JP5770495B2 - 形状計測装置および格子投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、計測対象物体の形状を高速かつ高精度に計測する形状計測装置に関するものである。

従来、物体や人体等の計測対象物体の形状を非接触かつ３次元的に計測する方法として、位相シフト法を用いた方法がある。位相シフト法は、位相を変化させながら格子画像や干渉縞画像を１台の撮影装置で順次撮影し、これら位相を変化させた複数枚の格子画像や干渉縞画像に基づいて格子の位相分布を求めるものである。

これまでに、位相シフト法を用いた様々な方法が提案されてきた。例えば、特許文献１は、カメラを用いた形状計測装置において、カメラまたはプロジェクタのレンズ収差の影響を受けない高精度な形状計測を行うことを目的としており、格子が描かれた基準平板の画像からカメラまたはプロジェクタのレンズ中心座標を算出するのではなく、基準面に固定された２次元格子から、カメラの画素毎の視線が通る光路と、プロジェクタから投影される光の光路とをそれぞれ全て求めて、それら光路の交点として空間座標を算出する形状計測方法および装置について記載されている。

特許第２９１３０２１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、位相シフトを行うために格子基板を移動機構上に設けて格子基板を機械的に移動させるが、この移動機構は、例えばピエゾステージ等の非常に高価なものである。
また、格子の位相シフトを高速に行うことは困難であり、例えば高速で移動する物体の形状を計測することができない点に課題を残していた。

そこで、本発明の目的は、計測対象物体の形状を高速かつ高精度に計測する方法を提供することにある。

発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。その結果、図１に示すように、基板２の表面２ａ上に、複数の発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）３を一列に並べて配置した発光装置（光源）１を用意し、ＬＥＤ３を順次点灯させることにより、計測対象物体上に投影される格子の位相を高速にシフトできることを見出した（以下、上記方法を「光ステッピング法」と称する）。

図２に、上記光源１を備える形状計測装置の一例を示す。この形状計測装置１００は、光源用基板２と、該光源用基板２の表面上に配置された複数の格子投影用ＬＥＤ３とからなる格子投影用光源１と、１次元格子が描かれた格子面を含む、光源用基板２に平行に配置された格子プレート４とを有する格子投影部１０と、１次元格子が投影された計測対象物体２１を撮像する撮像部１１と、撮影された画像に対して位相解析処理を施して、計測対象物体２１の形状を求める解析制御装置１２とを備える。この形状計測装置１００を用いて、格子投影部１０により格子プレート４の格子面に描かれた１次元格子が計測対象物体２１に投影され、光源１におけるＬＥＤ３を順次点灯させることにより、投影された１次元格子の位相を高速にシフトさせることができる。

しかしながら、格子投影用光源１にＬＥＤを用いる場合には、以下のような問題が生じる。すなわち、図３に概略的に示すように、形状計測装置１００により形状計測を行う際には、三角測量法の原理に基づいて、計測対象物体２１、格子投影部１０および撮像部１１が、それぞれ三角形の頂点を為すように配置される。その際、計測対象物体２１の表面における所望の形状計測領域を撮影できるように、計測対象物体２１を撮影部１１の正面に配置し、従って、格子投影部１０は、計測対象物体２１から見て斜め方向に配置されるのが一般的である。

ここで、格子投影用ＬＥＤ３の発光強度分布は、図４に示すように、格子投影用ＬＥＤ３の光軸近傍の領域に分布しており、計測対象物体２１の撮影に有効な光が到達する領域（以下、「有効光到達領域」と称する）は、撮像部１１の性能に依存するものの、格子投影用ＬＥＤ３から有効な光が到達する限界の位置を規定する線（以下、「有効光限界線」と称する）で挟まれた狭い領域となる。そのため、格子投影部１０から見て、計測対象物体２１が斜め方向に配置されると、格子投影用ＬＥＤ３から照射された光が計測対象物体２１に十分に届かず、その結果、照射された光の使用効率が著しく低下する。その結果、計測対象物体２１に投影される１次元格子、ひいては撮影された画像も暗くなり、計測誤差が増大してしまう。

上記問題を回避するために、格子投影部１０全体を計測対象物体２１に向けると、格子投影部１０の座標軸と撮像部１１の座標軸とが異なってしまうため、撮影された画像に対して位相解析処理を施して計測対象物体２１の形状を求める際に、座標変換を行う必要が生じる。その結果、解析処理が複雑になるとともに多くの時間を要することになり、高速な形状計測が妨げられてしまう。

そこで、格子投影部１０と撮像部１１の位置関係（両者の座標系が同一の状態）を固定した状態で、計測対象物体２１を格子投影部１０の正面に配置すると、撮像部１１から見て、計測対象物体２１は斜め前方に存在することになるため、今度は得られた画像データに対して回転処理を施す等の画像データの変換処理を行う必要が生じ、高速な形状計測を行うことができなくなる。
また、撮像部１１は、計測対象物体２１を斜め方向から撮影することになるため、形状を計測しようとする計測対象物体２１上の領域を適切に撮影できない虞もある。

このように、計測対象物体２１の形状計測を行う際には、格子投影部１０、撮像部１１、および計測対象物体２１の位置関係について制限があり、格子投影用光源１から照射された光を計測対象物体２１上に有効に照射し、照射された光の使用効率を向上させる方途が希求されている。

そこで、発明者らは、上記制限の下で、ＬＥＤ３から照射光の使用効率を向上させる方途について鋭意検討した結果、光源用基板２上に複数の格子投影用ＬＥＤ３を配置し、該ＬＥＤ３の各々の光軸が、光源用基板２の法線に対して、計測対象物体２１側に傾斜させて配置することが有効であることを見出し、本発明を完成させるに到った。

ところで、計測対象物体２１の３次元の画像データを取得する際、計測対象物体２１の表面の３次元座標とともに、計測対象物体２１の輝度および色相のデータを取得することが必要になる。そのため、計測対象物体２１に所定の色の光を照射するための撮像用光源を設ける必要があるが、格子投影用光源１１とは別に撮像用光源を設けると、装置の小型化が困難になる問題がある。そこで、発明者らは、鋭意検討した結果、格子投影部１０が撮像用ＬＥＤを更に備えるように構成することが有効であることを見出し、本発明を完成させるに到った。

すなわち、本発明の形状計測装置は、計測対象物体の形状を計測する装置であって、光源用基板と、該光源用基板上に配置され、前記計測対象物体に１次元格子を投影するための複数の格子投影用発光ダイオードとからなる格子投影用光源と、前記１次元格子が描かれた格子面を含む、前記光源用基板に平行に配置された格子プレートとを有する格子投影部と、前記１次元格子が投影された前記計測対象物体を撮像する撮像部と、前記撮影された画像に対して位相解析処理を施して前記計測対象物体の形状を求める解析装置とを備え、前記複数の格子投影用発光ダイオードの各々の光軸が、前記光源用基板の法線に対して、前記計測対象物体側に傾斜していることを特徴とするものである。

また、本発明の形状計測装置において、前記光源用基板の表面が凹部または凸部を有し、前記複数の格子投影用発光ダイオードの各々は、前記凹部または前記凸部に配置されていることを特徴とするものである。

また、本発明の形状計測装置において、前記格子投影用光源が、前記計測対象物体を照明するための複数の撮像用発光ダイオードを更に備えることを特徴とするものである。

また、本発明の形状計測装置において、前記撮像用発光ダイオードの各々の光軸が前記格子プレートを通過し、前記複数の撮像用発光ダイオードは、該複数の撮像用発光ダイオードの全てを同時に点灯させた際に前記計測対象物体に前記１次元格子が投影されない間隔で配置されていることを特徴とするものである。

また、本発明の形状計測装置において、前記複数の撮像用発光ダイオードと前記格子プレートとの間に光拡散板を更に備えることを特徴とするものである。

また、本発明の形状計測装置において、前記複数の撮像用発光ダイオード間の間隔は、前記格子投影用発光ダイオードの間隔よりも小さいことが好ましい。

本発明の格子投影装置は、計測対象物体に１次元格子を投影するための形状計測装置用の格子投影装置であって、光源用基板と、該光源用基板上に配置され、前記計測対象物体に前記１次元格子を投影するための複数の格子投影用発光ダイオードとからなる格子投影用光源と、前記１次元格子が描かれた格子面を含む、前記光源用基板に平行に配置された格子プレートとを有し、前記複数の格子投影用発光ダイオードの各々の光軸は、前記光源用基板の法線に対して傾斜していることを特徴とするものである。

また、本発明の格子投影装置において、前記光源用基板の表面が凹部または凸部を有し、前記複数の格子投影用発光ダイオードの各々は、前記凹部または前記凸部に配置されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、４つ以上の光源を順次点灯させることにより位相シフトを高速に行うことができるため、計測対象物体の形状を高速かつ高精度に計測することができる。

光源用基板の表面上に複数のＬＥＤを並べた光源を示す図である。 複数のＬＥＤを用いた形状計測装置を示す図である。 格子投影部、撮像部および計測対象物体の配置関係を示す図である。 ＬＥＤから照射された光のうちの有効な照射領域を示す図である。 本発明による形状計測装置を示す図である。 本発明による発光装置におけるＬＥＤの配置の一例を示す図である。 本発明による発光装置におけるＬＥＤの配置の別の例を示す図である。 本発明による、撮像用ＬＥＤを更に備える形状計測装置を示す図である。 本発明による、格子プレートを介して照射される撮像用ＬＥＤを更に備える形状計測装置を示す図である。 本発明による撮像用ＬＥＤを備える形状計測装置を示す図である。 本発明による、格子プレートを介して照射される撮像用ＬＥＤを備える形状計測装置を示す図である。 光ステッピング法による計測対象物体の形状計測原理を示す図である。 基準面を用いた光ステッピング法による計測対象物体の形状計測原理を示す図である。 光ステッピング法における位相シフト量と輝度との関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図５は、本発明による計測対象物体の形状計測装置を示す図である。この形状計測装置２００は、光源用基板３２と該光源用基板３２上に配置された複数の格子投影用ＬＥＤ３３とからなる格子投影用光源３１と、１次元格子が描かれた格子面を含む、前記光源用基板３２に平行に配置された格子プレート３４とを有する格子投影部３０と、１次元格子が投影された計測対象物体２１を撮影する撮影部１１と、撮影された画像に対して位相解析処理を施して、計測対象物体２１の形状を求める解析装置１２とを備える。ここで、複数の格子投影用ＬＥＤ３３の各々の光軸が、光源用基板３２の法線に対して、計測対象物体２１側に傾斜していることが肝要である。以下、形状計測装置２００の各構成について説明する。

格子投影部３０は、計測対象物体２１の形状を計測する際に、計測対象物体２１に１次元格子を投影する。この格子投影用光源３１に複数のＬＥＤを用い、該ＬＥＤを順次点灯することにより、計測対象物体２１上に投影された１次元格子の位相を高速にシフトさせることが可能になり、計測対象物体２１の形状計測を高速に行うことができる。
上述のように、格子投影用ＬＥＤ３３の光軸を、光源用基板３２の法線に対して平行に向けて配置すると、格子投影用光源３１から照射された光が、計測対象物体２１に有効に届かない。そこで、本発明においては、複数の格子投影用ＬＥＤ３３の各々の光軸を、計測対象物体２１側に傾斜させるように構成する。これにより、格子投影用ＬＥＤ３３から照射された光の使用効率を格段に向上させることができ、その結果、形状計測の精度も向上させることができる。

光源用基板３２上における複数の格子投影用ＬＥＤ３３を、該ＬＥＤ３３の光軸が光源用基板３２の法線に対して、傾斜するように配置する方法は何ら限定されない。例えば、光源用基板３２の表面に凹部または凸部を設け、該凹部または凸部に各ＬＥＤ３３を配置することにより、各ＬＥＤ３３を傾斜させて配置することができる。具体的には、図６に示すように、光源用基板３２の表面にｖ字型の凹部３２ｂを設けることにより、各ＬＥＤ３３を傾斜させて配置することができる。また、図７に示すように、光源用基板３２の表面にｖ字型の凸部３２ｃを設けて格子投影用ＬＥＤ３３を配置することができる。

光源用基板３２の法線方向に対するＬＥＤ３３の光軸の傾斜角度は、ＬＥＤ３３の有効光到達領域がＬＥＤによって異なり、また、計測対象物体２１との位置関係により異なるため、具体的な角度範囲は規定できないが、少なくともＬＥＤ３３全ての有効光到達領域を重ね合わせた領域中に、計測対象物体２１が配置されるように設定する。

また、図６および７に例示した格子投影用ＬＥＤ３３は、その全ての光軸が、光源用基板３２の表面３２ａの法線に対して同じ角度で傾斜しているが、各ＬＥＤ３３の光軸は、それぞれ異なる角度で傾斜させて配置しても良い。例えば、計測対象物体２１から離れたＬＥＤについては傾斜角度を大きくし、計測対象物体２１に近いＬＥＤについては傾斜角度を小さくすることができる。

格子投影用ＬＥＤ３３の数は、計測対象物体２１に照射される光の使用効率を向上させる点からは何ら限定されないが、形状計測の際に使用する位相解析手法に依存する。例えば、位相解析手法として後述する光ステッピング法を用いる場合には４個以上、また、全空間テーブル化手法に基づく位相解析手法の場合には３個以上あればよい。

また、格子投影用ＬＥＤ３３の形状については、点光源ばかりでなく、線状光源とすることもできる。また、一般にＬＥＤの出力は小さいため、複数の点光源を並べて線状の光源にし、出力を増やすようにすることもできる。

複数の格子投影用ＬＥＤ３３の間隔については、計測対象物体２１に照射される光の使用効率を向上させる点からは何ら限定されないが、形状計測の際に使用する位相解析手法により限定される場合がある。例えば、位相解析手法として後述する光ステッピング法を用いる場合には、Ｘ軸方向に等間隔に配置とする必要がある。一方、全空間テーブル化手法に基づく位相解析手法の場合には、必ずしも等間隔に配置する必要はない。

格子プレート３４の格子面３４ａに描かれた１次元格子は、等間隔かつＹ軸方向に平行に並んだ直線からなる。格子投影用ＬＥＤ３３から照射された光が格子プレート３４を通過することにより、格子面３４ａ上に描かれた１次元格子が計測対象物体２１上に投影されるように構成されている。

撮像部１１は、計測対象物体２１、および格子投影部１０により１次元格子が投影された計測対象物体２１を撮像する。撮像部１１としては、例えばＣＭＯＳカメラやＣＣＤカメラを使用することができる。

解析制御装置１２は、撮像部１１により撮影された計測対象物体２１の画像に対して位相解析処理を施すことにより、計測対象物体２１の形状を求めるとともに、格子投影部１０におけるＬＥＤ３の点灯の切り換え制御や、撮像部１１の撮影の制御を行う。この解析制御装置１２としては、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を用いることができる。

このような本発明による形状計測装置により、計測対象物体の形状を高速に計測することができる。
また、格子投影用ＬＥＤの光軸を、光源用基板の法線に対して計測対象物体側に傾斜させて配置したため、格子投影用ＬＥＤから照射された光を計測対象物体に有効に照射して、照射光の使用効率、ひいては形状計測の精度を向上させることができる。

以上の本発明の形状計測装置２００に、撮像用ＬＥＤを更に設けることにより、計測対象物体２１の形状計測とともに、計測対象物体２１の３次元の画像データを取得するために必要となる、計測対象物体２１の輝度および色相のデータを取得することが可能になる。

図８は、格子投影部４０における格子投影用光源４１に、複数の撮像用ＬＥＤ４５を備える形状計測装置３００を示している。この撮像用ＬＥＤ４５は、計測対象物体２１の３次元の画像データを取得するために必要となる、計測対象物体２１の輝度および色相のデータを取得するために、計測対象物体２１に所定の波長（色）の光を照射する。

ここで、撮像用ＬＥＤ４５は、格子投影用ＬＥＤ４３とともに、光源用基板４２上の計測対象物体２１側に配置されている。これにより、格子投影用光源４１がコンパクトになるとともに、撮像用ＬＥＤ４５を格子投影用ＬＥＤ４３の制御が容易になり、計測対象物体２１の形状計測とともに３次元の画像データを取得するために必要となる、計測対象物体２１の輝度および色相のデータを瞬時に取得することができるようになる。

また、計測対象物体２１に１次元格子を投影するための格子プレート４４は、撮像用ＬＥＤ４５の有効光到達領域に入らないように構成されている。

計測対象物体２１の形状計測を行う際には、撮像用ＬＥＤ４５は全て消灯させた状態で、格子投影用ＬＥＤ４３を順次点灯させるようにする。一方、計測対象物体２１を撮像する際には、格子投影用ＬＥＤ４３を消灯させた状態で、撮像用ＬＥＤ４５の全てを同時に点灯させるようにする。

撮像用ＬＥＤ４５としては、格子投影用ＬＥＤ４３と同様に、点光源だけでなく、線状光源とすることもできる。また、撮像用ＬＥＤ４５の出力は小さいため、複数の点光源を並べて線状の光源にし、出力を増やすようにすることもできる。また、撮像用ＬＥＤ４５が照射する光の波長は、用途に応じて適切に選択するようにする。

撮像用ＬＥＤ４５の数は、計測対象物体２１に照射される光の使用効率を向上させる点からは何ら限定されず、計測対象物体２１を明瞭に撮影できればよい。
更に、複数の撮像用ＬＥＤ４５の間隔についても特に限定されず、必要に応じて適切に設定すればよい。

なお、撮像用ＬＥＤ４５の光軸は、格子投影用ＬＥＤ４３の場合とは異なり、光源用基板４２の法線に対して必ずしも傾斜させる必要はないが、計測対象物体２１側に傾斜させて配置することにより、計測対象物体２１をより明るく照明させて、より明瞭な画像を撮影することができる。

図９は、図８とは異なる構成を有する、撮像用ＬＥＤ４５を備える形状計測装置を示している。この形状計測装置４００と、図８に示した形状計測装置３００との相違は、形状計測装置４００における格子プレート４４が、撮像用ＬＥＤ４５の有効光到達領域に含まれることである。そのため、撮像用ＬＥＤ４５から照射された光は、格子プレート４４を通過し、従って、１次元格子が計測対象物体２１に投影されることになる。しかし、後述する形状計測原理から明らかなように、撮像用ＬＥＤ４５間の間隔を狭くして配置し、全ての撮像用ＬＥＤ４５を同時に点灯させることにより、各ＬＥＤ４５から投影された格子模様が重ね合わされるため、結果として計測対象物体２１に投影された１次元格子を消すことができる。こうして、計測対象物体２１には１次元格子が消された所定の色の光が照明されるため、計測対象物体２１の３次元の画像データを取得するために必要となる、計測対象物体２１の輝度および色相のデータを取得することができる。

また、形状計測装置４００において、複数の撮像用ＬＥＤ４５と格子プレート４４との間に、すりガラス等の光拡散板を更に配置することにより、撮像用ＬＥＤ４５を点灯させた際に計測対象物体２１上に投影される１次元格子を更に目立たせないようにして、計測物体２１を撮像することができる。この光拡散板は、格子プレート４４を介した計測対象物体２１上への１次元格子の投影に悪影響を与えないような適切な位置に配置する。

上記の形状計測装置４００において、複数の撮像用ＬＥＤ４５間の間隔は、小さければ小さいほど好ましい。この複数の撮像用ＬＥＤ４５間の間隔は、単にＬＥＤ４５の間隔を狭めるだけでなく、ＬＥＤ面内において、複数の撮像用ＬＥＤ４５の並ぶ向きをＸ軸に対して傾斜させることにより調整することもできる。

なお、図９において、撮像用ＬＥＤ４５は、格子投影用ＬＥＤ４３よりも小さく描かれているが、これは、撮像用ＬＥＤ４５の間隔が細かく設定されていることを意味するものであり、格子投影用ＬＥＤよりも寸法が小さいことを意味していないことに注意する。

こうして、撮像用ＬＥＤ４５を設けることにより、所定の波長（色）の光を計測対象物体２１に照射して、計測対象物体２１の３次元の画像データを取得するために必要となる、計測対象物体２１の輝度および色相のデータを瞬時に取得することができる。

図１０は、本発明による計測対象物体の形状計測装置を示す図である。この形状計測装置５００は、光源用基板５２と該光源用基板５２上に配置された複数の格子投影用ＬＥＤ５３とからなる格子投影用光源５１と、１次元格子が描かれた格子面を含む、前記光源用基板５２に平行に配置された格子プレート５４と、前記光源用基板５２上に配置された複数の撮像用ＬＥＤ５５とを有する格子投影部５０と、１次元格子が投影された計測対象物体２１を撮影する撮影部１１と、撮影された画像に対して位相解析処理を施して、計測対象物体２１の形状を求める解析制御装置１２とを備える。ここで、格子プレート５４は、撮像用ＬＥＤ５５の光軸が格子プレート５４を通過しないように構成されている。以下、形状計測装置５００の各構成について説明する。

格子投影部５０は、計測対象物体２１の形状を計測する際に、計測対象物体２１に１次元格子を投影する。ここで、格子投影用ＬＥＤ５３は、その光軸が光源用基板５２の法線方向に対して平行となるように配置される。格子投影用光源５１に複数のＬＥＤを用い、該ＬＥＤを順次点灯することにより、計測対象物体２１上に投影された１次元格子の位相を高速にシフトさせることが可能になり、計測対象物体２１の形状計測を高速に行うことができる。

格子投影用ＬＥＤ５３の数は、計測対象物体２１に照射される光の使用効率を向上させる点からは何ら限定されないが、形状計測の際に使用する位相解析手法に依存する。例えば、位相解析手法として後述する光ステッピング法を用いる場合には４個以上、また、全空間テーブル化手法に基づく位相解析手法の場合には３個以上あればよい。

また、格子投影用ＬＥＤ５３の形状については、点光源だけでなく、線状光源とすることもできる。また、ＬＥＤの出力は小さいため、複数の点光源を並べて線状の光源にし、出力を増やすようにすることもできる。

複数の格子投影用ＬＥＤ５３の間隔については、計測対象物体２１に照射される光の使用効率を向上させる点からは何ら限定されないが、形状計測の際に使用する位相解析手法により限定される場合がある。例えば、位相解析手法として後述する光ステッピング法を用いる場合には、Ｙ軸方向に等間隔に配置とする必要がある。一方、全空間テーブル化手法に基づく位相解析手法の場合には、必ずしも等間隔に配置する必要はない。

撮像用ＬＥＤ５５は、計測対象物体２１の３次元の画像データを取得するために必要となる、計測対象物体２１の輝度および色相のデータを取得するために、計測対象物体２１に所定の波長（色）の光を照射する。

ここで、撮像用ＬＥＤ５５は、格子投影用ＬＥＤ５３とともに、光源用基板５２上の計測対象物体２１側に配置されている。これにより、格子投影用光源５１がコンパクトになるとともに、撮像用ＬＥＤ５５および格子投影用ＬＥＤ５３の制御が容易になり、計測対象物体２１の形状計測とともに３次元の画像データを取得するために必要となる、計測対象物体２１の輝度および色相のデータを瞬時に取得することができるようになる。

計測対象物体２１の形状計測を行う際には、撮像用ＬＥＤ５５は全て消灯させた状態で、格子投影用ＬＥＤ５３を順次点灯させるようにする。一方、計測対象物体２１を撮像する際には、格子投影用ＬＥＤ５３を消灯させた状態で、撮像用ＬＥＤ５５の全てを同時に点灯させるようにする。

格子プレート５４の格子面５４ａに描かれた１次元格子は、等間隔かつＹ軸方向に平行に並んだ直線からなる。格子投影用ＬＥＤ５３から照射された光が格子プレート５４を通過することにより、格子面５４ａ上に描かれた１次元格子が計測対象物体２１上に投影されるように構成されている。

撮像部１１は、計測対象物体２１、および格子投影部１０により１次元格子が投影された計測対象物体２１を撮像する。撮像部１１としては、例えばＣＭＯＳカメラやＣＣＤカメラを使用することができる。

解析制御装置１２は、撮像部１１により撮影された計測対象物体２１の画像に対して位相解析処理を施すことにより、計測対象物体２１の形状を求めるとともに、格子投影部５０における格子投影用ＬＥＤ５３の点灯の切り換え制御や、撮像部１１の撮影の制御を行う。解析制御装置１２としては、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）を用いることができる。

図１１は、図１０とは異なる構成を有する、撮像用ＬＥＤ５５を備える形状計測装置を示している。この形状計測装置６００と、図１０に示した形状計測装置５００との相違は、形状計測装置５００における格子プレート５４が、撮像用ＬＥＤ５５の有効光到達領域に含まれることである。そのため、撮像用ＬＥＤ５５から照射された光は、格子プレート５４を通過し、従って、１次元格子が計測対象物体２１に投影されることになる。

しかし、撮像用ＬＥＤ５５間の間隔を狭めて配置し、全ての撮像用ＬＥＤ５５を同時に点灯させることにより、各ＬＥＤ５５から投影された格子模様が重ね合わされるため、結果として計測対象物体２１に投影された１次元格子を消すことができる。こうして、計測対象物体２１には１次元格子が消された所定の色の光が照明されるため、計測対象物体２１の３次元の画像データを取得するために必要となる、計測対象物体２１の輝度および色相のデータを取得することができる。

また、形状計測装置６００において、複数の撮像用ＬＥＤ５５と格子プレート５４との間に、すりガラス等の光拡散板を更に配置することにより、撮像用ＬＥＤ５５を点灯させた際に計測対象物体２１上に投影される１次元格子を更に目立たせないようにして、計測物体２１を撮像することができる。この光拡散板は、格子プレート５４を介した計測対象物体２１上への１次元格子の投影に悪影響を与えないような適切な位置に配置する。

上記の形状計測装置６００において、複数の撮像用ＬＥＤ５５間の間隔は、小さければ小さいほど好ましい。この複数の撮像用ＬＥＤ５５間の間隔は、単にＬＥＤ５５の間隔を狭めるだけでなく、ＬＥＤ面内において、複数の撮像用ＬＥＤ５５の並ぶ向きをＸ軸に対して傾斜させることにより調整することもできる。

なお、図１１において、撮像用ＬＥＤ５５は、格子投影用ＬＥＤ５３よりも小さく描かれているが、これは、撮像用ＬＥＤ５５の間隔が細かく設定されていることを意味するものであり、格子投影用ＬＥＤよりも寸法が小さいことを意味していないことに注意する。

こうして、撮像用ＬＥＤ５５を設けることにより、計測対象物体２１の形状計測とともに、所定の波長（色）の光を計測対象物体２１に照射して、計測対象物体２１の３次元の画像データを取得するために必要となる、計測対象物体２１の輝度および色相のデータを瞬時に取得することができる。

以上の本発明の形状計測装置を用いて、撮像部１２により、１次元格子模様が投影された計測対象物体２１を撮像し、撮影された画像に対して位相解析処理を施すことにより計測対象物体の形状を求めることができるが、位相解析処理の方法は限定されず、様々な方法を採用することができる。ここで、位相解析方法の例として、光ステッピング法、および全空間テーブル化手法について説明する。そのために、５つの格子投影用ＬＥＤ３３を有する形状計測装置２００を用いて形状計測を行う場合について説明するが、ＬＥＤ３３の数が５以外の場合にも同様に計測することができる。

[形状計測原理]
（基準面を用いない場合）
図１２は、本発明による形状計測装置２００を用いて、光ステッピング法により計測対象物体２１の形状計測を行う原理を示す図である。この形状計測装置２００は、光源用基板３２と該光源用基板３２上に等間隔かつ一列に並べられた５つの格子投影用ＬＥＤ３３であるＬ_-2、Ｌ_-1、Ｌ₀、Ｌ₁およびＬ₂からなる格子投影用光源３１と、１次元格子が描かれた格子面３４ａを有する格子プレート３４とを有する格子投影部３０と、撮影部１１とを備える。なお、図１２において、解析制御装置１２は省略されている。
ここで、５つの格子投影用ＬＥＤ３３であるＬ_-2、Ｌ_-1、Ｌ₀、Ｌ₁およびＬ₂における両端のＬＥＤ間の中央位置（すなわち、Ｌ₀の位置）を原点Ｏとし、５つのＬＥＤを通る方向にＸ軸を、該Ｘ軸に直交する方向に、互いに直交するＹ軸およびＺ軸をとる（以下、ＬＥＤ面からＺ軸方向の位置を「高さ」と称する）。計測対象物体２１は、Ｚ軸方向に配置される。
なお、原点Ｏの位置は、ＬＥＤの数が５以外の場合にも上記と同様の方法、すなわち、４つ以上の光源における両端の光源間の中央位置として規定される。

ＬＥＤ間の間隔はｌである。以下、５つのＬＥＤであるＬ_-2、Ｌ_-1、Ｌ₀、Ｌ₁およびＬ₂を含み、Ｚ＝０の面を「ＬＥＤ面」と呼ぶ。

格子プレート３４の格子面３４ａに描かれた１次元格子は、等間隔かつＹ軸方向に平行に並んだ直線からなる。格子投影用光源３１から照射された光が格子プレート３４を通過することにより、格子面３４ａ上に描かれた１次元格子が計測対象物体２１上に投影されるように構成されている。１次元格子を構成する直線の間隔はｐであり、ＬＥＤ面と格子面３４ａとの間隔はｄである。また、１次元格子を構成する直線間の中央位置のうち、Ｚ軸からの距離が最短なものを原点Ｅとし、また、格子面３４ａとＺ軸との交点をＣとする。

以下の説明において、５つのＬＥＤであるＬ_-2、Ｌ_-1、Ｌ₀、Ｌ₁およびＬ₂の明るさ分布は、観測範囲内において、Ｚ＝一定のＸおよびＹ軸方向に対して均一で等しいと仮定する。なお、均一でない場合は、その分布を係数として、考慮すればよいが、ここでは取り扱いを簡単にするため、均一と仮定する。

今、ＬＥＤであるＬ_nのみを順次点灯し、１次元格子が計測対称物体２１上に投影することを考える。このとき、Ｚ＝ｄにある１次元格子の透過率分布は余弦波状になっており、ＬＥＤであるＬ_nにより照射された１次元格子の影の輝度分布は、以下の式で表される。

ここで、Φは位相、ａ_gは振幅、ｂ_gは背景輝度、ｘ_gは格子面３４ａでのｘ座標、ｅは格子面３４ａの原点Ｅ（Φ＝０）と点Ｃとの間の距離である。
まず、５つのＬＥＤのうち、中央のＬ₀の点灯により１次元格子が投影された計測対象物体２１上の位置Ｓ（ｘ，ｙ，ｚ）における輝度Ｉ₀は、近似的に次式で表される。

ここで、任意の点の輝度は、光源からの距離の自乗に反比例することを考慮している。また、図１２に示すように、計測対象物体２１上の１点Ｓには、図１２における格子面３４ａ上の１次元格子のＧ点の影が投影されている。

このとき、幾何学的関係より、

の関係がある。

次に、ＬＥＤをＬ₀からＬ₁に切り換えると、Ｇ点の影は、Ｚ＝ｚの（ｘ，ｙ）面では、Ａ点に投影される。このとき、点Ｓには１次元格子のＦ点の影が投影されている。
ＬＥＤであるＬ₁による位置Ｓ（ｘ，ｙ，ｚ）における輝度Ｉ₁は，次のようにして求められる。
すなわち、ＬＥＤをＬ₀からＬ₁に切り替えたことにより、計測対象物体２１に投影される１次元格子の位相（アンラッピングされた位相）は、以下の式（４）で与えられる量だけシフトする。

この位相シフト量Ψは、以下のようにして求められる。すなわち、図１２におけるΔＬ₀Ｌ₁Ｇと△ＳＡＧとが相似であるため、

となる。また、△ＳＡＬ₁と△ＦＧＬ₁とが相似であるため、

となる。式（５）および（６）から、

となる。また、式（４）および（７）から、

となる。こうして、ＬＥＤをＬ₀からＬ₁に切り替えたときに、計測対象物体２１に投影された１次元格子の位相シフト量Ψの値が求められた。この位相シフト量Ψは、ｚに依存することが分かる。

同様に、ＬＥＤであるＬ₀からＬＥＤであるＬ_nに切り替えることにより、式（２）に比べて位相がｎΨだけシフトするため、位置Ｓ（ｘ，ｙ，ｚ）における輝度Ｉ_nは、次式となる。

この式（９）において、

と置き直すと、

となる。
こうして、Ｌ_nを点灯したときの、位置Ｓ（ｘ，ｙ，ｚ）における輝度Ｉ_nを求めることができた。
なお、計測対象物体２１の反射率ｒを考慮する場合は、ａおよびｂに反射率ｒを掛ければよいが、ここでは説明を簡単化するために省略する。

（位相シフト量Ψと高さｚとの関係）
次に、高さｚを求めるために、高さｚと位相シフト量Ψまたは位相Φとの関係を求める。位相シフト量Ψが求められると、式（８）から、

が得られ、高さｚを求めることができる。この場合、等位相線は等高線となっている。

（位相Φと高さzとの関係）
また、式（１２）から、

となり、位相Φが求められると、高さｚが求められる。この場合、等位相線はｘの関数となっており、等高線とはならない。

このように、位相シフト量Ψまたは位相Φを求めることができれば、式（１４）または式（１５）から、撮影部１１の位置に関係なしに高さｚを求めることができる。この位相シフト量Ψおよび位相Φを求める方法については後述する。

また、ｘおよびｙ座標については、様々な方法、例えばフーリエ変換格子法により、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の位相をそれぞれ求め、更に位相接続を行うことにより、各点におけるｘ座標およびｙ座標をそれぞれ得ることができる（例えば、特許第３２８１９１８号公報参照）。

なお、図１２において、５つのＬＥＤ以外の構成（Ｘ、ＹおよびＺ軸も含む）の配置を全て固定した状態で、５つのＬＥＤをＺ＝０の面内において原点Ｏを中心にしてＸ軸に対して傾けて配置することができる。つまり、５つのＬＥＤは、Ｘ軸に対して平行である必要はない。この場合、上記の説明における５つのＬＥＤ間の間隔ｌとしては、Ｘ軸方向（すなわち、１次元格子を構成する直線に垂直な方向）のＬＥＤ間の間隔（すなわち、５つのＬＥＤ間の間隔のＸ軸方向の成分）を用いる。ＬＥＤ間の間隔を物理的に狭めることは困難であるが、上記のように５つのＬＥＤをＸ軸に対して傾けることにより、Ｘ軸方向のＬＥＤ間の間隔を容易に狭めることができるようになる。

また、図１２において、５つのＬＥＤ以外の構成（Ｘ、ＹおよびＺ軸も含む）の配置を全て固定した状態で、Ｚ＝０の面内において、５つのＬＥＤであるＬ―₂，Ｌ―₁，Ｌ₀，Ｌ₁，Ｌ₂の各々を、Ｙ軸方向の任意の位置に配置することもできる。つまり、５つのＬＥＤであるＬ―₂，Ｌ―₁，Ｌ₀，Ｌ₁，Ｌ₂は、Ｘ軸方向に等間隔に並んでいればよい。

こうして、計測対象物体２１上の点Ｓの座標ｘ、ｙおよびｚを求めることができ、計測対象物体２１の形状を求めることができる。

（基準面を用いる場合）
次いで、基準面を用いる場合の形状計測の原理について説明する。この形状計測方法は、４つ以上の光源からなる格子投影用光源と、１次元格子を有する格子面を含む、格子投影用光源に平行に配置された格子プレートと、撮影部であって、該撮影部のレンズの中心が格子投影用光源を含み格子プレートに平行な光源面上に配置された撮影部とを備える形状計測装置と、格子面に平行に配置された、基準面を含む基準平板とを用いて計測対象物体の形状を計測する方法であって、４つ以上の光源を順次点灯させて基準面に投影される１次元格子の位相をシフトさせながら、撮影部により基準面を撮影するステップと、計測対象物体を格子プレートと基準平板との間に配置し、４つ以上の光源を順次点灯させて計測対象物体に投影される１次元格子の位相をシフトさせながら、撮影部により計測対象物体を撮影するステップと、撮影された基準面の画像および計測対象物体の画像に対して位相解析処理を施して、計測対象物体の形状を求めるステップとを含む。ここで、４つ以上の光源は１次元格子を構成する直線に垂直な方向に等間隔に配置されており、光源面からの距離は、投影された１次元格子の、所定の位置での位相と、レンズ中心と所定の位置とを通る直線と基準面との交点における位相とに依存することを特徴とするものである。
以下、格子投影用光源を構成する光源の数が５つの場合を例に、本発明による別の形状計測方法の原理について説明するが、この場合についても５つの光源の場合に限定されないことに注意する。

図１３は、図１２に示した形状計測装置１に、ＬＥＤ面から距離ｚ_Rだけ離れた位置に格子面３４ａ（すなわちＬＥＤ面）と平行な基準面１３ａを有する基準平板１３を更に備える形状計測装置２００である。ここで、撮影部１１のレンズの中心Ｖは、Ｘ＝ｖの位置に配置されている。すなわち、原点Ｏからレンズの中心ＶまでのＸ軸方向の距離はｖである。計測対象物体２１は、格子プレート３４と基準平板１３との間に配置される。
この形状計測装置２００を用いて、まず、この基準面１３ａに１次元格子を投影し、その位相Φ_R分布を記録し、次いで、基準面１３ａの前に計測対象物体２１を配置し、該計測対象物体２１上の点Ｓにおける、投影された１次元格子の位相Φ_Sを求める。これにより、撮影部１１の各画素において、基準面１３ａと計測対象物体２１上の点Ｓとの位相差（Φ_S−Φ_R）から、ｚまたは基準面１３ａからの高さｈ_s＝ｚ_R−ｚを求めることができる。以下に、その原理について説明する。

今、撮影部１１のある１画素Ｕが、計測対象物体２１が格子プレート３４と基準平板１３との間に配置されていない場合には基準面１３ａ上の点Ｒを、計測対象物体２１が配置されている場合には該計測対象物体２１上の点Ｓを見ているとする。計測対象物体２１上に投影された１次元格子の、点Ｓでの位相をΦ_S、点Ｒでの位相をΦ_Rとする。点Ｒと原点Ｏを結ぶ直線の格子面３４ａとの交点をＱとする。このとき、位相Φ_SとΦ_Rは、それぞれ点Ｇと点Ｑにおける１次元格子の位相と同じであり、それらの位相差から次式の関係が得られる。

また、△ＳＰＯと△ＧＱＯとが相似であるため、

となる。式（１６）および（１７）から、

となる。また、△ＳＰＲと△ＶＯＲとが相似であるため、

となる。式（１８）および（１９）から、

となる。この式（２０）から、高さｚは、

となる。
こうして、式（２１）から、カメラの画素の基準面１３ａにおける位相Φ_Rおよび計測対象物体２１上の点Ｓの位相Φ_Sから、点Ｓのｚ座標を求めることができる。また、等位相差（Φ_S−Φ_R）線は等高線となる。

また、ｘおよびｙ座標については、基準面１３ａ（すなわち、基準平板１３）を用いない場合と同様に、例えばフーリエ変換格子法により、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の位相をそれぞれ求め、更に位相接続を行うことにより、各点におけるｘ座標およびｙ座標をそれぞれ得ることができる。
なお、図１２の場合と同様に、図１３において、５つのＬＥＤ以外の構成（Ｘ、ＹおよびＺ軸も含む）の配置を全て固定した状態で、５つのＬＥＤをＺ＝０の面内において原点Ｏを中心にしてＸ軸に対して傾けて配置することができる。つまり、５つのＬＥＤは、Ｘ軸に対して平行である必要はない。この場合、上記の説明における５つのＬＥＤ間の間隔ｌとしては、Ｘ軸方向（すなわち、１次元格子を構成する直線に垂直な方向）のＬＥＤ間の間隔（すなわち、５つのＬＥＤ間の間隔のＸ軸方向の成分）を用いる。ＬＥＤ間の間隔を物理的に狭めることは困難であるが、上記のように５つのＬＥＤをＸ軸に対して傾けることにより、Ｘ軸方向のＬＥＤ間の間隔を容易に狭めることができるようになる。

また、図１３において、５つのＬＥＤ以外の構成（Ｘ、ＹおよびＺ軸も含む）の配置を全て固定した状態で、Ｚ＝０の面内において、５つのＬＥＤであるＬ―₂，Ｌ―₁，Ｌ₀，Ｌ₁，Ｌ₂の各々を、Ｙ軸方向の任意の位置に配置することもできる。つまり、５つのＬＥＤであるＬ―₂，Ｌ―₁，Ｌ₀，Ｌ₁，Ｌ₂は、Ｘ軸方向に等間隔に並んでいればよい。

こうして、計測対象物体２１上の点Ｓの座標ｘ、ｙおよびｚを求めることができ、計測対象物体２１の形状を求めることができる。

こうして、計測対象物体２１上の点Ｓの座標ｘ、ｙおよびｚを求めることができ、計測対象物体２１の形状を求めることができる。

（光ステッピング法による位相解析）
続いて、高さｚを求めるために必要な、位相Φおよび位相シフト量Ψを求める方法について説明する。
上述のように、従来の位相シフト法が、図１２または図１３の格子を直接動かすことにより、位相２πを整数Ｎで割って、全ての位置にて位相を２π／Ｎずつシフトさせるのに対し、本発明の位相シフト法においては、５つのＬＥＤを順次点灯および消灯させることにより、計測対象物体２１に投影される１次元格子の位相を、式（１４）で示される位相シフト量Ψにて等間隔に５回シフトさせる（初期位置を含めて）位相シフトを行う。この位相シフト量Ψは、通常、２πを５等分したものでない。また、式（１４）から明らかなように、ｚの値によって位相シフト量Ψは異なる。

図１４は、余弦波状に輝度が変化する１次元格子の位相を、位相シフト量Ψにて等間隔に位相シフトさせたときの、標本点の輝度および位相のシフト量の関係を示す。光ステッピング法においては、Ｉ₀における位相Φが求めるべき位相であり、Ｌ_nを切り替えて順次点灯させる毎に、Ψずつ位相シフトする。このとき、輝度は上述の式（１３）で表され、全てのｎについて書くと、

となる。ここで、未知数はΦ、Ψ、ａおよびｂの４つであり、これらの式から位相Φのラッピングされた値φおよびΨのラッピングされた値ψは、それぞれ以下の式（２７）および（２８）のようになる。

これらの式（２７）および（２８）から、ラッピングされた位相φおよび位相シフト量ψを求めることができる。
なお、式（１３）を解くのに、式（２２）〜（２６）の５つの式を用いたが、未知数の数が４つであるため、この５つの式のうちの４つを用いれば、４つの未知数を求めることができるのは言うまでもない。

こうして、光ステッピング法により、計測対象物体２１の形状を求めることができる。

（全空間テーブル化手法の適用）
上記の本発明の形状計測方法に、全空間テーブル化手法を適用することにより、計測対象物体２１の形状計測を更に高速に行うことができる（例えば、特開２００８−２８１４９１参照）。すなわち、図１３に示すように、格子面３４ａに平行に配置された２次元格子が描かれた（または投影された）基準面１３ａを有する基準平板１３を用意し、該基準平板１３をＺ軸方向に所定の微少量だけ移動させながら基準面１３ａを撮影し、撮影された画像に対して位相解析処理を施すことにより、撮影部１１の各画素に対して、Ψ、Φおよび（Φ_S−Φ_R）とzとの関係をテーブルとして予め求めておく。こうして予め用意しておいた各画素に対するテーブルを参照することにより、各画素に対して得られた位相から高さｚの値を求めることができる。

この全空間テーブル化手法においては、予め用意した画素毎のテーブルを参照するだけであり、三角測量などで用いる幾何学的計算をする必要がほとんどないため、計測対象物体２１の形状を更に高速に求めることができる。
また、本発明による形状計測方法では、光源や格子面の配置等に、種々の拘束条件を設けたが、このような基準面１３ａを用いた位相解析により、５個のＬＥＤの明るさ分布に多少のムラがある場合、点光源が完全な点ではなくて多少の面積がある場合、１次元格子やＬＥＤの間隔が一定ではなく少々異なる場合、撮影部１１のレンズの位置がＬＥＤ面から少々外れる場合、平行に配置された各構成が平行から多少ずれる場合、および１次元格子の輝度分布が余弦波から多少ずれる場合のように、計測された位相と高さｚとの関係が単調に変化して１対１の対応関係がありさえすれば、これらの誤差を打ち消し、計測対象物体２１の形状を精度良く求めることができる。

こうして、本発明による形状計測を用い、例えば上述の光ステッピング法や全空間テーブル化手法を用いて、計測対象物体の形状を高速かつ高精度に計測することができる。

本発明によれば、複数のＬＥＤを順次切り替えることにより、計測対象物体に投影された格子の位相を高速にシフトさせて、計測対象物体の形状を高速かつ高精度に計測できるため、電子部品の検査、人体計測、医療、および小型生物の立体観察や立体計測等に有用である。

１ 光源
２ 基板
２ａ 基板表面
３ ＬＥＤ
３１，４１，５１ 格子投影用光源
３２，４２，５２ 光源用基板
３２ａ 光源用基板表面
３，３３，４３，５３ Ｌ―₂，Ｌ―₁，Ｌ₀，Ｌ₁，Ｌ₂ 格子投影用ＬＥＤ
４，３４，４４，５４ 格子プレート
１０，３０，４０，５０ 格子投影部
１１ 撮像部
１２ 解析制御装置
１３ 基準平板
１３ａ 基準面
２１ 計測対象物体
３２ｂ 凹部
３２ｃ 凸部
３４ａ 格子面
４５，５５ 撮像用ＬＥＤ
１００，２００，３００，４００，５００，６００ 形状計測装置
Ｕ 撮影装置の画素
Ｖ 撮影装置のレンズの中心

Claims (8)

1. 計測対象物体の形状を計測する装置であって、
   光源用基板と、該光源用基板上に配置され、前記計測対象物体に１次元格子を投影するための複数の格子投影用発光ダイオードとからなる格子投影用光源と、前記１次元格子が描かれた格子面を含む、前記光源用基板に平行に配置された格子プレートとを有する格子投影部と、
   前記１次元格子が投影された前記計測対象物体を撮像する撮像部と、
   前記撮影された画像に対して位相解析処理を施して前記計測対象物体の形状を求める解析装置と、
   を備え、前記複数の格子投影用発光ダイオードの各々の光軸が、前記光源用基板の法線に対して、前記計測対象物体側に傾斜していることを特徴とする形状計測装置。
2. 前記光源用基板の表面が凹部または凸部を有し、前記複数の格子投影用発光ダイオードの各々は、前記凹部または前記凸部に配置されている、請求項１に記載の形状計測装置。
3. 前記格子投影用光源が、前記計測対象物体を照明するための複数の撮像用発光ダイオードを更に備える、請求項１または２に記載の形状計測装置。
4. 前記撮像用発光ダイオードの各々の光軸が前記格子プレートを通過し、前記複数の撮像用発光ダイオードは、該複数の撮像用発光ダイオードの全てを同時に点灯させた際に前記計測対象物体に前記１次元格子が投影されない間隔で配置されている、請求項３に記載の形状計測装置。
5. 前記複数の撮像用発光ダイオードと前記格子プレートとの間に光拡散板を更に備える、請求項４に記載の形状計測装置。
6. 前記複数の撮像用発光ダイオード間の間隔は、前記格子投影用発光ダイオードの間隔よりも小さい、請求項４または５に記載の形状計測装置。
7. 計測対象物体に１次元格子を投影するための形状計測装置用の格子投影装置であって、
   光源用基板と、該光源用基板上に配置され、前記計測対象物体に前記１次元格子を投影するための複数の格子投影用発光ダイオードとからなる格子投影用光源と、前記１次元格子が描かれた格子面を含む、前記光源用基板に平行に配置された格子プレートとを有し、
   前記複数の格子投影用発光ダイオードの各々の光軸は、前記光源用基板の法線に対して傾斜していることを特徴とする格子投影装置。
8. 前記光源用基板の表面が凹部または凸部を有し、前記複数の格子投影用発光ダイオードの各々は、前記凹部または前記凸部に配置されている、請求項７に記載の格子投影装置。

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