JP4998077B2 - ３次元形状測定装置および３次元形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物に明部と暗部とからなる縞状の照射光を照射し、この照射光によって測定対象物に形成される縞模様のそれぞれの箇所における位相を変化させながら照射光の反射光を受光することにより測定対象物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置および３次元形状測定方法に関する。

測定対象物の３次元形状を非接触に測定する方法としては、多くの方法が存在する。その中で、例えば特許文献１に示されている位相シフト法による３次元形状測定方法が知られている。また、位相を計算する際にフーリエ変換を用いるフーリエ変換位相シフト法は、ノイズを除去して精度良く位相値を計算することができるため、さらに測定精度を高めることができるという利点を持つ。

図８は、位相シフト法により測定対象物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置の概略図である。この３次元形状測定装置によれば、入力装置５２を介した作業者からの入力指示によってコントローラ５０が３次元センサ１０の照射装置１１に出射指令を出力する。この指令によって照射装置１１から光が出射される。照射装置１１から出射した光は、縞模様が形成された液晶やスライドを透過することにより、あるいは光源からの光を２つの光に分岐してそれぞれの光を光路差を異ならせて干渉させる等の方法により、明部と暗部とが交互に繰り返された縞状の光とされ、このような縞状の光が測定対象物ＯＢに照射される。このため測定対象物ＯＢの表面には一定の間隔で明部と暗部が繰り返された縞模様が形成される。このように測定対象物ＯＢ上に形成される縞模様の形成部位を縞のライン方向とは直角方向に微小距離だけ動かすことによって縞模様のそれぞれの箇所における位相（以下、縞位相という）をずらしていき、所定の移動位置において測定対象物ＯＢからの反射光を受光装置１２により受光する。受光装置１２は受光信号をデータ処理装置３０に出力し、データ処理装置３０は位相シフト法による計算に基づき測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成する。そして、表示装置５４に測定対象物ＯＢの３次元形状を表示する。

図９（ａ）は、液晶やスライドに形成される縞模様を示す図である。図９（ａ）に示すように、この縞模様は各縞のライン方向の直角方向に沿って濃淡が正弦波形状を描くようにされている。つまり、縞模様の各縞のライン方向の直角方向に沿った輝度分布は図９（ｂ）に示すように振幅が一定の正弦波形状となる。ところが、このような縞模様を写した照射光が測定対象物ＯＢに照射された場合には、測定対象物ＯＢの凹凸によって測定対象物ＯＢに形成される縞模様の各縞の間隔は不均一となり、歪な形状となる。したがって、測定対象物ＯＢを受光装置１２にて撮像した場合における撮像画像における縞模様も歪な形状となる。また、測定対象物ＯＢのそれぞれの箇所における反射率は一定でないことがほとんどであり、撮像画像における縞が最も濃い箇所や最も淡い箇所における濃淡の程度も一定ではない。したがって、縞模様の撮像画像において、縞のライン方向に直角な方向に沿った光量分布の波形は正弦波形からくずれた波形となり、振幅も一定ではない。

ここで、受光装置を構成する個々の画素（例えばＣＣＤやＣＭＯＳ）は、常に、測定対象物ＯＢのほぼ同一箇所で反射する光を受光する。つまり、各画素は、測定対象物ＯＢの各測定ポイントに一対一で対応している。したがって、もとの縞状の光の光量分布が図９（ｂ）に示すような正弦波形であるならば、測定対象物ＯＢに形成される縞模様を移動（縞位相をシフト）していった場合に各画素（各受光位置）にて受光する反射光の光量も上記縞状の光の光量分布と同一の周波数の正弦波状に変化する。つまり、縞位相をシフトさせていった場合に各画素にて受光する光の光量曲線はいずれも正弦波形となる。ただし、縞模様中の各々の箇所から受光する光の光量曲線の開始点での位相（初期位相）は各々異なる。例えば、図９（ａ）に示すように縞模様中のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの点を考えると、縞位相が変化した場合、それぞれの点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄからの反射光を受光する画素における光量曲線の光量変化はそれぞれ図１０の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように正弦波形状に変化するが、光量曲線の開始点での位相（初期位相）は各々異なる。

したがって、受光器の微小領域（画素）ごとに、移動前（位相をシフトさせる前）の縞模様における輝度分布の正弦波形の位相値、つまり光量曲線の初期位相が定められる。これは、光量曲線と基準となる正弦波形との位相差が定められると言ってもよい。この位相値を実際に測定対象物ＯＢに形成される縞模様の縞位相と対応させることにより、照射された縞模様のどの縞のラインから反射光を受光したのかを知ることができる。この場合、位相値は０〜２πの間で変化するため同じ位相値の画素や縞位相が複数存在する。よって、各画素の位相値と縞のラインとは１対１に対応しない。１対１で対応させるためには、例えば縞模様の中に１箇所だけ光量が周囲と大きく異なるポイントやラインを作成することにより、あるいは縞模様の光照射とは別にポイントやラインの光照射を行う等の方法により、縞模様中の特定の点やラインに目印となる箇所を設けておく。そして、この目印とされた箇所が検出された場合に、その箇所と受光器の特定の画素とを予め対応付けておくことにより、その対応箇所から順に各画素と縞模様のラインとが１対１に対応する。１対１で対応する箇所の検出方法として上記例の他に、縞模様の輝度分布における正弦波形の振幅を規則性をもって変化させたり、正弦波形の周波数を規則性をもって変化させたりして検出する方法もある。また、個々の画素は、上述したように常に測定対象物ＯＢの同一箇所で反射する光を受光する。これは、個々の画素において、受光する光の受光方向が常に一定であることを示す。よって、個々の画素にて光を受光した場合に、画素ごとに大きさ未定の位置ベクトルが一義的に定まる。これらのことから、各画素において、受光した光の方向（大きさ未定の位置ベクトル；言い換えれば直線）と、照射された縞模様のどの縞のライン（光の出射源と縞のラインにより形成される平面）からの反射光かを決定することによって、平面と直線の交点から測定対象物ＯＢ上の３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を求めることができる。すなわち、受光器の微小領域（画素）ごと、つまり受光位置ごとに位相値を計算し、この位相値を照射した光の縞位相に対応させれば（縞模様における１つのラインに対応させれば）、計算により測定対象物ＯＢ上の３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を求めることができる。

上述のように位相シフト法による３次元形状測定においては、受光器の微小領域（画素）ごとに位相値を計算する必要がある。この場合、縞位相を初期の位相に０，π／２，π，３／２πを追加して変化させ、それぞれの位相状態である場合における反射光の光量（強度）Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３をそれぞれ検出し、以下の計算により位相値φを求める手法がよく行われる。
φ＝ｔａｎ^−１（（Ｉ３−Ｉ１）／（Ｉ２−Ｉ０））
また、反射光の光量を検出する縞位相位置を増やし、反射光の光量データをフーリエ変換（光量データがデジタルデータの場合は離散フーリエ変換）して周波数ごとの度数を求め、測定対象物に形成される縞模様の周波数と一致する周波数における位相を求めることにより、２次反射などの余計な反射光によるノイズを除去した精度のよい位相値を計算することができる。
特開２００３−２５４７３２号公報

しかしながら、位相シフト法による３次元形状測定は、測定対象物全体に縞模様が形成された光を照射するため、照射光の照射箇所の反射率に応じて照射光の強度を個々に制御することはできない。このため、測定対象物に反射率の大きい箇所と小さい箇所が混在している場合において、反射率の大きい箇所からの反射光を受光した画素は反射光の極大値付近で受光器が出力する受光データが飽和するおそれがあり、このような場合にはその画素位置（受光位置）にて正常な正弦波形状の光量曲線が得られないおそれがある。また、反射率の小さい箇所からの反射光を受光した画素は受光した光の強度が小さすぎるためにその画素位置（受光位置）にて正確な形の光量曲線が得られないおそれがある。このように、従来の位相シフト法による３次元形状測定では、測定対象物の反射率によって光量曲線の波形形状が位相値を求める上で適切な形状とならない場合があり、この場合は位相値の計算精度が悪くなるという問題がある。測定対象物の形状はこの位相値に基づいて求められるために、位相値の計算精度が悪くなると、３次元形状の測定精度も悪くなる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、測定対象物に縞模様を形成し、その縞模様を移動させて縞位相を変化させ、測定対象物の表面にて反射した反射光を受光することで測定対象物の３次元形状を測定する場合、つまり位相シフト法により測定対象物の３次元形状を測定する場合において、測定対象物の反射率が場所によって異なっても精度よく形状測定を行うことが可能な３次元形状測定装置または３次元形状測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の特徴は、測定対象物に明部と暗部が周期的に繰り返される縞模様を形成するように、測定対象物に照射光を照射する光照射手段と、測定対象物に形成される前記縞模様のそれぞれの箇所における位相である縞位相が複数の異なる位相となるように前記縞位相を変更する縞走査手段と、前記縞位相が前記複数の異なる各々の位相である場合に測定対象物に照射された照射光の反射光を受光するとともに、受光した反射光の光量に応じた受光信号を出力する受光器と、前記受光器が出力する受光信号に基づいて前記受光器にて受光する光の光量変化を表す光量曲線の位相値を前記受光器における反射光の受光位置ごとに算出し、算出した位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成するデータ処理手段と、を備える３次元形状測定装置において、前記縞位相が前記複数の異なる各々の位相である場合に、照射光が所定の複数の異なる強度で測定対象物に照射されるように、照射光の強度を制御する強度制御手段を備え、前記データ処理手段は、前記受光器における前記反射光の前記受光位置ごとに、前記受光器が出力する受光信号から得られる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度に関する評価データを、前記受光信号に基づいて前記所定の複数の異なる強度で照射光を測定対象物に照射している各々の場合について算出する評価データ算出手段と、前記評価データ算出手段が前記所定の複数の異なる強度で照射光を測定対象物に照射している各々の場合について算出した評価データの中から、その評価データの算出に用いた受光信号から得られる位相値を用いて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度が良好になる評価データを抽出する評価データ抽出手段と、前記評価データ抽出手段が抽出した評価データの算出に用いた受光信号から得られる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成する形状データ作成手段と、を備え、前記評価データは、前記光量曲線と、前記光量曲線の周波数に等しい正弦曲線とのずれ量に相当するデータを含み、前記ずれ量に相当するデータは、前記光量曲線をフーリエ変換することにより得られる度数分布における全体の度数に対する前記縞模様の周波数を示す度数の比であるものとしたことにある。

上記発明に係る３次元形状測定装置によれば、測定対象物に照射される照射光の強度は、測定対象物に形成される縞模様の縞位相が複数の異なる位相である場合のそれぞれにつき所定の複数の異なる強度に変更される。また、照射光の反射光は上記所定の複数の異なる強度にて照射光が測定対象物に照射されるごとに受光器に受光され、受光器は受光した反射光の光量に応じた受光信号を出力する。この受光信号に基づき、当該受光信号から得られる位相値を基に測定対象物の３次元形状を測定した場合における測定精度に関する評価データが上記所定の複数の異なる強度にて照射光が照射される各々の場合について算出される。算出された評価データの中から、測定対象物の３次元形状データの測定精度が良好になる評価データが抽出される。こうして抽出された評価データの算出に用いた受光信号から得られる位相値に基づいて、測定対象物の３次元形状データが作成される。

このように、本発明の３次元形状測定装置は、複数の強度の光を測定対象物に照射してそれぞれの強度の光ごとに測定対象物上に縞模様を形成する。このため測定対象物の同一箇所には強度の異なる複数の照射光が照射され、各々の強度の照射光が照射された場合についての反射光が受光器によって受光されるとともに、受光器から出力される受光信号から、複数の強度の照射光が照射された各々の場合について、測定対象物の３次元形状データの測定精度に関する評価データが求められる。よって、上記複数の強度の照射光が照射された各々の場合について算出された評価データを評価し、この中から測定対象物の３次元形状データの測定精度が良好になる評価データを抽出することによって、各々の強度の照射光が照射された場合について受光された反射光の受光信号（あるいはそれぞれの受光信号から得られる位相値）の中から、その照射光の照射位置における反射率に最も見合った強度の照射光が照射された場合に受光された反射光の受光信号（あるいはその受光信号から得られる位相値）を選択することができる。したがって、選択した受光信号から算出される位相値（あるいは選択した位相値）を用いて測定対象物の３次元形状を測定することにより、測定対象物の反射率の変化による３次元形状データの測定精度の悪化を防止あるいは抑制することができる。

上記光照射手段は、例えば明部と暗部が周期的に繰り返されている光を測定対象物に照射することにより、測定対象物に明部と暗部が周期的に繰り返される縞模様を形成するものであるとよい。上記光は、例えばレーザー光源から出射して平行光とされたレーザー光を縞模様が描かれた液晶フィルタなどに入射して、その透過光を測定対象物上に投影することにより生成することができる。あるいは、上記光は、レーザー光源から出射して平行光とされたレーザー光を２つのレーザー光に分け、位相をずらした状態で２つのレーザー光を干渉させることにより生成することもできる。

上記縞模様のそれぞれの箇所における位相（縞位相）とは、測定対象物に形成された縞模様の縞のライン方向（縞模様において輝度が連続的に一定となっている方向）に直角な方向に沿って光量を検出した場合における光量を示す曲線のそれぞれの箇所における位相のことである。この曲線は一般に正弦曲線である。また、上記縞走査手段は、上記縞模様のそれぞれの箇所における位相（縞位相）が１周期のうちで異なった複数の位相を採るように変更するものであるとよい。例えば縞走査手段は、縞模様の１周期を２πとして表現した場合、初期の位相に０，π／４，π／２，３π／４，π，５π／４，３／２π、７π／４，２πを追加した位相状態の縞模様に変更可能であるものがよい。位相の変更方法については例えば液晶フィルタにより縞模様を形成する場合には、液晶フィルタに描かれた縞模様の縞位相を変更することにより、それを投影する測定対象物上の縞模様の縞位相を変更する方法が採用され得る。

上記受光器は、測定対象物に照射された照射光の反射光を受光して、その受光した反射光の光量に応じた受光信号を出力する。受光器は、複数の画素（受光素子）が所定の領域に配設されたエリアセンサであり、それぞれの画素が、受光した反射光の光量に応じた受光信号を出力するものであるとよい。また、受光器が出力する受光信号は、位相値や評価データを求める場合に使用する際に増幅したり離散化したりしたものであってもよい。

上記強度制御手段は、測定対象物に形成される縞模様の縞位相が縞走査手段によって複数の異なる位相とされる場合の各々について、所定の複数の強度の照射光が照射できるように照射光の強度を制御するものである。例えば、縞位相が初期の位相に０，π／４，π／２，３π／４，π，５π／４，３π／２，７π／４，２πを追加した位相へと変化する場合に、それぞれの場合について、例えば強度が大、中、小である照射光が測定対象物に照射される。上記所定の複数の異なる強度の数は任意であるが、異なる強度のそれぞれの値は、異なる縞位相間で共通であるとよい。例えば、照射光の強度レベルをレベル０，１，２（レベル０＜レベル１＜レベル２）で表した場合、縞位相が異なる各々の位相である場合についてレベル０，１，２の３種類の強度の光が測定対象物に照射されるように、照射光の強度が強度制御手段により制御されるのがよい。

また、照射光の強度の制御方法としては、例えば光照射手段にレーザー光源を用いる場合に、このレーザー光源に供給する電流および電圧を変化させることにより照射光の強度を制御する方法が採用され得る。

上記評価データ算出手段は、上記所定の複数の異なる強度で測定対象物に照射光が照射されている各々の場合ごとに評価データを算出する。例えば上記例のように照射光の強度をレベル０，１，２の３種類に変更する場合には、強度がレベル０である場合における評価データ、レベル１である場合における評価データ、レベル２である場合における評価データをそれぞれ算出する。

上記評価データ抽出手段は、例えば上記例のように照射光の強度がレベル０である場合における評価データ、レベル１である場合における評価データ、レベル２である場合における評価データが算出された場合には、これらの中から３次元形状データの測定精度が良好になる受光信号に基づいて算出された評価データを抽出するものである。このような抽出は各強度の照射光ごとに算出された評価データを所定の値と比較したり、あるいは相対的に比較したりして、各評価データを評価することにより行う。また、上記形状データ作成手段は評価データ抽出手段が抽出した評価データの算出の基となる受光信号から求められる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成する。この場合、形状データ作成手段は、上記のようにして求められる位相値が対応する縞模様における縞のラインを検出し、検出した縞のラインと上記位相値を算出した受光器における受光位置とを用いて測定対象物の３次元座標値を計算するものであるとよい。

上記位相値は、受光器が出力する受光信号に基づいて求められる。この位相値は、具体的には、受光器のそれぞれの受光位置（各画素）において、測定対象物に形成される縞模様の縞位相が複数の異なる位相に変更されるごとに受光器が受光した反射光の光量変化を表す光量曲線の初期位相であって、これは光量曲線と基準となる曲線の位相差ともいえる。光量曲線は一般に正弦波とされる。

また、上記発明において、前記データ処理手段は、前記受光器における前記反射光の前記受光位置ごとに、前記受光器が出力する受光信号に基づいて前記所定の複数の異なる強度で照射光を測定対象物に照射している各々の場合について位相値を算出する位相値算出手段と、前記評価データ抽出手段が抽出した評価データの算出に用いた受光信号に基づいて前記位相値算出手段が算出した位相値を選択する位相値選択手段とを備え、前記形状データ作成手段は、前記位相値選択手段が選択した位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成するものであるとよい。これによれば、所定の複数の異なる強度で照射光を測定対象物に照射している各々の場合について、評価データとともに位相値が算出される。そして、評価データ抽出手段によって抽出された評価データを算出する基となる受光信号に基づいて算出された位相値を用いて測定対象物の３次元形状データが作成される。

また、上記発明において、前記データ処理手段は、前記評価データ抽出手段が抽出した評価データの算出に用いた受光信号を選択する受光信号選択手段と、前記受光信号選択手段が選択した受光信号に基づいて位相値を算出する選択位相値算出手段と、を備え、前記形状データ作成手段は、前記選択位相値算出手段が算出した位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成するものであってもよい。これによれば、全ての評価データに対応する位相値は算出されず、抽出された評価データに対応する位相値のみが算出される。そして、算出した位相値を用いて測定対象物の３次元形状データが作成される。

また、本発明の他の特徴は、測定対象物に明部と暗部が周期的に繰り返される縞模様を形成するように、測定対象物に照射光を照射する光照射手段と、測定対象物に形成される前記縞模様のそれぞれの箇所における位相である縞位相が複数の異なる位相となるように前記縞位相を変更する縞走査手段と、前記縞位相が前記複数の異なる各々の位相である場合に測定対象物に照射された照射光の反射光を受光するとともに、受光した反射光の光量に応じた受光信号を出力する受光器と、前記受光器が出力する受光信号に基づいて前記受光器にて受光する光の光量変化を表す光量曲線の位相値を前記受光器における反射光の受光位置ごとに算出し、算出した位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成するデータ処理手段と、を備える３次元形状測定装置において、前記受光器は、前記縞位相が前記複数の異なる各々の位相である場合に所定の複数の異なる受光時間にて反射光を受光し、受光した反射光の光量に応じた受光信号を前記所定の複数の異なる受光時間にて反射光を受光する各々の場合ごとに出力し、前記データ処理手段は、前記受光器における前記反射光の前記受光位置ごとに、前記受光器が出力する受光信号から得られる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度に関する評価データを、前記受光信号に基づいて前記所定の複数の異なる受光時間にて前記受光器が反射光を受光する各々の場合ごとに算出する評価データ算出手段と、
前記評価データ算出手段が前記所定の複数の異なる受光時間にて前記受光器が反射光を受光する各々の場合ごとに算出した評価データの中から、その評価データの算出に用いた受光信号から得られる位相値を用いて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度が良好になる評価データを抽出する評価データ抽出手段と、前記評価データ抽出手段が抽出した評価データを算出する受光信号から得られる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成する形状データ作成手段と、を備え、前記評価データは、前記光量曲線と、前記光量曲線の周波数に等しい正弦曲線とのずれ量に相当するデータを含み、前記ずれ量に相当するデータは、前記光量曲線をフーリエ変換することにより得られる度数分布における全体の度数に対する前記縞模様の周波数を示す度数の比であるものとしたことにある。

上記発明に係る３次元形状測定装置によれば、受光器は、測定対象物に照射された照射光の反射光を受光する際に、測定対象物に形成される縞模様の縞位相が複数の異なる位相である場合の各々につき、所定の複数の異なる受光時間にて反射光を受光し、受光した反射光の光量に応じた受光信号を上記所定の複数の異なる受光時間にて反射光を受光する各々の場合について出力する。この受光信号に基づき、当該受光信号から得られる位相値を基に測定対象物の３次元形状を測定した場合における測定精度に関する評価データが上記所定の複数の異なる受光時間にて受光器が反射光を受光したそれぞれの場合について算出される。算出された評価データの中から、測定対象物の３次元形状データの測定精度が良好になる評価データが抽出される。こうして抽出された評価データの算出に用いた受光信号から得られる位相値に基づいて、測定対象物の３次元形状データが作成される。

このように、本発明の３次元形状測定装置は、測定対象物に形成される縞模様の縞位相が各々の位相である場合につき、受光器は複数の異なる受光時間にて反射光を受光する。受光時間は受光器が反射光を受光するときの受光感度を表す。このため受光器は、測定対象物の同一箇所において複数の異なった受光感度で反射光を受光することになる。そして、それぞれの受光感度にて受光した反射光の受光信号から測定対象物の３次元形状データの測定精度に関する評価データが求められる。よって、上記複数の異なる受光時間にて反射光を受光した各々の場合について算出された評価データを評価し、この中から測定対象物の３次元形状データの測定精度が良好になる評価データを抽出することによって、上記複数の受光時間にて反射光を受光した各々の場合について受光された反射光の受光信号（あるいはそれぞれの受光信号から得られる位相値）の中から、その照射光の照射位置における反射率に最も見合った受光感度で反射光を受光しているときの受光信号（あるいはその受光信号から得られる位相値）を選択することができる。したがって、選択した受光信号から算出される位相値（あるいは選択した位相値）を用いて測定対象物の３次元形状データを作成することにより、測定対象物の反射率の変化による３次元形状データの測定精度の悪化を防止あるいは抑制することができる。

上記受光時間とは、受光器が反射光を受光している時間のことである。受光器は、上記受光時間中に受光する反射光の光エネルギーに相当する物理量を蓄積し、蓄積した物理量に相当する強度の信号を出力するものであるとよい。このような受光器として、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの受光素子を用いた受光器を採用することができる。この場合には、上記受光時間は、これらの素子が反射光を受光する時間、より具体的にはこれらの素子に電荷が蓄積される時間（電荷蓄積時間）となる。上記受光時間は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどのマイクロコンピュータからなる制御装置が受光器に指令を出力することにより設定することができる。また、受光器は、測定対象物に形成される縞模様の縞位相が縞走査手段によって複数の異なる位相とされる場合の各々について、所定の複数の受光時間にて反射光を受光する。例えば、縞位相が初期の位相に０，π／４，π／２，３π／４，π，５π／４，３π／２，７π／４，２πを追加した位相へと変化する場合に、それぞれの場合について、例えば受光時間が長、中、短である３通りの受光時間にてそれぞれ反射光を受光する。上記所定の複数の異なる受光時間の数は任意であるが、異なる受光時間のそれぞれの時間の長さは、異なる縞位相間で共通であるとよい。例えば、受光時間をＡ，Ｂ，Ｃ（Ａ＜Ｂ＜Ｃ）で表した場合、縞位相が異なる各々の位相である場合についてＡ，Ｂ，Ｃの３通りの受光時間で受光器が反射光を受光するようにするとよい。

上記評価データ算出手段は、受光器が上記所定の複数の異なる受光時間にて反射光を受光している各々の場合ごとに評価データを算出する。例えば上記例のように受光器がＡ，Ｂ，Ｃの３種類の受光時間にて反射光を受光する場合には、受光時間Ａにて反射光を受光した場合の受光信号から得られる評価データ、受光時間Ｂにて反射光を受光した場合の受光信号から得られる評価データ、受光時間Ｃにて反射光を受光した場合の受光信号から得られる評価データ、をそれぞれ算出する。

上記評価データ抽出手段は、例えば上記例のように受光時間Ａにて反射光を受光した場合の受光信号から得られる評価データ、受光時間Ｂにて反射光を受光した場合の受光信号から得られる評価データ、受光時間Ｃにて反射光を受光した場合の受光信号から得られる評価データが算出された場合には、これらの中から３次元形状データの測定精度が良好になる受光信号に基づいて算出された評価データを抽出するものである。このような抽出は各受光時間ごとに算出された評価データを所定の値と比較したり、あるいは相対的に比較したりして、各評価データを評価することにより行う。また、上記形状データ作成手段は評価データ抽出手段が抽出した評価データの算出の基となる受光信号から求められる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成する。この場合、形状データ作成手段は、上記のようにして求められる位相値が対応する縞模様における縞のラインを検出し、検出した縞のラインと上記位相値を算出した受光器における受光位置とを用いて測定対象物の３次元座標値を計算するものであるとよい。

また、上記発明において、前記データ処理手段は、前記受光器における前記反射光の前記受光位置ごとに、前記受光器が出力する受光信号に基づいて前記所定の複数の異なる受光時間にて前記受光器が反射光を受光する各々の場合について位相値を算出する位相値算出手段と、前記評価データ抽出手段が抽出した評価データの算出に用いた受光信号に基づいて前記位相値算出手段が算出した位相値を選択する位相値選択手段を備え、前記形状データ作成手段は、前記位相値選択手段が選択した位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成するものであるとよい。これによれば、所定の複数の異なる受光時間にて反射光を受光する各々の場合について、評価データとともに位相値が算出される。そして、評価データ抽出手段によって抽出された評価データが算出された受光信号に基づいて算出された位相値を用いて測定対象物の３次元形状データが作成される。

また、上記発明において、前記データ処理手段は、前記評価データ抽出手段が抽出した評価データの算出に用いた受光信号を選択する受光信号選択手段と、前記受光信号選択手段が選択した受光信号に基づいて位相値を算出する選択位相値算出手段と、を備え、前記形状データ作成手段は、前記選択位相値算出手段が算出した位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成するものであるとよい。これによれば、全ての評価データに対応する位相値は算出されず、抽出された評価データに対応する位相値のみが算出される。そして、算出した位相値を用いて測定対象物の３次元形状データが算出される。

本発明における評価データは、その評価データに対応する受光信号、つまりその評価データが算出される基となった受光信号から得られる位相値を用いて測定対象物の３次元形状データを作成した場合に、その３次元形状データの測定精度に関連するデータである。よって、この評価データの良否により３次元形状データの測定精度の良否も決まる。ここで、３次元形状データは位相値を用いて求められるため、３次元形状データの測定精度は位相値の精度の良否に依存する。したがって、この評価データは位相値の精度の良否を判断するものともいえる。評価データは、測定対象物に形成される縞模様の縞位相が複数の異なる位相である場合の各々について受光された受光信号に基づいて算出されるものであるとよい。また、位相値は受光器にて受光する光の光量曲線の位相値であるから、評価値もこの光量曲線から求められて、光量曲線の形状に関連するものであるのがよい。本発明において、上記評価データは、光量曲線とこの光量曲線の周波数に等しい正弦曲線とのずれ量に相当するデータを含む。この場合、上記評価データは、光量曲線の極大値に相当するデータを含むものであるのがよい。評価データをこのような極大値やずれ量とすることにより、より正確に測定精度を評価することができる。また、上記ずれ量に相当するデータは、前記光量曲線をフーリエ変換することにより得られる度数分布における全体の度数に対する前記縞模様の周波数を示す度数の比である。これによれば、より正確にずれ量を求めることができる。さらに上記光量曲線がデジタルデータとして得られる場合は、得られるデジタルデータを離散フーリエ変換することにより得られる度数分布における全体の度数に対する前記縞模様の周波数あるいは周波数範囲を示す度数の比をずれ量とするとよい。

また、本発明の他の特徴は、測定対象物に明部と暗部が周期的に繰り返される縞模様を形成するように、測定対象物に照射光を照射する光照射ステップと、測定対象物に形成される前記縞模様のそれぞれの箇所における位相である縞位相が複数の異なる位相となるように前記縞位相を変更する縞走査ステップと、前記縞位相が前記複数の異なる各々の位相である場合に、照射光が所定の複数の異なる強度で測定対象物に照射されるように、照射光の強度を変更する強度変更ステップと、前記縞位相が前記複数の異なる各々の位相である場合に、照射光が前記所定の複数の異なる強度にて測定対象物に照射される各々の場合ごとに照射光の反射光を受光器が受光し、受光した反射光の光量に応じた受光信号を前記受光器が出力する受光ステップと、前記受光器における反射光の受光位置ごとに、前記受光ステップにて前記受光器が出力する受光信号から得られる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度に関する評価データを、前記受光信号に基づいて前記所定の複数の異なる強度の照射光が測定対象物に照射される各々の場合について算出する評価データ算出ステップと、前記評価データ算出ステップにて前記所定の複数の異なる強度で照射光を測定対象物に照射する各々の場合ごとに算出された評価データの中から、その評価データの算出に用いた受光信号に基づいて算出される位相値を用いて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度が良好になる評価データを抽出する評価データ抽出ステップと、前記評価データ抽出ステップにて抽出された評価データを算出する受光信号から得られる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成する形状データ作成ステップと、を含み、前記評価データ算出ステップは、前記評価データが、前記光量曲線と前記光量曲線の周波数に等しい正弦曲線とのずれ量に相当するデータとして、前記光量曲線をフーリエ変換することにより得られる度数分布における全体の度数に対する前記縞模様の周波数を示す度数の比を含むように、前記評価データを算出する、３次元形状測定方法とすることにある。この方法によっても、位相シフト法により測定対象物の３次元形状を測定する場合において、測定対象物の反射率が場所によって大きく異なっても、精度よく形状測定を行うことができる。

この場合、上記方法は、前記受光器における前記反射光の前記受光位置ごとに、前記受光ステップにて前記受光器が出力する受光信号に基づいて前記所定の複数の異なる強度で照射光を測定対象物に照射している各々の場合について位相値を算出する位相値算出ステップと、前記評価データ抽出ステップにて抽出された評価データの算出に用いた受光信号に基づいて前記位相値算出ステップにて算出される位相値を選択する位相値選択ステップとをさらに含んだものとし、前記形状データ作成ステップは、前記位相値選択ステップにて選択された位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成するものであるとよい。あるいは、上記方法は、前記評価データ抽出ステップにて抽出された評価データの算出に用いた受光信号を選択する受光信号選択ステップと、前記受光信号選択ステップにて選択された受光信号に基づいて位相値を算出する選択位相値算出ステップと、をさらに含んだものとし、前記形状データ作成ステップは、前記選択位相値算出ステップにて算出された位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成するものであってもよい。

また、本発明の更に他の特徴は、測定対象物に明部と暗部が周期的に繰り返される縞模様を形成するように、測定対象物に照射光を照射する光照射ステップと、測定対象物に形成される前記縞模様のそれぞれの箇所における位相である縞位相が複数の異なる位相となるように前記縞位相を変更する縞走査ステップと、前記縞位相が前記複数の異なる各々の位相である場合に、受光器が所定の複数の異なる受光時間にて照射光の反射光を受光し、受光した反射光の光量に応じた受光信号を前記受光器が出力する受光ステップと、前記受光器における反射光の受光位置ごとに、前記受光ステップにて前記受光器が出力する受光信号から得られる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度に関する評価データを、前記受光信号に基づいて前記所定の複数の異なる受光時間にて受光した各々の場合について算出する評価データ算出ステップと、前記評価データ算出ステップにて前記所定の複数の異なる受光時間にて前記受光器が反射光を受光する各々の場合ごとに算出された評価データの中から、その評価データの算出に用いた受光信号に基づいて算出される位相値を用いて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度が良好になる評価データを抽出する評価データ抽出ステップと、前記評価データ抽出ステップにて抽出された評価データを算出する受光信号から得られる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成する形状データ作成ステップと、を含み、前記評価データ算出ステップは、前記評価データが、前記光量曲線と前記光量曲線の周波数に等しい正弦曲線とのずれ量に相当するデータとして、前記光量曲線をフーリエ変換することにより得られる度数分布における全体の度数に対する前記縞模様の周波数を示す度数の比を含むように、前記評価データを算出する、３次元形状測定方法とすることにある。この方法によっても、位相シフト法により測定対象物の３次元形状を測定する場合において、測定対象物の反射率が場所によって大きく異なっても、精度よく形状測定を行うことができる。

この場合、上記方法は、前記受光器における前記反射光の前記受光位置ごとに、前記受光ステップにて前記受光器が出力する受光信号に基づいて前記所定の複数の異なる受光時間にて前記受光器が反射光を受光する各々の場合について位相値を算出する位相値算出ステップと、前記評価データ抽出ステップにて抽出された評価データの算出に用いた受光信号に基づいて前記位相値算出ステップにて算出された位相値を選択する位相値選択ステップとをさらに含むものとし、前記形状データ作成ステップは、前記位相値選択ステップにて選択した位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成するものであるとよい。あるいは、上記方法は、前記評価データ抽出ステップにて抽出された評価データの算出に用いた受光信号を選択する受光信号選択ステップと、前記受光信号選択ステップにて選択された受光信号に基づいて位相値を算出する選択位相値算出ステップと、をさらに含むものとし、前記形状データ作成ステップは、前記選択位相値算出ステップにて算出された位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成するものであってもよい。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明を適用した位相シフト法による３次元形状測定装置の全体構成図である。この３次元形状測定装置１は、３次元センサ１０と、データ処理装置３０と、コントローラ５０と、入力装置５２と、表示装置５４とを備えて構成されている。３次元センサ１０は、レーザー光を測定対象物ＯＢに照射するとともに測定対象物ＯＢに照射されたレーザー光の反射光を受光して受光信号を出力するものである。この３次元センサ１０は、レーザー光を出射する照射装置１１と、測定対象物ＯＢに照射されたレーザー光の反射光を受光する受光装置１２と、照射装置１１から出射するレーザー光を制御する制御回路１３とを備える。

照射装置１１は、レーザー光源１１２と、コリメーティングレンズ１１４と、液晶フィルタ１１６と、拡張レンズ１１８とを備える。レーザー光源１１２は半導体レーザーなどで構成されており、供給される電流や電圧に応じた強度のレーザー光を出射する。コリメーティングレンズ１１４はレーザー光源１１２から出射したレーザー光が入射する位置に配置しており、入射したレーザー光を平行光とする。液晶フィルタ１１６は、コリメーティングレンズ１１４で平行光にされたレーザー光が入射する位置に配置しており、液晶により所定の画像を表示している。拡張レンズ１１８は液晶フィルタ１１６を通過したレーザー光が入射する位置に配置しており、入射したレーザー光を拡大して測定対象物ＯＢの照射面全体にレーザー光を照射する。上記液晶フィルタ１１６には、後述する画像データ供給回路１３２から供給される画像データに基づいて、縞状のラインが等間隔で周期的に繰り返された縞模様が描かれている。照射装置１１は、レーザー光源１１２から出射したレーザー光を上述したような縞模様が描かれた液晶フィルタ１１６を介して測定対象物ＯＢに照射し、この照射により測定対象物ＯＢに明部と暗部とが周期的に繰り返される縞模様Ａを形成するものであって、本発明の光照射手段に相当する。

受光装置１２は、集光レンズ１２２および本発明の受光器としてのフォトセンサ１２４を備える。集光レンズ１２２は測定対象物ＯＢに照射されたレーザー光の反射光が入射し得る位置に配置しており、入射する反射光を集光する。フォトセンサ１２４は測定対象物ＯＢに照射されたレーザー光の反射光を上記集光レンズ１２２を介して受光し、受光した反射光に応じた受光信号を出力する。本実施形態において、フォトセンサ１２４はＣＣＤまたはＣＭＯＳなどの画素（受光素子）を面状に配置したエリアセンサであり、それぞれの画素が反射光の光量に応じた信号（受光信号）を出力する。

制御回路１３は、画像データ供給回路１３２と、レーザー駆動回路１３４と、レーザー強度制御回路１３６とを備える。画像データ供給回路１３２は、後述するコントローラ５０からの指令信号に基づいて、液晶フィルタ１１６に画像データを供給する。画像データ供給回路１３２は回路内のメモリに画像データを記憶しており、コントローラ５０から指令を受けると液晶フィルタ１１６を構成するそれぞれの液晶に透過率データである画像データを供給する。この供給によって液晶フィルタ１１６は縞模様を形成する。液晶フィルタ１１６に形成される縞模様は縞のライン方向に直角な方向における輝度分布が正弦曲線となっているものである。また画像データ供給回路１３２のメモリには、基準となる輝度分布を持つ画像データ（基準画像データ）と、この基準画像データから位相をずらした複数の画像データが記憶されており、コントローラ５０から位相の指令を受けることにより、基準画像データから指令された位相だけずれた画像データを出力する。このため測定対象物ＯＢに形成された縞模様は、コントローラ５０からの位相の指令によって１周期の範囲内で縞模様のそれぞれの箇所における位相である縞位相を変化させることが可能となる。本実施形態では、画像データ供給回路１３２は、基準画像データと、この基準画像データに対して位相が１／４πずつシフトした８つの画像データを記憶している。したがって、画像データ供給回路１３２から液晶フィルタ１１６に供給する画像データを変更することによって、測定対象物ＯＢに形成される縞模様の縞位相も変化する。つまり、画像データ供給回路１３２は、コントローラ５０からの指令に基づいて測定対象物ＯＢに形成される縞模様の縞位相を複数の異なった位相となるように変更することができるものであり、本発明の縞走査手段に相当する。

レーザー駆動回路１３４は、コントローラ５０および後述のレーザー強度制御回路１３６からの指令に基づいて、レーザー光源１１２にレーザー光を出射するための電流および電圧を供給する。レーザー強度制御回路１３６は本発明の強度制御手段に相当し、コントローラ５０からレーザー光の強度の制御に関する指令信号を入力するとともに、レーザー光源１１２から出射するレーザー光の強度が入力した指令信号に応じたレーザー強度となるように、レーザー駆動回路１３４がレーザー光源１１２に出力する電流および電圧を制御する。このレーザー強度制御回路１３６からの指示によって、レーザー光源１１２からは強度の異なったレーザー光が出射される。また、レーザー強度制御回路１３６は、コントローラ５０からの指令に基づいてレーザー光の強度を変更することによって、測定対象物ＯＢに形成される縞模様の縞位相の一つの状態につき複数の強度の照射光をそれぞれ照射するように、レーザー光の強度を制御する。このため、測定対象物ＯＢに形成される縞模様の縞位相が複数の異なる各々の位相である場合に、複数の異なる強度のレーザー光によって縞模様が形成される。本実施形態において、レーザー強度制御回路１３６は後述するようにレーザー光の強度レベルを３段階に設定している。

データ処理装置３０は本発明のデータ処理手段に相当し、センサ信号取出し回路３２と、データ演算回路３４と、３次元画像生成装置３６とを備える。センサ信号取出し回路３２は、フォトセンサ１２４に信号を出力することによってフォトセンサ１２４の各画素にて受光した反射光の光量に応じた信号（受光信号）を出力させ、このようにして出力させた信号を入力する。そして、各画素から入力した信号を増幅し、信号強度をデジタルデータ（センサデータ）にしてデータ演算回路３４へ出力する。フォトセンサ１２４における受光時間、つまり各画素に信号を出力させる時間間隔（電荷蓄積時間）は、コントローラ５０から適宜設定される。本実施形態ではこの電荷蓄積時間は一定とされる。

データ演算回路３４は、コントローラ５０からの指令に基づいて、センサ信号取出し回路３２が出力するセンサデータの中から、フォトセンサ１２４内の画素Ｐ（α，β）（α：フォトセンサ１２４内のｘ軸方向における画素番号、β：フォトセンサ１２４内のｙ軸方向における画素番号）のセンサデータを取り込み、回路内のメモリに記憶する。また、コントローラ５０からの指令に基づいて、記憶したセンサデータから画素（受光位置）ごとに位相値φ、光量曲線の極大値Ｈ、光量曲線の正弦曲線からのずれ量Ｅを計算し、３次元画像生成装置３６へ出力する。計算する各値の詳細は後述する。

３次元画像生成装置３６はデータ演算回路３４から入力した値を基に、図３に示すプログラムフローチャートに従った処理を行って、フォトセンサ１２４の画素Ｐ（α，β）ごとに最適な位相値φ（α，β）を選択する。そして、通常の位相シフト法による３次元形状測定と同様に、選択した位相値φ（α，β）に対応する位相値を持つ照射光の縞模様の縞のラインを検出し、予め３次元画像生成装置３６に記憶されている縞のラインと照射方向θxとの関係を示すテーブルから上記照射方向θxを求め、フォトセンサ１２４の画素Ｐ（α，β）の受光位置（Ｘ（α），Ｙ（β））に対応する反射光の方向と上記照射方向θxから測定対象物ＯＢ上のレーザー光の照射部位の３次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）を計算する。さらにこの３次元座標値（ｘ，ｙ，ｚ）の集合（点群データ）から測定対象物ＯＢの３次元画像データを生成して表示装置５４に出力する。

なお、照射方向θxは、測定対象物ＯＢに形成される縞模様の所定の縞（例えば図１における縞Ｓ）のラインと照射装置１１から出射したレーザー光の焦点Ｒとが含まれる平面と、照射装置１１から出射してコリメーティングレンズ１１４により平行光とされたレーザー光の光軸Ｌとがなす角度である。また、位相値を基に画素Ｐ（α，β）と縞模様の縞のラインとを対応させる場合において、位相値は０〜２πの間で変化するため同じ位相値の画素や縞位相が複数存在する。このため本実施形態では、基準画像データにおいて輝度分布が正弦波形となっている縞模様の中に１箇所光量が周囲と大きく異なるライン（例えば明部に一本の暗のラインあるいは暗部に一本の明のライン）を設け、この箇所を所定の画素Ｐ（α，β）と１対１に対応させ、この箇所から順に、位相値に基づいて縞のラインと画素Ｐ（α，β）とを対応させるようにしている。縞のラインと画素Ｐ（α，β）とを１対１で対応させるための基準となる箇所の検出方法にはいくつか方法があり、例えば縞模様の中に１箇所光量が周囲と大きく異なるポイントを設けて特定ポイントを検出する上記に示した方法でもよいし、縞模様の光照射とは別に所定のポイントやラインを照射して特定ポイントを検出する方法でもよいし、縞模様の輝度分布における正弦波形の振幅、あるいは周波数を変化させてこれらの変化に基づいて特定ポイントを検出する方法でもよい。

表示装置５４は３次元画像生成装置３６から入力した３次元画像データから生成される３次元画像を表示する。入力装置５２は３次元形状測定開始の入力、レーザー光強度の設定、データ演算回路３４がデータを取り込むときの縞模様の移動位置（位相シフト量の値）の設定など、いくつかの設定を行う。

コントローラ５０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどからなるマイクロコンピュータを主要構成部品としており、入力装置５２からの入力指示に基づいて各種回路および３次元画像生成装置３６に指令信号を出力してこれらの作動を制御する制御手段としての機能を果たす。

このように構成された３次元形状測定装置１において、作業者が入力装置５２から測定開始の指令を入力すると、コントローラ５０は図２に示す測定プログラムをスタートさせる。以下、この測定プログラムに従って説明する。なお、本実施形態では、測定対象物ＯＢに形成される縞模様の縞位相をπ／４ずつ変化させ、レーザー強度レベルを３段階で変化させるようにしたが、この変化のさせ方は適宜変更してもよい。

この測定プログラムは図のステップＳ１００にて開始され、ステップＳ１０２にて位相カウンタｎおよび強度カウンタｍを初期化（ｎ＝０，ｍ＝０）する。次いで、ステップＳ１０４にて各種回路を起動する。次に、ステップＳ１０６にて画像データ供給回路１３２に対し基準画像から位相がｎ・（π／４）ずれた画像パターンを出力するように指令を出力する。ここで、ステップＳ１０６を最初に通過する場合には位相カウンタｎが０とされているので、画像データ供給回路１３２は位相のずれが０の画像パターン、すなわち基準画像を出力する。これにより、液晶フィルタ１１６には基準画像の縞模様が表示される。

続いて、コントローラ５０はステップＳ１０８に進み、レーザー光の強度レベルをレベルｍに設定し、その設定値をレーザー強度制御回路１３６に出力する。ここで、本実施形態において、レーザー光の強度レベルはレベル０，レベル１，レベル２の３段階とされ、レベル０が最も小さい強度であり、レベル２が最も大きい強度であり、レベル１はレベル０とレベル２との中間の強度である。レーザー強度制御回路１３６はレーザー光がコントローラ５０によって指定された強度レベルに応じた強度となるように、レーザー駆動回路１３４がレーザー光源１１２に供給する電流および電圧を制御する。

上記ステップＳ１０２〜Ｓ１０８までの処理の実行によって、レーザー光源１１２から強度レベルがレベルｍであるレーザー光が出射する。レーザー光源１１２から出射されたレーザー光はコリメーティングレンズ１１４により平行光とされた後に液晶フィルタ１１６に入射し、拡張レンズ１１８を経て測定対象物ＯＢに照射される。液晶フィルタ１１６には基準画像から位相がｎ・（π／４）だけシフトした画像パターンが描かれている。上述したようにこの画像パターンは縞模様であって、縞のライン方向と直角な方向に沿って輝度が正弦曲線状とされている。よって、測定対象物ＯＢには液晶フィルタ１１６に描かれた縞模様が投影され、測定対象物ＯＢの全体に明部と暗部が周期的に繰り返される縞模様が形成される（光照射ステップ）。この縞模様を形成する照射光の反射光はフォトセンサ１２４に受光される。フォトセンサ１２４を構成する各画素Ｐ（α，β）は、それぞれの受光位置にて反射光をそれぞれ受光し、受光した反射光の光量に応じた受光信号をセンサ取出し回路３２に出力する。

次いで、コントローラ５０は、ステップＳ１０９にてフォトセンサ１２４の電荷蓄積時間より長い時間として設定された所定時間Ｔが経過するのを待ってステップＳ１１０に進み、データ演算回路３４にセンサデータＤ（ｎ，ｍ）を取り込むように指示する。これによりデータ演算回路３４はセンサ信号取出し回路３２からセンサデータＤ（ｎ，ｍ）を取り込む。このセンサデータＤ（ｎ，ｍ）は、位相カウンタがｎ、強度カウンタがｍであるときに測定対象物ＯＢに照射されたレーザー光の反射光をフォトセンサ１２４が受光して、フォトセンサ１２４の各画素Ｐ（α，β）が出力する受光信号をセンサ信号取出し回路３２が増幅して信号強度をデジタルデータにしたデータである。よって、センサ信号取出し回路３２からデータ演算回路３４に入力するセンサデータはフォトセンサ１２４の各画素Ｐ（α，β）が出力する受光信号であると言え、各画素（α，β）が受光した光量のデータと考えてよい。この場合において、上述のようにフォトセンサ１２４はエリアセンサであって、縦方向（ｘ方向）および横方向（ｙ方向）に複数の画素が配列されており、各画素Ｐ（α，β）はフォトセンサ１２４内でそれぞれ受光位置を示す座標値（Ｘ（α），Ｙ（β））を持つ。データ演算回路３４はこのステップＳ１１０にて、各画素Ｐ（α，β）における受光信号のデータ（受光データ）を、その画素の受光位置である座標値（Ｘ（α），Ｙ（β））と対応付けて取り込む。

その後、コントローラ５０はステップＳ１１２に進み、強度カウンタｍが３以上であるかを判定する。最初にこのステップを通過するときは強度カウンタｍは０であるから、このステップにおける判定は「Ｎｏ」となってステップＳ１１４に進む。ステップＳ１１４では強度カウンタｍをインクリメントする。そして、ステップＳ１０８に戻る。このようにしてステップＳ１０８〜Ｓ１１４を繰り返し実行するにつれ、ステップＳ１１４にて強度カウンタｍが０，１，２とインクリメントされていく。この結果、測定対象物ＯＢに照射するレーザー光の位相状態が所定の状態（基準画像からｎ・（π／４）だけシフトした位相状態）である間に、測定対象物ＯＢには強度が小（ｍ＝０：レベル０）、中（ｍ＝１：レベル１）、大（ｍ＝２：レベル２）であるそれぞれのレーザー光が照射され、上記それぞれの強度のレーザー光によって測定対象物ＯＢに縞模様が形成される（強度変更ステップ）。そして、ステップＳ１１０にてデータ演算回路３４は、それぞれの強度のレーザー光により測定対象物ＯＢに縞模様が形成されているごとにセンサデータＤ（ｎ，ｍ）を取り込む。ステップＳ１１２の判定が「Ｙｅｓ」となった場合にはステップＳ１１６に進む。

ステップＳ１１６では、位相カウンタｎが９以上であるかを判定する。最初にこのステップを通過するとき位相カウンタｎは０であるから、このステップにおける判定は「Ｎｏ」となってステップＳ１１８に進む。ステップＳ１１８では位相カウンタｎがインクリメントされ、続くステップＳ１２０にて強度カウンタｍが初期化（ｍ＝０）される。そして、ステップＳ１０６に戻る。ステップＳ１０６〜Ｓ１２０を繰り返し実行することにより、ステップＳ１１８にて位相カウンタｎが順次インクリメントされるので、画像データ供給回路１３２が液晶フィルタ１１６に出力する画像パターンの縞位相がステップＳ１０６〜Ｓ１２０を繰り返すごとに順次π／４ずつシフトしていく。このため測定対象物ＯＢには、最初に形成される縞模様の縞位相が０，π／４，π／２，３π／４，π，５π／４，３π／２，７π／４，２πだけシフトした９個の縞模様が順次形成される（縞走査ステップ）。また、測定対象物ＯＢに形成される縞模様がそれぞれの位相状態を採っている間に、ステップＳ１０８〜Ｓ１１４の繰り返しによりレーザー光の強度レベルが順次レベル０，レベル１，レベル２に変化する。したがって、フォトセンサ１２４は測定対象物ＯＢに形成される縞模様の縞位相の位相シフト量が上記した複数の異なる位相の各々である場合に、３種類の強度で照射された照射光の反射光をそれぞれ受光し、受光した反射光の光量に応じた受光信号を縞位相の各状態ごとに出力する（受光ステップ）。また、データ演算回路３４は、ステップＳ１１０にて、フォトセンサ１２４が出力する受光信号から得られるセンサデータ（受光データ）をセンサ取出し回路３２を介して縞位相のそれぞれの状態ごとに、且つそれぞれの強度にて照射光が照射されている場合ごとに、各受光位置（各画素）について取得する。このためデータ演算回路３４には、表１に示すセンサデータＤ（ｎ，ｍ）が取り込まれることになる。
上記表１において、α_ｍは画素位置のＸ座標の最後の番号を示し、β_ｍは画素位置のＹ座標の最後の番号を示す。表１からわかるように、データ演算回路３４は、フォトセンサ１２４のそれぞれの画素Ｐ（α，β）について、縞位相が各状態であるときのセンサデータを３段階の強度ごとに取得する。

ステップＳ１１６にて位相カウンタｎが９以上であると判定された場合には、ステップＳ１２２に進む。位相カウンタｎが９以上であるということは、それ未満の位相カウンタｎ（ｎ＝０〜８）におけるセンサデータ、つまり縞模様の位相が０，π／４，π／２，３π／４，π，５π／４，３π／２，７π／４，２πである場合におけるセンサデータの取り込みが完了したことを示す。したがって、この場合はステップＳ１２２にて各種回路の作動を停止してレーザー光の照射を停止し、さらにステップＳ１２４に進んでこのステップＳ１２４にてデータ演算回路３４に位相値φ（α，β，ｍ）、光量曲線の極大値Ｈ（α，β，ｍ）、光量曲線の正弦曲線からのずれ量Ｅ（α，β，ｍ）の計算を行わせる。位相値φ（α，β，ｍ）の計算は、センサデータＤ（０，ｍ）〜Ｄ（８，ｍ）を従来技術に記載した計算式に当てはめて計算してもよいが、本実施形態ではノイズを除去して位相値を求めることが可能なフーリエ変換により計算する方法を使用する。

すなわち、位相値φ（α，β，ｍ）を求めようとする画素Ｐ（α，β）に対応するセンサデータＤ（０，ｍ）〜Ｄ（８，ｍ）を結んだ曲線は正弦波形に近い周期曲線になる。したがって、上記対応するセンサデータＤ（０，ｍ）〜Ｄ（８，ｍ）を離散フーリエ変換し、所定の周波数範囲ごとに区切った度数分布図を作成すると、測定対象物ＯＢに形成される縞模様の周波数近傍の周波数範囲にピークを持つ度数分布となる。縞模様の周波数近傍の周波数範囲以外の度数はノイズとみなせる。縞模様の周波数近傍の周波数範囲の度数を構成する値を逆フーリエ変換し、これにより表される正弦曲線の開始点における位相（基準の正弦曲線からの位相のずれ）をその画素Ｐ（α，β）における位相値φ（α，β，ｍ）とする。このようにしてデータ演算回路３４は、位相値φ（α，β，ｍ）を、対応するそれぞれの画素Ｐ（α，β）の受光位置（Ｘ（α），Ｙ（β））ごとに、且つ、照射されたレーザー光の強度ごと（つまり強度カウンタｍごと）に求める（位相値算出ステップ）。

また、光量曲線の極大値Ｈ（α，β，ｍ）は、画素Ｐ（α，β）におけるセンサデータＤ（０，ｍ）〜Ｄ（８，ｍ）を結んだ曲線の極大値であり、端的にセンサデータＤ（０，ｍ）〜Ｄ（８，ｍ）の最大値としてもよいし、これらのデータから正弦曲線を近似して光量曲線を推定し、その最大値を求めてもよい。光量曲線の正弦曲線からのずれ量Ｅ（α，β，ｍ）は、本実施形態では画素Ｐ（α，β）におけるセンサデータＤ（０，ｍ）〜Ｄ（８，ｍ）をフーリエ変換して所定の周波数範囲ごとに区分した度数分布図を作成したときの全体の度数に対する縞模様の周波数近傍の周波数範囲の度数の割合である。この場合、位相値を算出する際に用いた度数分布図を利用することができる。なお、全体の度数に対する縞模様の周波数近傍の周波数範囲の度数以外の度数の割合をずれ量Ｅ（α，βｍ）としてもよい。また、フーリエ変換によらず、センサデータＤ（０，ｍ）〜Ｄ（８，ｍ）に基づいて最小二乗法により縞模様と等しい周波数の正弦曲線を求め、求めた正弦曲線と各センサデータＤ（０，ｍ）〜Ｄ（８，ｍ）との距離の二乗和をずれ量Ｅ（α，β，ｍ）としてもよい。これらの極大値Ｈ（α，β，ｍ）およびずれ量Ｅ（α，β，ｍ）も、上記位相値φ（α，β，ｍ）と同様にそれぞれの画素Ｐ（α，β）の受光位置（Ｘ（α），Ｙ（β））ごとに、且つ、レーザー光の強度ごと（つまり強度カウンタｍごと）に求める（評価データ算出ステップ）。

このようにして、データ演算回路３４は、センサデータＤ（０，ｍ）〜Ｄ（８，ｍ）が入力された全ての画素Ｐ（α，β）において、対応するセンサデータＤ（ｎ，ｍ）に基づいて、レーザー光の強度レベルごとに、位相値φ（α，β，ｍ）、光量曲線の極大値Ｈ（α，β，ｍ）、光量曲線の正弦曲線からのずれ量Ｅ（α，β，ｍ）を算出する。これらの計算データはデータ演算回路３４から３次元画像生成装置３６に送られる。したがって、３次元画像生成装置３６には表２に示す値が入力される。
表２に示す通り、各画素Ｐ（α，β）において、測定対象物ＯＢに照射されたレーザー光の強度レベルごとに、位相値φ（α，β，ｍ）、極大値Ｈ（α，β，ｍ）、ずれ量Ｅ（α，β，ｍ）からなる３つのデータ群が得られる。なお、各画素において、表の点線で仕切られたデータ中の上段に示すデータ群はレーザー光の強度レベルが小（レベル０）であるときに算出されたデータ群、中段に示すデータ群はレーザー光の強度レベルが中（レベル１）であるときに算出されたデータ群、下段に示すデータ群はレーザー光の強度レベルが大（レベル２）であるときに算出されたデータ群である。

上記表２に示す値のうち、画素位置Ｘ（α）、画素位置Ｙ（β）、位相値φ（α，β，ｍ）は、測定対象物ＯＢの３次元形状を計算する際に用いられる値であり、形状計算用データに該当する。

上記位相値φ（α，β，ｍ）は、それが算出される基となるセンサデータＤ（ｎ，ｍ）の値が本来求めるべき位相値を表す正弦曲線に一致した値である場合には、算出した位相値を用いて測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成した場合にその３次元形状データの測定精度は良好なものとなる。一方、位相値φ（α，β，ｍ）が算出される基となるセンサデータＤ（ｎ，ｍ）の値が本来求めるべき位相値を表す正弦曲線から大きくずれた値である場合には、算出した位相値を用いて測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成した場合にその３次元形状データの測定精度は悪いものとなる。よって、測定対象物ＯＢの３次元形状データの測定精度はセンサデータＤ（ｎ，ｍ）の値に依存するところ、極大値Ｈ（α，β，ｍ）やずれ量Ｅ（α，β，ｍ）は、センサデータＤ（ｎ，ｍ）が本来求めるべき位相値を表す正弦曲線とどの程度異なっている値であるかを表す指標となり得る。例えば、極大値Ｈ（α，β，ｍ）が大きすぎる場合には、センサデータＤ（ｎ，ｍ）が上限値に達しているおそれがあり、この場合にはセンサデータＤ（ｎ，ｍ）の値が本来の正弦曲線の値を示すことができていない可能性がある。また、ずれ量Ｅ（α，β，ｍ）が小さすぎる場合（つまりずれが大きい場合）にはセンサデータＤ（ｎ，ｍ）の値が本来の正弦曲線上の値と大きくずれている可能性がある。このように、極大値Ｈ（α，β，ｍ）およびずれ量Ｅ（α，β，ｍ）は、センサデータＤ（ｎ，ｍ）の値が本来求めるべき位相値を表す正弦曲線からどの程度ずれているかを表すデータであり、換言すれば、上記位相値を用いて測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成した場合における、その３次元形状データの測定精度を表す評価データといえる。

ステップＳ１２４にて位相値および評価データの計算がされ、計算結果が３次元画像生成装置３６に入力された後に、コントローラ５０はステップＳ１２６に進み、このステップＳ１２６にて３次元画像生成装置３６に図３に示す３次元形状データ計算プログラムを実行させて、画素ごとに得られた３つの位相値から最適な位相値を選び出し、選び出した位相値を用いて測定対象物ＯＢの３次元形状を計算する。

図３に示す３次元形状データ計算プログラムは、フォトセンサ１２４の各画素Ｐ（α，β）においてレーザー光の強度ごとに得られた評価データを評価して、その評価データが属するデータ群中の形状計算用データによって測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成したときに測定精度が良好になる評価データを抽出し、抽出した評価データが属するデータ群の形状計算用データ（位相値および受光位置）を選択し、選択した形状計算用データを用いて測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成するプログラムである。このプログラムは図３のステップＳ２００にて開始され、ステップＳ２０２にて画素の座標番号αおよびβを初期化（α＝０，β＝０）する。次いでステップＳ２０４に進み、画素Ｐ（α，β）において得られた評価データとしての極大値Ｈ（α，β，０）、Ｈ（α，β，１）、Ｈ（α，β，２）を取出し、この中から値が下限値Ａ以上且つ上限値Ｂ以下である評価データを抽出する（評価データ抽出ステップ）。抽出の基準となる値ＡおよびＢは、的確に光量曲線の極大値を特定することができるような上限値および下限値である。このステップの処理の実行により、図４（ａ）に示す光量曲線のように本来の極大値が大きすぎてセンサデータＤ（ｎ，ｍ）ではその極大値を示すことができない光量曲線や、図４（ｂ）に示す光量曲線のように極大値が小さすぎて、明確な極大値を特定することができない光量曲線から求められた極大値が除外される。図４（ａ）に示す光量曲線は、例えば測定対象物の反射率が高い部分に強度の大きいレーザー光を照射したときの反射光を受光した場合に生成される可能性がある。図４（ｂ）に示す光量曲線は、例えば測定対象物の反射率が低い部分に強度の小さいレーザー光を照射したときの反射光を受光した場合に生成される可能性がある。

ここで、図４（ａ）に示す光量曲線や、図４（ｂ）に示す光量曲線は、上述のように正確な極大値を示すことができない可能性が高い。このような場合はセンサデータＤ（ｎ，ｍ）の値も本来求めるべき位相値を表す正弦曲線上の値から大きくずれている可能性が高い。よって、このようなセンサデータＤ（ｎ，ｍ）を用いて算出される位相値の精度も悪く、ひいてはその位相値から求められる測定対象物の３次元形状データの測定精度も悪くなる可能性が高い。よって、このステップＳ２１４では、上述ように測定対象物の３次元形状データの測定精度が悪くなると考えられる評価データを含むデータ群を除外し、測定精度が良好と考えられるデータ群を絞り込む処理を行っていることになる。

次に、３次元画像生成装置３６はステップＳ２０６に進み、ステップＳ２０４にて抽出された評価データの個数が一つであるかを判定する。ステップＳ２０６における判定がＹｅｓである場合、つまり、ステップＳ２０４にて抽出された極大値Ｈが一つである場合はステップＳ２１０に進む。一方、ステップＳ２０６における判定がＮｏの場合は、次のステップＳ２０８に進む。

ステップＳ２０８では、レーザー光の強度ごとに求められた評価データとしてのずれ量Ｅ（α，β，０）、Ｅ（α，β，１）、Ｅ（α，β，２）を取り出し、このうちで最大のものを選択する（評価データ抽出ステップ）。このとき、上記のステップＳ２０４にて抽出されなかった極大値Ｈが属するデータ群からは、このステップＳ２０８にてずれ量Ｅを取り出さなくてもよい。また、この場合において、ずれ量ＥはセンサデータＤ（０，ｍ）〜Ｄ（８，ｍ）をフーリエ変換して所定の周波数範囲に区分した度数分布図を作成したときの全体の度数に対する縞模様の周波数近傍の周波数範囲の度数の割合であるため、ずれ量Ｅが大きいほどセンサデータＤ（０，ｍ）〜Ｄ（８，ｍ）が表す曲線の波形が正弦波形に近いことを示す。なお、ずれ量Ｅを、上記フーリエ変換して度数分布図を作成したときの全体の度数に対する縞模様の周波数近傍の周波数範囲以外の度数の割合とした場合には、ずれ量Ｅが小さいほどデータが表す曲線の波形が正弦波形に近いことを示すので、この場合はステップＳ２０８ではずれ量Ｅが最小のものを選択する。

このステップＳ２０８の処理は、評価データとしてのずれ量Ｅの中から、正弦曲線に最も近い曲線から算出されたずれ量を選び出す処理である。この処理は、例えばセンサデータから図５（ａ）に示す光量曲線と図５（ｂ）に示す光量曲線が得られた場合に、両曲線をそれぞれフーリエ変換して図６（ａ）および図６（ｂ）に示すような度数分布図を作成し、これらの度数分布図を比較して、縞模様の周波数近傍の周波数範囲以外の度数が少ない、つまりノイズの少ない図６（ｂ）の度数分布図を選択するような処理と同じである。このようにして選択されたずれ量Ｅにより表される光量曲線は、より正弦波形に近い形状であり、このように正弦波形に近い波形を持つ曲線から算出された位相値は本来求めるべき位相値と同一であるかそれに近い値であると予測される。よって、このような位相値を基に測定対象物ＯＢの３次元形状を測定した場合にはその測定精度も良好になると考えられる。なお、この処理は所定の範囲に該当するものを抽出する処理ではなく、評価データ同士を比較して最も好ましい値を選択する処理であるので、このステップＳ２０８の処理により残る評価データは必ず一つとなる。

以上のステップＳ２０４〜Ｓ２０８の処理の実行によって、３次元画像生成装置３６は最終的に一つの評価データを抽出する（評価データ抽出ステップ）。そして、次のステップＳ２１０にて、３次元画像生成装置３６は、抽出した評価データ（極大光量の評価データまたはずれ量の評価データ）が属するデータ群中の位相値φ（α，β，ｍ）を正式な位相値φ（α，β）として選択する（位相値選択ステップ）。次いで、ステップＳ２１２にて、現在評価している画素Ｐ（α，β）のＹ座標値の座標番号βが最後の座標番号βmであるかを判定する。この判定がＮｏである場合は、Ｘ座標値がＸ（α）である画素の中にいまだ最適な位相値φ（α，β）を選択していない画素Ｐ（α，β）が残っていることになる。よって、ステップＳ２１２の判定がＮｏの場合はステップＳ２１４に進んでβをインクリメントし、ステップＳ２０４に戻って上記の抽出および選択を繰り返す。ステップＳ２１２の判定がＹｅｓの場合は、Ｘ座標値がＸ（α）である画素の全てについて最適な位相値φ（α，β）が選択されたことになるので、この場合はステップＳ２１６に進む。

ステップＳ２１６では、現在評価している画素Ｐ（α，β）のＸ座標番号αが最後の座標番号αmであるかを判定する。この判定がＮｏである場合は、Ｘ座標値の座標番号αがα＋１以上である画素がいまだ最適な位相値φ（α，β）を選択していないことになる。よって、ステップＳ２１６の判定がＮｏの場合はステップＳ２１８に進んでαをインクリメントし、さらにステップＳ２２０にてβを初期化（β＝０）した後に、ステップＳ２０４に戻って上記の抽出および選択を繰り返す。ステップＳ２１６の判定がＹｅｓである場合は、全ての画素においての上記抽出および選択が終了したとみなせるので、この場合はステップＳ２２２に進む。

ステップＳ２２２においては、位相シフト法による３次元形状測定において行われる計算により、選択された位相値φ（α，β）に対応する縞模様における縞のラインの照射方向θx（α，β）が検出される。ここで、位相値φは０〜２πの値が繰り返されており、縞位相も０〜２πの位相値が繰り返されている。したがって、各画素Ｐ（α，β）の各受光位置（Ｘ（α），Ｙ（β））における位相値φ（α，β）と縞模様の縞位相とを１対１に対応させるため、前述したように、基準画像データにおいて輝度分布が正弦波形となっている縞模様の中の１箇所に光量が周囲と大きく異なるラインを設け、この箇所を基準に画素と縞のラインとを１対１に対応させ、この箇所から順に位相値によって画素と縞のラインとの対応付けを行う。

ステップＳ２２２にて縞のラインの照射方向θx（α,β）を計算した後は、３次元画像生成装置３６はステップＳ２２４に進み、画素Ｐ（α，β）の位置（Ｘ（α）、Ｙ（β））（これらの値は反射光の方向を表す値である）とこれに対応する縞のラインの照射方向θx（α，β）から、対応する測定対象物表面の３次元座標値（ｘ、ｙ、ｚ）を計算する。そして、ステップＳ２２６に進んでこのプログラムの実行を終了する。

このようにして、図２のステップＳ１２６にてコントローラ５０が３次元画像生成装置３６に測定対象物ＯＢの３次元座標値（点群データ）を計算させた後、コントローラ５０はステップＳ１２８に進み、３次元画像生成装置３６に３次元座標値（点群データ）を用いて測定対象物ＯＢの３次元画像データを作成させ（形状データ作成ステップ）、作成した３次元画像データを表示装置５４に出力するように指令する。これにより表示装置５４には、入力した３次元画像データに基づいて測定対象物ＯＢの３次元画像が表示される。

以上のように、本実施形態の３次元形状測定装置１は、測定対象物ＯＢに形成される縞模様の縞位相が複数の異なる位相の各々である場合に照射光が所定の複数の異なる強度で測定対象物ＯＢに照射されるように、照射光の強度を制御する強度制御手段としてのレーザー強度制御回路１３６を備えている。また、データ処理装置３０は、フォトセンサ１２４が出力する受光信号（センサデータＤ（ｎ，ｍ））に基づいて、所定の複数の異なる強度で照射光を測定対象物に照射している各々の場合における位相値φ（α，β，ｍ）を受光位置（Ｘ（α），Ｙ（β））ごとに算出するとともに、算出した位相値φ（α，β，ｍ）を用いて測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度に関する評価データとしての極大値Ｈ（α，β，ｍ）およびずれ量（α，β，ｍ）を、受光信号（センサデータＤ（ｎ，ｍ））に基づいて、所定の複数の異なる強度で照射光を測定対象物ＯＢに照射している各々の場合ごとに算出するデータ演算回路３４と、データ演算回路３４によって所定の複数の異なる強度で照射光を測定対象物ＯＢに照射している各々の場合ごとに算出された評価データ（極大値Ｈ（α，β，ｍ）、ずれ量Ｅ（α，β，ｍ））の中から、対応する位相値φ（α，β，ｍ）つまりその評価データの算出に用いた受光信号（センサデータＤ（ｎ，ｍ））から得られる位相値φ（α，β，ｍ）を用いて測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度が良好になる評価データを抽出するとともに、抽出した評価データを算出した受光信号（センサデータＤ（ｎ，ｍ））から得られる位相値φ（α，β）に基づいて測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成する３次元画像生成装置３６とを備えて構成されている。

したがって、評価データとしての極大値Ｈ（α，β，ｍ）およびずれ量Ｅ（α，β，ｍ）を評価することによって、各々の強度の照射光について算出された位相値φ（α，β，ｍ）の中から、その照射光の照射位置における反射率に最も見合った強度の照射光で照射された場合に算出された位相値、すなわち３次元形状測定の測定精度が最も良好になる位相値φ（α，β）を選択することができる。このように選択した位相値φ（α，β）を用いて測定対象物ＯＢの３次元形状を測定することにより、測定対象物の反射率の変化による３次元形状データの測定精度の悪化を防止あるいは抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。上記第１実施形態では、測定対象物に照射するレーザー光の強度を変更して、変更したレーザー光の強度ごとに受光素子の各点にて位相値を求めるとともに、評価データを基に強度ごとに算出した位相値から最適な位相値を選択する例を示した。これに対し、本実施形態では測定対象物に照射するレーザー光の強度を一定とし、フォトセンサの受光時間を異なる複数の受光時間に設定し、異なる複数の受光時間ごとに受光した反射光の受光データから位相値および評価データを求め、評価データを基に上記受光時間ごとに求めた位相値の中から最適な位相値を選択することを特徴とするものである。以下、上記特徴点を中心に説明する。

本実施形態の３次元形状測定装置の基本構成は、上記第１実施形態にて説明した図１に示す３次元形状測定装置１と同じである。よって、本実施形態でも図１に示す３次元形状測定装置１の構成および上述の説明を援用する。ただし、レーザー強度制御回路１３６は、レーザー光源１１２から常に一定の強度のレーザー光が出射するようにレーザー駆動回路１３４がレーザー光源１１２に供給する電流および電圧を制御している。この点が上記第１実施形態例と異なる。なお、このレーザー強度制御回路１３６を省略し、コントローラ５０側からレーザー駆動回路１２２に一定の強度指令を出力してもよい。

また、本実施形態の３次元形状測定装置を用いて測定対象物ＯＢの３次元形状を測定する際には、コントローラ５０は図７に示す形状測定プログラムを実行する。このプログラムは図７のステップＳ３００にて開始され、ステップＳ３０２にて位相カウンタｎおよび時間カウンタｍが初期化（ｎ＝０，ｍ＝０）される。次いで、ステップＳ３０４にて各種回路を作動させる。続いて、ステップＳ３０６にて位相がｎ・（π／４）の画像データが液晶フィルタ１１６上に描かれるようにコントローラ５０が画像データ供給回路１３２に指令を出力する。これによりレーザー光源１１２から出射するレーザー光が液晶フィルタ１１６を通って縞状の光とされる。この縞状の光が測定対象物ＯＢに照射され、測定対象物ＯＢには縞模様Ａが形成される（光照射ステップ）。この縞模様Ａを形成する照射光の反射光はフォトセンサ１２４に受光される。

次に、コントローラ５０は、ステップＳ３０８にて電荷蓄積時間τを時間τｍに設定する。ここで、電荷蓄積時間とは、フォトセンサ１２４を構成する各受光素子であるＣＣＤまたはＣＭＯＳが反射光を受光するときの受光時間であり、反射光を受光することによって各受光素子が電荷を蓄積する時間である。この電荷蓄積時間はコントローラ５０により設定される。具体的には、コントローラ５０は、電荷蓄積時間としてτ０，τ１，τ２の３種類の時間を記憶しており、時間カウンタｍの値（ｍ＝０，１，２）によって設定する電荷蓄積時間を振り分ける。いま、ステップＳ３０２にて時間カウンタｍが初期化されているので、最初はこの電荷蓄積時間τｍはτ０に設定される。

ステップＳ３０８にて電荷蓄積時間τｍが設定された場合、コントローラ５０はこの電荷蓄積時間τｍにて反射光を受光するように、センサ信号取出し回路３２を介してフォトセンサ１２４に指令する。これによりフォトセンサ１２４内のＣＣＤなどの受光素子は、設定された電荷蓄積時間τｍだけ反射光を受光し、受光信号を出力するようになる。

次いで、ステップＳ３０９にて所定時間Ｔ（Ｔ＞τ０，τ１，τ２）の経過を待ち、その後ステップＳ３１０に進み、このステップＳ３１０にてデータ演算回路３４にセンサデータＤ（ｎ，ｍ）を取り込むように指令する。これによりデータ演算回路３４はフォトセンサ１２４からセンサデータＤ（ｎ，ｍ）を取り込む。このセンサデータＤ（ｎ，ｍ）は、位相カウンタがｎ、時間カウンタがｍであるときに測定対象物ＯＢに照射されたレーザー光の反射光をフォトセンサ１２４が電荷蓄積時間τｍだけ受光し、フォトセンサ１２４の各画素Ｐ（α，β）が出力する受光信号をセンサ信号取出し回路３２が増幅し信号強度をデジタルにしたデータであり、フォトセンサ１２４の各画素が出力する受光信号に対応する。

次に、コントローラ５０はステップＳ３１２に進み、時間カウンタｍが３以上であるかを判定し、この判定結果がＮｏである場合はステップＳ３１４に進む。ステップＳ３１４では時間カウンタｍをインクリメントする。その後ステップＳ３０７に戻る。このステップＳ３０７〜Ｓ３１４の繰り返しによって、測定対象物ＯＢに形成される縞模様の縞位相がｎ・（π／４）である場合に、フォトセンサ１２４が３種類の電荷蓄積時間（τ０，τ１，τ２）にて反射光を受光し、それぞれの電荷蓄積時間ごとにセンサデータＤ（ｎ，ｍ）がデータ演算回路３４に取り込まれる。

ステップＳ３１２にて時間カウンタｍが３以上であると判定した場合には、ステップＳ３１６に進む。ステップＳ３１６では位相カウンタｎが９以上であるかを判定する。この判定結果がＮｏである場合はステップＳ３１８に進み、位相カウンタｎをインクリメントする。次にステップＳ３２０に進んで時間カウンタｍを初期化（ｍ＝０）し、ステップＳ３０６に戻る。このステップＳ３０６〜Ｓ３２０の繰り返しにより、位相カウンタｎが順次インクリメントされて測定対象物ＯＢに形成される縞模様の縞位相が順次変化する（縞走査ステップ）。この縞位相が変化するごとに、縞模様を形成する照射光の反射光が３種類の電荷蓄積時間（τ０，τ１，τ２）にて受光される（受光ステップ）とともに、対応するセンサデータがデータ演算回路３４に取得される。このためデータ演算回路３４には、上記表１と同様なデータが取り込まれることになる。

ステップＳ３１６にて位相カウンタｎが９以上であると判定された場合には、ステップＳ３２２に進む。ステップＳ３２２では各種回路の作動が停止される。次いで、コントローラ５０はステップＳ３２４に進み、データ演算回路３４に位相値、評価データを算出させる（位相値算出ステップ、評価データ算出ステップ）。この算出は上記第１実施形態にて説明したステップＳ１２４における計算と同様であるので具体的な説明は省略するが、本実施形態でも第１実施形態と同じように、一つの受光位置（画素）ごとに、受光信号の強度に影響するパラメータが異なる条件（本実施形態では異なった電荷蓄積時間）にて複数の位相値が評価データとともに算出される。

次いで、コントローラ５０はステップＳ３２６に進み、３次元画像生成装置３６に測定対象物ＯＢの３次元形状データを計算させる。この計算も上記第１実施形態にて説明したステップＳ１２６における計算と同様であるので具体的な説明は省略するが、本実施形態でも第１実施形態と同じように、一つの受光位置（画素）ごとに、受光信号の強度に影響するパラメータが異なる条件（本実施形態では異なった電荷蓄積時間）にて算出された複数の評価データ（極大値Ｈ（α，β，ｍ）、ずれ量Ｅ（α，β，ｍ））の中から、その評価データの算出に用いたセンサデータから得られる位相値φ（α，β，ｍ）を用いて測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成したときの測定精度が良好になる評価データを抽出し（評価データ抽出ステップ）、抽出した評価データを算出したセンサデータから得られる位相値を、その受光位置における正式な位相値φ（α，β）として選択し（位相値選択ステップ）、選択した位相値を用いて測定対象物ＯＢの３次元座標値（点群データ）を作成する（形状データ作成ステップ）。上記抽出、選択および計算を行うにあたり、第１実施形態にて説明した図３のプログラムを援用することができる。

続いて、コントローラ５０はステップＳ３２８に進み、３次元画像生成装置３６に３次元座標値（点群データ）を用いて測定対象物ＯＢの３次元画像データを作成させ（形状データ作成ステップ）、作成した３次元画像データを表示装置５４に出力するように指令する。これにより表示装置５４には、入力した３次元画像データに基づいて測定対象物ＯＢの３次元画像が表示される。

以上のように、本実施形態の３次元形状測定装置においては、測定対象物ＯＢに形成される縞模様の縞位相が複数の異なる位相である各々の場合について、フォトセンサ１２４は所定の複数の異なる電荷蓄積時間（受光時間）τ０，τ１，τ２にて反射光を受光し、受光した反射光の光量に応じた受光信号を所定の複数の異なる電荷蓄積時間にて反射光を受光するごとに出力している。また、データ処理装置３０は、フォトセンサ１２４が出力する受光信号（センサデータＤ（ｎ，ｍ））に基づいて、所定の複数の異なる電荷蓄積時間τ０，τ１，τ２にて反射光がフォトセンサ１２４に受光される各々の場合における位相値φ（α，β，ｍ）を算出するとともに、算出した位相値を用いて測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度に関する評価データとしての極大値Ｈ（α，β，ｍ）およびずれ量Ｅ（α，β，ｍ）を、受光信号（センサデータＤ（ｎ，ｍ））に基づいて、所定の複数の異なる電荷蓄積時間で反射光を受光している各々の場合ごとに算出するデータ演算回路３４と、データ演算回路３４によって所定の複数の異なる電荷蓄積時間にてフォトセンサ１２４が反射光を受光するごとに算出された評価データの中から、その評価データの算出に用いた受光信号（センサデータＤ（ｎ，ｍ））から得られる位相値φ（α，β，ｍ）を用いて測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度が良好になる評価データを抽出するとともに、抽出した評価データの算出に用いた位相値φ（α，β）に基づいて測定対象物ＯＢの３次元形状データを作成する３次元画像生成装置３６とを備えて構成されている。

したがって、評価データとしての極大値Ｈ（α，β，ｍ）およびずれ量Ｅ（α，β，ｍ）を評価することによって、複数の電荷蓄積時間にて反射光を受光した各々の場合について算出された位相値φ（α，β，ｍ）の中から、その照射光の照射位置における反射率に最も見合った電荷蓄積時間にて反射光を受光した場合に算出された位相値、すなわち３次元形状測定の測定精度が最も良好になる位相値φ（α，β）を選択することができる。このように選択した位相値φ（α，β）を用いて測定対象物ＯＢの３次元形状を測定することにより、測定対象物の反射率の変化による３次元形状データの測定精度の悪化を防止あるいは抑制することができる。

なお、本発明は様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態においては、データ演算回路３４にて評価データとして極大値Ｈとずれ量Ｅとともに位相値φを算出して３次元画像生成装置３６に出力し、３次元画像生成装置３６にて評価データを評価することにより３次元形状測定の測定精度が最も良好になる位相値φを選択したが、これに替えてデータ演算回路３４では評価データとしての極大値Ｈとずれ量Ｅのみを算出してセンサデータＤとともに３次元画像生成装置３６に出力し、３次元画像生成装置３６にて評価データを抽出することにより３次元形状測定の測定精度が最も良好になるセンサデータＤ（受光信号）を選択し、選択したセンサデータＤから位相値φを算出するようにしてもよい。これによっても上記実施形態と同様の効果を得ることができる。この場合、３次元画像生成装置３６は、抽出した評価データを算出した受光信号（センサデータ）を選択する受光信号選択手段に相当し、また、選択した受光信号（センサデータ）に基づいて位相値を算出する選択位相値算出手段に相当する。また、上記実施形態においては、測定対象物に形成する縞模様の縞位相を一定にした状態で照射するレーザー光の強度または反射光の受光時間を変化させているが、これとは逆に照射するレーザー光の強度または反射光の受光時間を一定とした状態で縞模様の縞位相を縞模様の１周期分シフトさせることを繰り返し、各々の繰り返しにおいてレーザー光の強度または反射光の受光時間を変化させてもよい。

本発明を適用した位相シフト法による３次元形状測定装置の全体構成図である。 第１実施形態に係る３次元形状測定装置において、コントローラが実行する測定プログラムのフローチャートである。 第１実施形態に係る３次元形状測定装置において、３次元画像生成装置が実行する３次元形状データ計算プログラムのフローチャートである。 明確な極大値を特定することができない光量曲線の波形パターンを示す図であり、（ａ）は光量が大きすぎて極大値を特定することができない光量曲線、（ｂ）は光量が小さすぎて極大値を特定することができない光量曲線を示す。 センサデータから得られる光量曲線の例を示す図である。 図５の光量曲線をフーリエ変換して作成した度数分布図である。 第２実施形態に係る３次元形状測定装置において、コントローラが実行する測定プログラムのフローチャートである。 従来の位相シフト法を用いて測定対象物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置の概略図である。 （ａ）は位相シフト法において液晶やスライドに形成される縞模様を表す図であり、（ｂ）は（ａ）に示す縞模様の縞のライン方向と直角な方向に沿って光の強度を表した波形図である。 図９（ａ）の縞位相をずらしていった場合の各点における光量変化を表す曲線であり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ図９（ａ）の点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおける光量曲線を示す。

符号の説明

１…３次元形状測定装置、１０…３次元センサ、１１…照射装置（光照射手段）、１１２…レーザー光源、１１４…コリメーティングレンズ、１１６…液晶フィルタ、１２…受光装置、１２４…フォトセンサ（受光器）、１３…制御回路、１３２…画像データ供給回路（縞走査手段）、１３４…レーザー駆動回路、１３６…レーザー強度制御回路（強度制御手段）、３０…データ処理装置（データ処理手段）、３２…センサ信号取出し回路、３４…データ演算回路（評価データ算出手段、位相値算出手段）、３６…３次元画像生成装置（評価データ抽出手段、形状データ作成手段、位相値選択手段）、５０…コントローラ（制御手段）、Ｅ…ずれ量、Ｈ…極大値、τ…電荷蓄積時間、φ…位相値、Ｄ（ｎ，ｍ）・・・センサデータ（受光信号）

Claims (11)

1. 測定対象物に明部と暗部が周期的に繰り返される縞模様を形成するように、測定対象物に照射光を照射する光照射手段と、測定対象物に形成される前記縞模様のそれぞれの箇所における位相である縞位相が複数の異なる位相となるように前記縞位相を変更する縞走査手段と、前記縞位相が前記複数の異なる各々の位相である場合に測定対象物に照射された照射光の反射光を受光するとともに、受光した反射光の光量に応じた受光信号を出力する受光器と、前記受光器が出力する受光信号に基づいて前記受光器にて受光する光の光量変化を表す光量曲線の位相値を前記受光器における反射光の受光位置ごとに算出し、算出した位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成するデータ処理手段と、を備える３次元形状測定装置において、
   前記縞位相が前記複数の異なる各々の位相である場合に、照射光が所定の複数の異なる強度で測定対象物に照射されるように、照射光の強度を制御する強度制御手段を備え、
   前記データ処理手段は、
   前記受光器における前記反射光の前記受光位置ごとに、前記受光器が出力する受光信号から得られる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度に関する評価データを、前記受光信号に基づいて前記所定の複数の異なる強度で照射光を測定対象物に照射している各々の場合について算出する評価データ算出手段と、
   前記評価データ算出手段が前記所定の複数の異なる強度で照射光を測定対象物に照射している各々の場合について算出した評価データの中から、その評価データの算出に用いた受光信号から得られる位相値を用いて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度が良好になる評価データを抽出する評価データ抽出手段と、
   前記評価データ抽出手段が抽出した評価データの算出に用いた受光信号から得られる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成する形状データ作成手段と、を備え、
   前記評価データは、前記光量曲線と、前記光量曲線の周波数に等しい正弦曲線とのずれ量に相当するデータを含み、
   前記ずれ量に相当するデータは、前記光量曲線をフーリエ変換することにより得られる度数分布における全体の度数に対する前記縞模様の周波数を示す度数の比であることを特徴とする、３次元形状測定装置。
2. 請求項１に記載の３次元形状測定装置において、
   前記データ処理手段は、
   前記受光器における前記反射光の前記受光位置ごとに、前記受光器が出力する受光信号に基づいて前記所定の複数の異なる強度で照射光を測定対象物に照射している各々の場合について位相値を算出する位相値算出手段と、
   前記評価データ抽出手段が抽出した評価データの算出に用いた受光信号に基づいて前記位相値算出手段が算出した位相値を選択する位相値選択手段とを備え、
   前記形状データ作成手段は、前記位相値選択手段が選択した位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成することを特徴とする、３次元形状測定装置。
3. 測定対象物に明部と暗部が周期的に繰り返される縞模様を形成するように、測定対象物に照射光を照射する光照射手段と、測定対象物に形成される前記縞模様のそれぞれの箇所における位相である縞位相が複数の異なる位相となるように前記縞位相を変更する縞走査手段と、前記縞位相が前記複数の異なる各々の位相である場合に測定対象物に照射された照射光の反射光を受光するとともに、受光した反射光の光量に応じた受光信号を出力する受光器と、前記受光器が出力する受光信号に基づいて前記受光器にて受光する光の光量変化を表す光量曲線の位相値を前記受光器における反射光の受光位置ごとに算出し、算出した位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成するデータ処理手段と、を備える３次元形状測定装置において、
   前記受光器は、前記縞位相が前記複数の異なる各々の位相である場合に所定の複数の異なる受光時間にて反射光を受光し、受光した反射光の光量に応じた受光信号を前記所定の複数の異なる受光時間にて反射光を受光する各々の場合ごとに出力し、
   前記データ処理手段は、
   前記受光器における前記反射光の前記受光位置ごとに、前記受光器が出力する受光信号から得られる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度に関する評価データを、前記受光信号に基づいて前記所定の複数の異なる受光時間にて前記受光器が反射光を受光する各々の場合ごとに算出する評価データ算出手段と、
   前記評価データ算出手段が前記所定の複数の異なる受光時間にて前記受光器が反射光を受光する各々の場合ごとに算出した評価データの中から、その評価データの算出に用いた受光信号から得られる位相値を用いて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度が良好になる評価データを抽出する評価データ抽出手段と、
   前記評価データ抽出手段が抽出した評価データの算出に用いた受光信号から得られる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成する形状データ作成手段と、を備え、
   前記評価データは、前記光量曲線と、前記光量曲線の周波数に等しい正弦曲線とのずれ量に相当するデータを含み、
   前記ずれ量に相当するデータは、前記光量曲線をフーリエ変換することにより得られる度数分布における全体の度数に対する前記縞模様の周波数を示す度数の比であることを特徴とする、３次元形状測定装置。
4. 請求項３に記載の３次元形状測定装置において、
   前記データ処理手段は、
   前記受光器における前記反射光の前記受光位置ごとに、前記受光器が出力する受光信号に基づいて前記所定の複数の異なる受光時間にて前記受光器が反射光を受光する各々の場合について位相値を算出する位相値算出手段と、
   前記評価データ抽出手段が抽出した評価データの算出に用いた受光信号に基づいて前記位相値算出手段が算出した位相値を選択する位相値選択手段とを備え、
   前記形状データ作成手段は、前記位相値選択手段が選択した位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成することを特徴とする、３次元形状測定装置。
5. 請求項１または３に記載の３次元形状測定装置において、
   前記データ処理手段は、
   前記評価データ抽出手段が抽出した評価データの算出に用いた受光信号を選択する受光信号選択手段と、
   前記受光信号選択手段が選択した受光信号に基づいて位相値を算出する選択位相値算出手段と、を備え、
   前記形状データ作成手段は、前記選択位相値算出手段が算出した位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成することを特徴とする、３次元形状測定装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の３次元形状測定装置において、
   前記評価データは、前記光量曲線の極大値に相当するデータを含むことを特徴とする、３次元形状測定装置。
7. 測定対象物に明部と暗部が周期的に繰り返される縞模様を形成するように、測定対象物に照射光を照射する光照射ステップと、
   測定対象物に形成される前記縞模様のそれぞれの箇所における位相である縞位相が複数の異なる位相となるように前記縞位相を変更する縞走査ステップと、
   前記縞位相が前記複数の異なる各々の位相である場合に、照射光が所定の複数の異なる強度で測定対象物に照射されるように、照射光の強度を変更する強度変更ステップと、
   前記縞位相が前記複数の異なる各々の位相である場合に、照射光が前記所定の複数の異なる強度にて測定対象物に照射される各々の場合ごとに照射光の反射光を受光器が受光し、受光した反射光の光量に応じた受光信号を前記受光器が出力する受光ステップと、
   前記受光器における反射光の受光位置ごとに、前記受光ステップにて前記受光器が出力する受光信号から得られる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度に関する評価データを、前記受光信号に基づいて前記所定の複数の異なる強度の照射光が測定対象物に照射される各々の場合について算出する評価データ算出ステップと、
   前記評価データ算出ステップにて前記所定の複数の異なる強度で照射光を測定対象物に照射する各々の場合ごとに算出された評価データの中から、その評価データの算出に用いた受光信号に基づいて算出される位相値を用いて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度が良好になる評価データを抽出する評価データ抽出ステップと、
   前記評価データ抽出ステップにて抽出された評価データの算出に用いた受光信号から得られる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成する形状データ作成ステップと、
   を含み、
   前記評価データ算出ステップは、前記評価データが、前記光量曲線と前記光量曲線の周波数に等しい正弦曲線とのずれ量に相当するデータとして、前記光量曲線をフーリエ変換することにより得られる度数分布における全体の度数に対する前記縞模様の周波数を示す度数の比を含むように、前記評価データを算出する、３次元形状測定方法。
8. 請求項７に記載の３次元形状測定方法において、
   前記受光器における前記反射光の前記受光位置ごとに、前記受光ステップにて前記受光器が出力する受光信号に基づいて前記所定の複数の異なる強度で照射光を測定対象物に照射している各々の場合について位相値を算出する位相値算出ステップと、
   前記評価データ抽出ステップにて抽出された評価データの算出に用いた受光信号に基づいて前記位相値算出ステップにて算出される位相値を選択する位相値選択ステップとをさらに含み、
   前記形状データ作成ステップは、前記位相値選択ステップにて選択された位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成することを特徴とする、３次元形状測定方法。
9. 測定対象物に明部と暗部が周期的に繰り返される縞模様を形成するように、測定対象物に照射光を照射する光照射ステップと、
   測定対象物に形成される前記縞模様のそれぞれの箇所における位相である縞位相が複数の異なる位相となるように前記縞位相を変更する縞走査ステップと、
   前記縞位相が前記複数の異なる各々の位相である場合に、受光器が所定の複数の異なる受光時間にて照射光の反射光を受光し、受光した反射光の光量に応じた受光信号を前記受光器が出力する受光ステップと、
   前記受光器における反射光の受光位置ごとに、前記受光ステップにて前記受光器が出力する受光信号から得られる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度に関する評価データを、前記受光信号に基づいて前記所定の複数の異なる受光時間にて受光した各々の場合について算出する評価データ算出ステップと、
   前記評価データ算出ステップにて前記所定の複数の異なる受光時間にて前記受光器が反射光を受光する各々の場合ごとに算出された評価データの中から、その評価データの算出に用いた受光信号に基づいて算出される位相値を用いて測定対象物の３次元形状データを作成した場合における当該３次元形状データの測定精度が良好になる評価データを抽出する評価データ抽出ステップと、
   前記評価データ抽出ステップにて抽出された評価データの算出に用いた受光信号から得られる位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成する形状データ作成ステップと、
   を含み、
   前記評価データ算出ステップは、前記評価データが、前記光量曲線と前記光量曲線の周波数に等しい正弦曲線とのずれ量に相当するデータとして、前記光量曲線をフーリエ変換することにより得られる度数分布における全体の度数に対する前記縞模様の周波数を示す度数の比を含むように、前記評価データを算出する、３次元形状測定方法。
10. 請求項９に記載の３次元形状測定方法において、
    前記受光器における前記反射光の前記受光位置ごとに、前記受光ステップにて前記受光器が出力する受光信号に基づいて前記所定の複数の異なる受光時間にて前記受光器が反射光を受光する各々の場合について位相値を算出する位相値算出ステップと、
    前記評価データ抽出ステップにて抽出された評価データの算出に用いた受光信号に基づいて前記位相値算出ステップにて算出された位相値を選択する位相値選択ステップとをさらに含み、
    前記形状データ作成ステップは、前記位相値選択ステップにて選択した位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成することを特徴とする、３次元形状測定方法。
11. 請求項７または９に記載の３次元形状測定方法において、
    前記評価データ抽出ステップにて抽出された評価データの算出に用いた受光信号を選択する受光信号選択ステップと、
    前記受光信号選択ステップにて選択された受光信号に基づいて位相値を算出する選択位相値算出ステップと、をさらに含み、
    前記形状データ作成ステップは、前記選択位相値算出ステップにて算出された位相値に基づいて測定対象物の３次元形状データを作成することを特徴とする、３次元形状測定方法。