JP4924042B2

JP4924042B2 - 三次元形状計測装置及びその校正方法、プログラム、並びにコンピュータ読み取り可能な記録媒体

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Publication number: JP4924042B2
Application number: JP2007003879A
Authority: JP
Inventors: 友紀本間; 博久古川; 正樹諏訪; 大輔光本
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Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2027-01-11
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Description

本発明は、計測対象に投影された光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置及びその校正方法に関するものである。

画像解析によって対象物の三次元形状情報を得る手段として、所定の撮像視野内に存在する計測対象に光パタンを投影し、計測対象の三次元形状に応じて変形した光パタンの変形量を解析する方法がある。代表的な方法としては、光切断法や空間コード法、縞解析法などが挙げられる。これらは全て三角測量の原理に基づいているが、中でも、縞解析法に関しては空間縞解析や時間縞解析など多くの手法が提案されており、高い計測精度を得る手法として知られている。

ところで、通常これらの手法では、光パタンが投影された計測対象の読み取りにエリアカメラを用いているが、エリアカメラを用いると、計測対象が１撮像視野内に収まらないために、エリアカメラを縦及び横の双方に移動させながら１撮像視野ずつ複数回に分けて撮像する必要が度々生じ、撮像時間が長くなってしまうという問題が起こっている。

このような問題に対する解決策として、例えば特許文献１、２や非特許文献１では、エリアカメラの代わりにラインセンサを用いた三次元形状計測方法が提案されている。特許文献１や非特許文献１の計測方法では、光パタンを投影した計測対象をラインカメラで撮像し、続いて、計測対象を搬送することによって投影される光パタンの位相をずらし、位相のずれた光パタンが投影された計測対象をまた別のラインカメラで撮像し、といったことを複数回繰り返し、撮像した複数枚の画像に含まれる光パタンを時間縞解析法（位相シフト法）に基づいて解析することによって三次元形状を測定している。

また、特許文献２の三次元形状測定装置では、光パタンが投影された計測対象を、異なる位置に設置された２つのラインカメラによって別々に撮像し、撮像した２つの画像からステレオ法に基づいて三次元形状を測定している。
特開２００２−２８６４３３号公報（平成１４年(2002)１０月３日公開）特開２００４−１１７１８６号公報（平成１６年(2004)４月１５日公開）藤垣ら「複数ラインセンサによる連続物体形状計測における平行光格子投影手法」，精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集 pp．1061-1062，2004

三次元形状を正確に測定するには、校正を行って、光パタンの変形量と高さとを正確に対応付ける必要がある。例えば、非特許文献１には、物体上の座標（ｘ，ｙ）における位相差Δφ（ｘ，ｙ）と高さｈ（ｘ，ｙ）との関係が、１／ｈ＝Ａ＋Ｂ／Δφで示されている。ここで、Ａ、Ｂは、光パタンの周期、カメラから基準面までの距離、光パタンの投影角度などによって決まる定数である。したがって、既知の高さを有する校正用ターゲットを複数個利用して位相差Δφを計測するか、或いは、高さを調整可能な校正用ターゲットを利用し、複数の高さで位相差Δφを計測するという高さの校正を行うことにより、上記定数Ａ，Ｂを求めることができる。

しかしながら、上記高さの校正は、複数回の計測を行う必要があり、校正に時間がかかる結果となっていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高さの校正を迅速に行うことができる三次元形状計測装置などを実現することを目的とする。

本発明に係る三次元形状計測装置は、計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、上記課題を解決するために、上記光パタンを画像として読み取るためのラインセンサと、上記ラインセンサ及び上記計測対象の少なくとも一方を、上記ラインセンサの主走査方向と異なる副走査方向に移動させる移動部と、上記ラインセンサが上記光パタンを画像として読み取ることを、上記計測対象全体に対して行うように、上記移動部を制御すると共に、上記ラインセンサにより読み取られた画像を解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備えており、該画像解析部は、上記ラインセンサにより読み取られた画像の輝度値を用いて、該画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出手段と、該位相算出手段が算出した位相に基づいて上記計測対象の高さ情報を算出する高さ算出手段と、複数の高さを有する校正用ターゲットにおける或る領域に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける別の領域に対しても行うことにより、上記高さ算出手段が上記計測対象の高さ情報を算出するために必要な校正を行う校正手段とを備えることを特徴としている。

また、本発明に係る三次元形状計測装置の校正方法は、計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、上記光パタンを画像として読み取るためのラインセンサと、上記ラインセンサ及び上記計測対象の少なくとも一方を、上記ラインセンサの主走査方向と異なる副走査方向に移動させる移動部と、上記ラインセンサが上記光パタンを画像として読み取ることを、上記計測対象全体に対して行うように、上記移動部を制御すると共に、上記ラインセンサにより読み取られた画像を解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備える三次元形状計測装置において、上記計測対象の高さ情報を算出するために必要な校正を行う校正方法であって、上記課題を解決するために、上記計測対象として、複数の高さを有する校正用ターゲットにおける或る領域に上記光パタンを投影するように上記移動部を制御する移動制御工程と、上記領域に投影された光パタンをラインセンサによって画像として読み取る光パタン読取工程と、上記移動制御工程および上記光パタン読取工程を、上記校正用ターゲットにおける別の領域に対しても繰り返す繰返工程とを含むことを特徴としている。

上記構成および方法によれば、計測対象の高さ情報を算出するために必要な校正を行うために、複数の高さを有する校正用ターゲットを利用している。さらに、上記構成および方法によれば、校正用ターゲットの或る領域に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように移動部を制御し、次に、校正用ターゲットの別の領域に投影された光パタンをラインセンサが読み取るように移動部を制御している。

したがって、本発明では、ラインセンサおよび校正用ターゲットの少なくとも一方を移動部が移動させて、校正用ターゲットにおける複数の高さの領域をラインセンサが読み取ることにより高さの校正を行うことができる。その結果、校正用ターゲットを取り替えたり、校正用ターゲットの高さを調整したりして、再度計測し直す必要が無いので、高さの校正を迅速に行うことができる。

本発明に係る三次元形状計測装置では、上記校正用ターゲットは、複数の平面を段状に有するものであり、上記校正手段は、上記校正用ターゲットにおける或る平面に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける別の平面に対しても行うことにより、上記校正を行ってもよい。

本発明に係る三次元形状計測装置では、上記校正用ターゲットは、３つ以上の平面を段状に有しており、上記画像解析部は、上記校正用ターゲットにおける上記複数の平面の間隔情報を記憶する記憶部をさらに備えており、上記校正手段は、上記校正用ターゲットにおける或る平面に上記光パタンが投影されるように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける少なくとも３つの平面に対して行う制御手段と、上記光パタンが投影された少なくとも３つの平面に関して、上記位相算出手段が算出した位相同士の差である位相差と、上記記憶部が記憶する間隔情報とに基づいて、上記高さ算出手段が上記計測対象の高さ情報を算出するために必要なパラメータを算出するパラメータ算出手段とを備えてもよい。

さらに、上記校正用ターゲットにおける各平面の段差は一定であり、上記記憶部が記憶する上記複数の平面の間隔情報は、上記段差の情報であってもよい。この場合、複数の平面の間隔情報が段差の情報のみであるため、記憶部を占有するデータを縮小でき、パラメータを算出する処理を簡略化できる。

本発明に係る三次元形状計測装置では、上記画像解析部は、上記校正用ターゲットにおける上記複数の平面のそれぞれと、上記計測対象の三次元形状を計測する上での基準となる平面である基準面との間隔情報を記憶する記憶部をさらに備えており、上記校正手段は、上記校正用ターゲットにおける或る平面に上記光パタンが投影されるように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける少なくとも２つの平面に対して行い、さらに、上記基準面に上記光パタンが投影されるように上記移動部を制御する制御手段と、上記光パタンが投影された少なくとも２つの平面および基準面に関して、上記位相算出手段が算出した位相同士の差である位相差と、上記記憶部が記憶する間隔情報とに基づいて、上記高さ算出手段が上記計測対象の高さ情報を算出するために必要なパラメータを算出するパラメータ算出手段とを備えてもよい。

さらに、上記パラメータ算出手段は、算出したパラメータを、該パラメータを算出するために利用した上記校正用ターゲットの平面と上記基準面とに関する位相差に対応付けて上記記憶部に記憶しており、上記高さ算出手段は、上記記憶部が記憶するパラメータの中から、上記位相算出手段が算出した位相と上記基準面の位相との位相差に対応する上記パラメータを選択するパラメータ選択手段を備えてもよい。この場合、位相差に応じて適切なパラメータを選択できるので、三次元形状の精度を向上させることができる。

本発明に係る三次元形状計測装置では、上記画像解析部は、上記間隔情報を設定して記憶部に記憶させる設定手段をさらに備えてもよい。この場合、校正用ターゲットを作成した後に、公知の測定手段により、各平面の間隔を精度よく測定して、記憶部に記憶させることができるので、校正用ターゲットを精度良く作成する必要がない。

ところで、ラインセンサが校正用ターゲットにおける何れの平面を読み取っているかは、光パタンの位相の変化により判別できるが、以下のように構成すれば、上記平面の識別が容易となる。

すなわち、本発明に係る三次元形状計測装置では、上記記憶部は、上記校正用ターゲットにおける上記複数の平面を識別するための識別情報をさらに記憶しており、上記パラメータ算出手段は、上記識別情報に基づいて、上記光パタンが投影された平面を特定し、上記特定した平面に関する間隔情報を上記記憶部から読み出してもよい。

具体的には、上記識別情報は、上記校正用ターゲットの各平面に施されたマークであり、上記パラメータ算出手段は、上記ラインセンサにより読み取られた画像から上記識別情報を取得することが挙げられる。この場合、校正用ターゲットに識別情報を容易に形成することができる。ここで、マークの例としては、線、バーコード、アイコンなどが挙げられる。

また、上記識別情報は、上記校正用ターゲットの各平面に一様に施された色の輝度であり、上記パラメータ算出手段は、上記ラインセンサにより読み取られた画像の輝度情報から上記識別情報を取得することが挙げられる。この場合も、校正用ターゲットに識別情報を容易に形成することができる。その他、識別情報の例としては、校正用ターゲットにおける平面の副走査方向の長さ（奥行き）が挙げられる。

本発明に係る三次元形状計測装置では、上記校正用ターゲットは、底面に対し傾斜した平面である傾斜面を有するものであり、上記校正手段は、上記傾斜面における或る領域に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記傾斜面における別の領域に対しても行うことにより、上記校正を行ってもよい。この場合、複数の平面を段状に有する校正用ターゲットに比べて、表面形状が簡略化されるので、校正用ターゲットの作製が容易となる。また、校正を行う高さ間隔は、段差で規定されることが無く、副走査方向への移動量に応じて任意の設定とすることができる。

一方で、傾斜面を有する校正用ターゲットを利用する場合、校正用ターゲットが主走査方向に対して傾いていたり、副走査方向への移動量がずれたりすると、ラインセンサの読取り領域における校正用ターゲットの高さが変化することになる。

そこで、本発明に係る三次元形状計測装置では、上記校正用ターゲットは、上記傾斜面と交わる他の平面を有しており、上記校正手段は、上記位相算出手段が算出した位相の副走査方向に対する傾きが、一定、増加、および減少の何れか１つから他の１つに変化する変化点を検出することにより、上記傾斜面と上記他の平面との交線を特定し、特定した交線の方向の主走査方向に対する傾きを算出し、算出した傾きに基づいて、上記ラインセンサが読み取った画像を補正してもよい。この場合、校正用ターゲットが主走査方向に対して傾いていても、該傾きを補正して、高さの校正を行うことができる。なお、上記他の平面は、底面に対して、平行であってもよいし、傾斜していてもよい。

また、本発明に係る三次元形状計測装置では、上記校正用ターゲットは、上記傾斜面と異なる他の傾斜面をさらに有しており、各傾斜面には、所定の高さにマークが施されており、上記校正手段は、上記ラインセンサにより読み取られた画像から各傾斜面の上記マークを特定し、特定したマークであって、副走査方向に並ぶ各傾斜面のマークに関して、上記位相算出手段が算出した上記マークの位置の位相を利用して、該位相の誤差を補正してもよい。

上記の構成によると、校正用ターゲットが主走査方向に対して傾いていたり、副走査方向への移動量がずれたりすることにより発生する位相の誤差は、各傾斜面で誤差の正負が反対となる。従って、各傾斜面で同じ高さの位置であって、副走査方向に並ぶ位置の位相どうしを利用することにより、位相の誤差を相殺することができる。

本発明に係る三次元形状計測装置では、上記パラメータ算出手段は、算出したパラメータを、上記位相算出手段が上記光パタンの位相を算出した画素の主走査方向における位置に対応付けて上記記憶部に記憶しており、上記高さ算出手段は、上記記憶部が記憶するパラメータの中から、上記位置に対応する上記パラメータを選択するパラメータ選択手段を備えてもよい。この場合、主走査方向の位置に応じて適切なパラメータを選択できるので、基準面の主走査方向の歪みを吸収でき、三次元形状の精度を向上させることができる。

本発明に係る三次元形状計測装置では、上記画像解析部は、上記光パタンを含む画像から、上記光パタン以外の背景成分を除去する背景除去手段をさらに備えることが好ましい。この場合、上記位相算出手段が光パタンの位相を算出するときに、画像の背景成分による誤差を減少することができる。

なお、上記構成の三次元形状計測装置に備えられている校正用ターゲットであれば、上述の作用効果を奏することができる。さらに、上記光パタンの照射される表面は、光を拡散反射させるように処理されていてもよい。この場合、校正用ターゲットの或る部分からラインセンサに入射した光が強すぎて、当該部分およびその周囲に対応する画像部分の輝度値が測定可能な上限を越えてしまう、いわゆる「白とび」が発生することを防止できる。

また、底面に平行な平面を少なくとも１つ有し、該平面は、模様が施されているか、或いは、反射率が一様であってもよい。この場合、上記ラインセンサを含む撮像部のピント調整やカメラゲイン、カメラオフセットなどの調整といった、上記撮影部の校正を上記高さの校正と共に行うことができるので、校正のための工程数および構成要素を削減することができ、校正のためのコストを削減することができる。

なお、上記三次元形状計測装置における各手段を、プログラムによりコンピュータ上で機能させることができる。さらに、上記プログラムをコンピュータ読取り可能な記録媒体に記憶させることにより、任意のコンピュータ上で上記プログラムを実行させることができる。

以上のように、本発明に係る三次元形状計測装置は、複数の高さを有する校正用ターゲットを利用して、該校正用ターゲットの或る領域に投影された光パタンをラインセンサが読み取り、次に、別の領域に投影された光パタンをラインセンサが読み取るように移動部を制御することにより高さの校正を行うので、校正用ターゲットを取り替えたり、校正用ターゲットの高さを調整したりして、再度計測し直す必要が無く、これにより、高さの校正を迅速に行うことができるという効果を奏する。

〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図１９に基づいて説明すると以下の通りである。図２は、本発明の一実施形態に係る三次元形状計測システム（三次元形状計測装置）１０の概略構成を示す図である。

図２に示すように、本実施形態の三次元形状計測システム１０は、移動ユニット（移動部）１１に載置された計測対象１２に対し投光ユニット１３から光パタン１４を投影し、計測対象１２に投影された光パタン１４を撮像ユニット１５が撮影し、撮影された光パタン１４の形状を画像解析・処理ユニット（画像解析部、校正手段、制御手段）１６が解析し、これを、移動ユニット１１により計測対象を移動させて繰り返すことによって、計測対象１２全体の三次元形状を計測する装置である。計測される三次元形状の例としては、計測対象１２の表面に設けられた凹部の奥行きや凸部の高さ及びそれらの位置などが挙げられる。三次元形状計測システム１０の使用用途は特に限定されないが、例えば実装基板を検査する装置などに適用することができる。

一般に、計測システムでは、正確な計測を行うために各種の校正が行われる。本実施形態の三次元形状計測システム１０では、三次元空間における座標軸及びスケールの校正が行われる。図１は、三次元形状計測システム１０において、高さ方向のスケールの校正を行う様子を示している。なお、その他の校正に関しては、従来と同様であるので、本願ではその説明を省略する。

図１に示す三次元形状計測システム１０は、図２に示す三次元形状計測システム１０に比べて、計測対象１２の代わりに、階段状の校正用ターゲット２１が移動ユニット１１上に設けられている点が異なる。なお、以下では、図１に示すような校正を行う場合を「校正モード」と称し、図２に示すような三次元形状の計測を行う場合を「計測モード」と称する。

図３は、校正用ターゲット２１の外観を示す図である。図示のように、校正用ターゲット２１は、複数の平面を階段状に有している。この階段の段数ｎは３段以上であり、最下段から最上段までの高さは、計測レンジＤ以上である。

各階段は、底面からの高さ、または隣接する下段との段差ΔＨが既知である。また、各階段の幅Ｗおよび奥行きＬは、撮像ユニット１５の撮影可能範囲以上である。例えば、奥行きＬは、幾何光学の結像公式を用いると、おおよそ、（撮像ユニット１５のラインセンサにおける画素のサイズ）÷（撮像ユニット１５の光学系の焦点距離）×（撮像ユニット１５から各階段までの距離）以上となる。

なお、実施例では、校正用ターゲット２１は、底面の各辺の寸法が約１０ｃｍ程度であり、上記段差ΔＨが約１００μｍ程度である。

上記構成の三次元形状計測システム１０の校正モードにおいて、校正用ターゲット２１の或る平面に投影された光パタン１４を撮像ユニット１５が撮影し、次に、校正用ターゲット２１の別の平面に投影された光パタン１４を撮像ユニット１５が撮影するように、移動ユニット１１を移動させることにより、高さの校正を行っている。したがって、校正用ターゲットを取り替えたり、校正用ターゲットの高さを調整したりして、再度計測し直す必要が無いので、高さの校正を迅速にかつ精度良く行うことができる。

また、Ｚ軸ステージ、エンコーダなどの特別な器具を利用する必要がないので、該特別な器具の機械的なバラツキが上記高さの校正に影響を与えることがなく、その結果、計測精度を向上させることができる。また、校正用ターゲット２１は、上記特別な器具で利用可能なサイズとする必要がないので、サイズを従来よりも小さくすることができる。

なお、本実施形態では、移動ユニット１１は、計測対象１２を移動させているが、撮像ユニット１５および投光ユニット１３を移動させてもよいし、これらの全てを移動させてもよい。

次に、三次元形状計測システム１０の詳細について説明する。図４は、三次元形状計測システム１０の要部構成を示すブロック図である。図１及び図２に示すように、三次元形状計測システム１０は、移動ユニット１１、投光ユニット１３、撮像ユニット１５、及び画像解析・処理ユニット１６を備えている。さらに、三次元形状計測システム１０は、移動ユニット１１を制御する移動コントローラ２２と、投光ユニット１３を制御する投光コントローラ２３とを備えている。

投光ユニット１３は、上述のように、計測対象１２の表面に光パタン１４を投影するためのものである。また、投光ユニット１３は、図４に示すように、ハロゲンランプやキセノンランプなどの光源３１、光源３１から照射された光にパタンを持たせるためのパタン生成素子３２、及びマクロレンズなどの光学系３３を備えている。

投影する光パタンとしては、正弦波、三角波、又は矩形波などの、位置に応じて周期性を有し、かつ位相を特定できるパタンであれば何れのものでもよいが、本実施形態では、計測分解能の向上に寄与する正弦波状の光パタンを用いることとする。また、パタン生成素子３２としては、液晶素子によって構成されたものや、ガラス又はフィルムを加工したものなどを用いることができる。

撮像ユニット１５は、上述のように、光パタン１４が投影された計測対象１２を読み取り、その画像を取得するものである。また、撮像ユニット１５は、図４に示すように、１本のラインセンサ３４と、マクロレンズなどの光学系３５とを備えている。

移動ユニット１１は、ラインセンサ３４の主走査方向（長手方向）、及び該主走査方向と垂直な方向（以下「副走査方向」という）に計測対象１２を水平移動させるためのものである。また、移動ユニット１１は、図４に示すように、計測対象１２を載置するための移動テーブル４１、移動テーブル４１を駆動するサーボモータ４２、移動テーブル４１の位置を検出するリニアスケーラ４３などを備えている。

移動ユニット１１により計測対象１２を副走査方向に移動させつつラインセンサ３４により逐次撮像することによって、計測対象１２全体の三次元形状を計測することが可能になる。また、計測対象１２がラインセンサ３４の撮像範囲よりも主走査方向に広い場合には、移動ユニット１１により計測対象１２を主走査方向に移動させてラインセンサ３４により逐次撮像すればよい。

画像解析・処理ユニット１６は、撮像ユニット１５によって撮像された画像に含まれる光パタン１４を縞解析法によって解析し、計測対象１２の三次元形状を算出すると共に、移動コントローラ２２及び投光コントローラ２３に各種指示を行うものである。また、画像解析・処理ユニット１６は、図４に示すように、撮像ユニット１５からの画像をデジタルデータで取り込むキャプチャボード４４、各種の制御を行う制御部４５、及び各種の情報を記憶する記憶部４６を備えている。

なお、本実施形態では、移動ユニット１１は、計測対象１２を移動させる構成としたが、計測対象１２を移動させる代わりに、投光ユニット１３及び撮像ユニット１５を副走査方向に、さらには主走査方向に移動させる構成としてもよい。すなわち、移動ユニット１１は、計測対象１２を投光ユニット１３及び撮像ユニット１５に対して相対的に移動させるものであればよい。

このような三次元形状計測システム１０に備わる各部の幾何学的位置関係について一例を用いて以下に説明するが、本発明はこれに限定されない。

本実施形態の三次元形状計測システム１０では、撮像ユニット１５のラインセンサ３４は、その主走査方向の軸が移動テーブル４１の載置面と平行になるように設置されている。ラインセンサ３４の光軸と移動テーブル４１の載置面とを平行にすることにより、計測対象１２の上面を均一な倍率で撮像することができる。また、ラインセンサ３４の光軸（主走査方向の軸）と副走査方向とを垂直にしているので、搬送しながら撮影した複数のライン画像からなる２次元画像には、直角部分が直角部分として撮像される。

また、投光ユニット１３は、その光軸が撮像ユニット１５の光軸に対して所定の角度を有するように設置されている。これにより、詳細は後述するが、計測対象１２に投影した光パタンのずれに基づいて、計測対象１２の高さを算出することができる。なお、撮像ユニット１５及び投光ユニット１３の幾何学的配置は設置時にあらかじめ計測しておいてもよいし、校正により算出してもよい。

このような三次元形状計測システム１０の動作について説明すると以下の通りである。まず、画像解析・処理ユニット１６から移動コントローラ２２を介しての命令によって、移動ユニット１１のサーボモータ４２が移動テーブル４１を初期設定位置にセットする。この初期設定位置は、撮像ユニット１５が計測対象１２を撮像する際の副走査方向の撮像開始位置を決定するものであり、撮像ユニット１５の撮像領域が、移動ユニット１１の移動テーブル４１に載せられた計測対象１２の副走査方向における端部に来るような位置であることが好ましい。

そして、投光ユニット１３が計測対象１２に光パタンを投影する。撮像ユニット１５は、光パタンが投影された計測対象１２を走査し、この計測対象１２の画像を取得する。撮像ユニット１５によって取得された画像は、画像解析・処理ユニット１６に送信され、画像解析・処理ユニット１６のキャプチャボード４４によってデジタルデータに変換される。そして、画像解析・処理ユニット１６の制御部４５が光パタンを解析することによって、計測対象１２の高さ情報が算出される。

ここで、本実施形態の三次元形状計測システム１０では、画像中の光パタンを解析する際に、空間縞解析法を用いる構成となっている。これにより、撮像ユニット１５に備わった１本のラインセンサ３４が１回走査して取得した１つのライン画像から、計測対象１２の、撮像ユニット１５の走査領域（撮像領域）内での各位置における高さを求めることができる。なお、空間縞解析法の詳細については後述する。

そして、移動ユニット１１は、画像解析・処理ユニット１６の制御によって、計測対象１２を副走査方向に所定の距離だけ移動させる。これにより、計測対象１２における撮像ユニット１５の撮像領域と投光ユニット１３によって投影される光パタン１４とが、所定の距離だけ副走査方向にずれることになる。この後、再び撮像ユニット１５が計測対象１２を走査し、ライン画像を取得する。ここで得られたライン画像には、計測対象１２の、先ほどの走査領域よりも所定の距離だけ副走査方向にずれた領域が含まれることになる。得られた画像は、同様に画像解析・処理ユニット１６に送信され、新しい走査領域内での各位置における三次元情報が求められる。

このように、移動ユニット１１が再び計測対象１２を所定の距離だけ移動させ、撮像ユニット１５が計測対象１２を撮像し、画像解析・処理ユニット１６がライン画像を解析する処理を繰り返すことによって、計測対象１２の全体の三次元形状が計測される。

なお、計測対象１２の三次元形状情報のうち、ラインセンサ３４の主走査方向の長さ及び副走査方向の長さ情報については、公知の方法によって計測する。具体的に説明すると、計測対象１２の主走査方向の長さ情報は、ライン画像に撮像された計測対象の主走査方向の長さに基づいて算出する。一方、計測対象１２の副走査方向の長さ情報は、移動ユニット１１による移動速度に基づいて算出する。このように、計測対象１２の主走査方向及び副走査方向の長さ情報と、高さ情報とを求めることによって、計測対象１２の三次元形状情報を得ることができる。

なお、上記の所定の距離とは、撮像ユニット１５の撮像領域の副走査方向における長さと等しいことが好ましい。これにより、上記の工程によって計測対象１２の全領域を漏らすことなく迅速に計測することができる。

また、所定の距離ごとの撮像は、移動テーブル４１を一定速度で移動させつつ、撮像ユニット１５に一定時間ごとに撮像させることによって実現することができる。この場合、移動コントローラ２２が、キャプチャボード４４を介して、例えば数ＫＨｚオーダーの一定時間ごとに撮像駆動信号を撮像ユニット１５に送信する。撮像ユニット１５は、この駆動信号をトリガとして光パタンの投影された計測対象１２の画像を取得する。一方、移動コントローラ２２は、同様の一定時間ごとの搬送駆動信号を移動ユニット１１にも送信する。移動ユニット１１のサーボモータ４２は、この搬送駆動信号をトリガとして移動テーブル４１を一定速度で駆動する。これにより、所定の領域ずつ計測対象１２を撮像することができる。

また、所定の距離ごとの撮像にリニアスケーラ４３を利用してもよい。この場合、図４に示すように、リニアスケーラ４３は移動ユニット１１に設けられ、移動テーブル４１が所定の距離だけ移動されるたびに、移動コントローラ２２に対して信号を送信する。そして、移動コントローラ２２は、この信号を受信すると、撮像ユニット１５のラインセンサ３４に対して撮像駆動信号を送信する。これにより、移動ユニット１１の搬送速度ムラなどに左右されることなく、精確に所定の距離ごとの撮像を行うことが可能になり、その結果、三次元計測の精度が向上する。

さて、このような三次元形状計測装置の利点について説明する。本実施形態では、撮像ユニット１５に含まれる読み取りセンサとして、ラインセンサ３４を用いる構成となっている。例えば主走査方向の画素数が１００００画素のラインセンサ３４を用いる場合、主走査方向の長さが１００ｍｍの計測対象を、約１０μｍの分解能で撮像することができる。これに対して、例えば横方向の画素数が６４０画素のエリアカメラを用いる場合、横方向の長さが１００ｍｍの計測対象を、約１５０μｍの分解能でしか撮像することができない。

さて、このような三次元形状計測装置の利点について説明する。本実施形態では、撮像ユニット１５に含まれる読み取りセンサとして、ラインセンサ３４を用いる構成となっている。例えば主走査方向の画素数が７５００画素のラインセンサ３４を用いる場合、主走査方向の長さが１００ｍｍの計測対象を、約１３μｍの分解能で撮像することができる。これに対して、例えば横方向の画素数が６４０画素のエリアカメラを用いる場合、横方向の長さが１００ｍｍの計測対象を、約１５０μｍの分解能でしか撮像することができない。

また、上記のエリアカメラがラインセンサ３４と同じ分解能で撮像するためには、主走査方向に所定の距離ずつ移動し、そして撮像するといった処理工程を最低でも１２セット行う必要がある。この場合、主走査方向に撮像ユニット１５を移動させ、撮像させるために多大な時間を要してしまう。

これに対して、本実施形態の三次元形状計測装置では、ラインセンサ３４を用いることにより、計測対象１２に対して高い分解能で高速な撮像を行うことが可能になる。

さらに、本実施形態では、撮像ユニット１５によって読み取った各ライン画像を空間縞解析法によって解析する構成となっている。空間縞解析法では、１つのライン画像から光パタンの位相ずれを算出し、この位相ずれから三次元情報を算出することができる。よって、計測対象１２に対して必要な延べ走査回数が１回で済むため、ラインセンサの数を１本のみにすることもできる。これにより、複数のラインセンサを平行に設置する構成に比べて、ラインセンサの設置を容易に行うことができるようになる。また、１本のラインセンサで複数回操作を行う構成と比べると、高速に計測を行うことが可能になる。

さらに、１度の走査によって取得した１つのライン画像のみに基づいて高さを計測できるため、走査と同時に三次元形状の計測を行うことも可能になる。これにより、例えば基板の検査を行う場合などに、計測対象となる基板上に何らかの製造上の不具合を発見した際に、最後まで撮像処理を繰り返すことなく直ちに計測を中断させることができ、基板の検査を迅速化することもできるようになる。

次に、画像解析・処理ユニット１６による画像解析の詳細について説明する。まず、本実施形態の画像解析手法の原理について説明する。

画像解析・処理ユニット１６は、光パタンの投影された計測対象１２のライン画像を空間縞解析法に基づいて解析する。空間縞解析法とは、上述したように三角測量の原理に基づくものである。以下では、三角測量の原理、縞解析法、空間縞解析法について順番に説明する。

まず、三角測量の原理について説明する。図５は、三角測量の原理を示す図である。説明を簡単にするため、基準面と垂直な光軸を有する撮像ユニットＣｃによって基準面Ｐ０からの高さがｈの平面Ｐｈを観測する場合を考える。また、投光ユニットＣｐは、基準面Ｐ０から見て撮像ユニットＣｃと同じ高さに配置され、光パタンを基準面Ｐ０上の点Ｏの位置に向けて投影するものとする。

基準面Ｐ０と平行で、高さｈだけ離れた平面Ｐｈを観測する場合、点Ｏに向かう光パタンは点Ｐと交わる。このとき、撮像ユニットＣｃから見ると、基準面Ｐ０へ向けて投影された光パタンは、本来観測されるべき位置Ｏ（すなわち位置Ｑ）から距離ＰＱだけずれた位置Ｐに観測される。この位置ずれＰＱを位相差という。

位相差を算出することができれば、次の式（１）

によって高さｈを算出することができる。

次に、縞解析法について説明する。本実施形態では、計測対象１２に投影する光パタンとして、正弦波状の光パタンを用いる。正弦波状の光パタンとは、輝度が正弦関数によって表されるグラデーションを有するパタンのことをいう。換言すれば、位置と輝度との関係が正弦関数によって表される光パタンのことを正弦波状の光パタンという。正弦波状の光パタンの一例を図６に示す。

このような光パタンを、図７（ａ）、図７（ｂ）に示すような計測対象１２に投影した場合、投影される光パタンを上面から観測すると図８（ａ）のようになる。すなわち、斜め方向から投影された光パタンは、高さを有する凸部において歪みを生じることになる。このように光パタンが投影された計測対象１２を撮像ユニット１５のラインセンサ３４によって走査すると、走査位置と輝度との関係は図８（ｂ）のようになる。

図８（ｂ）の上段に示すように、凸部のない基準面に投影された光パタンは、常に一定の周期で輝度が変化する。これに対して、図８（ｂ）の下段に示すように、凸部に投影された光パタンは凸部の傾斜によって輝度の周期が変化し、その結果、基準面に投影された光パタンに対して位相のずれを生じることになる。よって、実際に計測対象１２に光パタンを投影して撮像した画像（ライン画像）に含まれる或る位置の画素における光パタンの位相と、基準面に光パタンを投影した場合の同画素の位相（基準位相）との差を求めれば、その画素に対応する位置における計測対象１２の高さを上記の三角測量の原理に基づいて求めることができる。

上記の位相差を算出するにあたって、基準位相は、基準面に光パタンを投影して撮像することなどによって予め求めておくことができる。一方、実際に計測対象に光パタンを投影して撮像した画像（ライン画像）に含まれる各位置の画素における光パタンの位相の求め方には、大別して２通りある。空間縞解析法と時間縞解析法との相違点は、この位相の求め方にある。

図８（ｂ）に示すように、正弦関数では、或る一つの変位を与える位相が１周期内に２つ存在する。例えば、ｙ＝ｓｉｎθによって表される関数において、変位ｙ＝０を与える位相θは０及びπの２つ存在する。また、変位ｙ＝１／２を与える位相θはπ／６及び５π／６の２つ存在する。このような理由から、撮像した画像において、単一の画素の輝度値（正弦関数の変位に相当）のみから、その画素における光パタンの位相を求めることはできない。

ここで、従来用いられてきた手法である時間縞解析法では、所定の量だけ位相をずらした光パタンを計測対象に投影して再び計測対象を撮像し、２つの画像を解析することによって位相を１つに決定する。つまり、初めに撮像した画像における或る画素の輝度を基に、その画素における光パタンの位相を２つに絞り込み、次に撮像した画像におけるその画素の輝度を基に、光パタンの位相を１つに特定する。従って、時間縞解析法を用いる場合は、計測対象の反射特性が厳密に一様であったとしても、計測対象を最低でも２回撮像しなければならないことが分かる。

一方、空間縞解析法では、位相を求める画素（以下「注目画素」という）及びその周辺の画素の輝度に基づいて、注目画素における位相を算出する。例えば、上記の例において変位ｙ＝０を与える位相θは０及びπの２つあるが、ここで、注目画素における位相が０の場合とπの場合とでは、周辺の画素の輝度が異なることになる。もし、注目画素における位相が０の場合、例えば注目画素よりも少し位相が小さい側に存在する周辺画素の輝度値は、注目画素の輝度値よりも小さくなる。一方、注目画素における位相がπの場合は、注目画素よりも少し位相が小さい側に存在する周辺画素の輝度値が注目画素の輝度値よりも大きくなる。従って、注目画素の近傍の画素に基づいて、光パタンの位相を１つに決定することができる。このように、注目画素の近傍に存在する画素の輝度値に基づいて、注目画素における位相を決定するのが空間縞解析法の特徴である。

本実施形態の三次元形状計測装置に用いられる空間縞解析法の具体的な処理工程について以下に詳述するが、本発明はこれに限定されず、上述した縞解析法の原理に基づいたものであればどのようなものであってもよい。

本実施形態では、撮像したライン画像から、光パタンを９０°移相した移相光パタンを仮想的に作成する。ここで、投影する光パタンを、次の式（２）

とすると、この光パタンを９０°移相した移相光パタンは、次の式（３）

と表される。従って、位置ｘにおける画素の位相φ（ｘ）は、次の式（４）

で求めることができる。

ここで、Ｉ（ｘ）の値は、主走査方向の位置ｘにおける画素の輝度値である。一方、Ｉ^（ｘ）（以下、ハットのついたＩ（ｘ）を便宜的にこのように記述する）の値の算出には、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換を用いる。すなわち、移相光パタンによる位置ｘにおける輝度値Ｉ^（ｘ）は、次の式（５）

で表される。ここで、取得できる輝度データは画素ごとのデータ、つまり離散的なものであるため、上記の式（５）を次の式（６）

のように近似する。この式（６）によって、Ｉ^（ｘ）の値を求めることができる。

以上より、輝度値Ｉ（ｘ）を取得すれば、上記の式（６）からＩ^（ｘ）の値を求め、上記の式（４）から位相φ（ｘ）を求めることができる。そして、求めた位相φ（ｘ）と基準面における位相φ_０（ｘ）との位相差Δφ（ｘ）により、上述した三角測量の原理に基づいて、位置ｘにおける高さｚを算出することができる。

高さｚは、具体的には、基準面からの距離として算出され、次の式（７）

によって求めることができる。なお、上記の式（７）において、Ａ（ｘ，ｚ）及びＢ（ｘ，ｚ）は、パタン周期やカメラから基準面までの距離、パタンの投影角度などの幾何学的配置に依存して各画素ごとに決まる関数である。ただし、これらの関数は、未知数ｚの関数なので、厳密な形を算出するのは困難である。従って、本実施形態では、予め距離が既知（ｚ_０，ｚ_１，…，ｚ_Ｋ）の校正用ターゲット２１を観測して、｛Ａ（ｘ，ｚ_０），Ｂ（ｘ，ｚ_０）｝、｛Ａ（ｘ，ｚ_１），Ｂ（ｘ，ｚ_１）｝…｛Ａ（ｘ，ｚ_Ｋ），Ｂ（ｘ，ｚ_Ｋ）｝の値を各画素ｘごとに算出し、これを用いて直線近似やスプライン関数近似でｚの関数形を推定している。

次に、画像解析・処理ユニット１６の構成について説明する。図９は、画像解析・処理ユニット１６の制御部４５及び記憶部４６の機能ブロック図である。画像解析・処理ユニット１６の制御部４５は、背景除去部（背景除去手段）５１、輝度取得部５２、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部５３、位相算出部（位相算出手段）５４、位相差算出部５５、パラメータ算出部（パラメータ算出手段）５６、パラメータ選択部（パラメータ選択手段）５７、及び高さ算出部（高さ算出手段）５８を備えている。これらの各部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）に各種制御プログラムを実行させることによって実現される。あるいはその代わりに、図示しないＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などによって実現してもよい。

また、画像解析・処理ユニット１６は記憶部４６を備えており、記憶部４６はＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、外部記憶装置などの何れか１つ又はそれらの組み合わせによって実現されている。記憶部４６には、逆正接ＤＢ（Database）６１、基準位相ＤＢ６２、校正用ターゲットＤＢ６３、パラメータＤＢ６４、及び三次元形状ＤＢ６５が存在する。

逆正接ＤＢ６１は、ｙ＝ｔａｎ^-1ｘによって表される関数におけるｙとｘとの対応を示すデータベースであり、ｘの値と、ｔａｎ^-1ｘの値とが予め関連付けて格納されている。これにより、ｘの値に基づいて、その逆正接の値ｙを検索することができる。

基準位相ＤＢ６２は、光パタンを投影した基準面（高さが常に０の平面）を撮像したライン画像の各画素における光パタンの位相（以下「基準位相」という）を予め格納したデータベースであり、ライン画像に含まれる画素の主走査方向の位置ｘと、その画素における基準位相φ_０（ｘ）とが関連付けて格納されている。これにより、ライン画像に含まれる画素の位置ｘの情報に基づいて、その画素における基準位相φ_０（ｘ）を検索することができる。なお、基準位相ＤＢ６２は、校正モードにおいて、記憶部４６に予め格納または更新されることが望ましい。

校正用ターゲットＤＢ６３は、校正用ターゲット２１の第ｋ段（１≦ｋ≦ｎ、ｋは整数）において隣接する下段（第（ｋ−１）段、但し第０段は底面（基準面）とする）との段差ΔＨを予め格納したデータベースであり、校正用ターゲット２１における階段の順番ｋと段差ΔＨとが関連付けて格納されている。校正モードにおいて、校正用ターゲット２１の段差ΔＨを利用することにより、上記の式（７）におけるパラメータＡ（ｘ，ｚ）、Ｂ（ｘ，ｚ）を算出することができる。

なお、校正用ターゲットＤＢ６３は、上記段差ΔＨに代えて、底面からの高さを格納してもよい。また、上記段差ΔＨが各段で等しい場合には、上記段差ΔＨを上記階段の順番ｋと関連付ける必要はなく、上記段差ΔＨのみを校正用ターゲットＤＢ６３に格納すればよい。この場合、校正用ターゲットＤＢ６３による記憶部４６の負担を軽減できる。

また、上記階段の順番ｋに関連付けられた段差ΔＨを、ライン画像に含まれる画素の主走査方向の位置ｘとさらに関連付けて格納されてもよい。この場合、主走査方向の位置ｘに応じて段差ΔＨが変化する場合、すなわち校正用ターゲット２１における平面どうしが平行でない場合にも対応することができる。

また、校正用ターゲットＤＢ６３は、第ｋ段の奥行きＬを、上記階段の順番ｋと関連付けて格納されてもよい。この場合、移動テーブル４１が副走査方向に上記奥行きＬだけ移動することにより、次段（第（ｋ＋１）段）に光パタンを照射することができ、次段の段差ΔＨを利用することにより、上記の式（７）におけるパラメータＡ（ｘ，ｚ）、Ｂ（ｘ，ｚ）を算出することができる。

パラメータＤＢ６４は、各画素における上記パラメータＡ（ｘ，ｚ）、Ｂ（ｘ，ｚ）を、校正モードにおいて格納したデータベースであり、ライン画像に含まれる画素の主走査方向の位置ｘと、その画素におけるパラメータＡ（ｘ，ｚ）、Ｂ（ｘ，ｚ）とが関連付けて格納されている。これにより、ライン画像に含まれる画素の位置ｘの情報に基づいて、その画素におけるパラメータＡ（ｘ，ｚ）、Ｂ（ｘ，ｚ）を検索することができる。

三次元形状ＤＢ６５は、計測によって得られた計測対象１２の三次元形状情報を格納するためのデータベースである。この三次元形状ＤＢ５２には、計測対象１２の表面上の点を特定するｘ座標（主走査方向に相当）、ｙ座標（副走査方向に相当）、ｚ座標（高さに相当）が関連付けて格納される。これにより、計測終了後に、計測対象１２のｘ座標及びｙ座標に基づいて、その位置における高さ（ｚ座標）を検索することができる。

背景除去部５１は、キャプチャボード４４から取得したライン画像から背景成分を除去するものである。背景除去部５１は、背景成分を除去したライン画像を輝度取得部５２及びＨｉｌｂｅｒｔ変換部５３に送信する。具体的には、背景除去部５１は、光パタンを投影した状態で計測対象１２を撮像したライン画像と、光パタンを投影せずに一様な輝度の光を照射した状態で計測対象１２を撮像した対照ライン画像とを取得し、光パタンを投影した状態のライン画像における各画素の輝度値を、上記対照ライン画像の対応する画素の輝度値で除算している。

図１０（ａ）は、光パタンを投影した状態の上記ライン画像の一例を示しており、図１０（ｂ）は、上記対照ライン画像の一例を示している。同図（ｂ）に示すように、計測対象１２に一様な輝度の光を照射しても、撮像した画像にはムラ（斑）が生じていることが理解できる。これは、計測対象１２の各部位における反射特性の相違に起因する。上記ムラは、同図（ａ）に示すように、光パタンを投影した状態のライン画像にも生じることになり、上記ライン画像を用いて算出される位相に誤差が生じることになる。

光パタンを投影した状態の上記ライン画像の輝度値ｇ_１（ｘ）は次の式（８）

で表される。ここで、Ａ（ｘ）は計測対象１２の反射率、Ｉ_０は計測対象１２に照射する光の平均強度、Ｂは光パタンの振幅、ｋは光パタンの周波数、かつΦは計測対象１２の高さによる位相変調である。

一方、上記対照ライン画像の輝度値ｇ_２（ｘ）は次の式（９）

で表される。

上記の式（８）を上記の式（９）で除算すると、次の式（１０）

となり、計測対象１２の各部位に依存する反射率Ａ（ｘ）が除去される。

図１１は、高さ一定の計測対象１２に関して、背景成分が除去されたライン画像の輝度値と、該ライン画像を用いて算出される位相とを示している。図示において、左側の縦軸は、背景除去後の信号量であり、右側の縦軸は、位相（rad）であり、かつ、横軸は、ライン画像に含まれる画素の主走査方向の位置ｘである。

図１１を参照すると、背景成分が除去されたライン画像の輝度値は、光パタンと同様の正弦関数となり、上記ライン画像を用いて算出される位相は、増加率が一定となっており、上記ムラが除去されていることが理解できる。したがって、計測対象１２の各部位における反射特性の相違に起因する誤差を軽減できるようになる。

なお、ライン画像における背景成分の除去を行う場合は、撮像ユニット１５が光パタンを投影した状態と投影していない状態とで２回の走査を行う構成としてもよいし、撮像ユニット１５と同様の第２の撮像ユニットをさらに設け、この第２の撮像ユニットが対照ライン画像を取得する構成としてもよい。

上記２回の走査を行う場合には、投光ユニット１３に備えるパタン生成素子３２を液晶素子によって構成することが好ましい。これにより、光パタンのオン／オフを容易に切り換えることができるようになる。あるいは、ガラス又はフィルムの表面に、パタンを形成した領域とパタンを形成していない領域とを有するパタン生成素子３２を作製しておき、ガラス又はフィルムをずらすことによって、パタンの有無を切り換えてもよい。

輝度取得部５２は、背景除去部５１からのライン画像データ、すなわち背景成分の除去されたライン画像データから、位置ｘにおける画素の輝度値Ｉ（ｘ）を取得するものである。輝度取得部５２は、取得した輝度値を位相算出部５４に送信する。

Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部５３は、背景除去部５１からのライン画像データ、すなわち背景成分の除去されたライン画像データから、上記の式（６）に基づいて、位置ｘにおける移相光パタンによる画素の輝度値Ｉ＾（ｘ）を算出するものである。Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部５３は、算出した輝度値を位相算出部５４に送信する。

位相算出部５４は、輝度取得部５２からの輝度値Ｉ（ｘ）と、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部５３からの輝度値Ｉ＾（ｘ）とを用い、上記の式（４）に基づいて、位置ｘにおける光パタンの位相を算出する。なお、位相算出部５４は、輝度値Ｉ（ｘ）を輝度値Ｉ＾（ｘ）で除算した後、その逆正接の値を、逆正接ＤＢ６１を参照することによって求めてもよい。

位相算出部５４は、算出した位相を位相差算出部５５に送信する。また、校正モードの場合には、位相算出部５４は、基準面に光パタンを投影して撮像したライン画像に関して算出された、位置ｘにおける光パタンの位相を基準位相として、基準位相ＤＢに格納してもよい。

位相差算出部５５は、位相算出部５４から位置ｘにおける光パタンの位相φ（ｘ）を受信するとともに、基準位相ＤＢ６２を参照して位置ｘにおける光パタンの基準位相φ_０（ｘ）を取得し、上記位相φ（ｘ）から上記基準位相φ_０（ｘ）を減算することによって、位置ｘにおける位相差（位相のずれ）Δφ（ｘ）を算出するものである。位相差算出部５５は、算出した位相差をパラメータ算出部５６、パラメータ選択部５７、及び高さ算出部５８に送信する。

パラメータ算出部５６は、校正モードで実行されるものであり、上記の式（７）におけるパラメータＡ（ｘ，ｚ）、Ｂ（ｘ，ｚ）を算出するものである。具体的には、パラメータ算出部５６は、まず、位相差算出部５５から位置ｘにおける光パタンの位相差Δφ（ｘ）を受信するとともに、校正用ターゲット２１において光パタンが照射されている階段における段差ΔＨを、校正用ターゲットＤＢ６３を参照して取得する。次に、パラメータ算出部５６は、上記位相差Δφ（ｘ）と上記段差ΔＨとを利用して、上記パラメータＡ（ｘ，ｚ）、Ｂ（ｘ，ｚ）を算出する。

この算出方法について説明する。図１２は、ライン画像に含まれる画素の主走査方向の位置ｘと、光パタンの位相φ（ｘ）との関係を、基準面（Ｚ_０平面）、校正用ターゲット２１の第１段（Ｚ平面）、及び校正用ターゲット２１の第２段（Ｚ’平面）ごとに示すグラフである。図中、Ｚ_０平面に関するグラフは実線で示し、Ｚ平面に関するグラフは一点鎖線で示し、Ｚ’平面に関するグラフは二点差線で示している。

図１２を参照すると、同じ位置ｘであっても、高さが異なると位相φ（ｘ）が異なることが理解できる。そこで、或る位置ｘにおいて、Ｚ平面に関する位相からＺ_０平面に関する位相を減算した位相差をΔＰとし、Ｚ’平面に関する位相からＺ_０平面に関する位相を減算した位相差をΔＰ’とし、Ｚ_０平面からＺ平面までの高さをΔＨとし、Ｚ_０平面からＺ’平面までの高さをΔＨ’として、上記の式（７）に代入すると、次の式（１１）

が得られる。したがって、上記の式（１１）を用いて上記パラメータＡ（ｘ，ｚ）、Ｂ（ｘ，ｚ）を算出することができる。

なお、段差が等しい、すなわちΔＨ’＝２ΔＨである場合、上記の式（１１）は次の式（１２）

となり、演算を簡略化することができる。

また、パラメータ算出部５６は、算出したパラメータＡ（ｘ，ｚ）、Ｂ（ｘ，ｚ）を、位置ｘと高さｚとに関連付けてパラメータＤＢ６４に格納する。図１３（ａ）は、パラメータＤＢ６４に格納されるパラメータＡのテーブルの内容を示しており、同図（ｂ）は、パラメータＤＢ６４に格納されるパラメータＢのテーブルの内容を示している。同図（ａ）（ｂ）を参照すると、基準面Ｚ_０及び校正用ターゲット２１における各階段の平面Ｚ_ｋのそれぞれと、画素番号のそれぞれとに対応して、パラメータＡ・Ｂが格納されていることが理解できる。

パラメータ選択部５７は、計測モードで実行されるものであり、パラメータＤＢ６４を参照して、位相差算出部５５からの位相差Δφ（ｘ）に対応するパラメータＡ（ｘ，ｚ）、Ｂ（ｘ，ｚ）を選択するものである。具体的には、パラメータ選択部５７は、位置ｘに対応する画素番号と、位相差Δφ（ｘ）に対応する基準面Ｚ_０及び校正用ターゲット２１の平面Ｚ_ｋとに対応するパラメータＡ、Ｂを選択している。パラメータ選択部５７は、選択したパラメータＡ、Ｂを、高さ算出部５８に送信する。

したがって、校正用ターゲット２１の段数が多いほど、パラメータＡ・Ｂを多数格納することになり、パラメータ選択部５７が適切なパラメータＡ・Ｂを選択できるので、計測精度を向上させることができる。

高さ算出部５８は、計測モードで実行されるものであり、位相差算出部５５からの位相差Δφ（ｘ）とパラメータ選択部５７からのパラメータＡ、Ｂとから、上記の式（７）に基づいて、位置ｘにおける計測対象１２の高さｚを算出するものである。高さ算出部５８は、算出した高さｚを、主走査方向の座標ｘ及び副走査方向の座標ｙと関連付けて、三次元形状ＤＢ６５に格納する。

続いて、上記構成の三次元形状計測システム１０における処理動作について説明する。三次元形状計測システム１０は、まず校正モードに移行して校正を行った後に、計測モードに移行して計測対象１２の三次元形状を計測している。

校正モードでは、図１に示すように、移動テーブル４１上に校正用ターゲット２１が適所に載置され、まず、基準面Ｚ_０を利用して校正が行われ、次に、校正用ターゲット２１の各段を利用して校正が行われる。図１４は、校正モードにおいて画像解析・処理ユニット１６が行う処理動作を示している。

ラインセンサ３４を有する撮像ユニット１５が撮像したライン画像は、画素がラインセンサ３４の主走査方向に連続して配列された画像となっている。この直線状に画素が配列されたライン画像において、画像解析・処理ユニット１６は、その一端部から他端部（終端）に向かって順次校正を行う。よって、まず、主走査方向における画素の位置ｘを０にセットする（ステップＳ１１）。また、投光ユニット１３が光パタンを基準面Ｚ_０に投影して、撮像ユニット１５が撮像を行うように、移動テーブル４１を副走査方向（ｙ方向）の基準位置（ｙ＝０）に移動させる（ステップＳ１１）。

次に、画像解析・処理ユニット１６は、位置ｘにおける位相φ（ｘ）を取得する（ステップＳ１２）。図１５は、位置ｘにおける位相φ（ｘ）を取得するサブルーチンを示している。

図１５に示すように、まず、輝度取得部５２は、背景除去部５１にて背景成分が除去されたライン画像データから、位置ｘにおける画素の輝度値Ｉ（ｘ）を取得する（ステップＳ３１）。続いて、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部５３が、ライン画像データから、上記の式（６）に基づいて、位置ｘにおける移相光パタンによる画素の輝度値Ｉ＾（ｘ）を算出する（ステップＳ３２）。なお、ステップＳ３２を行った後に、ステップＳ３１を行ってもよいし、ステップＳ３１及びステップＳ３２を同時に行ってもよい。

次に、位相算出部５４は、ステップＳ３１にて取得された位置ｘにおける輝度値Ｉ（ｘ）と、ステップＳ３２にて取得された位置ｘにおける輝度値Ｉ＾（ｘ）とから、上記の式（４）に基づいて、位置ｘにおける光パタンの位相φ（ｘ）を算出する（ステップＳ３３）。そして、位置ｘにおける位相φ（ｘ）を取得する処理を終了し、元のルーチンに戻る。

図１４に戻ると、位相算出部５４は、ステップＳ１２にて取得された位置ｘにおける位相φ（ｘ）を、位置ｘにおける基準位相φ_０（ｘ）として、位置ｘと関連付けて基準位相ＤＢ６２に格納する（ステップＳ１３）。続いて、位置ｘがライン画像の終端であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。ここで、位置ｘがライン画像の終端でない場合は、注目画素の位置を主走査方向に１画素分ずらすために、ｘの値を１つ増やす（ステップＳ１５）。そして、ステップＳ１２に戻る。一方、位置ｘがライン画像の終端である場合は、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６では、画像解析・処理ユニット１６は、移動コントローラ２２に指示し、移動コントローラ２２が移動ユニット１１を制御して、校正用ターゲット２１の最初の段に光パタンが照射されるように、移動テーブル４１を−ｙ方向に移動させる。続いて、主走査方向における画素の位置ｘを０にセットする（ステップＳ１７）。

次に、画像解析・処理ユニット１６は、図１５に示す処理を行って、位置ｘにおける位相φ（ｘ）を取得する（ステップＳ１８）。次に、位相差算出部５５は、取得した位置ｘにおける位相φ（ｘ）から、基準位相ＤＢ６２を参照して取得した位置ｘにおける基準位相φ_０（ｘ）を減算することによって、位置ｘにおける位相差Δφ（ｘ）を算出する（ステップＳ１９）。

次に、パラメータ算出部５６は、校正用ターゲットＤＢ６３を参照して、校正用ターゲット２１にて光パタンが照射されている段の位置ｘにおける高さを取得する（ステップＳ２０）。次に、パラメータ算出部５６は、ステップＳ１９にて取得された位置ｘにおける位相差Δφ（ｘ）と、ステップＳ２０にて取得された位置ｘにおける高さとを用いて、上記の式（１１）または上記の式（１２）に基づいて、位置ｘにおけるパラメータＡ、Ｂを算出する。算出されたパラメータＡ、Ｂは、位置ｘと、基準面Ｚ_０又は校正用ターゲット２１の平面Ｚ_ｋとに関連付けて、パラメータＤＢ６４に格納される。

続いて、位置ｘがライン画像の終端であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。ここで、位置ｘがライン画像の終端でない場合は、注目画素の位置を主走査方向に１画素分ずらすために、ｘの値を１つ増やす（ステップＳ２３）。そして、ステップＳ１８に戻る。一方、位置ｘがライン画像の終端である場合は、ステップＳ２４に進む。

ステップＳ２４では、位置ｙが、校正用ターゲット２１の終段（最上段）に対応する位置であるか否かを判定する。ここで、位置６が校正用ターゲット２１の終段に対応する位置でない場合は、画像解析・処理ユニット１６は、移動コントローラ２２に指示し、移動コントローラ２２が移動ユニット１１を制御して、校正用ターゲット２１の次の段に光パタンが照射されるように、移動テーブル４１を−ｙ方向に移動させる（Ｓ２５）。そして、ステップＳ１７に戻る。一方、位置ｙが校正用ターゲット２１の終段である場合は、校正モードの処理を終了する。

図１６は、計測モードにおいて画像解析・処理ユニット１６が行う画像解析処理を示している。画像解析・処理ユニット１６は、直線状に画素が配列されたライン画像において、その一端部から他端部に向かって順次高さを算出する。よって、まず、主走査方向における画素の位置ｘを０にセットする（ステップＳ４１）。

次に、画像解析・処理ユニット１６は、図１５に示す処理を行って、位置ｘにおける位相φ（ｘ）を取得する（ステップＳ４２）。次に、位相差算出部５５は、ステップＳ１９と同様にして、位置ｘにおける位相差Δφ（ｘ）を算出する（ステップＳ４３）。次に、パラメータ選択部５７は、パラメータＤＢ６４を参照して、位置ｘと、ステップＳ４３にて算出された位相差Δφ（ｘ）とに対応するパラメータＡ、Ｂを選択する（Ｓ４４）。

次に、高さ算出部５８は、ステップＳ４３にて算出された位相差Δφ（ｘ）と、ステップＳ４４にて選択されたパラメータＡ、Ｂとから、上記の式（７）に基づいて、位置ｘにおける計測対象１２の高さｚを算出する（ステップＳ４５）。高さ算出部５８は、このようにして算出した高さｚを、主走査方向の座標ｘ及び副走査方向の座標ｙと関連付けて、三次元形状ＤＢ６５に格納する（ステップＳ４６）。

続いて、位置ｘが直線状のライン画像の終端であるか否かを判定する（ステップＳ４７）。ここで、位置ｘがライン画像の終端である場合は、画像解析処理を終了する。一方、位置ｘがライン画像の終端でない場合は、注目画素の位置を主走査方向に１画素分ずらすために、ｘの値を１つ増やす（ステップＳ４８）。そして、ステップＳ４２に戻る。

上記のステップＳ４２からステップＳ４８の処理を繰り返すことにより、三次元形状ＤＢ６５には、計測対象１２の主走査方向に沿った各位置における高さ情報が蓄積される。また、上記の画像解析処理が終了すると、移動ユニット１１が計測対象１２を副走査方向にずらし、その後、撮像ユニット１５が計測対象１２を再び撮像し、撮像によって得られたライン画像に基づいて再び上記の画像解析処理が行われる。これにより、三次元形状ＤＢ６５には、副走査方向に沿った各位置における高さ情報も順次蓄積され、最終的に、計測対象１２全体の三次元形状情報が蓄積される。

なお、上記のステップＳ３２において、式（６）に基づいて位置ｘにおける移相光パタンの輝度値を求める際に、式（６）のパラメータＮの値を可変にすることが好ましい。これは、位置ｘにおける移相光パタンの輝度を算出する際に用いる注目画素近傍の画素の数を可変にすることを意味する。あるいは、空間縞解析法で用いるフィルタのサイズを可変にするともいえる。

この場合、例えば図９に示すように、式（６）におけるパラメータＮの値を入力するための入力機能と、入力されたパラメータＮの値をＨｉｌｂｅｒｔ変換部５３に設定する設定機能とを有する入力・設定部５９を画像解析・処理ユニット１６にさらに設ければよい。これにより、ユーザなどによって入力されたパラメータＮの値（すなわち、算出に用いる近傍画素の数）に基づいて、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部５３が移相光パタンの輝度値Ｉ^（ｘ）を算出するようになる。

ここで、Ｎの値を大きくする（すなわちフィルタのサイズを大きくする）と、より多くの画素に基づいて位相を算出することになり、最終的に求められる高さ情報の算出精度が向上する。一方、Ｎの値を小さくする（すなわちフィルタのサイズを小さくする）と、Ｉ^（ｘ）の算出に必要な演算回数が少なくなり、算出速度が向上する。また、注目画素近傍の画素に黒点などの輝度の不連続点が含まれ難くなるので、不連続点による誤差伝搬の影響を抑制することもできる。

それ以外にも、撮像ユニット１５によって撮像されたライン画像に対して、輝度取得部５２及びＨｉｌｂｅｒｔ変換部５３に送信する前に前処理を行ってもよい。前処理の内容としては、例えばライン画像に含まれるノイズの除去などが挙げられる。さらに、位相算出部５４が位相を算出した後に、算出した位相に対して後処理を行ってもよい。例えば、位相算出部５４と位相差算出部５５との間にＰＬＬ（Phase Locked Loop）部をさらに設け、ノイズによる誤差を軽減することなどが挙げられる。

なお、上記の前処理は、図１５に示すステップＳ３１よりも前に行えばよく、一方上記の後処理は、図１４に示すステップＳ１８とステップＳ１９との間、及び、図１６に示すステップＳ４２とステップＳ４３との間に行えばよい。

以上により、画像解析・処理ユニット１６は、校正用ターゲット２１と、撮像ユニット１５によって撮像されたライン画像とを基に、校正を行うことができると共に、撮像ユニット１５によって撮像されたライン画像を基に、計測対象１２の三次元形状を計測することができる。

次に、計測対象１２に投影する光パタンの好ましい変形例について説明する。

本実施形態の三次元形状計測システム１０や、上述した特許文献１や非特許文献１の装置（以下「従来の装置」という）では、計測対象１２に投影する光パタンの輝度が、ラインセンサ３４の主走査方向に沿って変化する構成となっている。ここで、従来の装置では、位相をずらした最低２種類の光パタンを計測対象に投影した状態で撮像するために、光パタンの輝度の変化のピッチが最も小さくなる方向（以下「最小ピッチ方向」という）を、ラインセンサの主走査方向と異ならせる必要があった。なぜならば、それら２つの方向を一致させてしまうと、ラインセンサの主走査方向に対して垂直な方向の搬送方向に計測対象を搬送しても、計測対象の同一部分に投影される光パタンの位相がずれないからである。

一方、本実施形態の三次元形状計測システム１０では、光パタンが投影された計測対象１２をラインセンサ３４によって撮像して得られた１つのライン画像のみに基づいて、光パタンの位相、ひいては位相差を算出することができる。従って、光パタンの最小ピッチ方向をラインセンサ３４の主走査方向と一致させても何ら問題は生じない。

ここで、ラインセンサ３４によって撮像したライン画像において、光パタンの輝度のピッチは、高さ計測を行う上で、計測精度を決定する重要な因子になる。具体的には、ピッチを小さくすればするほど計測精度が向上する。そして、ラインセンサ３４が撮像したライン画像において光パタンの輝度のピッチが最も小さくなるのは、光パタンの最小ピッチ方向が、ラインセンサ３４の主走査方向と一致する場合である。従って、本実施形態の三次元形状計測システム１０において、計測対象１２に対して投影される光パタンの最小ピッチ方向は、ラインセンサ３４の主走査方向と平行である（一致している）ことが好ましい。

ところで、従来の装置では、光パタンを複数のラインセンサで撮像するため、複数のラインセンサそれぞれの撮像領域に対して光パタンを投影する必要がある。ここで、複数のラインセンサのそれぞれに個別の専用の投影部を設ける場合、投影される光パタンが投影部ごとにバラついてしまうという問題が生じる。このような問題から、投影部を１つにすることが一般的となっている。ここで、投光ユニットを１つにするためには、複数のラインセンサの撮像領域全てカバーできる光パタンを投影する必要がある。

しかしながら、本実施形態の三次元形状計測システム１０では、単一のラインセンサ３４を用いて計測対象１２を撮像する構成であるため、投光ユニット１３によって投影される光パタンは、単一のラインセンサ３４の撮像領域のみをカバーすればよい。よって、本実施形態の三次元形状計測システム１０において、投影する光パタンは、図１および図２のように二次元方向に広がったものでなくてもよい。

この際、光パタンのエネルギー効率を高める上では、投光ユニット１３が、集光した光パタンを投影することが好ましい。具体的には、投光ユニット１３が、図１７に示すように、ラインセンサ３４の主走査方向に延在する１軸に集光した直線形状の光パタン（厳密には副走査方向に微小有限幅を有する）を計測対象１２に投影することが好ましい。この場合、投光ユニット１３は、光パタンを１軸集光するための１軸集光素子を備え、この１軸集光素子によって光パタンを主走査方向に延在する直線形状に集光すればよい。この直線形状の光パタンは、ラインセンサ３４の撮像領域をカバーするように投影される。

なお、上記１軸集光素子の具体例としては、フレネルレンズ又はシリンドリカルレンズなどが挙げられる。これらのレンズをパタン生成素子３２と計測対象１２との間に配置すれば、計測対象１２に対して１軸に集光した光パタンを投影することができる。

次に、本実施形態の三次元計測装置１０の変形例について説明する。上記の説明では、撮像ユニット１５が１本のラインセンサ３４のみを備える構成としたが、本発明はこれに限定されず、複数のラインセンサを備えていてもよい。複数本のラインセンサを備えることにより、ラインセンサの輝度ノイズを統計的に除去することができ、三次元形状計測の安定性を向上させることができる。あるいは、計測対象１２の同一部分を複数回撮像することによってノイズを除去する構成にしてもよい。

また、本実施形態では、ラインセンサ３４が、校正用ターゲット２１の何れの平面を撮像しているかを識別するため、校正用ターゲット２１の各段の奥行きＬを校正用ターゲットＤＢ６３に格納しているが、例えば図１８または図１９に示す校正用ターゲット２１を利用してもよい。

図１８は、校正用ターゲット２１の各段に、各平面を識別するラインパターン（識別情報）７１が施された校正用ターゲット２１を示している。ラインセンサ３４が撮像したライン画像から上記ラインパターン７１を検出することにより、ラインセンサ３４が現在撮像している平面を特定することができる。また、背景除去部５１は、ライン画像の背景成分を除去する場合に、ラインパターン７１も除去されるので、位相φ（ｘ）を算出するときにラインパターン７１による影響を受けることが無い。なお、図示の場合では、各平面を識別する識別情報として、ラインパターン７１を利用しているが、バーコード、アイコンなどの任意のマークを利用することができる。

図１９は、校正用ターゲット２１の各段に、それぞれ異なる輝度の色が一様に施こされた校正用ターゲット２１を示している。ラインセンサ３４が撮像したライン画像または対照ライン画像の平均輝度値を求めることにより、ラインセンサ３４が現在撮像している平面を特定することができる。また、背景除去部５１は、ライン画像の背景成分を除去する場合に、校正用ターゲット２１に施された輝度成分も除去されるので、位相φ（ｘ）を算出するときに、校正用ターゲット２１に施された輝度成分による影響を受けることが無い。

また、本実施形態では、三次元形状計測システム１０は、別々の構成となっているが、それらの構成の一部または全部を一体の構成とすることもできる。

また、入力・設定部（設定手段）５９は、記憶部４６の校正用ターゲットＤＢ６３に格納された段差ΔＨを変更できることが望ましい。この場合、校正用ターゲット２１を作成した後に、公知の測定手段により、上記段差ΔＨを精度よく測定して、記憶部４６に記憶させることができるので、校正用ターゲット２１の作成精度を緩和できる。

また、校正用ターゲット２１の各段における平面は、光パタン１４を鏡のように反射するよりも、拡散反射するように表面が処理されていることが望ましい。この場合、ラインセンサ３４が撮像した画像に、いわゆる「白とび」が発生することを防止できる。

また、本実施形態では、ライン画像を空間縞解析法に基づいて解析しているが、時間縞解析法に基づいて解析することもできる。

〔実施の形態２〕
次に、本発明の別の実施形態について図２０〜図２６に基づいて説明すると以下の通りである。図２０は、本実施形態に係る三次元形状計測システム８０の概略構成を示す図である。図２０に示す三次元形状計測システム８０は、図１に示す三次元形状計測システム１０に比べて、校正用ターゲットの構成が異なり、その他の構成は同様である。なお、上記実施形態で説明した構成と同様の機能を有する構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図２１は、本実施形態の三次元形状計測システム８０にて利用される校正用ターゲット８１の外観を示す図である。図２１に示す校正用ターゲット８１は、図３に示す校正用ターゲット２１に比べて、階段状の構造が傾斜面８２となっている点が異なる。また、校正用ターゲット８１は、傾斜面８２の高さが計測レンジＤ以上であり、傾斜面８２の幅Ｗが撮像ユニット１５の撮影可能範囲以上である。さらに、校正用ターゲット８１は、底面８３に対する傾斜面８２の角度である傾斜角αが既知である。

上記構成の三次元形状計測システム８０の校正モードにおいて、校正用ターゲット８１の傾斜面８２における或る高さの領域に投影された光パタン１４を撮像ユニット１５が撮影し、次に、傾斜面８２における別の高さの領域に投影された光パタン１４を撮像ユニット１５が撮影するように、移動ユニット１１を移動させることにより、高さの校正を行っている。

本実施形態の三次元形状計測システム８０は、図１に示す三次元形状計測システム１０と同様の作用効果を奏すると共に、さらに下記の効果を奏する。すなわち、本実施形態の校正用ターゲット８１は、図３に示す校正用ターゲット２１に比べて、表面形状が簡略化されるので、校正用ターゲット８１の作製が容易となる。

また、校正を行う高さ間隔Δｚは、段差ΔＨで規定されることが無く、任意の設定とすることができる。具体的には、図２１に示すように、移動ユニット１１の移動により光パタン１４の照射領域（ラインセンサ３４の読取り領域）がｙ方向に移動した移動量Δｙと、上記高さ間隔Δｚとの関係は、次の式（１３）
Δｚ／Δｙ＝ｔａｎα …（１３）
となる。従って、上記移動量Δｙを種々に設定することにより、上記高さ間隔Δｚを種々に設定することができる。

上記構成の三次元形状計測システム８０の校正モードにおいて画像解析・処理ユニット１６が行う処理動作は、図１４に示す処理動作に比べて、下記の点が異なり、その他の処理動作は同様である。

すなわち、ステップＳ１６の処理動作に代えて、画像解析・処理ユニット１６は、移動コントローラ２２に指示し、移動コントローラ２２が移動ユニット１１を制御して、校正用ターゲット８１の傾斜面８２の下端、または下端からｙ方向に所定距離離れた領域を光パタン１４が照射するように、移動テーブル４１を−ｙ方向に移動させる処理動作を行う。なお、上記所定距離は任意に設定できる。

また、ステップＳ２５の処理動作に代えて、画像解析・処理ユニット１６は、移動コントローラ２２に指示し、移動コントローラ２２が移動ユニット１１を制御して、現在の照射領域からｙ方向に距離Δｙ離れた領域を光パタン１４が照射するように、移動テーブル４１を−ｙ方向に移動させる処理動作を行う。

ところで、上記の式（１３）が成り立つには、ｙ方向、すなわち、ラインセンサ３４の副走査方向（搬送方向の反対向き）が、校正用ターゲット８１における傾斜面８２と底面８３との交線に垂直である必要がある。換言すれば、上記の式（１３）が成り立つには、ｘ方向、すなわちラインセンサ３４の主走査方向が、上記交線と平行である必要がある。上記交線がｘ方向から角度βだけ傾いている場合、上記の式（１３）は、次の式（１４）
Δｚ／Δｙ＝ｔａｎα×ｃｏｓβ …（１４）
となる。従って、校正用ターゲット８１における傾斜面８２と底面８３との交線が、ラインセンサ３４の主走査方向から傾いている場合、その傾きβを取得する必要がある。

図２２は、上記傾きβを取得可能な校正用ターゲットの一例を示している。図示の校正用ターゲット８１ａは、図２１に示す校正用ターゲット８１に比べて、傾斜面８２の下端部から台部８４が突出している点が異なり、その他の構成は同様である。この台部８４は、上面が底面８３と平行に形成されている。従って、台部８４の上面と傾斜面８２との交線８５は、底面８３と傾斜面８２との交線に平行となるので、ラインセンサ３４が読み取った画像から交線８５を認識できれば、上記傾きβを算出でき、高さの校正を行うことができる。

上記構成の校正用ターゲット８１ａに対し、投光ユニット１３から投影された光パタン１４を、撮像ユニット１５のラインセンサ３４が読み取って光パタン１４の位相φ（ｘ）を算出し、これをラインセンサ３４の読取り領域を副走査方向ｙに移動して繰り返す。図２３は、ラインセンサ３４の読取り領域を副走査方向ｙに移動した場合に、主走査方向の或る画素位置ｘにおける光パタン１４の位相φ（ｘ）がどのように変化するかを示している。図示のように、光パタン１４の位相φ（ｘ）は、ｙ方向の或る位置までは一定であり、その後、ｙ方向に進むにつれて減少している。

ここで、図１２を参照すると、或る画素位置ｘにおける光パタン１４の位相φ（ｘ）は、高さが一定である場合に一定であり、高さが上昇するにつれて低下することが理解できる。このことから、図２３において、位相φ（ｘ）が一定から減少に変化する変化点ｆは、校正用ターゲット８１ａにおいて、高さが一定の領域と上昇する領域との境界に対応し、すなわち平面８４と傾斜面８２との交線８５上の位置に対応することになる。

従って、画像解析・処理ユニット１６は、ラインセンサ３４が読み取った画像から、或る画素位置ｘにおける位相φ（ｘ）の変化点ｆのｙ座標を取得し、これを他の画素位置ｘに関しても行うことにより、上記画像上での交線８５の位置を特定できる。その結果、上記傾きβを算出でき、高さの校正を行うことができる。

なお、校正用ターゲット８１ａの台部８４の上面を用いて、撮像ユニット１５の校正を行うこともできる。例えば、図２４に示すように、台部８４の上面に、縞模様などの模様を施すことにより、撮像ユニット１５のピント調整を行うことができる。また、台部８４の上面の反射率を一様とすることにより、撮像ユニット１５のカメラゲイン、カメラオフセットなどの調整を行うことができる。従って、校正用ターゲット８１ａを用いて、高さの校正と共に撮像ユニット１５の校正を行うことができるので、校正のための工程数および構成要素を削減することができ、校正のためのコストを削減することができる。

図２５は、上記傾きβを取得可能な校正用ターゲットの他の例を示している。図示の校正用ターゲット８１ｂは、図２１に示す校正用ターゲット８１に比べて、上方へ傾斜している傾斜面８２と下方へ傾斜している傾斜面８６とを有する点が異なり、その他の構成は同様である。

図２６は、上記構成の校正用ターゲット８１ｂに対し、ラインセンサ３４の読取り領域を副走査方向ｙに移動した場合に、主走査方向の或る画素位置ｘにおける光パタン１４の位相φ（ｘ）がどのように変化するかを示している。図示のように、光パタン１４の位相φ（ｘ）は、ｙ方向の或る位置までは減少し、その後、ｙ方向に進むにつれて増加している。従って、上述のように、図示において位相φ（ｘ）が減少から増加に変化する変化点ｆは、校正用ターゲット８１ｂにおいて、高さが下降する領域と上昇する領域との境界に対応し、すなわち傾斜面８２と傾斜面８６との交線８７上の位置に対応することになる。

従って、画像解析・処理ユニット１６は、ラインセンサ３４が読み取った画像から、或る画素位置ｘにおける位相φ（ｘ）の変化点ｆのｙ座標を取得し、これを他の画素位置ｘに関しても行うことにより、上記画像上での交線８７の位置を特定できる。その結果、上記傾きβを算出でき、高さの校正を行うことができる。

ところで、傾斜面８２を有する校正用ターゲット８１を利用する場合、ラインセンサ３４の副走査方向ｙに進むにつれて、高さが変化するので、位相φ（ｘ）が変化する。このため、ラインセンサ３４の読み取り領域がｙ方向にずれると、位相φ（ｘ）に誤差が発生することになる。

この問題点に対し、図２５に示す校正用ターゲット８１ｂでは、傾斜面８２・８６において、底面８３から所定の高さに等高線（マーク）８８・８９がそれぞれ施されている。これらの等高線８８・８９は、図２６に示すグラフでは、点ｅ_１・ｅ_２に対応する。

図２６を参照すると、ラインセンサ３４の読み取り領域がｙ方向にずれると、点ｅ_１における位相φ（ｘ）は減少するが、点ｅ_２における位相φ（ｘ）は増加することが理解できる。上記減少量および増加量は、それぞれ、傾斜面８２・８６の傾き、すなわち傾斜角α_１・α_２（図２５参照）に依存する。従って、傾斜角α_１・α_２を考慮して、点ｅ_１における位相φ（ｘ）と、点ｅ_２における位相φ（ｘ）とを加算または平均することにより、位相φ（ｘ）の上記誤差を低減することができる。

なお、上記傾斜角α_１・α_２が等しい場合、上記減少量および増加量も等しくなるので、上記加算または平均の計算において、傾斜角α_１・α_２を考慮する必要が無くなり、その結果、上記計算が容易となる。また、図２５に示す校正用ターゲット８１ｂでは、等高線を各傾斜面に１つ施しているが、２つ以上を施してもよい。

ところで、校正用ターゲット８１が上述のように傾いている場合にも、同様の問題点が発生する。すなわち、上記の場合、校正用ターゲット８１におけるラインセンサ３４の読み取り領域は、ラインセンサ３４の主走査方向ｘに進むにつれて、高さが変化するので、位相差Δφ（ｘ）が変化する。このため、ラインセンサ３４の読み取り領域がｘ方向にずれると、位相差Δφ（ｘ）に誤差が発生することになる。

そこで、図２５に示す校正用ターゲット８１ｂを利用して、ラインセンサ３４が或る画素位置ｘにて傾斜面８２の等高線８８を読み取る場合、上記画素位置ｘがｘ方向にずれると、高さが上昇して、位相差Δφ（ｘ）が増加することになる。一方、ラインセンサ３４が或る画素位置ｘにて傾斜面８６の等高線８９を読み取る場合、上記画素位置ｘがｘ方向にずれると、高さが下降して、位相差Δφ（ｘ）が減少することになる。

従って、傾斜角α_１・α_２を考慮して、ラインセンサ３４が或る画素位置ｘにて傾斜面８２の等高線８８を読み取る場合の位相差Δφ（ｘ）と、ラインセンサ３４が或る画素位置ｘにて傾斜面８６の等高線８９を読み取る場合の位相差Δφ（ｘ）とを加算または平均することにより、位相差Δφ（ｘ）の上記誤差を低減することができる。

最後に、画像解析・処理ユニット１６の各機能ブロック、具体的には背景除去部５１、輝度取得部５２、Ｈｉｌｂｅｒｔ変換部５３、位相算出部５４、位相差算出部５５、パラメータ算出部５６、パラメータ選択部５７、及び高さ算出部５８は、ハードウェアロジックによって構成してもよいし、次のようにＣＰＵを用いてソフトウェアによって実現してもよい。

すなわち、画像解析・処理ユニット１６は、各機能を実現する制御プログラムの命令を実行するＣＰＵ、上記プログラムを格納したＲＯＭ、上記プログラムを展開するＲＡＭ、上記プログラム及び各種データを格納するメモリ等の記憶装置（記録媒体）などを備えている。そして、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウェアである画像解析・処理ユニット１６の制御プログラムのプログラムコード（実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム）をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、上記画像解析・処理ユニット１６に供給し、そのコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。

上記記録媒体としては、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー（登録商標）ディスク／ハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ−ＲＯＭ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ等の光ディスクを含むディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ／ＥＰＲＯＭ／ＥＥＰＲＯＭ／フラッシュＲＯＭ等の半導体メモリ系などを用いることができる。

また、画像解析・処理ユニット１６を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを通信ネットワークを介して供給してもよい。この通信ネットワークとしては、特に限定されず、例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、ＬＡＮ、ＩＳＤＮ、ＶＡＮ、ＣＡＴＶ通信網、仮想専用網（virtual private network）、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、例えば、ＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ、電力線搬送、ケーブルＴＶ回線、電話線、ＡＤＳＬ回線等の有線でも、ＩｒＤＡやリモコンのような赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、８０２．１１無線、ＨＤＲ、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。なお、本発明は、上記プログラムコードが電子的な伝送で具現化された、搬送波に埋め込まれたコンピュータデータ信号の形態でも実現され得る。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明によれば、計測対象の三次元形状を計測する場合に必要な高さの校正を迅速に行うことができるので、例えば実装基板を検査する装置などに好適に適用することができる。

本発明の一実施形態である三次元形状計測システムの概略構成を示す図であり、校正用ターゲットを用いて校正を行う様子を示す図である。上記三次元形状計測システムの概略構成を示す図であり、計測対象の計測を行う様子を示す図である。上記三次元形状計測システムにて用いられる校正用ターゲットの外観を示す上面図および側面図である。上記三次元形状計測システムの要部構成を示すブロック図である。三角測量の原理を説明するための図である。上記三次元形状計測システムにおける投光ユニットが投影する光パタンの一例を示す図である。計測対象の形状を示す図であり、同図（ａ）は上面図であり、同図（ｂ）は側面図である。上記計測対象に光パタンを投影した場合に、上記計測対象に投影された光パタンの歪みを示す図であり、同図（ａ）は上面図であり、同図（ｂ）は基準面での輝度変動と凸部での輝度変動を示す波形図である。上記三次元形状計測システムにおける画像解析・処理ユニットの機能ブロック図である。同図（ａ）は、光パタンを投影した状態で計測対象を撮像したライン画像の一例を示す図であり、同図（ｂ）は、光パタンを投影せずに一様な輝度の光を照射した状態で計測対象を撮像した対照ライン画像の一例を示す図である。高さ一定の計測対象に関して、背景成分が除去されたライン画像の輝度値と、該ライン画像を用いて算出される位相とを示すグラフである。ライン画像に含まれる画素の主走査方向の位置ｘと、光パタンの位相φ（ｘ）との関係を、基準面、校正用ターゲットの第１段、及び校正用ターゲットの第２段ごとに示すグラフである。同図（ａ）は、上記画像解析・処理ユニットの記憶部のパラメータＤＢに格納されるパラメータＡのテーブルの内容を表形式で示す図であり、同図（ｂ）は、上記パラメータＤＢに格納されるパラメータＢのテーブルの内容を表形式で示す図である。校正モードにおいて上記画像解析・処理ユニットが行う処理を示すフローチャートである。上記画像解析・処理ユニットが位置ｘにおける位相φ（ｘ）を取得するサブルーチンを示すフローチャートである。計測モードにおいて上記画像解析・処理ユニットが行う画像解析処理を示すフローチャートである。投光ユニットが投影する光パタンの他の例を示す図である。各平面を識別するラインパターンが各段に施された校正用ターゲットの概要を示す斜視図である。各段に、それぞれ異なる輝度の色が一様に施こされた校正用ターゲットの概要を示す斜視図である。本発明の別の実施形態である三次元形状計測システムの概略構成を示す図であり、校正用ターゲットを用いて校正を行う様子を示す図である。上記三次元形状計測システムにて用いられる校正用ターゲットの外観を示す上面図および側面図である。上記校正用ターゲットの一変形例を示す斜視図である。上記校正用ターゲットに対し光パタンを照射して読み取った光パタンの位相に関して、副走査方向に対する変化の様子を示すグラフである。ピント調整のための模様が施された校正用ターゲットを示す上面図である。上記校正用ターゲットの他の変形例を示す斜視図である。上記校正用ターゲットに対し光パタンを照射して読み取った光パタンの位相に関して、副走査方向に対する変化の様子を示すグラフである。

符号の説明

１０・８０三次元形状計測システム（三次元形状計測装置）
１１移動ユニット（移動部）
１２計測対象
１４光パタン
１６画像解析・処理ユニット（画像解析部、校正手段、制御手段）
２１・８１校正用ターゲット
３４ラインセンサ
４６記憶部
５１背景除去部（背景除去手段）
５４位相算出部（位相算出手段）
５６パラメータ算出部（パラメータ算出手段）
５７パラメータ選択部（パラメータ選択手段）
５８高さ算出部（高さ算出手段）
５９入力・設定部（設定手段）
６３校正用ターゲットＤＢ（間隔情報）
６４パラメータＤＢ
７１ラインパターン（識別情報、マーク）
８２傾斜面
８４台部
８５・８７交線
８６傾斜面
８８・８９等高線（マーク）

Claims

計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
上記光パタンを画像として読み取るためのラインセンサと、
上記ラインセンサ及び上記計測対象の少なくとも一方を、上記ラインセンサの主走査方向と異なる副走査方向に移動させる移動部と、
上記ラインセンサが上記光パタンを画像として読み取ることを、上記計測対象全体に対して行うように、上記移動部を制御すると共に、上記ラインセンサにより読み取られた画像を解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備えており、
該画像解析部は、
上記ラインセンサにより読み取られた画像の輝度値を用いて、該画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出手段と、
該位相算出手段が算出した位相に基づいて上記計測対象の高さ情報を算出する高さ算出手段と、
複数の高さを有する校正用ターゲットにおける或る領域に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける別の領域に対しても行うことにより、上記高さ算出手段が上記計測対象の高さ情報を算出するために必要な校正を行う校正手段とを備え、
上記校正用ターゲットは、３つ以上の平面を段状に有しており、
上記画像解析部は、上記校正用ターゲットにおける上記複数の平面の間隔情報を記憶する記憶部をさらに備えており、
上記校正手段は、
上記校正用ターゲットにおける或る平面に上記光パタンが投影されるように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける少なくとも３つの平面に対して行う制御手段と、
上記光パタンが投影された少なくとも３つの平面に関して、上記位相算出手段が算出した位相同士の差である位相差と、上記記憶部が記憶する間隔情報とに基づいて、上記高さ算出手段が上記計測対象の高さ情報を算出するために必要なパラメータを算出するパラメータ算出手段とを備え、
上記記憶部は、上記校正用ターゲットにおける上記複数の平面を識別するための識別情報をさらに記憶しており、
上記パラメータ算出手段は、上記識別情報に基づいて、上記光パタンが投影された平面を特定し、上記特定した平面に関する間隔情報を上記記憶部から読み出すことを特徴とする三次元形状計測装置。
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
上記光パタンを画像として読み取るためのラインセンサと、
上記ラインセンサ及び上記計測対象の少なくとも一方を、上記ラインセンサの主走査方向と異なる副走査方向に移動させる移動部と、
上記ラインセンサが上記光パタンを画像として読み取ることを、上記計測対象全体に対して行うように、上記移動部を制御すると共に、上記ラインセンサにより読み取られた画像を解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備えており、
該画像解析部は、
上記ラインセンサにより読み取られた画像の輝度値を用いて、該画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出手段と、
該位相算出手段が算出した位相に基づいて上記計測対象の高さ情報を算出する高さ算出手段と、
複数の高さを有する校正用ターゲットにおける或る領域に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける別の領域に対しても行うことにより、上記高さ算出手段が上記計測対象の高さ情報を算出するために必要な校正を行う校正手段とを備え、
上記校正用ターゲットは、複数の平面を段状に有するものであり、
上記校正手段は、上記校正用ターゲットにおける或る平面に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける別の平面に対しても行うことにより、上記校正を行い、
上記画像解析部は、上記校正用ターゲットにおける上記複数の平面のそれぞれと、上記計測対象の三次元形状を計測する上での基準となる平面である基準面との間隔情報を記憶する記憶部をさらに備えており、
上記校正手段は、上記校正用ターゲットにおける或る平面に上記光パタンが投影されるように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける少なくとも２つの平面に対して行い、さらに、上記基準面に上記光パタンが投影されるように上記移動部を制御する制御手段と、
上記光パタンが投影された少なくとも２つの平面および基準面に関して、上記位相算出手段が算出した位相同士の差である位相差と、上記記憶部が記憶する間隔情報とに基づいて、上記高さ算出手段が上記計測対象の高さ情報を算出するために必要なパラメータを算出するパラメータ算出手段とを備え、
上記記憶部は、上記校正用ターゲットにおける上記複数の平面を識別するための識別情報をさらに記憶しており、
上記パラメータ算出手段は、上記識別情報に基づいて、上記光パタンが投影された平面を特定し、上記特定した平面に関する間隔情報を上記記憶部から読み出すことを特徴とする三次元形状計測装置。
上記校正用ターゲットにおける各平面の段差は一定であり、
上記記憶部が記憶する上記複数の平面の間隔情報は、上記段差の情報であることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
上記パラメータ算出手段は、算出したパラメータを、該パラメータを算出するために利用した上記校正用ターゲットの平面と上記基準面とに関する位相差に対応付けて上記記憶部に記憶しており、
上記高さ算出手段は、上記記憶部が記憶するパラメータの中から、上記位相算出手段が算出した位相と上記基準面の位相との位相差に対応する上記パラメータを選択するパラメータ選択手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の三次元形状計測装置。
上記画像解析部は、上記間隔情報を設定して記憶部に記憶させる設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状計測装置。
上記識別情報は、上記校正用ターゲットの各平面に施されたマークであり、
上記パラメータ算出手段は、上記ラインセンサにより読み取られた画像から上記識別情報を取得することを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状計測装置。
上記識別情報は、上記校正用ターゲットの各平面に一様に施された色の輝度であり、
上記パラメータ算出手段は、上記ラインセンサにより読み取られた画像の輝度情報から上記識別情報を取得することを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状計測装置。
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
上記光パタンを画像として読み取るためのラインセンサと、
上記ラインセンサ及び上記計測対象の少なくとも一方を、上記ラインセンサの主走査方向と異なる副走査方向に移動させる移動部と、
上記ラインセンサが上記光パタンを画像として読み取ることを、上記計測対象全体に対して行うように、上記移動部を制御すると共に、上記ラインセンサにより読み取られた画像を解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備えており、
該画像解析部は、
上記ラインセンサにより読み取られた画像の輝度値を用いて、該画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出手段と、
該位相算出手段が算出した位相に基づいて上記計測対象の高さ情報を算出する高さ算出手段と、
複数の高さを有する校正用ターゲットにおける或る領域に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける別の領域に対しても行うことにより、上記高さ算出手段が上記計測対象の高さ情報を算出するために必要な校正を行う校正手段とを備え、
上記校正用ターゲットは、底面に対し傾斜した平面である傾斜面を有するとともに、上記傾斜面と交わる他の平面を有しており、
上記校正手段は、
上記傾斜面における或る領域に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記傾斜面における別の領域に対しても行うことにより、上記校正を行うとともに、
上記位相算出手段が算出した位相の副走査方向に対する傾きが、一定、増加、および減少の何れか１つから他の１つに変化する変化点を検出することにより、上記傾斜面と上記他の平面との交線を特定し、
特定した交線の方向の主走査方向に対する傾きを算出し、
算出した傾きに基づいて、上記ラインセンサが読み取った画像を補正することを特徴とする三次元形状計測装置。
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
上記光パタンを画像として読み取るためのラインセンサと、
上記ラインセンサ及び上記計測対象の少なくとも一方を、上記ラインセンサの主走査方向と異なる副走査方向に移動させる移動部と、
上記ラインセンサが上記光パタンを画像として読み取ることを、上記計測対象全体に対して行うように、上記移動部を制御すると共に、上記ラインセンサにより読み取られた画像を解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備えており、
該画像解析部は、
上記ラインセンサにより読み取られた画像の輝度値を用いて、該画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出手段と、
該位相算出手段が算出した位相に基づいて上記計測対象の高さ情報を算出する高さ算出手段と、
複数の高さを有する校正用ターゲットにおける或る領域に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける別の領域に対しても行うことにより、上記高さ算出手段が上記計測対象の高さ情報を算出するために必要な校正を行う校正手段とを備え、
上記校正用ターゲットは、底面に対し傾斜した平面である傾斜面を有するとともに、上記傾斜面と異なる他の傾斜面をさらに有しており、各傾斜面には、所定の高さにマークが施されており、
上記校正手段は、
上記傾斜面における或る領域に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記傾斜面における別の領域に対しても行うことにより、上記校正を行うとともに、
上記ラインセンサにより読み取られた画像から各傾斜面の上記マークを特定し、
特定したマークであって、副走査方向に並ぶ各傾斜面のマークに関して、上記位相算出手段が算出した上記マークの位置の位相を利用して、該位相の誤差を補正することを特徴とする三次元形状計測装置。
上記パラメータ算出手段は、算出したパラメータを、上記位相算出手段が上記光パタンの位相を算出した画素の主走査方向における位置に対応付けて上記記憶部に記憶しており、
上記高さ算出手段は、上記記憶部が記憶するパラメータの中から、上記位置に対応する上記パラメータを選択するパラメータ選択手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状計測装置。
上記画像解析部は、上記光パタンを含む画像から、上記光パタン以外の背景成分を除去する背景除去手段をさらに備えることを特徴とする請求項１、２、８、または９に記載の三次元形状計測装置。
請求項１または２に記載の三次元形状計測装置に備えられている校正用ターゲットであって、
３つ以上の平面を段状に有しており、上記複数の平面を識別するための識別情報が施されていることを特徴とする校正用ターゲット。
請求項８に記載の三次元形状計測装置に備えられている校正用ターゲットであって、
底面に対し傾斜した平面である傾斜面を有するとともに、上記傾斜面と交わる他の平面を有していることを特徴とする校正用ターゲット。
請求項９に記載の三次元形状計測装置に備えられている校正用ターゲットであって、
底面に対し傾斜した平面である傾斜面を有するとともに、上記傾斜面と異なる他の傾斜面をさらに有しており、各傾斜面には、所定の高さにマークが施されていることを特徴とする校正用ターゲット。
上記光パタンの照射される表面は、光を拡散反射させるように処理されていることを特徴とする請求項１２、１３、または１４に記載の校正用ターゲット。
底面に平行な平面を少なくとも１つ有し、該平面は、模様が施されているか、或いは、反射率が一様であることを特徴とする請求項１２、１３、または１４に記載の校正用ターゲット。
請求項１から１１の何れか１項に記載の三次元形状計測装置を動作させるためのプログラムであって、コンピュータを上記各手段として機能させるためのプログラム。
請求項１７に記載のプログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、上記光パタンを画像として読み取るためのラインセンサと、上記ラインセンサ及び上記計測対象の少なくとも一方を、上記ラインセンサの主走査方向と異なる副走査方向に移動させる移動部と、上記ラインセンサが上記光パタンを画像として読み取ることを、上記計測対象全体に対して行うように、上記移動部を制御すると共に、上記ラインセンサにより読み取られた画像を解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備える三次元形状計測装置において、上記計測対象の高さ情報を算出するために必要な校正を行う校正方法であって、
上記ラインセンサにより読み取られた画像の輝度値を用いて、該画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出工程と、
該位相算出工程において算出した位相に基づいて上記計測対象の高さ情報を算出する高さ算出工程と、
複数の高さを有する校正用ターゲットにおける或る領域に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける別の領域に対しても行うことにより、上記高さ算出工程において上記計測対象の高さ情報を算出するために必要な校正を行う校正工程とを含み、
上記校正用ターゲットは、３つ以上の平面を段状に有しており、
上記画像解析部は、上記校正用ターゲットにおける上記複数の平面の間隔情報を記憶する記憶部をさらに備えており、
上記校正工程は、
上記校正用ターゲットにおける或る平面に上記光パタンが投影されるように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける少なくとも３つの平面に対して行う制御工程と、
上記光パタンが投影された少なくとも３つの平面に関して、上記位相算出工程において算出した位相同士の差である位相差と、上記記憶部が記憶する間隔情報とに基づいて、上記高さ算出工程において上記計測対象の高さ情報を算出するために必要なパラメータを算出するパラメータ算出工程とを含み、
上記記憶部は、上記校正用ターゲットにおける上記複数の平面を識別するための識別情報をさらに記憶しており、
上記パラメータ算出工程は、上記識別情報に基づいて、上記光パタンが投影された平面を特定し、上記特定した平面に関する間隔情報を上記記憶部から読み出すことを特徴とする三次元形状計測装置の校正方法。
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、上記光パタンを画像として読み取るためのラインセンサと、上記ラインセンサ及び上記計測対象の少なくとも一方を、上記ラインセンサの主走査方向と異なる副走査方向に移動させる移動部と、上記ラインセンサが上記光パタンを画像として読み取ることを、上記計測対象全体に対して行うように、上記移動部を制御すると共に、上記ラインセンサにより読み取られた画像を解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備える三次元形状計測装置において、上記計測対象の高さ情報を算出するために必要な校正を行う校正方法であって、
上記ラインセンサにより読み取られた画像の輝度値を用いて、該画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出工程と、
該位相算出工程において算出した位相に基づいて上記計測対象の高さ情報を算出する高さ算出工程と、
複数の高さを有する校正用ターゲットにおける或る領域に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける別の領域に対しても行うことにより、上記高さ算出工程において上記計測対象の高さ情報を算出するために必要な校正を行う校正工程とを含み、
上記校正用ターゲットは、複数の平面を段状に有するものであり、
上記校正工程は、上記校正用ターゲットにおける或る平面に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける別の平面に対しても行うことにより、上記校正を行い、
上記画像解析部は、上記校正用ターゲットにおける上記複数の平面のそれぞれと、上記計測対象の三次元形状を計測する上での基準となる平面である基準面との間隔情報を記憶する記憶部をさらに備えており、
上記校正工程は、上記校正用ターゲットにおける或る平面に上記光パタンが投影されるように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける少なくとも２つの平面に対して行い、さらに、上記基準面に上記光パタンが投影されるように上記移動部を制御する制御工程と、
上記光パタンが投影された少なくとも２つの平面および基準面に関して、上記位相算出工程において算出した位相同士の差である位相差と、上記記憶部が記憶する間隔情報とに基づいて、上記高さ算出工程において上記計測対象の高さ情報を算出するために必要なパラメータを算出するパラメータ算出工程とを含み、
上記記憶部は、上記校正用ターゲットにおける上記複数の平面を識別するための識別情報をさらに記憶しており、
上記パラメータ算出工程は、上記識別情報に基づいて、上記光パタンが投影された平面を特定し、上記特定した平面に関する間隔情報を上記記憶部から読み出すことを特徴とする三次元形状計測装置の校正方法。
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、上記光パタンを画像として読み取るためのラインセンサと、上記ラインセンサ及び上記計測対象の少なくとも一方を、上記ラインセンサの主走査方向と異なる副走査方向に移動させる移動部と、上記ラインセンサが上記光パタンを画像として読み取ることを、上記計測対象全体に対して行うように、上記移動部を制御すると共に、上記ラインセンサにより読み取られた画像を解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備える三次元形状計測装置において、上記計測対象の高さ情報を算出するために必要な校正を行う校正方法であって、
上記ラインセンサにより読み取られた画像の輝度値を用いて、該画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出工程と、
該位相算出工程において算出した位相に基づいて上記計測対象の高さ情報を算出する高さ算出工程と、
複数の高さを有する校正用ターゲットにおける或る領域に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける別の領域に対しても行うことにより、上記高さ算出工程において上記計測対象の高さ情報を算出するために必要な校正を行う校正工程とを含み、
上記校正用ターゲットは、底面に対し傾斜した平面である傾斜面を有するとともに、上記傾斜面と交わる他の平面を有しており、
上記校正工程は、
上記傾斜面における或る領域に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記傾斜面における別の領域に対しても行うことにより、上記校正を行うとともに、
上記位相算出工程において算出した位相の副走査方向に対する傾きが、一定、増加、および減少の何れか１つから他の１つに変化する変化点を検出することにより、上記傾斜面と上記他の平面との交線を特定し、
特定した交線の方向の主走査方向に対する傾きを算出し、
算出した傾きに基づいて、上記ラインセンサが読み取った画像を補正することを特徴とする三次元形状計測装置の校正方法。
計測対象に投影された、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを解析することによって、計測対象の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、上記光パタンを画像として読み取るためのラインセンサと、上記ラインセンサ及び上記計測対象の少なくとも一方を、上記ラインセンサの主走査方向と異なる副走査方向に移動させる移動部と、上記ラインセンサが上記光パタンを画像として読み取ることを、上記計測対象全体に対して行うように、上記移動部を制御すると共に、上記ラインセンサにより読み取られた画像を解析することによって、上記計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備える三次元形状計測装置において、上記計測対象の高さ情報を算出するために必要な校正を行う校正方法であって、
上記ラインセンサにより読み取られた画像の輝度値を用いて、該画像に含まれる或る画素における光パタンの位相を算出する位相算出工程と、
該位相算出工程において算出した位相に基づいて上記計測対象の高さ情報を算出する高さ算出工程と、
複数の高さを有する校正用ターゲットにおける或る領域に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記校正用ターゲットにおける別の領域に対しても行うことにより、上記高さ算出工程において上記計測対象の高さ情報を算出するために必要な校正を行う校正工程とを含み、
上記校正用ターゲットは、底面に対し傾斜した平面である傾斜面を有するとともに、上記傾斜面と異なる他の傾斜面をさらに有しており、各傾斜面には、所定の高さにマークが施されており、
上記校正工程は、
上記傾斜面における或る領域に投影された光パタンを上記ラインセンサが読み取るように上記移動部を制御し、これを上記傾斜面における別の領域に対しても行うことにより、上記校正を行うとともに、
上記ラインセンサにより読み取られた画像から各傾斜面の上記マークを特定し、
特定したマークであって、副走査方向に並ぶ各傾斜面のマークに関して、上記位相算出工程において算出した上記マークの位置の位相を利用して、該位相の誤差を補正することを特徴とする三次元形状計測装置の校正方法。