相が変わることになる。したがって、１ピッチ位相解析法により、カメラ画素での第１格子パターンの位相および第２格子パターンの位相を解析し、解析結果をカメラ画素の座標に関連付けることで、物体面９２の高さ情報を求めることができる。

また、１ピッチ位相解析法のような位相解析方法では、１枚の第１撮像画像に映っている第１格子パターンの少なくとも１周期分の輝度値、または、１枚の第２撮像画像に映っている第２格子パターンの少なくとも１周期分の輝度値、から位相解析を行うことができる。このため、物体９が動いている場合でも、位相分布を求めることができる点で特に有用である。

図４および図５は、図１の三次元形状計測装置１の光学系を模式的に示す側面図である。なお、図４および図５は、装置構成の物理的な配置を厳密に表したものではない。

図４に示すように、三次元形状計測装置１では、プロジェクター２の光源２１２の中心から広がるように第１格子パターンを投影する。ここでは、光源２１２の中心をプロジェクター２の主点Ｏ２とする。また、カメラ３の撮像範囲は、撮像レンズ３４の中心から広がるような範囲となる。ここでは、撮像レンズ３４の中心をカメラ３の主点Ｏ１とする。

図４では、プロジェクター２から基準面９１に向かう多数の直線によって、プロジェクター２で投影される第１格子パターンを模式的に表現している。第１格子パターンを表す直線のうち、実線は、第１格子パターンの輝度が高い領域を投影している光の光路を示し、破線は、第１格子パターンの輝度が低い領域を投影している光の光路を示している。

また、図４では、基準面９１からカメラ３に向かう実線を図示している。この実線は、第１格子パターンの輝度が高い領域から出射した光が第１撮像素子３１に至るまでの光路を示している。

この図４から分かるように、三次元形状計測装置１の光学系では、基準面９１や物体面９２がどの高さにあっても、カメラ３の第１撮像画像には、第１格子パターンの１周期が同じ大きさで映る。つまり、第１撮像画像における第１格子パターンの１周期の大きさは、プロジェクター２やカメラ３の内部のパラメーターによって定まり、基準面９１や物体面９２までの距離には影響されない。したがって、この光学系によれば、基準面９１や物体面９２までの距離によらず、第１撮像画像に基づいて物体９の三次元形状計測を行うことができる。

また、図５に示すように、三次元形状計測装置１では、プロジェクター２の光源２２２の中心から広がるように第２格子パターンを投影する。ここでは、光源２２２の中心をプロジェクター２の主点Ｏ２とする。また、カメラ３の撮像範囲は、撮像レンズ３４の中心から広がるような範囲となる。ここでは、撮像レンズ３４の中心をカメラ３の主点Ｏ１とする。

図５では、プロジェクター２から基準面９１に向かう多数の直線によって、プロジェクター２で投影される第２格子パターンを模式的に表現している。第２格子パターンを表す直線のうち、実線は、第２格子パターンの輝度が高い領域を投影している光の光路を示し、破線は、第２格子パターンの輝度が低い領域を投影している光の光路を示している。

また、図５では、基準面９１からカメラ３に向かう実線を図示している。この実線は、第２格子パターンの輝度が高い領域から出射した光が第２撮像素子３２に至るまでの光路を示している。

この図５から分かるように、三次元形状計測装置１の光学系では、基準面９１や物体面９２がどの高さにあっても、カメラ３の第２撮像画像には、第２格子パターンの１周期が同じ大きさで映る。つまり、第２撮像画像における第２格子パターンの１周期の大きさは、プロジェクター２やカメラ３の内部のパラメーターによって定まり、基準面９１や物体面９２までの距離には影響されない。したがって、この光学系によれば、基準面９１や物体面９２までの距離によらず、第２撮像画像に基づいて物体９の三次元形状計測を行うことができる。

図６は、図１の三次元形状計測装置１の光学系を模式的に示す上面図である。
図６に示すように、三次元形状計測装置１では、上方から見たとき、プロジェクター２の主点Ｏ２およびカメラ３の主点Ｏ１が、ｘ軸に沿った離間距離ｖｘおよびｙ軸に沿った離間距離ｖｙを隔てて配置されている。これにより、前述したように、延在方向が互いに異なる第１格子パターンおよび第２格子パターンを物体９に同時に投影し、これを撮像する場合でも、ｘ軸方向およびｙ軸方向の双方で、図４および図５に示すモアレトポグラフィー光学系を構成することができる。その結果、２つの格子パターンの撮像画像を解析することにより、２つの撮像画像から解析結果を同時に得ることができる。これにより、前述したように物体９が動いている場合でも、２つの撮像画像から得た解析結果を利用することが可能になり、三次元形状計測を高速に精度よく行うことができる。

１．２．計測方法
次に、第１実施形態に係る三次元形状計測方法について説明する。
図７は、第１実施形態に係る三次元形状計測方法を説明するためのフローチャートである。

図７に示す三次元形状計測方法は、投影ステップＳ１０２と、撮像ステップＳ１０４と、形状算出ステップＳ１０６と、を有する。

１．２．１．投影ステップ
投影ステップＳ１０２では、まず、プロジェクター２から物体９に向けて第１格子パターンおよび第２格子パターンを投影する。

図８は、プロジェクター２で投影された第１格子パターン５１および第２格子パターン５２をカメラ３で撮像し、第１偏光Ｌ１の成分を分離して得られた第１撮像画像である。図９は、プロジェクター２で投影された第１格子パターン５１および第２格子パターン５２をカメラ３で撮像し、第２偏光Ｌ２の成分を分離して得られた第２撮像画像である。図８および図９には、第１格子パターン５１および第２格子パターン５２の延在方向を定義するｘ軸およびｙ軸を表す矢印と、カメラ３の画素間を表す破線と、を併せて図示している。破線で囲まれた四角形が、カメラ画素３０に対応している。

図８および図９では、カメラ画素３０の座標を（ｉ，ｊ）で表す。第１撮像素子３１のｉ軸と、第１格子パターン５１の延在方向を規定しているｘ軸と、が重なり、第１撮像素子３１のｊ軸と、第２格子パターン５２の延在方向を規定しているｙ軸と、が重なるように、プロジェクター２およびカメラ３の光学系が設定されている。

第１格子パターン５１は、ｙ軸に沿って延在する一次元格子である。具体的には、第１格子パターン５１は、第１偏光Ｌ１が相対的に低い輝度で照射されているか、または、照射されてない帯状の領域５１１を複数有している。この帯状の領域５１１は、ｙ軸と平行に延在し、かつ、ｘ軸に沿って一定の間隔で並んでいる。また、第１格子パターン５１は、領域５１１同士の間に位置し、第１偏光Ｌ１が相対的に高い輝度で照射されている帯状の領域５１２を複数有している。領域５１１の幅および領域５１２の幅は、互いに同じである。

第２格子パターン５２は、ｘ軸に沿って延在する一次元格子である。具体的には、第２格子パターン５２は、第２偏光Ｌ２が相対的に低い輝度で照射されているか、または、照射されてない帯状の領域５２１を複数有している。この帯状の領域５２１は、ｘ軸と平行に延在し、かつ、ｙ軸に沿って一定の間隔で並んでいる。また、第２格子パターン５２は、領域５２１同士の間に位置し、第２偏光Ｌ２が相対的に高い輝度で照射されている帯状の領域５２２を複数有している。領域５２１の幅および領域５２２の幅は、互いに同じである。

続いて、後述する１ピッチ位相解析法による位相解析において、解析対象となる第１格子パターン５１および第２格子パターン５２のそれぞれ１周期分の範囲について説明する。

本実施形態では、カメラ画素３０において連続したＮ画素に、第１格子パターン５１の１周期および第２格子パターン５２の１周期が映るように、プロジェクター２およびカメラ３で構成される光学系が設定されている。Ｎは３以上の整数である。

図８の例では、第１格子パターン５１が、ｘ軸に沿って連続したカメラ画素３０の８つ分の長さの周期を有している。したがって、図８の例では、カメラ画素３０の８つ分と、第１格子パターン５１の１周期と、が一致するように光学系が設定されている。つまり、三次元形状計測装置１では、プロジェクター２で投影される第１格子パターン５１の１周期が、カメラ画素３０の整数倍分の長さになるように、光学系が設定されている。

図９の例では、第２格子パターン５２が、ｙ軸に沿って連続したカメラ画素３０の８つ分の長さの周期を有している。したがって、図９の例では、カメラ画素３０の８つ分と、第２格子パターン５２の１周期と、が一致するように光学系が設定されている。つまり、三次元形状計測装置１では、プロジェクター２で投影される第２格子パターン５２の１周期が、カメラ画素３０の整数倍分の長さになるように、光学系が設定されている。

第１偏光Ｌ１および第２偏光Ｌ２は、前述したように、偏光面が互いに直交している直線偏光である。投影ステップＳ１０２では、これらを同時に照射することで、第１格子パターン５１および第２格子パターン５２を同時に投影する。

なお、第１格子パターン５１の周期（格子ピッチ）、および、第２格子パターン５２の周期（格子ピッチ）は、互いに異なっていてもよいが、互いに同じであるのが好ましい。これにより、双方のパターンによる計測のダイナミックレンジが同じになるため、計測を行いやすくなり、計測結果も取り扱いやすいものとなる。なお、第１格子パターン５１の周期と第２格子パターン５２の周期とを異ならせた場合には、第１撮像画像と第２撮像画像の双方を用いて高さ情報を算出することにより、高さ情報のダイナミックレンジを広げることができる。

第１格子パターン５１の延在方向および第２格子パターン５２の延在方向は、互いに交差していればよいが、本実施形態では直交している。これにより、物体９の形状によらず、計測分解能を高められる確率がより高くなる。なお、直交とは、双方の延在方向のなす角度が９０±５°の範囲にある状態をいう。

カメラ３は、分離プリズム３３を備えているため、第１偏光Ｌ１および第２偏光Ｌ２を重ねて照射しても分離して撮像することができる。このため、第１偏光Ｌ１および第２偏光Ｌ２を同時に照射して、第１偏光Ｌ１と第２偏光Ｌ２とを分離しつつ撮像することにより、高速での計測が可能になる。

このような理由から、プロジェクター２は、第１偏光Ｌ１による第１格子パターン５１および第２偏光Ｌ２による第２格子パターン５２を同時に投影する機能を有する。

なお、格子マスク２１６、２２６は、それぞれ、透過型液晶素子のような透過型の空間光変調素子、ＤＭＤや反射型液晶素子のような反射型の空間光変調素子で代替することもできる。ＤＭＤは、Digital Micromirror Deviceを指す。

１．２．２．撮像ステップ
撮像ステップＳ１０４では、物体９に投影されている第１格子パターン５１および第２格子パターン５２を、カメラ３で撮像する。撮像によって得られた第１撮像画像および第２撮像画像は、カメラ３から演算部４２に伝送される。なお、第１撮像画像および第２撮像画像を、一旦、記憶部４３に記憶させた後、演算部４２から読み出すようにしてもよい。

カメラ３は、前述したように、第１撮像画像および第２撮像画像を個別かつ同時に取得する機能を有する。これにより、後述するステップでは、第１撮像画像についての位相解析処理および第２撮像画像についての位相解析処理を、互いに同じタイミングで開始することができる。

なお、本実施形態に係るカメラ３では、前述したように、分離プリズム３３を用いることにより、第１撮像素子３１の全てのカメラ画素で第１偏光Ｌ１の輝度値を取得し、第２撮像素子３２の全てのカメラ画素で第２偏光Ｌ２の輝度値を取得することができる。ただし、複数のカメラ画素からなる画素群を１つのカメラ画素とみなすことができる場合には、分離プリズム３３を省略するとともに撮像素子を１つにすることができる。この場合、画素群ごとに、微小な偏光子を並べた偏光板を用いるようにすればよい。

一方、本実施形態では、前述した投影ステップＳ１０２より以前に、物体９を配置していない基準面９１に対して、投影ステップＳ１０２および撮像ステップＳ１０４と同様の工程を行っておく。そして、基準面９１についての第１撮像画像および第２撮像画像を演算部４２に送るとともに、演算部４２による演算結果を記憶部４３に記憶させておく。

１．２．３．形状算出ステップ
形状算出ステップＳ１０６は、さらに、位相解析ステップＳ１０８と、信頼性評価ステップＳ１１０と、信頼性比較ステップＳ１１２と、高さ情報算出ステップＳ１１４と、を有する。

１．２．３．１．位相解析ステップ
位相解析ステップＳ１０８では、位相解析処理部４２４が、第１撮像画像および第２撮像画像に対して位相解析を行う。本実施形態では、一例として、１ピッチ位相解析（ＯＰＰＡ：One-Pitch Phase Analysis）法により、位相解析を行う。

具体的には、まず、第１撮像画像から、第１格子パターン５１の１周期分の輝度値を抽出する。

図８では、一例として、ｘ軸、ｙ軸の原点を含み、ｘ軸に沿って連続する８画素について注目している。この８画素を「１ピッチ格子ＯＰ１」という。この１ピッチ格子ＯＰ１が、第１格子パターン５１の１周期分に相当する。

１ピッチ位相解析法では、１ピッチ格子ＯＰ１を、１カメラ画素ずつ、ｘ軸に沿ってシフトさせながら、順次、輝度値の分布について位相解析を行う。ｘ軸に沿ったシフトが全て終わったら、続いて、１ピッチ格子ＯＰ１を、１カメラ画素ずつ、ｙ軸に沿ってシフトさせながら、順次、輝度値の分布について位相解析を行う。

位相解析処理部４２４は、１ピッチ格子ＯＰ１の位相解析で得られた第１位相情報を、１ピッチ格子ＯＰ１中の１つの代表カメラ画素の座標に対応させた状態で、制御装置４の記憶部４３に記憶させる。

次に、第２撮像画像から、第２格子パターン５２の１周期分の輝度値を抽出する。
図９では、一例として、ｘ軸、ｙ軸の原点を含み、ｙ軸に沿って連続する８画素について注目している。この８画素を「１ピッチ格子ＯＰ２」という。この１ピッチ格子ＯＰ２が、第２格子パターン５２の１周期分の範囲に相当する。

次に、１ピッチ格子ＯＰ２を、１カメラ画素ずつ、ｙ軸に沿ってシフトさせながら、順次、輝度値の分布について位相解析を行う。ｙ軸に沿ったシフトが全て終わったら、続いて、１ピッチ格子ＯＰ２を、１カメラ画素ずつ、ｘ軸に沿ってシフトさせながら、順次、輝度値の分布について位相解析を行う。

位相解析処理部４２４は、１ピッチ格子ＯＰ２の位相解析で得られた第２位相情報を、１ピッチ格子ＯＰ２中の１つの代表カメラ画素に対応させた状態で、制御装置４の記憶部４３に記憶させる。

なお、これらの工程の順序は、上記に限定されず、変更してもよい。このようにして、全てのカメラ画素３０で位相情報を取得することができる。

１．２．３．２．信頼性評価ステップ
本実施形態では、第１格子パターン５１およびそれに直交する第２格子パターン５２の双方を用いて最終的に物体面９２の高さ情報を算出している。以下、その意義について説明する。

図１０および図１１は、平面上に置いた４つの棒状体に、一方向のみの格子パターンを投影したときの撮像画像の例である。なお、図１０と図１１とで、棒状体の向きがほぼ９０°異なっている。このため、図１０では、格子パターンの延在方向と、棒状体の長手方向と、がほぼ平行になっている。これに対し、図１１では、格子パターンの延在方向と、棒状体の長手方向と、がほぼ垂直になっている。なお、図１０および図１１に示すように、４つの棒状体は、幅が１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍのものである。また、格子パターンのピッチは１．７ｍｍである。

図１２および図１３は、図１０および図１１に示す撮像画像から求めた高さ情報の分布を、一部で切り出して作成したグラフである。

図１２と図１３を比較すると、図１２では、高さ情報の変化を示す段差の形状が鈍っており、棒状体の面内における位置の計測分解能が低いことがわかる。図１２では、理論的には、格子パターンの１周期分の長さが計測分解能になる。

これに対し、図１３では、高さ情報の変化を示す段差の形状が明瞭であり、棒状体の面内における位置の計測分解能が十分に高いことがわかる。図１３では、理論的には、カメラ画素のピッチが計測分解能になる。

これらを踏まえると、物体９の輪郭形状と、格子パターンの延在方向と、の関係によって、計測分解能が左右されることがわかる。

そこで、本実施形態では、延在方向が互いに異なっている格子パターンを撮像した第１撮像画像および第２撮像画像を取得する。そして、本ステップでは、２つの画像から算出した位相情報のうち、どちらの信頼性が高いのかを評価する。そして、信頼性が高い方の位相情報を用いて高さ情報を算出することにより、物体９の形状によらず、精度の高い三次元形状を計測することができる。

具体的には、信頼性評価ステップＳ１１０では、信頼性評価部４２２が、第１撮像画像が含む輝度値の分布が持つ信頼性、および、第２撮像画像が含む輝度値の分布が持つ信頼性、を評価する。信頼性とは、位相解析の原理に基づいて推定される、輝度値の分布が持つ位相情報の精度のことをいい、信頼性が高ければ、真値に近い位相情報を得られる確率は高くなる。

本実施形態では、第１撮像画像が含む輝度値の分布の信頼性として、この輝度値の分布の、第１格子パターン５１を模した第１参照波に対する相関性を採用している。同様に、本実施形態では、第２撮像画像が含む輝度値の分布の信頼性として、この輝度値の分布の、第２格子パターン５２を模した第２参照波に対する相関性を採用している。

図１４は、１ピッチ格子の輝度値分布を表す輝度値データセットＤＳと、位相をずらしながら生成した複数の正弦波（第１参照波）と、の相関性を求める手順を説明するための図である。

本実施形態では、信頼性評価部４２２が、１ピッチ格子ＯＰ１の各カメラ画素で得られた図１４に示す輝度値データセットＤＳと、位相をずらしながら第１格子パターン５１の周期で計算によって生成した正弦波と、の相関性を求める。この相関性は、輝度値データセットＤＳが、第１参照波である正弦波に対してどの程度近い分布を有しているかを示すものである。

本ステップでは、まず、第１撮像画像における１ピッチ格子ＯＰ１の輝度値データセットＤＳについての相関性と、第２撮像画像における１ピッチ格子ＯＰ２の輝度値データセットについての相関性と、を評価する。後述するステップでは、この評価結果を比較し、比較結果に基づいて、データ選別用マップを作成する。

以下、第１撮像画像における１ピッチ格子ＯＰ１の輝度値データセットＤＳについての相関性を求める方法について説明する。なお、第２撮像画像における１ピッチ格子ＯＰ２の輝度値データセットについての相関性を求める方法は、以下で説明する方法と同様であるため、説明を省略する。

図１４には、一例として、ｙ軸方向に連続する３５カメラ画素分の輝度値を示している。このうち、ｙ＝０からｙ＝９までの１０カメラ画素が１ピッチ格子ＯＰ１に相当する。つまり、図１４の例では、１０カメラ画素分の長さが、第１格子パターン５１の１周期に相当する。そして、１ピッチ格子ＯＰ１分の輝度値を輝度値データセットＤＳとする。

また、図１４では、１０カメラ画素分の長さを１周期とする正弦波を計算により生成し、カメラ画素ごとの振幅値を求め、記載している。この正弦波は、図１４に示すように、Ｓ（ｙ）＝ｓｉｎ｛２π／１０（ｙ＋φ）｝で表される。このとき、Ｓ（ｙ）が振幅値、φが正弦波の位相である。この位相を、例えば０．５カメラ画素分ずつ振ることにより、位相の異なる複数の正弦波を生成することができる。図１４には、一例として、φ＝０からφ＝９．５まで、０．５カメラ画素ずつ位相を振った複数の正弦波の振幅値Ｓ（ｙ）を示している。なお、位相の振り幅は、特に限定されず、１カメラ画素分またはそれ未満であってもよいし、０．５カメラ画素分未満であってもよい。

次に、輝度値データセットＤＳと、複数の正弦波と、の間で相関性を求め、比較する。図１４では、複数の正弦波のうち、輝度値データセットＤＳと比較する範囲を「比較対象Ｃ」とする。相関性を求めるにあたっては、輝度値データセットＤＳと、比較対象Ｃ中の各正弦波と、の相関係数を算出する。なお、本実施形態では、相関係数を算出するときの第１参照波および第２参照波として正弦波を用いているが、周期が同じであれば、正弦波に代えて、その他の波を用いるようにしてもよい。

図１５は、図１４の表から算出した、輝度値データセットＤＳと複数の正弦波との相関係数の絶対値と、その中の最大値と、を示す表である。

前述した手順で算出した輝度値データセットＤＳと正弦波との相関係数の絶対値およびその最大値は、図１５に示す表のうち、ｙ＝０の行に示している。

ｙ＝０に数値を入れたら、続いて、図１４に示す輝度値データセットＤＳおよび比較対象Ｃをそれぞれｙ軸プラス側に１つシフトさせる。そして、再び、相関係数の絶対値およびその最大値を算出し、算出結果を図１５に示す表のうちのｙ＝１の行に示す。

この作業を、図１５に示すｙ＝２５の行まで繰り返すことにより、図１５に示す表を作成する。なお、図１４に示すφ＝５．０～９．５の正弦波は、φ＝０～４．５の正弦波を反転させたものであるため、それを踏まえて、図１５では、輝度値データセットＤＳとφ＝５．０～９．５の正弦波との相関関数については省略している。以下の説明では、相関係数の絶対値を、単に相関係数という。

このようにして算出した最大値を、各カメラ画素における相関係数として採用する。
上記と同様にして、１ピッチ格子ＯＰ２についても、相関係数およびその最大値を算出する。

以上のような手順を経て、１ピッチ格子ＯＰ１から算出した相関係数の最大値、および、１ピッチ格子ＯＰ２から算出した相関係数の最大値を、カメラ画素ごとに算出する。

１．２．３．３．信頼性比較ステップ
信頼性比較ステップＳ１１２では、信頼性評価部４２２が、カメラ画素ごとに、１ピッチ格子ＯＰ１から算出した相関係数の最大値と、１ピッチ格子ＯＰ２から算出した相関係数の最大値と、を比較する。そして、高い方を記憶部４３に記憶する。これにより、記憶部４３には、前述した第１撮像画像と第２撮像画像のどちらを用いるべきかという「選択情報」が、各カメラ画素の座標と関連付けた状態で記憶される。後述する高さ情報算出ステップＳ１１４では、この選択情報に基づいて、いずれか一方の撮像画像から算出した位相情報を用い、高さ情報を算出する。

なお、あらかじめしきい値（基準値）を設けておき、１ピッチ格子ＯＰ１から算出した相関係数の最大値と１ピッチ格子ＯＰ２から算出した相関係数の最大値の双方がしきい値よりも低い場合には、そのカメラ画素について、最終的な高さ情報を出力しないようにしてもよい。この場合、記憶部４３に記憶される「選択情報」には、第１撮像画像と第２撮像画像のいずれも指定しない。そうなると、そのカメラ画素では、高さ情報が存在しないことになるが、誤差の大きい高さ情報が出力されるよりは、誤差の大きい高さ情報をあらかじめ除外しておいた方が、三次元形状データとしての利用しやすさが向上するため、有用である。

例えば、図１５では、相関係数の最大値のしきい値を０．９５に設定している。相関係数の最大値が０．９５未満になっている欄には、図示の便宜のため、ドットを付している。また、特に、相関係数の最大値が０．９０未満になっている欄には、相対的に密なドットを付している。図１５の例では、これらの欄に該当するカメラ画素について高さ情報を出力しない。

一方、信頼性評価部４２２は、１ピッチ格子ＯＰ１から算出した相関係数と１ピッチ格子ＯＰ２から算出した相関係数の双方がしきい値以上になった場合、双方を記憶部４３に記憶させるようにしてもよい。この場合、記憶部４３に記憶される「選択情報」として、第１撮像画像と第２撮像画像の双方が指定される。

以上のようにして、信頼性評価部４２２は、各カメラ画素の座標と、選択情報と、を関連付けた「データ選別用マップ」を記憶部４３に記憶させる。

なお、信頼性評価部４２２は、物体面９２についてのデータ選別用マップだけでなく、基準面９１についてのデータ選別用マップを作成するようにしてもよい。

１．２．３．４．高さ情報算出ステップ
高さ情報算出ステップＳ１１４では、高さ情報算出部４２６が、記憶部４３に記憶させておいた、物体面９２についての第１位相情報および第２位相情報の少なくとも一方と、基準面９１についての第１位相情報および第２位相情報の少なくとも一方と、を読み出す。

次いで、高さ情報算出部４２６は、データ選別用マップに基づいて位相情報の選択を行うとともに、位相情報についての演算を行い、位相差を求める。そして、高さ情報算出部４２６は、この位相差から、基準面９１から物体面９２までの高さ情報を算出する。得られた高さ情報をカメラ画素に関連付けることにより、物体面９２の三次元形状が得られる。すなわち、演算部４２は、第１撮像画像および第２撮像画像の少なくとも一方について、格子像の位相解析を行い、物体面９２の高さ情報を算出する。

なお、信頼性評価ステップＳ１１０および信頼性比較ステップＳ１１２の位置は、上記の位置に限定されず、例えば、位相解析ステップＳ１０８の前であってもよいし、高さ情報算出ステップＳ１１４の後であってもよい。前者の場合、位相解析ステップＳ１０８では、データ選別用マップで選択された撮像画像について位相解析処理を行う。後者の場合、高さ情報算出ステップＳ１１４では、データ選別用マップで選択された撮像画像から算出した位相情報を用いて、高さ情報を算出する。

以上のように、本実施形態に係る三次元形状計測方法は、投影ステップＳ１０２と、撮像ステップＳ１０４と、形状算出ステップＳ１０６と、を有する。投影ステップＳ１０２では、第１偏光Ｌ１による第１格子パターン５１、および、第１偏光Ｌ１に対して偏光面が直交している第２偏光Ｌ２による第２格子パターン５２を、互いに交差させて物体９（対象物）に投影する。撮像ステップＳ１０４では、物体９に投影されている第１格子パターン５１および第２格子パターン５２を、カメラ３で撮像し、第１偏光Ｌ１による第１撮像画像および第２偏光Ｌ２による第２撮像画像を得る。形状算出ステップＳ１０６では、第１撮像画像および第２撮像画像の少なくとも一方について、格子像の位相解析を行い、物体９の三次元形状を算出する。

このような構成によれば、互いに交差する第１格子パターン５１および第２格子パターン５２を用い、それぞれの格子像の位相解析を行うため、物体９の形状によらず、物体９の三次元形状を精度よく計測することができる。また、特に、１ピッチ位相解析法のように、１枚の撮像画像から位相情報を取得し得る解析方法を用いた場合、高速に位相情報を求められるため、例えば物体９が動いている場合でも、三次元形状を高い精度で計測することができる。

また、本実施形態では、第１格子パターン５１および第２格子パターン５２が、互いに直交している。これにより、物体９の形状によらず、計測分解能を高められる確率が高くなる。その結果、三次元形状をより高い精度で計測することができる。

また、形状算出ステップＳ１０６では、同一カメラ画素について、第１撮像画像における輝度値の分布と第１格子パターン５１を模した第１参照波との相関性、および、第２撮像画像における輝度値の分布と第２格子パターン５２を模した第２参照波との相関性、を算出し、算出した２つの相関性を比較し、相関性が高い方の撮像画像を用いて位相解析を行うことにより、物体９の高さ情報を算出する。

このような構成によれば、相関性に基づいて、撮像画像の輝度値の分布が持つ位相情報の信頼性を的確かつ容易に評価することができる。このため、各カメラ画素で、相関性が高い撮像画像を選択して位相解析を行い、解析結果に基づいて高さ情報を算出するようにすればよい。これにより、計測分解能が相対的に高い方の撮像画像を選択して解析に供することができるので、物体９の輪郭形状と格子パターンの延在方向との関係を考慮することなく、三次元形状を高い精度で計測することができる。

また、本実施形態に係る三次元形状計測装置１は、プロジェクター２と、カメラ３と、位相解析処理部４２４と、高さ情報算出部４２６と、を有する。プロジェクター２は、第１偏光Ｌ１による第１格子パターン５１を射出する第１発光部２１、および、第１偏光Ｌ１に対して偏光面が直交している第２偏光Ｌ２による第２格子パターン５２を射出する第２発光部２２と、を備え、第１格子パターン５１および第２格子パターン５２を互いに交差させて物体９（対象物）に投影する。カメラ３は、第１偏光Ｌ１と第２偏光Ｌ２とを分離する分離プリズム３３（偏光分離部）、分離プリズム３３を介して、物体９に投影されている第１格子パターン５１を撮像し、第１偏光Ｌ１による第１撮像画像を得る第１撮像素子３１、および、分離プリズム３３を介して、物体９に投影されている第２格子パターン５２を撮像し、第２偏光Ｌ２による第２撮像画像を得る第２撮像素子３２、を備える。位相解析処理部４２４は、第１撮像画像および第２撮像画像の少なくとも一方について、格子像の位相解析を行う。高さ情報算出部４２６は、位相解析の解析結果に基づいて、物体９の高さ情報を算出する。

このような構成によれば、互いに交差する第１格子パターン５１および第２格子パターン５２を用い、それぞれの格子像の位相解析を行うため、物体９の形状によらず、物体９の三次元形状を精度よく計測し得る三次元形状計測装置１を実現することができる。また、特に、１ピッチ位相解析法のように、１枚の撮像画像から位相情報を取得し得る解析方法を用いた場合、高速に位相情報を求められるため、例えば物体９が動いている場合でも、三次元形状を高い精度で計測することができる。

また、本実施形態では、プロジェクター２が、合成プリズム２３（偏光合成部）を備える。合成プリズム２３は、第１格子パターン５１および第２格子パターン５２を合成して射出する。

このような合成プリズム２３を備えることにより、プロジェクター２は、互いに重なっている光軸で第１格子パターン５１および第２格子パターン５２を物体９に投影することができる。これにより、第１格子パターン５１および第２格子パターン５２の配光特性の差を小さくすることができる。つまり、第１格子パターン５１の出射点と物体９との位置関係、および、第２格子パターン５２の出射点と物体９との位置関係、の差を小さくすることができる。これにより、この位置関係の差によって輝度値が変化するのを抑制することができ、物体９の三次元形状をより高精度に計測することができる。

また、本実施形態では、分離プリズム３３（偏光分離部）が、プリズム本体３３０と、第１クリーンアップ偏光板３３１と、第２クリーンアップ偏光板３３２と、を備える。プリズム本体３３０は、第１偏光Ｌ１と第２偏光Ｌ２とを分離する。第１クリーンアップ偏光板３３１は、プリズム本体３３０で分離された第１偏光Ｌ１を選択的に透過させる。第２クリーンアップ偏光板３３２は、プリズム本体３３０で分離された第２偏光Ｌ２を選択的に透過させる。

このような構成によれば、プリズム本体３３０の偏光分離特性が十分ではない場合や物体９や基準面９１における反射で第１偏光Ｌ１の偏光状態が乱れた場合でも、分離プリズム３３において、目的とする偏光を精度よく選択して取り出すことができる。これにより、第１撮像画像および第２撮像画像においてノイズ成分の混入を抑制することができる。その結果、位相解析の解析結果における誤差が小さくなるため、最終的により精度の高い三次元形状を算出することができる。

なお、第１偏光Ｌ１および第２偏光Ｌ２は、互いに波長域が異なっていてもよいが、互いに同じ波長域を含むことが好ましい。例えば、第１偏光Ｌ１が赤色の光である場合、第２偏光Ｌ２も赤色の光であることが好ましい。また、第１偏光Ｌ１が白色の光である場合、第２偏光Ｌ２も白色の光であることが好ましい。

このように互いに同じ波長域を含むことにより、第１偏光Ｌ１および第２偏光Ｌ２で波長域が互いに異なる場合に比べて、物体９の物体色による計測精度への影響を低減することができる。つまり、物体９の物体色によって、第１撮像画像および第２撮像画像のいずれかで輝度値が著しく低くなるのを避けることができ、計測分解能が部分的に低下してしまうのを防止することができる。

なお、同じ波長域を含むとは、第１偏光Ｌ１のピーク波長と、第２偏光Ｌ２のピーク波長と、の差が５０ｎｍ以下である状態のことをいう。このような状態であれば、同じ波長域を含むといえる。

また、第１偏光Ｌ１の波長域および第２偏光Ｌ２の波長域は、特に限定されないが、これらの偏光はそれぞれ白色光であることが好ましい。これにより、物体９の色（物体色）によらず、物体面９２は、いずれかの波長域において、十分な反射率を有する。このため、ＲＧＢの各波長域を含む白色光を用いることにより、物体色がどのような色であっても、十分な輝度の第１撮像画像および第２撮像画像を取得することができる。その結果、物体色によらず、高い精度の計測が可能になる。

なお、白色光とは、例えば、白色発光ダイオードやその他の白色光源から出力された光のことをいう。このうち、白色発光ダイオードの白色化方式としては、例えば、三原色ＢＧＲ方式、補色方式、蛍光励起方式等が挙げられるが、いずれであってもよい。

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る三次元形状計測装置および三次元形状計測方法について説明する。

図１６は、第２実施形態に係る三次元形状計測装置が備えるプロジェクターの内部構造を示す概略図である。図１７は、第２実施形態に係る三次元形状計測装置が備えるカメラの内部構造を示す概略図である。

以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１６および図１７において、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

第２実施形態は、プロジェクター２が射出する第１偏光Ｌ１の波長域と第２偏光Ｌ２の波長域とが異なっており、カメラ３が第１偏光Ｌ１および第２偏光Ｌ２を波長域の差によっても分離する機能を有していること以外、第１実施形態と同様である。

図１６に示すプロジェクター２は、図２に示す光源２１２に代えて設けられた光源２１８と、図２に示す光源２２２に代えて設けられた光源２２８と、を備える以外は、図２に示すプロジェクター２と同様である。

光源２１８、２２８は、異なる波長域の光を出射する。図１６では、一例として、光源２１８が青色光ＬＢを出射し、光源２２８が赤色光ＬＲを出射する。青色光ＬＢは、第１偏光板２１４により、青色の第１偏光Ｌ１になる。赤色光ＬＲは、第２偏光板２２４により、赤色の第２偏光Ｌ２になる。したがって、合成プリズム２３で第１偏光Ｌ１および第２偏光Ｌ２を合成してなる合成光Ｌ３は、青色光ＬＢの波長域と赤色光ＬＲの波長域とを合成した波長域を有する光となる。

図１７に示すカメラ３は、第１波長フィルター３５および第２波長フィルター３６が追加されている以外は、図３に示すカメラ３と同様である。

そして、本実施形態に係る三次元形状計測方法では、第１偏光Ｌ１の波長を、第１波長としたとき、第２偏光Ｌ２の波長を、第１波長とは異なる第２波長とする。このようにして波長域を異ならせることにより、第１偏光Ｌ１の偏光状態が、物体９や基準面９１での反射によって乱れてしまい、万が一、第２偏光Ｌ２と同じ偏光状態に変化してしまった場合でも、カメラ３において波長フィルターを用いた波長選択を行うことで、偏光が乱れた光が第２撮像素子３２に到達するのを避けることができる。これにより、偏光が乱れた光に起因したノイズの発生を抑え、三次元形状の計測精度が低下するのを抑制することができる。

また、第１偏光Ｌ１の波長を、第１波長とし、第２偏光Ｌ２の波長を、第１波長とは異なる第２波長としたとき、本実施形態に係るカメラ３の分離プリズム３３（偏光分離部）は、プリズム本体３３０と、第１波長フィルター３５と、第２波長フィルター３６と、を備える。プリズム本体３３０は、第１偏光Ｌ１と第２偏光Ｌ２とを分離する。第１波長フィルター３５は、分離プリズム３３のプリズム本体３３０と第１撮像素子３１との間に設けられ、青色光ＬＢの波長域（第１波長）を選択的に透過させるフィルターである。第２波長フィルター３６は、分離プリズム３３のプリズム本体３３０と第２撮像素子３２との間に設けられ、赤色光ＬＲの波長域（第２波長）を選択的に透過させるフィルターである。

このような構成によれば、プリズム本体３３０の偏光分離特性が十分ではない場合や、物体９や基準面９１における反射で第１偏光Ｌ１や第２偏光Ｌ２の偏光状態が乱れた場合でも、偏光の違いだけでなく、波長の差に基づいて、第１偏光Ｌ１を選択的に第１撮像素子３１に受光させ、第２偏光Ｌ２を選択的に第２撮像素子３２に受光させることができる。つまり、例えば、第１偏光Ｌ１の偏光状態が反射によって乱れてしまい、万が一、第２偏光Ｌ２と同じ偏光状態に変化してしまった場合でも、第２波長フィルター３６によって遮光することができる。これにより、第１偏光Ｌ１の偏光状態が変化してなる光が、第２撮像素子３２に受光されるのを抑制することができる。その結果、第２撮像画像の輝度値にノイズが発生するのを抑制することができる。

なお、第１波長フィルター３５は、前述した第１クリーンアップ偏光板３３１と重なっていてもよいし、一体になっていてもよい。前者の場合、第１波長フィルター３５の位置は、プリズム本体３３０側であってもよいし、第１撮像素子３１側であってもよい。

また、第２波長フィルター３６は、前述した第２クリーンアップ偏光板３３２と重なっていてもよいし、一体になっていてもよい。前者の場合、第２波長フィルター３６の位置は、プリズム本体３３０側であってもよいし、第２撮像素子３２側であってもよい。

したがって、本実施形態に係る三次元形状計測方法では、カメラ３が、第１偏光Ｌ１および第１波長の光による第１撮像画像を撮像し、第２偏光Ｌ２および第２波長の光による第２撮像画像を撮像する機能を有する。換言すれば、第１撮像画像は、第１偏光Ｌ１の偏光状態を有し、かつ、第１波長を有する光を受光して生成された画像であり、第２撮像画像は、第２偏光Ｌ２の偏光状態を有し、かつ、第２波長を有する光を受光して生成された画像である。

このようなカメラ３によれば、カメラ３における分離プリズム３３の偏光分離特性が十分でなくても、結果的に、ノイズの少ない位相情報を算出し得る良好な画像を得ることができる。このため、高い計測精度を維持しつつ、カメラ３の低コスト化を容易に図ることができる。

以上、本発明の三次元形状計測方法および三次元形状計測装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明の三次元形状計測方法は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、前記実施形態に任意の目的の工程が追加されたものであってもよい。また、本発明の三次元形状計測装置は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、前記実施形態の各部が同様の機能を有する任意の構成のものに置換されたものであってもよく、前記実施形態に任意の構成物が付加されたものであってもよい。

１…三次元形状計測装置、２…プロジェクター、３…カメラ、４…制御装置、９…物体、２１…第１発光部、２２…第２発光部、２３…合成プリズム、２４…投影レンズ、３０…カメラ画素、３１…第１撮像素子、３２…第２撮像素子、３３…分離プリズム、３４…撮像レンズ、３５…第１波長フィルター、３６…第２波長フィルター、４１…制御部、４２…演算部、４３…記憶部、４４…表示部、５１…第１格子パターン、５２…第２格子パターン、９０…載置台、９１…基準面、９２…物体面、２１２…光源、２１４…第１偏光板、２１６…格子マスク、２１８…光源、２２２…光源、２２４…第２偏光板、２２６…格子マスク、２２８…光源、３３０…プリズム本体、３３１…第１クリーンアップ偏光板、３３２…第２クリーンアップ偏光板、４２２…信頼性評価部、４２４…位相解析処理部、４２６…高さ情報算出部、５１１…領域、５１２…領域、５２１…領域、５２２…領域、Ｃ…比較対象、ＤＳ…輝度値データセット、Ｌ１…第１偏光、Ｌ２…第２偏光、Ｌ３…合成光、ＬＢ…青色光、ＬＲ…赤色光、Ｏ１…主点、Ｏ２…主点、ＯＰ１…１ピッチ格子、ＯＰ２…１ピッチ格子、Ｓ１０２…投影ステップ、Ｓ１０４…撮像ステップ、Ｓ１０６…形状算出ステップ、Ｓ１０８…位相解析ステップ、Ｓ１１０…信頼性評価ステップ、Ｓ１１２…信頼性比較ステップ、Ｓ１１４…高さ情報算出ステップ、ｖｘ…離間距離、ｖｙ…離間距離

Claims (9)

1. 第１偏光による第１格子パターン、および、前記第１偏光に対して偏光面が直交している第２偏光による第２格子パターンを、互いに交差させて対象物に投影するステップと、
   前記対象物に投影されている前記第１格子パターンおよび前記第２格子パターンを、カメラで撮像し、前記第１偏光による第１撮像画像および前記第２偏光による第２撮像画像を得るステップと、
   前記第１撮像画像および前記第２撮像画像の少なくとも一方について、格子像の位相解析を行い、前記対象物の三次元形状を算出するステップと、
   を有することを特徴とする三次元形状計測方法。
2. 前記第１格子パターンおよび前記第２格子パターンは、互いに直交している請求項１に記載の三次元形状計測方法。
3. 前記第１偏光の波長を、第１波長としたとき、前記第２偏光の波長は、前記第１波長とは異なる第２波長である請求項１または２に記載の三次元形状計測方法。
4. 前記カメラは、前記第１偏光および前記第１波長の光による前記第１撮像画像、および、前記第２偏光および前記第２波長の光による前記第２撮像画像を得る請求項３に記載の三次元形状計測方法。
5. 前記対象物の高さ情報を算出するステップは、
   同一画素について、前記第１撮像画像における輝度値の分布と前記第１格子パターンを模した第１参照波との相関性、および、前記第２撮像画像における輝度値の分布と前記第２格子パターンを模した第２参照波との相関性、を算出し、
   算出した２つの前記相関性を比較し、
   前記相関性が高い方の撮像画像を用いて、前記位相解析を行う請求項１ないし４のいずれか１項に記載の三次元形状計測方法。
6. 第１偏光による第１格子パターンを射出する第１発光部、および、前記第１偏光に対して偏光面が直交している第２偏光による第２格子パターンを射出する第２発光部、を備え、前記第１格子パターンおよび前記第２格子パターンを互いに交差させて対象物に投影するプロジェクターと、
   前記第１偏光と前記第２偏光とを分離する偏光分離部、前記偏光分離部を介して、前記対象物に投影されている前記第１格子パターンを撮像し、前記第１偏光による第１撮像画像を得る第１撮像素子、および、前記偏光分離部を介して、前記対象物に投影されている前記第２格子パターンを撮像し、前記第２偏光による第２撮像画像を得る第２撮像素子、を備えるカメラと、
   前記第１撮像画像および前記第２撮像画像の少なくとも一方について、格子像の位相解析を行う位相解析処理部と、
   前記位相解析の解析結果に基づいて、前記対象物の高さ情報を算出する高さ情報算出部と、
   を有することを特徴とする三次元形状計測装置。
7. 前記プロジェクターは、前記第１格子パターンおよび前記第２格子パターンを合成して射出する偏光合成部を備える請求項６に記載の三次元形状計測装置。
8. 前記偏光分離部は、
   前記第１偏光と前記第２偏光とを分離するプリズム本体と、
   前記プリズム本体で分離された前記第１偏光を選択的に透過させる第１クリーンアップ偏光板と、
   前記プリズム本体で分離された前記第２偏光を選択的に透過させる第２クリーンアップ偏光板と、
   を備える請求項６または７に記載の三次元形状計測装置。
9. 前記第１偏光の波長が、第１波長であり、前記第２偏光の波長が、前記第１波長とは異なる第２波長であるとき、
   前記偏光分離部は、
   前記第１偏光と前記第２偏光とを分離するプリズム本体と、
   前記プリズム本体と前記第１撮像素子との間に設けられ、前記第１波長を選択的に透過させる第１波長フィルターと、
   前記プリズム本体と前記第２撮像素子との間に設けられ、前記第２波長を選択的に透過させる第２波長フィルターと、
   を備える請求項６または７に記載の三次元形状計測装置。

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