JP7231433B2 - 画像処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物を照明する照明装置と測定対象物から反射した光を受光する撮像装置とを備えた画像処理装置に関し、特に測定対象物の三次元形状を取得可能な構造の技術分野に属する。

従来より、この種の画像処理装置として、位置により異なる光強度分布を有するパターン光を測定対象物に投影して測定対象物から反射した光を受光し、受光量に基づいて得られた高さ情報を利用して測定対象物の三次元形状を取得する、いわゆるパターン投影法が知られている。パターン投影法としては、照度分布を例えば正弦波状に変動させたパターン光を、位相を変えて複数回投影してその都度撮像する位相シフト法等がある。

特許文献１には、パターン光を生成して投影する照明装置として、光源と、光源から出射された光を集光する集光レンズと、集光レンズによって集束された光が入射する液晶パネルとを備え、液晶パネルに形成されたパターンを測定対象物に投影するように構成されたものが開示されている。

特許第４０１１５６１号公報

ところで、液晶パネルを用いる場合、液晶パネルの表示面の法線と平行に光を入射させると光の透過率が最も高くなり、表示面の法線と光の入射方向とのなす角度が大きくなればなるほど光の透過率が低くなる。つまり、液晶パネルは、光の入射方向によって光の透過率が変化する角度特性を有しているので、液晶パネルを用いてパターン光を生成すると、パターン光の位置に応じた輝度ムラが発生するおそれがある。

従って、一般的には、特許文献１に開示されているように、光源から出射された光の入射方向が液晶パネルの表示面の法線と平行になるように、光源及び液晶パネルを位置決めする。

また、測定対象物が多数搬送されてくる現場では、１つの測定対象物の三次元形状を取得する時間をできるだけ短くしたいが、パターン投影法においては、１つの測定対象物に対して複数種のパターン光を順次投影することがあり、三次元形状を取得するのに要する時間が長時間化することがある。そこで、応答速度が高速なＴＮ方式の液晶パネルを使用して複数種のパターン光を高速に切り替えることが考えられるが、ＴＮ方式の場合、光の入射方向による光の透過率の変化が大きいので、上述した輝度ムラの発生が顕著に現れることになり、光の入射方向と液晶パネルとの位置関係がより厳密に規定されることになる。

したがって、液晶パネルを用いる場合には、光の入射方向が液晶パネルの表示面の法線と平行になるように光源及び液晶パネルを配置する必要があり、特許文献１のように、測定対象物に対して液晶パネルを傾けた状態で照明装置を設置することになる。また、光源と液晶パネルとの間に集光レンズを配置して集光させる構造が必要になるため、照明装置の小型化が困難になる。さらに、測定不可領域を少なくするために測定対象物に対して複数方向からパターン光を投影しようとすると、照明装置の更なる大型化を招いてしまう。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、液晶パネルの角度特性の要求を満たしながら、照明装置の小型化を図ることにある。

上記目的を達成するために、第１の発明は、測定対象物の高さを測定する画像処理装置において、中心に開口部が形成された照明ハウジングと、前記照明ハウジング内において上部に設けられ、拡散光を出射する光源と、前記光源から下方に離れた状態で前記照明ハウジングに設けられ、前記光源から出射された光が入射される液晶パネルと、前記測定対象物に対して前記液晶パネルから互いに異なるパターン光が複数回投影されるように前記光源及び前記液晶パネルを制御する投光制御部とを有する照明装置と、前記照明ハウジングの前記開口部を介して、前記液晶パネルから投影された複数のパターン光の測定対象物からの反射光を受光してパターン画像セットを生成する撮像装置と、前記撮像装置が生成した前記パターン画像セットに基づいて、前記照明装置の中心軸方向における測定対象物の高さ情報を含む検査対象画像を生成する検査対象画像生成部と、前記検査対象画像生成部が生成した前記検査対象画像に基づいて検査処理を実行する検査部とを備え、前記光源は、前記液晶パネルにおける前記照明ハウジングの径方向外方に位置する外端部側の上方に配置され、前記光源から出射された光が前記液晶パネルに当該液晶パネルの有効角度範囲内で入射されるように、前記液晶パネルと前記光源との相対位置が設定されていることを特徴とする。

この構成によれば、パターンが形成された液晶パネルに光源から出射された拡散光が入射されると、パターン光が生成されて測定対象物に投影される。光源から出射された光は拡散光であり、この拡散光が液晶パネルの有効角度範囲内で当該液晶パネルに入射するので、液晶パネルが持つ角度特性に起因するパターン光の位置に応じた輝度ムラが発生しにくくなる。この構成では、集光レンズを用いた集光構造が不要になるので、測定対象物に対して複数の方向からパターン光を投影する場合に、照明装置の小型化を図ることが可能になる。

撮像装置は、液晶パネルから投影されたパターン光の測定対象物からの反射光を受光して複数のパターン画像を生成する。撮像装置が生成したパターン画像に基づいて、検査対象画像生成部が測定対象物の高さ情報を含む検査対象画像を生成し、検査対象画像に基づいて検査部が検査処理を実行する。

第２の発明は、前記液晶パネルの有効角度範囲は、前記パターン光のコントラストを所定以上確保可能な角度範囲であることを特徴とする。

すなわち、液晶パネルが持つ角度特性に起因して、液晶パネルの表示面の法線と光の入射方向とのなす角度が大きくなればなるほど光の透過率が低くなるので、光の入射角度によってはパターン光のコントラストの低下を招くことが考えられる。本構成では、パターン光のコントラストを所定以上、つまり、撮像装置によって撮像されたパターン画像に基づいて測定対象物の高さ情報を得ることが可能な程度のコントラスト以上となるように、液晶パネルと光源との相対位置を設定することができる。

第３の発明は、前記液晶パネルの有効角度範囲は、光を最も通しやすい液晶分子配列状態にある前記液晶パネルを前記光源から出射された光が通過する際に、当該光が減衰する減衰率が１０％以下となる角度範囲であることを特徴とする。

この構成によれば、光の減衰率が１０％以下となるように液晶パネルと光源との相対位置を設定することで、撮像装置によって撮像されたパターン画像に基づいて測定対象物の高さ情報を得ることが可能な程度のコントラストを確保することができる。光を最も通しやすい液晶分子配列状態とは、液晶分子の配向が光路を最も遮らない方向にある状態であり、液晶パネルに印加する電圧によって作り出すことができる。尚、前記減衰率が５％以下となるように、液晶パネルの有効角度範囲を設定することもできる。

第４の発明は、前記液晶パネルの駆動方式がＴＮ方式であることを特徴とする。

すなわち、液晶パネルの駆動方式をＴＮ方式とすることで、複数種のパターン光を順次投影する場合に、パターン光を高速に切り替えることができる反面、光の入射方向による光の透過率の変化が大きいので、液晶パネルが持つ角度特性に起因するパターン光の位置に応じた輝度ムラが発生し易くことが考えられる。本構成では、有効角度範囲内で光を入射させているので、液晶パネル光の入射方向による光の透過率の変化が大きくてもパターン光の位置に応じた輝度ムラが発生しにくくなる。

第５の発明は、前記液晶パネルと前記光源との相対位置は、当該光源から前記液晶パネルの表示面に向けて引いた当該表示面の法線と、当該光源から前記液晶パネルの前記有効角度範囲における前記外端部側の境界に向けて引いた外側仮想線とのなす角度が１０°以下となるように設定されていることを特徴とする。

この構成によれば、光源から出射された光が液晶パネルに入射する際の角度範囲がＴＮ方式の液晶パネルに最適な範囲となり、その結果、パターン光のコントラストを所定以上確保することができる。前記法線と前記外側仮想線とのなす角度は５°以下にすることができ、また、０°であってもよい。

第６の発明は、前記液晶パネルと前記光源との相対位置は、当該光源から前記液晶パネルの表示面に向けて引いた当該表示面の法線と、当該光源から前記液晶パネルの前記有効角度範囲における前記照明ハウジングの径方向内方に位置する内端部側の境界に向けて引いた内側仮想線とのなす角度が５０°以下となるように設定されていることを特徴とする。

この構成によれば、光源から出射された光が液晶パネルに入射する際の角度範囲がＴＮ方式の液晶パネルに最適な範囲となり、その結果、パターン光のコントラストを所定以上確保することができる。前記法線と前記内側仮想線とのなす角度は４５°以下にすることができ、また、４０°以下にすることもできる。

第７の発明は、前記光源と前記液晶パネルの表面との距離と、前記液晶パネルの有効角度範囲の幅とが略一致していることを特徴とする。

第８の発明は、前記光源は、前記照明ハウジング内において前記開口部の周方向に互い離れて設けられた第１光源及び第２光源を含み、前記液晶パネルは、前記第１光源から出射された光が有効角度範囲内で入射されるように、前記第１光源に対応するように配置された第１液晶パネルと、前記第２光源から出射された光が有効角度範囲内で入射されるように、前記第２光源に対応するように配置された第２液晶パネルとを含み、前記投光制御部は、前記測定対象物に対して前記液晶パネルから互いに異なるパターン光がが複数回投影されるように前記第１光源、前記第２光源、前記第１液晶パネル及び前記第２液晶パネルを制御するように構成されていることを特徴とする。

この構成によれば、第１液晶パネル及び第２液晶パネルにより、測定対象物に対して異なる方向からパターン光を投影することが可能になる。よって、例えば第１液晶パネルによるパターン光の投影方向では影になるような部分に、第２液晶パネルによってパターン光を投影することができ、測定不可領域が少なくなる。

第９の発明は、前記第１液晶パネルの表示面及び前記第２液晶パネルの表示面は、前記照明ハウジングの前記開口部の前記中心軸と直交する同一平面上に位置するように設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、第１液晶パネルと第２液晶パネルの両表示面が照明ハウジングの開口部の中心軸と直交する同一平面上に位置しているので、測定対象物に対して複数の方向からパターン光を投影可能な構造をコンパクトにまとめることができる。

本発明によれば、光源から出射された拡散光が液晶パネルの有効角度範囲内で当該液晶パネルに入射するように液晶パネルと光源との相対位置を設定しているので、液晶パネルが持つ角度特性に起因するパターン光の位置に応じた輝度ムラの発生を抑えながら、照明装置の小型化を図ることができ、照明装置の設置自由度を高めることができる。

本発明の実施形態に係る画像処理装置のシステム構成例を示す図である。 コントローラ部のブロック図である。 撮像装置のブロック図である。 照明装置の平面図である。 実施形態２に係る照明装置の底面図である。 図５におけるVI－VI線断面図である。 発光ダイオードと液晶パネルとの位置関係を説明する図である。 変形例に係る発光ダイオードと液晶パネルとの位置関係を説明する図である。 パターン光の生成要領を説明する図である。 第１発光ダイオードの配置例を説明する図である。 発光ダイオードの寸法と波の半周期の比と、画素うねりとの関係を示すグラフである。 第１発光ダイオードの別の配置例を説明する図である。 照明装置のブロック図である。 パターン画像セットから中間画像及び信頼度画像を生成する手順を示す図である。 パターン画像セットから中間画像及び信頼度画像を生成する手順を、画像例を使用して説明した図である。 グレーコードパターン及び位相シフトパターンの形成処理と、相対位相と絶対位相との関係を示す図である。 高さ測定部による高さ測定手法を説明する図である。 補正処理の流れを説明する図である。 補正前と補正後の発光ダイオードの位置を示す図である。 あおりの有無を示す図である。 ペアとなる発光ダイオードに高さずれが生じている場合を示す模式図である。 ずれの推定と、各部の調整の流れを説明する図である。 ずれの推定方法を説明する模式図である。 カメラキャリブレーションの概念図である。 測定対象物の高さを変えてカメラパラメータを設定する様子を示す模式図である。 カメラパラメータ行列と歪みモデルの数式を示す図である。 推定手順を示すフローチャートである。 調整機構を有する第１投光部の構造例を示す側面図である。 調整機構を有する第１投光部の構造例を示す平面図である。 別の調整機構を有する第１投光部の構造例を示す斜視図である。 使用セグメントの変更前後を説明する図である。 測定対象物が直方体の箱である場合において第１投光部によるパターン光の投影によって得られた位相シフトパターン画像セットを示す図である。 図３２に示す位相シフトパターン画像セットに基づいて得られた相対位相画像と、図３２に示す位相シフトパターン画像セットに対応する中間画像とを示す図である。 測定対象物が直方体の箱である場合において第２投光部によるパターン光の投影によって得られた位相シフトパターン画像セットを示す図である。 図３４に示す位相シフトパターン画像セットに基づいて得られた相対位相画像と、図３４に示す位相シフトパターン画像セットに対応する中間画像とを示す図である。 測定対象物が直方体の箱である場合の高さ画像と、断面プロファイルを表示したユーザーインターフェースを示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る画像処理装置１のシステム構成例を示す図である。画像処理装置１は、撮像装置２と、照明装置３と、コントローラ部４と、表示部５と、コンソール部６と、マウス７とを備えており、測定対象物Ｗの高さ画像を得て、この高さ画像に基づいて測定対象物Ｗの高さを測定したり、測定対象物Ｗに対して各種検査を行うことができるように構成されている。

測定対象物Ｗは、例えばベルトコンベア等の搬送装置の載置面１００に載置した状態としておき、この載置面１００に載置した測定対象物Ｗに対して高さの測定や各種検査等を行う。高さの測定中、測定対象物Ｗは静止させておくのが好ましい。

画像処理装置１は、プログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）１０１に信号線１０１ａによって有線接続することができるが、これに限らず、画像処理装置１及びＰＬＣ１０１に従来から周知の通信モジュールを内蔵し、画像処理装置１と、ＰＬＣ１０１とを無線接続するようにしてもよい。ＰＬＣ１０１は、搬送装置及び画像処理装置１をシーケンス制御するための制御装置であり、汎用のＰＬＣを利用することができる。画像処理装置１をＰＬＣ１０１に接続することなく使用することもできる。

表示部５は、例えば液晶表示パネル等からなるディスプレイ装置であり、表示手段を構成している。表示部５には、例えば、画像処理装置１を操作するための操作用ユーザーインターフェース、画像処理装置１を設定するための設定用ユーザーインターフェース、測定対象物の高さ測定結果を表示するための高さ測定結果表示用ユーザーインターフェース、測定対象物の各種検査結果を表示するための検査結果表示用ユーザーインターフェース等を表示させることができる。画像処理装置１の使用者が表示部５を視認することで画像処理装置１の操作及び設定を行うことが可能になるとともに、測定対象物Ｗの測定結果や検査結果等を把握することができ、さらに、画像処理装置１の動作状態を把握することもできる。

図２に示すように、表示部５は、コントローラ部４が有する表示制御部４６に接続されており、表示制御部４６によって制御されて前記したユーザーインターフェースや高さ画像等を表示させることができるように構成されている。

コンソール部６は、使用者が画像処理装置１を操作したり、各種情報を入力するための入力手段であり、コントローラ部４に接続されている。また、マウス７も同様に使用者が画像処理装置１を操作したり、各種情報を入力するための入力手段であり、コントローラ部４に接続されている。コンソール部６及びマウス７は入力手段の一例であり、入力手段としては、例えば表示部５に設けたタッチパネルスクリーン等であってもよいし、音声入力装置であってもよく、これらを複数組み合わせて構成することもできる。タッチパネルスクリーンの場合、表示手段と入力手段とを１つのデバイスで実現できる。

コントローラ部４には、コントローラ部４の制御プログラムを生成し、記憶しておくための汎用のパーソナルコンピュータＰＣを接続することもできる。また、パーソナルコンピュータＰＣには、画像処理に関する各種設定を行う画像処理プログラムをインストールして、コントローラ部４で行う画像処理の各種設定を行うこともできる。あるいは、このパーソナルコンピュータＰＣで動作するソフトウェアによって画像処理の処理順序を規定する処理順序プログラムを生成することができる。コントローラ部４では、その処理順序に従って各画像処理が順次実行される。パーソナルコンピュータＰＣとコントローラ部４とは、通信ネットワークを介して接続されており、パーソナルコンピュータＰＣ上で生成された処理順序プログラムは、例えば表示部５の表示態様を規定するレイアウト情報等と共にコントローラ部４に転送される。また逆に、コントローラ部４から処理順序プログラムやレイアウト情報等を取り込んで、パーソナルコンピュータＰＣ上で編集することもできる。尚、上記プログラムは、パーソナルコンピュータＰＣだけでなく、コントローラ部４においても生成できるようにしてもよい。

また、コントローラ部４は専用のハードウェアで構築することもできるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、汎用のパーソナルコンピュータＰＣやワークステーション等に専用の画像処理プログラムや検査処理プログラム、高さ測定プログラム等をインストールしたものをコントローラ部として機能させることもできる。この場合、パーソナルコンピュータＰＣやワークステーション等に、撮像装置２、照明装置３、表示部５、コンソール部６及びマウス７を接続すればよい。

また、画像処理装置１の機能については後述するが、画像処理装置１の全ての機能をコントローラ部４で実現するようにしてもよいし、汎用のパーソナルコンピュータＰＣで実現するようにしてもよい。また、画像処理装置１の一部の機能をコントローラ部４で実現し、残りの機能を汎用のパーソナルコンピュータＰＣで実現するようにしてもよい。画像処理装置１の機能は、ソフトウェアで実現することもできるし、ハードウェアの組み合わせによって実現することもできる。

撮像装置２、照明装置３、表示部５、コンソール部６及びマウス７をコントローラ部４に接続するためのインターフェースは、専用のインターフェースであってもよいし、例えば既存の通信規格、例えばイーサーネット（商品名）やＵＳＢ、ＲＳ－２３２Ｃ等を利用することもできる。

測定対象物Ｗの高さを表す高さ画像とは、図４に示す照明装置３が有する開口部３０ａの中心軸Ａ（図１に示す）方向における測定対象物Ｗの高さを表す画像であり、距離画像ということもできる。高さ画像は、測定対象物Ｗの載置面（基準面ともいう）１００を基準とした高さとして表示することもできるし、照明装置３との前記中心軸Ａ方向における相対距離として表示することもでき、高さに応じて各画素の濃淡値が変化する画像である。換言すれば、高さ画像は、測定対象物Ｗの載置面１００を基準とした高さに基づいて濃淡値が決定される画像といもいえるし、照明装置３との前記中心軸Ａ方向における相対距離に基づいて濃淡値が決定される画像ともいえる。また、高さ画像は、測定対象物Ｗの載置面１００を基準とした高さに応じた濃淡値を有する多値画像といもいえるし、照明装置３との前記中心軸Ａ方向における相対距離に応じた濃淡値を有する多値画像ともいえる。さらに、高さ画像は、輝度画像の画素毎に、測定対象物Ｗの載置面１００を基準とした高さを濃淡値に変換した多値画像ともいえるし、輝度画像の画素毎に、照明装置３との前記中心軸Ａ方向における相対距離を濃淡値に変換した多値画像ともいえる。

また、高さ画像は測定対象物Ｗの高さ情報を含む画像であり、例えば距離画像に光学的な輝度画像をテクスチャ情報として合成して貼り付けた三次元の合成画像も高さ画像とすることができる。高さ画像は、三次元状に表示されるものに限られず、二次元状に表示されるものも含まれる。

上述したような高さ画像を得る手法としては、大きく分けて２つの方式があり、一つは、通常の画像を得るための照明条件で撮像した画像を用いて距離画像を生成するパッシブ方式（受動計測方式）、もう一つは、高さ方向の計測をするための光を測定対象物Ｗに能動的に照射して距離画像を生成するアクティブ方式（能動計測方式）である。本実施形態では、アクティブ方式により高さ画像を得るようにしており、具体的には、パターン投影法を利用している。

パターン投影法は、測定対象物Ｗに投影する測定用パターン光（単にパターン光ともいう）が有するパターンの形状や位相等をずらして複数の画像を取得し、取得した複数の画像を解析することで測定対象物Ｗの三次元形状を得る方法である。パターン投影法には幾つか種類があり、例えば、正弦波縞模様パターンの位相をずらして複数（最低３枚）の画像を取得し、複数の画像から画素毎に正弦波の位相を求め、求めた位相を利用して測定対象物Ｗの表面の三次元座標を得る位相シフト法や、測定対象物Ｗに投影するパターン自体を撮影毎に異ならせ、例えば白黒デューティ比５０％で縞幅が全体の半分、４分の１、８分の１、１６分の１、…と細かくなっていく縞パターンを順次投影し、それぞれのパターンにてパターン投影画像を取得し、測定対象物Ｗの高さの絶対位相を求める空間コード法等がある。正弦波状のパターン光及び縞パターン光は、一次元方向に変化する周期的な照度分布を有するパターン光である。尚、測定用パターン光を測定対象物Ｗに「投影」することと、測定用パターン光を測定対象物Ｗに「照射」することとは同義である。

本実施形態に係る画像処理装置１では、上述した位相シフト法と空間コード法とを組み合わせて高さ画像を生成するが、これに限られるものではなく、位相シフト法のみで高さ画像を生成してもよいし、空間コード法のみで高さ画像を生成してもよい。また、従来から周知の他のアクティブ方式を利用して測定対象物Ｗの高さ画像を生成してもよい。

画像処理装置１による測定対象物Ｗの高さを測定手法の概略は次の通りである。まず、照明装置３の第１投光部３１及び第２投光部３２でそれぞれ生成した第１測定用パターン光及び第２測定用パターン光を互いに異なる方向から測定対象物Ｗに照射し、測定対象物Ｗから反射した第１測定用パターン光を撮像装置２が受光して複数の第１パターン画像からなる第１パターン画像セットを生成するとともに、測定対象物Ｗから反射した第２測定用パターン光を撮像装置２が受光して複数の第２パターン画像からなる第２パターン画像セットを生成する。その後、複数の第１パターン画像セットに基づいて各画素が測定対象物Ｗへの第１測定用パターン光の照射角度情報を有する第１角度画像を生成するとともに、複数の第２パターン画像に基づいて各画素が測定対象物への第２測定用パターン光の照射角度情報を有する第２角度画像を生成する。次いで、第１角度画像の各画素の照射角度情報及び第２角度画像の各画素の照射角度情報と、第１投光部３１及び第２投光部３２の相対位置情報とにしたがって、測定対象物Ｗの高さを表す高さ画像を生成し、この高さ画像から測定対象物Ｗの高さを得る。

また、必須ではないが、この画像処理装置１においては、図４に示すように、照明装置３が第１投光部３１及び第２投光部３２の他に、第３投光部３３及び第４投光部３４を備えている。したがって、照明装置３の第３投光部３３及び第４投光部３４でそれぞれ生成した第３測定用パターン光及び第４測定用パターン光を互いに異なる方向から測定対象物Ｗに照射することもできる。この場合、測定対象物Ｗから反射した第３測定用パターン光を撮像装置２が受光して複数の第３パターン画像からなる第３パターン画像セットを生成するとともに、測定対象物Ｗから反射した第４測定用パターン光を撮像装置２が受光して複数の第４パターン画像からなる第４パターン画像セットを生成する。その後、複数の第３パターン画像に基づいて各画素が測定対象物Ｗへの第３測定用パターン光の照射角度情報を有する第３角度画像を生成するとともに、複数の第４パターン画像に基づいて各画素が測定対象物への第４測定用パターン光の照射角度情報を有する第４角度画像を生成する。次いで、第３角度画像の各画素の照射角度情報及び第４角度画像の各画素の照射角度情報と、第３投光部３３及び第４投光部３４の相対位置情報とにしたがって、測定対象物Ｗの高さを表す高さ画像を生成、この高さ画像から測定対象物Ｗの高さを得る。

（位相シフト法）
ここで、位相シフト法について説明する。位相シフト法において、照度分布を正弦波状に変動させたパターンを有するパターン光を測定対象物に順次投影する場合、正弦波の位相の異なる３つ以上のパターンのパターン光を投影する。高さ測定点の各明度値をパターン光の投影方向とは別の角度からパターン毎に撮像した画像から得て、各明度値よりパターン光の位相値を計算する。測定点の高さに応じて、測定点に投影されたパターン光の位相が変化し、基準となる位置で反射されたパターン光により観察される位相とは異なった位相の光が観察されることになる。そこで、測定点におけるパターン光の位相を計算し、三角測量の原理を利用して、幾何関係式に代入することにより測定点の高さを計測し、これにより、測定対象物Ｗの三次元形状を求めることができる。位相シフト法によれば、測定対象物Ｗの高さを、パターン光の周期を小さくすることによって高分解能で測定することができるが、測定できる高さの範囲が、位相のずれ量で２π以内となる低い高さのもの（高低差の小さいもの）しか測定できない。そこで、空間コード法を兼用する。

（空間コード法）
空間コード法によれば、光が照射される空間を、多数の断面略扇状の小空間に分け、この小空間に一連の空間コード番号を付すことができる。このため、測定対象物Ｗの高さが高くても、すなわち高低差が大きくても、光が照射される空間内にあれば、空間コード番号から高さが演算できる。したがって、高さの高い測定対象物Ｗについても全体にわたって形状を測定することができる。このように空間コード法によれば、許容高さのレンジ（ダイナミックレンジ）が広くなる。

（照明装置３の詳細構成）
図４に示すように、実施形態１に係る照明装置３は、照明ハウジング３０と、第１投光部３１と、第２投光部３２と、第３投光部３３と、第４投光部３４と、投光制御部３９とを備えている。図１に示すように照明装置３とコントローラ部４とは接続線３ａによって接続されているが、照明装置３とコントローラ部４とは無線接続するようにしてもよい。

照明装置３は、パターン光を投影するためだけのパターン光投影専用装置としてもよいし、測定対象物Ｗを観察するための観察用照明を兼用する装置としてもよい。照明装置３をパターン光投影専用装置とする場合には、パターン光投影専用装置とは別体、又はパターン光投影専用装置と一体的に観察用照明装置を設けることができる。観察用照明装置は、発光ダイオード、半導体レーザ、ハロゲンライト、ＨＩＤ等を利用することができる。

照明ハウジング３０は、平面視における中心部に開口部３０ａを有しており、第１辺部３０Ａ、第２辺部３０Ｂ、第３辺部３０Ｃ及び第４辺部３０Ｄが連続して平面視で矩形に近い形状をなしている。第１辺部３０Ａ、第２辺部３０Ｂ、第３辺部３０Ｃ及び第４辺部３０Ｄは、直線状に延びているので、開口部３０ａも平面視で矩形に近い形状をなしている。

尚、照明ハウジング３０の外形状や開口部３０ａの形状は、図示した形状に限られるものではなく、例えば円形等であってもよい。図１に示す開口部３０ａの中心軸Ａは、開口部３０ａの中心を通り、かつ、照明ハウジング３０の下面に対して直交する方向に延びる軸である。照明ハウジング３０の下面が水平となるように照明装置３が設置される場合には、開口部３０ａの中心軸Ａが鉛直に延びることになるが、照明装置３は、照明ハウジング３０の下面が傾斜した状態となるように設置することもでき、この場合は、開口部３０ａの中心軸Ａが傾斜することになる。

尚、開口部３０ａの中心軸Ａは、厳密に開口部３０ａの中心を通らなくてもよく、測定対象物Ｗの大きさ等にもよるが、開口部３０ａの中心から数ｍｍ程度の離れたところを通る軸も中心軸Ａとすることができる。つまり、開口部３０ａの中心及びその近傍を通る軸を中心軸Ａと定義することができる。中心軸Ａの延長線は、載置面１００と交差することになる。

以下の説明では、便宜上、図４に示すように第１辺部３０Ａ側を照明装置３の左側といい、第２辺部３０Ｂ側を照明装置３の右側といい、第３辺部３０Ｃ側を照明装置３の上側といい、第４辺部３０Ｄ側を照明装置３の下側というものとするが、これは照明装置３の使用時の方向を特定するものではなく、使用時には照明装置３がどのような向きであってもよい。

照明ハウジング３０の第１辺部３０Ａ、第２辺部３０Ｂ、第３辺部３０Ｃ及び第４辺部３０Ｄの内部は中空状である。第１辺部３０Ａの内部には、第１投光部３１が収容されている。第２辺部３０Ｂ、第３辺部３０Ｃ及び第４辺部３０Ｄの内部には、それぞれ、第２投光部３２、第３投光部３３及び第４投光部３４が収容されている。第１投光部３１と第２投光部３２とがペアであり、第３投光部３３と第４投光部３４とがペアである。また、照明ハウジング３０の内部には、投光制御部３９も収容されている。

第１辺部３０Ａと第２辺部３０Ｂとは、中心軸Ａを挟んで対向するように配置されているので、第１投光部３１及び第２投光部３２は中心軸Ａを対称の中心として左右対称（点対称）となるように配置されることになり、中心軸Ａの周方向に互いに離れることになる。

また、第３辺部３０Ｃと第４辺部３０Ｄも中心軸Ａを挟んで対向するように配置されているので、第３投光部３３及び第４投光部３４は中心軸Ａを対称の中心として上下対称（点対称）となるように配置されることになり、中心軸Ａの周方向に互いに離れることになる。平面視では、中心軸Ａを中心として右周りに、第１投光部３１、第３投光部３３、第２投光部３３、第４投光部３４の順に４つの投光部が配置されることになる。

図５は、本発明の実施形態２に係る照明装置３の底面図である。この実施形態２では、照明ハウジング３０の内部に８つの投光部３１～３８が設けられている。第１投光部３１と第３投光部３３との間に第５投光部３５が設けられ、第２投光部３２と第４投光部３４との間に第６投光部３６が設けられ、第２投光部３２と第３投光部３３との間に第７投光部３７が設けられ、第１投光部３３と第４投光部３４との間に第８投光部３８が設けられている。第５投光部３５と第６投光部３６とがペアであり、中心軸Ａを対称の中心として互いに対称となるように配置される。また、第７投光部３７と第８投光部３８とがペアであり、中心軸Ａを対称の中心として互いに対称となるように配置される。平面視では、中心軸Ａを中心として右周りに、第１投光部３１、第５投光部３５、第３投光部３３、第７投光部３７、第２投光部３２、第６投光部３６、第４投光部３４、第８投光部３８の順に配置されることになる。

また、実施形態２の照明装置３では、測定対象物Ｗを照明して観察するための観察用照明５０が投光部３１～３８とは別に設けられている。観察用照明５０は、照明ハウジング３０の底部における外周部に設けられており、第１～第８投光部３１～３８を囲む環状をなしている。図６に示すように、観察用照明５０は、基板５１ａと、基板５１ａに実装されて観察用照明光を出射する複数の観察用発光ダイオード５１ｂと、カバー部材５２とを有している。基板５１ａは、第１～第８投光部３１～３８を囲むように配置されている。複数の観察用発光ダイオード５１ｂは、第１～第８投光部３１～３８を囲むように、周方向に互いに間隔をあけて設けられている。カバー部材５２は、観察用発光ダイオード４１ｂを光出射面側から覆うように設けられており、透光性を有するとともに、光を拡散させる性質を持った材料で構成されている。

（第１投光部３１の構成）
実施形態１の照明装置１の第１～第４投光部３１～３４は、実施形態２の照明装置１の第１～第４投光部３１～３４と同じである。

図６に示すように、第１投光部３１は、ケーシング３１ａと、拡散光を出射する第１光源となる第１ＬＥＤ（発光ダイオード）３１ｂと、該第１ＬＥＤ３１ｂから出射された拡散光を受けて互いに異なるパターンを有する複数の第１測定用パターン光を順次生成して測定対象物Ｗに照射する第１ＬＣＤ（第１パターン光生成部）３１ｄとを備える。ＬＣＤは、liquid crystal display、即ち液晶パネルであり、よって、第１ＬＣＤ３１ｄは、第１液晶パネルである。光源は、発光ダイオードに限られるものではなく、拡散光を出射する発光体であればよい。

図７に示すように、第１ＬＣＤ３１ｄは、第１ＬＥＤ３１ｂに対応して配置されており、第１ＬＥＤ３１ｂの光出射面が第１ＬＣＤ３１ｄの方を向いている。これにより、第１ＬＥＤ３１ｂから出射された光が第１ＬＣＤ３１ｄに確実に入射することになる。発光ダイオードとしては、例えば白色発光ダイオードを用いることができる。第１ＬＣＤ３１ｄは、照明ハウジング３０の開口部３０ａの中心軸Ａと直交する平面（図６に仮想線２００で示す）内に、当該第１ＬＣＤ３１ｄの表示面（出射面）が位置するように設けられており、平面２００と第１ＬＣＤ３１ｄの表示面とが同一平面に位置している。

第２投光部３２は第１投光部３１と同様に構成されている。具体的には、図６に示すように、第２投光部３２は、ケーシング３２ａと、基板３２ｃに実装された第２ＬＥＤ３２ｂと、第２ＬＥＤ３２ｂに対応して配置された第２ＬＣＤ（第２パターン光生成部）３２ｄとを備えている。第１ＬＥＤ３１ｂと、第２ＬＥＤ３２ｂとが対をなしている。第１ＬＥＤ３１ｂと、第２ＬＥＤ３２ｂとは、互いの相対位置を補正可能に照明ハウジング３０に取り付けられている。相対位置の補正の詳細については後述する。

以下、第１投光部３１の構成について詳細に説明する。図６及び図７に示すように、第１投光部３１の第１ＬＥＤ３１ｂは、複数あるとともに、照明ハウジング３０内において上部に設けられている。第１ＬＥＤ３１ｂの配列方向は、光の出射方向と交差する方向である。

すなわち、ケーシング３１ａの内部には、その上方に基板３１ｃが配設されている。基板３１ｃの下に向く面には、複数の第１ＬＥＤ３１ｂが実装されている。複数の第１ＬＥＤ３１ｂは直線状に並ぶように配置することもできるし、隣合う第１ＬＥＤ３１ｂが上下方向にずれるように配置することもできる。一次元方向に変化する周期的な照度分布を有するパターン光を生成する場合、第１ＬＥＤ３１ｂは、パターン光の照度が変化しない方向に並ぶように配置されることになる。複数の第１ＬＥＤ３１ｂを図４に示す照明ハウジング３０の第１辺部３０Ａの長手方向に沿って並べることで、第１ＬＥＤ３１ｂから出射する光は、第１辺部３０Ａの長手方向にほぼ連続した光になる。

複数の第１ＬＥＤ３１ｂの光の出射方向は同じにすることができ、この実施形態では、図１に左下がりの斜線で示すように、第１ＬＥＤ３１ｂの直下から少なくとも照明ハウジング３０の開口部３０ａの中心軸Ａよりも第２辺部３０Ｂ側（照明装置３の右側）に達するように設定されている。複数の第１ＬＥＤ３１ｂによる光の照射範囲は、撮像装置２による撮像視野よりも広く設定されている。

複数の第１ＬＥＤ３１ｂの光の出射範囲について具体的に説明する。図１７に示すように、第１投光部３１と第２投光部３２との離間方向をＸ方向とし、上下方向をＺ方向とする。照明装置３は、該照明装置３の下面が水平（載置面１００と平行）となるように配置され、測定対象物Ｗの載置面１００から上方に「１」だけ離れて設置されているものとする。Ｘ＝０を第１ＬＥＤ３１ｂの直下とし、第１ＬＥＤ３１ｂから（Ｘ，Ｚ）＝（０，０）の点Ｃまで延びる直線Ｄを引く。また、第１ＬＥＤ３１ｂから（Ｘ，Ｚ）＝（１，０）の点Ｅまで延びる直線Ｆを引く。このとき、複数の第１ＬＥＤ３１ｂの光の出射範囲は、直線Ｄと直線Ｆとで挟まれた領域となるように、第１ＬＥＤ３１ｂの向きが設定されるとともに、第１ＬＥＤ３１ｂの光源用レンズが設計されている。

図６に示すように、第１ＬＣＤ３１ｄは、第１ＬＥＤ３１ｂから下方に離れた状態で照明ハウジング３０に設けられている。第１ＬＣＤ３１ｄの駆動方式はＴＮ（Twisted Nematic）方式である。したがって、第１ＬＣＤ３１ｄに印加される電圧が０のとき液晶組成物（液晶分子）が表示面と平行に並んで第１ＬＥＤ３１ｂの光を通過させる一方、この状態から電圧を上げていくと、液晶組成物が表示面に対して垂直に立ち上がり、最大電圧になったときに第１ＬＥＤ３１ｂの光を遮ることになる。

（ＬＥＤとＬＥＤの相対位置）
第１ＬＥＤ３１ｂと第１ＬＣＤ３１ｄとの相対的な位置関係について説明する。図９に示すように、第１ＬＣＤ３１ｄの表示面は、照明ハウジング３０の開口部３０ａの中心軸Ａと直交する平面２００と同一面上に位置しており、第１ＬＣＤ３１ｄにおける照明ハウジング３０の径方向外方の端部を外端部側とし、第１ＬＣＤ３１ｄにおける照明ハウジング３０の径方向内方の端部を内端部側とする。第１ＬＥＤ３１ｂは、第１ＬＣＤ３１ｄにおける外端部側の上方に配置されている。図９における符号ＳＥＧは、第１ＬＣＤ３１ｄを構成するセグメントである。黒色のセグメントＳＥＧは光を透過させないセグメントであり、白色のセグメントＳＥＧは光を透過させるセグメントである。このように、第１ＬＣＤ３１ｄの表示面に、黒色のセグメントＳＥＧと白色のセグメントＳＥＧとを交互に形成することで、第１ＬＣＤ３１ｄを透過した光は、その下方に図示するように光の強度が周期的に変化する正弦波状のパターン光となる。これがパターン光の生成原理である。黒色のセグメントＳＥＧと白色のセグメントＳＥＧの個数、間隔、形成位置は任意に変更することができ、波の周期、位相が異なる複数種のパターン光を生成することができる。

黒色のセグメントＳＥＧの個数と、白色のセグメントＳＥＧの個数は同じにすることができる。したがって、パターン光の生成時、第１ＬＣＤ３１ｄには、光を透過させる領域及び光を透過させない領域を等幅にして交互に形成することができる。これは、後述する投光制御部３９によって行われる。

ここで、液晶パネルが持つ一般的な性質について説明すると、液晶パネルの表示面の法線と平行に光を入射させると光の透過率が最も高くなり、表示面の法線と光の入射方向とのなす角度が大きくなればなるほど光の透過率が低くなる。液晶パネルは、このような光の入射方向によって光の透過率が変化する角度特性を有しているので、液晶パネルを用いてパターン光を生成すると、パターン光の位置に応じた輝度ムラが発生する懸念がある。

このことに対し、本実施形態では、第１ＬＥＤ３１ｂから出射された光が第１ＬＣＤ３１ｄに対して当該第１ＬＣＤ３１ｄの有効角度範囲内で入射されるように、第１ＬＣＤ３１ｄと、第１ＬＥＤ３１ｂとの相対位置が設定されている。これにより、第１ＬＥＤ３１ｂから出射された拡散光が第１ＬＣＤ３１ｄの有効角度範囲内で当該第１ＬＣＤ３１ｄに入射するので、第１ＬＣＤ３１ｄが持つ角度特性に起因するパターン光の位置に応じた輝度ムラが発生しにくくなる。

第１ＬＣＤ３１ｄの有効角度範囲とは、パターン光のコントラストを所定以上確保可能な角度範囲とすることができる。パターン光のコントラストが所定以上というのは、測定対象物Ｗから反射したパターン光を撮像装置２が受光した際に、検査対象画像を生成可能なパターン画像を撮像装置２によって得ることができる程度である。すなわち、第１ＬＣＤ３１ｄが持つ角度特性に起因して、第１ＬＣＤ３１ｄの表示面の法線と光の入射方向とのなす角度が大きくなればなるほど光の透過率が低くなるので、光の入射角度によってはパターン光のコントラストの低下を招くことが考えられるが、この実施形態では、撮像装置２によって撮像されたパターン画像に基づいて測定対象物Ｗの高さ情報を得ることが可能な程度のコントラスト以上となるように、第１ＬＣＤ３１ｄと第１ＬＥＤ３１ｂとの相対位置を設定している。

また、第１ＬＣＤ３１ｄの有効角度範囲は次のように定義することもできる。例えば、光を最も通しやすい液晶分子配列状態にある第１ＬＣＤ３１ｄを第１ＬＥＤ３１ｂから出射された光が通過する際に、当該光が減衰する減衰率が１０％以下となる角度範囲を、第１ＬＣＤ３１ｄの有効角度範囲とする。光の減衰率が１０％以下となるように第１ＬＣＤ３１ｄと第１ＬＥＤ３１ｂとの相対位置を設定することで、撮像装置２によって撮像されたパターン画像に基づいて測定対象物Ｗの高さ情報を得ることが可能な程度のコントラストを確保することができる。

光を最も通しやすい液晶分子配列状態とは、液晶分子の配向が光路を最も遮らない方向（上述した電圧０のとき）にある状態である。尚、前記減衰率が５％以下となるように、第１ＬＣＤ３１ｄの有効角度範囲を設定することもできる。

また、図９に示すように、第１ＬＥＤ３１ｂの中心（光出射面の中心）から第１ＬＣＤ３１ｄの表示面に向けて引いた法線２０１と、当該第１ＬＥＤ３１ｂの中心から第１ＬＣＤ３１ｄの有効角度範囲における照明ハウジング３０の径方向内方に位置する内端部側の境界に向けて引いた内側仮想線２０２とのなす角度αが５０°以下となるように、第１ＬＥＤ３１ｂと第１ＬＣＤ３１ｄとの相対位置を設定することができる。これにより、第１ＬＥＤ３１ｂから出射された光が第１ＬＣＤ３１ｄに入射する際の角度範囲がＴＮ方式の液晶パネルに最適な範囲となり、その結果、パターン光のコントラストを所定以上確保することができる。法線２０１と内側仮想線２０２とのなす角度αは４５°以下にすることができ、また、４０°以下にすることもできる。

また、第１ＬＥＤ３１ｂの中心から第１ＬＣＤ３１ｄの表示面に向けて引いた法線２０１と、第１ＬＥＤ３１ｂの中心から第１ＬＣＤ３１ｄの有効角度範囲における外端部側の境界に向けて引いた外側仮想線２０３とのなす角度βが１０°以下となるように設定されている。法線２０１と外側仮想線２０３とのなす角度は５°以下にすることができ、また、０°であってもよい。これにより、第１ＬＥＤ３１ｂから出射された光が第１ＬＣＤ３１ｄに入射する際の角度範囲がＴＮ方式の液晶パネルに最適な範囲となり、その結果、パターン光のコントラストを所定以上確保することができる。

第１ＬＥＤ３１ｂと第１ＬＣＤ３１ｄの表面（表示面）との距離と、第１ＬＣＤ３１ｄの有効角度範囲の幅（第１ＬＣＤ３１ｄの外端部と内端部との距離）とを略一致させてもよい。

（ＬＥＤのサイズ）
図９に示すように、第１ＬＥＤ３１ｂの光出射面における波が連続する方向の寸法Ｋは、第１ＬＣＤ３１ｄに形成される波の半周期の寸法以下に設定されている。この実施形態では、第１ＬＣＤ３１ｄにおける波が連続する方向に並ぶ８個のセグメントＳＥＧにより１つの波を形成しているので、４個のセグメントＳＥＧが波の半周期に相当することになる。つまり、波が連続する方向に並ぶ４個のセグメントＳＥＧの寸法Ｊと、第１ＬＥＤ３１ｂの光出射面の寸法Ｋとが等しいか、寸法Ｊの方が長くなっている。

実験の結果より、第１ＬＥＤ３１ｂの光出射面の寸法Ｋが、第１ＬＣＤ３１ｄの表示面に形成されている波の半周期の寸法（光を透過させる部分の寸法と同じ）、即ち、寸法Ｊ以下であると、パターン光がきちんとした正弦波状の照度分布を有するものにならない場合があることが分かっている。正弦波状のパターン光がきちんと生成されていないと、画像処理によって高さ画像を得た際に、高さ画像中に高周波のうねり、即ち、実際には平面であるのにうねったような面ができてしまうことがあり、検査の障害になる。これは正弦波状以外の波状のパターン光を生成する場合も同様である。

このことに対し、第１ＬＥＤ３１ｂの光出射面の寸法Ｋが波の半周期の寸法Ｊを超えるような大きさの発光ダイオードを選択することが考えられるが、一般に入手可能な発光ダイオードのサイズは限られており、光出射面の寸法Ｋを自由に設定できるわけではなく、本実施形態のように、光出射面の寸法Ｋが波の半周期の寸法Ｊ以下である発光ダイオードを用いざるを得ないことがある。

図１０は、第１ＬＥＤ３１ｂの配列形態を示すものである。図１０における左右方向は、パターン光の照度が変化しない方向であり、６４個の第１ＬＥＤ３１ｂが図１０の左側から右側に順に並んでいる。第１ＬＥＤ３１ｂの個数は一例であり、任意に設定することができる。

図１０における左端に位置する第１ＬＥＤ３１ｂを第１ＬＥＤ３１ｂ－１とし、順に、第１ＬＥＤ３１ｂ－２、第１ＬＥＤ３１ｂ－３、…とする。そして、図１０における右端に位置する第１ＬＥＤ３１ｂを第１ＬＥＤ３１ｂ－６４とする。第１ＬＥＤ３１ｂ－１～６４は、パターン光の照度が変化しない方向に並ぶとともに、パターン光の照度が変化する方向（図１０における上下方向）に互いにずれるように配置されている。第１ＬＥＤ３１ｂ－１～６４によって照射される光軸は、直線２０５上に位置するようになっている。直線２０５は、パターン光の照度が変化しない方向に延び、ＬＥＤアレイの光量が最も多い部分を通る直線である。

第１ＬＥＤ３１ｂ－１～６４は、その光出射面の中心が、パターン光の照度が変化する方向（図１０の上下方向）の所定範囲内に位置するように配置されている。第１ＬＥＤ３１ｂ－１の光出射面の中心と、第１ＬＥＤ３１ｂ－６４の光出射面の中心は、直線２０５と平行な直線２０６上に位置しており、これら第１ＬＥＤ３１ｂ－１、６４の光出射面の中心は、所定範囲の一端に配置されている。第１ＬＥＤ３１ｂ－３２の光出射面の中心と、第１ＬＥＤ３１ｂ－３３の光出射面の中心は、直線２０５と平行な直線２０７上に位置しており、これら第１ＬＥＤ３１ｂ－３２、３３の光出射面の中心は、所定範囲の他端に配置されている。

光軸が位置する直線２０５と、前記所定範囲の一端を通る直線２０６との離間寸法２０８は、光軸が位置する直線２０５と、前記所定範囲の他端を通る直線２０７との離間寸法２０９と等しく設定されている。寸法２０８と寸法２０９とを合わせた寸法２１０が前記所定範囲を表す寸法となる。光出射面の中心が前記所定範囲の一端に位置する一端発光ダイオードは、第１ＬＥＤ３１ｂ－１、６４であり、また、光出射面の中心が前記所定範囲の他端に位置する他端発光ダイオードは、第１ＬＥＤ３１ｂ－３２、３３である。また、第１ＬＥＤ３１ｂ－２～３１、３４～６３は、各々、光出射面の中心が前記所定範囲の中間に位置する中間発光ダイオードである。これら第１ＬＥＤ３１ｂ－２～６３は、パターン光の照度が変化する方向に互いにずれるように配置されている。具体的には、第１ＬＥＤ３１ｂ－２～３１、３４～６３は、前記所定範囲の一端近傍から他端近傍まで多段階にずれるように配置されている。

第１ＬＥＤ３１ｂ－１～６４を、その光出射面の中心が前記所定範囲内でずれるように配置したので、図９に示すように、第１ＬＥＤ３１ｂ－１～６４が並ぶ方向から見たとき、第１ＬＥＤ３１ｂ－３２、３３が上に偏位し、第１ＬＥＤ３１ｂ－１、６４が下に偏位するようになり、例えば第１ＬＥＤ３１ｂ－１６等が上下方向中央付近に位置することになる。上述したように、各第１ＬＥＤ３１ｂの光出射面の寸法はＫであるが、第１ＬＥＤ３１ｂ－１～６４を前記所定範囲内でずれるように配置することで、第１ＬＥＤ３１ｂ－１～６４で構成される見かけ上の光出射面の寸法は、Ｋよりも長いＫ’となる。この寸法Ｋ’は、第１ＬＣＤ３１ｄに形成される波の半周期の寸法Ｊよりも長くなる。これにより、検査対象画像中に高周波のうねりが発生しにくくなる。

第１ＬＣＤ３１ｄに形成される波の半周期の寸法Ｊと、第１ＬＥＤ３１ｂ－１、６４で構成される見かけ上の光出射面における波が連続する方向の寸法Ｋ’との比が、１：１．２から１：１．４の範囲内に設定されている。図１１は、寸法Ｊと寸法Ｋ’の比と、画素うねりとの関係を示すグラフであり、図１１における横軸は寸法Ｊと寸法Ｋ’の比であり、縦軸は画素うねりの程度を表しており、上へいくほど画素うねりが強くなる。このグラフに示すように、寸法Ｊと寸法Ｋ’の比が１以下になると、画素うねりが強くなる一方、１．２を超えると画素うねりが小さくなり、１．４までは低いレベルを保っている。したがって、上記比を１：１．２から１：１．４の範囲内に設定するのが好ましい。

図１２は、第１ＬＥＤ３１ｂ－１～６４の別の配置例を示す図である。この例では、第１ＬＥＤ３１ｂ－３２、３３の光出射面の中心が前記所定範囲の中心に位置し、第１ＬＥＤ３１ｂ－１、６４の光出射面の中心が前記所定範囲の一端に位置し、第１ＬＥＤ３１ｂ－２、６３の光出射面の中心が前記所定範囲の他端に位置している。第１ＬＥＤ３１ｂの並び方向中央に近づくにつれて、光出射面の中心が前記所定範囲の中心に近づくように、各第１ＬＥＤ３１ｂが配置されている。この例においても、図９に示すように、第１ＬＥＤ３１ｂ－１～６４で構成される見かけ上の光出射面の寸法は、Ｋよりも長いＫ’となる。

図８に示すように、第１ＬＥＤ３１ｂの光出射面と第１ＬＣＤ３１ｄとの間には、光出射面から出射された光を拡散させて第１ＬＣＤ３１ｄに入射させる拡散手段３１ｇを設けることができる。これにより、第１ＬＥＤ３１ｂの光出射面における寸法Ｋが、第１ＬＣＤ３１ｄに形成される波の半周期の寸法以下であっても、第１ＬＣＤ３１ｄへの光の入射形態が、光出射面の寸法が波の半周期の寸法よりも長い場合のような入射形態になるので、検査対象画像中に高周波のうねりが発生しにくくなる。拡散手段３１ｇは、例えば、拡散板または拡散レンズとすることができる。拡散手段３１ｇを設ける場合には拡散効果によって画素うねりが抑制されるので第１ＬＥＤ３１ｂ－１～６４を上下方向にずらして配置しなくてもよいが、第１ＬＥＤ３１ｂ－１～６４を上下方向にずらして配置してもよい。

（ＬＥＤ駆動回路及びＬＣＤ駆動回路）
図１３に示すように、第１投光部３１には、第１ＬＥＤ３１ｂを駆動する第１ＬＥＤ駆動回路（光源駆動回路）３１ｅと、第１ＬＣＤ３１ｄを駆動する第１ＬＣＤ駆動回路（液晶パネル駆動回路）３１ｆとが設けられている。第１ＬＥＤ駆動回路３１ｅは、第１ＬＥＤ３１ｂに対する供給電流値を変更するための回路であり、投光制御部３９によって制御される。よって、第１ＬＥＤ３１ｂは、第１ＬＥＤ駆動回路３１ｅを介して投光制御部３９によって制御されることになる。第１ＬＥＤ駆動回路３１ｅによる電流値制御は、ＤＡＣ制御である。

第１ＬＣＤ駆動回路３１ｆは、第１ＬＣＤ３１ｄを構成する各セグメントＳＥＧ（図９に示す）に印加する電圧を変更することで各セグメントＳＥＧの液晶組成物の配向を変化させるための回路である。この実施形態では、一例を図１６に示すように、第１ＬＣＤ３１ｄを構成するセグメントＳＥＧが６４個あり、６４個のセグメントＳＥＧにそれぞれ個別に印加する電圧を変更することができるようになっており、セグメントＳＥＧ毎に、第１ＬＥＤ３１ｂから出射された光を通過させる状態と通過させない状態とに切り替えることができる。第１ＬＣＤ駆動回路３１ｆは、第１ＬＥＤ駆動回路３１ｅと共通の投光制御部３９によって制御される。よって、第１ＬＣＤ３１ｄは、第１ＬＣＤ駆動回路３１ｆを介して投光制御部３９によって制御されることになる。また、第１ＬＥＤ駆動回路３１ｅと第１ＬＣＤ駆動回路３１ｆとは、共通の投光制御部３９によって制御されるので、第１ＬＥＤ駆動回路３１ｅと第１ＬＣＤ駆動回路３１ｆとを精密に動機させることができる。

投光制御部３９によって制御された第１ＬＣＤ駆動回路３１ｆが第１ＬＣＤ３１ｄを駆動することで、第１ＬＥＤ３１ｂから出射された拡散光を受けて互いに異なるパターンを有する複数の第１測定用パターン光を順次生成して測定対象物Ｗに照射することができる。複数の第１測定用パターン光には、空間コード法で用いる空間コード（グレーコード）用のパターン光と、位相シフト法で用いる周期的な照度分布を有するパターン光とが含まれている。

図１６の上側には、空間コード用のパターン光を第１ＬＣＤ３１ｄによって生成する場合を示しており、図１６の下側には、位相シフト法で用いる周期的な照度分布を有するパターン光を生成する場合を示している。この図１６において黒く塗りつぶされている部分は第１ＬＥＤ３１ｂから出射された拡散光を非通過にするセグメントＳＥＧであり、白色の部分は第１ＬＥＤ３１ｂから出射された拡散光を通過させるセグメントＳＥＧである。また、図１６では、第１ＬＣＤ３１ｄを構成している６４個のセグメントＳＥＧが同図の横方向に並ぶように配置された場合を示している。

図１６の上側における空間コード用のパターン光の生成の場合は、白黒デューティ比５０％で縞幅が全体の半分、４分の１、…と細かくなっていく縞パターンを生成する場合を示している。このように第１ＬＣＤ３１ｄを制御することで、空間コード用のパターン光を順次生成することができる。

また、図１６の下側における位相シフト法用のパターン光の生成の場合は、正弦波縞模様パターンの位相をずらして複数生成する。この例の場合、ＬＣＤ表示は２値制御にして矩形波のパターンを生成しているが、図９に示すように、第１ＬＣＤ３１ｄで生成された矩形波のパターンが光照射面上でぼけることによって正弦波状のパターンを得ることができるようになっている。より詳細には、液晶パネルに形成された矩形波上のパターンと、面積を持った発光ダイオードの発光パターンとが組み合わさることで、正弦波に近いパターンを得ることができる。仮にＬＥＤではなく理想的な点光源または線光源だと正弦波パターンではなく、２値パターンが得られる。このため、正弦波パターンを得るためには、ＬＥＤ光源サイズとＬＣＤ開口サイズとのバランスが重要になる。またこの例では８つのパターン光を生成している。このように第１ＬＣＤ３１ｄを制御することで、位相シフト法用のパターン光を順次生成することができる。

つまり、位相シフト法及び／又は空間コード法にしたがう複数のパターン光を順次生成するように、投光制御部３９が第１ＬＥＤ３１ｂ及び第１ＬＣＤ３１ｄを制御する。複数のパターン光の内の一のパターン光の投影が完了すると、次のパターン光の投影を行い、この処理を繰り返すことによって全てのパターン光の投影を行う。第１ＬＣＤ３１ｄによるパターンの形成処理については後述する。

尚、空間コード用のパターン光の数、位相シフト法用のパターン光の数は、図示した数に限られるものではない。

（第２投光部３２の構成）
図１に示すように、第２投光部３２の第２ＬＥＤ３２ｂの光の出射範囲は、第２ＬＥＤ３２ｂの直下から少なくとも照明ハウジング３０の開口部３０ａの中心軸Ａよりも第１辺部３０Ａ側（照明装置３の左側）に達するように設定されている。すなわち、第２投光部３２の第２ＬＥＤ３２ｂの光の出射範囲は、照明ハウジング３０の開口部３０ａの中心軸Ａを対称の中心として、第１投光部３１の第１ＬＥＤ３１ｂの光の出射範囲と左右対称となるように設定されている。第２ＬＥＤ３２ｂの光の出射範囲を、図１において右下がりの斜線で示している。

図１３に示すように、第２投光部３２には、第２ＬＥＤ３２ｂを駆動する第２ＬＥＤ駆動回路（光源駆動回路）３２ｅと、第２ＬＣＤ３２ｄを駆動する第２ＬＣＤ駆動回路（液晶パネル駆動回路）３２ｆとが設けられており、これらは投光制御部３９によって制御される。第２ＬＣＤ３２ｄは、第１ＬＣＤ３１ｄと同様に駆動されるので、第２ＬＥＤ３２ｂから出射された拡散光を受けて互いに異なるパターンを有する複数の第２測定用パターン光を順次生成して測定対象物Ｗに照射することができる。複数の第２測定用パターン光には、空間コード用のパターン光と、位相シフト法用のパターン光とが含まれている。

第１投光部３１から出射されたパターン光と、第２投光部３２から出射されたパターン光とが、照明ハウジング３０の開口部３０ａの中心軸Ａ上で交差するように、略同一の広がり角を持つように、第１投光部３１と第２投光部３２とが中心軸Ａの周方向に互いに離れた状態で、照明ハウジング３０に一体的に支持されている。「一体的に支持されている」とは、第１投光部３１と第２投光部３２との相対的な位置関係が設置時や使用時に変化しないように、第１投光部３１と第２投光部３２が照明ハウジング３０に対して固定されているということである。したがって、運用時には、照明ハウジング３０内における第１投光部３１及び第２投光部３２の相対位置は変化しないので、例えば図１７に示すように、第１ＬＥＤ３１ｂの中心部と、第２ＬＥＤ３２ｂの中心部との離間距離をｌとしておけば、運用時には、第１ＬＥＤ３１ｂの中心部と、第２ＬＥＤ３２ｂの中心部との離間距離はｌに固定される。第１ＬＥＤ３１ｂの中心部と、第２ＬＥＤ３２ｂの中心部との離間距離は、照明ハウジング３０内における第１投光部３１及び第２投光部３２の相対位置情報であり、予めコントローラ部４や撮像装置２に記憶させておくことができる。尚、運用時以外の時には、第１ＬＥＤ３１ｂの中心部と、第２ＬＥＤ３２ｂの中心部との離間距離を変更することができる。

また、照明ハウジング３０内における第１投光部３１及び第２投光部３２の相対位置情報は、第１ＬＥＤ３１ｂの中心部と、第２ＬＥＤ３２ｂの中心部との直線距離であってもよいし、各ＬＥＤから照射された光をミラー等で折り返して測定対象物Ｗに照射する場合には、その光の経路長を考慮した距離とすることもできる。

第１ＬＣＤ３１ｄは照明装置３の左側に配置されているので、載置面１００に載置された測定対象物Ｗに対して左側からパターン光を投影する。また、第２ＬＣＤ３２ｄは照明装置３の右側に配置されているので、載置面１００に載置された測定対象物Ｗに対して右側からパターン光を投影する。第１ＬＣＤ３１ｄ及び第２ＬＣＤ３２ｄは測定対象物Ｗに対してそれぞれ異なる方向からパターン光を投影する液晶パネルである。

（第３投光部３３と第４投光部３４の構成）
第３投光部３３及び第４投光部３４は、第１投光部３１と同様に構成されており、図１３に示すように、第３投光部３３は、第３ＬＥＤ（第３光源）３３ｂと、第３ＬＥＤ３３ｂに対応して配置された第３ＬＣＤ（第３パターン光生成部）３３ｄとを備え、第４投光部３４は、第４ＬＥＤ（第４光源）３４ｂと、第４ＬＥＤ３４ｂに対応して配置された第４ＬＣＤ（第４パターン光生成部）３４ｄとを備えている。第３ＬＥＤ３３ｂと、第４ＬＥＤ３４ｂとが対をなしている。第３ＬＥＤ３３ｂと、第４ＬＥＤ３４ｂとは、互いの相対位置を補正可能に照明ハウジング３０に取り付けられている。相対位置の補正の詳細については後述する。

第３ＬＣＤ３３ｄと第４ＬＣＤ３４ｄの表示面は、照明ハウジング３０の開口部３０ａの中心軸Ａと直交する平面（図６に符号２００で示す面）と同一平面に位置している。

第３投光部３３の第３ＬＥＤ３３ｂの光の出射範囲と、第４投光部３４の第４ＬＥＤ３４ｂの光の出射範囲とは、第１投光部３１の第１ＬＥＤ３１ｂの光の出射範囲と、第２投光部３２の第２ＬＥＤ３２ｂの光の出射範囲との関係と同じになるように設定されている。具体的には、第３投光部３３の第３ＬＥＤ３３ｂの光の出射範囲は、第３ＬＥＤ３３ｂの直下から少なくとも照明ハウジング３０の開口部３０ａの中心軸Ａよりも第４辺部３０Ｄ側に達するように設定されている。第４投光部３４の第４ＬＥＤ３４ｂの光の出射範囲は、第４ＬＥＤ３４ｂの直下から少なくとも照明ハウジング３０の開口部３０ａの中心軸Ａよりも第３辺部３０Ｃ側に達するように設定されている。したがって、照明ハウジング３０の開口部３０ａの中心軸Ａを対称の中心としたとき、上下対称となるように、第３投光部３３の第３ＬＥＤ３３ｂの光の出射範囲と、第４投光部３４の第４ＬＥＤ３４ｂの光の出射範囲とが設定されている。

図１３に示すように、第３投光部３３には、第３ＬＥＤ３３ｂを駆動する第３ＬＥＤ駆動回路（光源駆動回路）３３ｅと、第３ＬＣＤ３３ｄを駆動する第３ＬＣＤ駆動回路（液晶パネル駆動回路）３３ｆとが設けられており、これらは投光制御部３９によって制御される。第３ＬＣＤ３３ｄは、第１ＬＣＤ３１ｄと同様に駆動されるので、第３ＬＥＤ３３ｂから出射された拡散光を受けて互いに異なるパターンを有する複数の第３測定用パターン光を順次生成して測定対象物Ｗに照射することができる。複数の第３測定用パターン光には、空間コード用のパターン光と、位相シフト法用のパターン光とが含まれている。

また、第４投光部３４には、第４ＬＥＤ３４ｂを駆動する第４ＬＥＤ駆動回路（光源駆動回路）３４ｅと、第４ＬＣＤ３４ｄを駆動する第４ＬＣＤ駆動回路（液晶パネル駆動回路）３４ｆとが設けられており、これらは投光制御部３９によって制御される。第４ＬＣＤ３４ｄは、第１ＬＣＤ３１ｄと同様に駆動されるので、第４ＬＥＤ３４ｂから出射された拡散光を受けて互いに異なるパターンを有する複数の第４測定用パターン光を順次生成して測定対象物Ｗに照射することができる。複数の第４測定用パターン光には、空間コード用のパターン光と、位相シフト法用のパターン光とが含まれている。

第３投光部３３から出射されたパターン光と、第４投光部３４から出射されたパターン光とが、照明ハウジング３０の開口部３０ａの中心軸Ａ上で交差するように、略同一の広がり角を持つように、第３投光部３３と第４投光部３４とが中心軸Ａの周方向に互いに離れた状態で、照明ハウジング３０に一体的に支持されている。したがって、照明ハウジング３０内における第３投光部３３及び第４投光部３４の相対位置は変化しないので、第３ＬＥＤ３３ｂの中心部と、第４ＬＥＤ３４ｂの中心部との離間距離を予め所定の値に設定しておけば、運用時に、第３ＬＥＤ３３ｂの中心部と、第４ＬＥＤ３４ｂの中心部との離間距離は所定の値に固定される。第３ＬＥＤ３３ｂの中心部と、第４ＬＥＤ３４ｂの中心部との離間距離は、照明ハウジング３０内における第３投光部３３及び第４投光部３４の相対位置情報であり、予めコントローラ部４や撮像装置２に記憶させておくことができる。

第３ＬＣＤ３３ｄは照明装置３の上側に配置されているので、載置面１００に載置された測定対象物Ｗに対してその方向からパターン光を投影する。また、第４ＬＣＤ３４ｄは照明装置３の下側に配置されているので、載置面１００に載置された測定対象物Ｗに対してその方向からパターン光を投影する。第３ＬＣＤ３３ｄ及び第４ＬＣＤ３４ｄは測定対象物Ｗに対してそれぞれ異なる方向からパターン光を投影する液晶パネルである。

尚、図５に示す第５～第８投光部３５～３８も第１～第４投光部３１～３４と同様に構成されている。

（投光制御部３９による制御）
図１３に示すように、この実施形態では、第１ＬＥＤ駆動回路３１ｅ、第２ＬＥＤ駆動回路３２ｅ、第３ＬＥＤ駆動回路３３ｅ、第４ＬＥＤ駆動回路３４ｅ、第１ＬＣＤ駆動回路３１ｆ、第２ＬＣＤ駆動回路３２ｆ、第３ＬＣＤ駆動回路３３ｆ及び第４ＬＣＤ駆動回路３４ｆが共通の投光制御部３９によって制御されるので、これら駆動回路を精密に同期させることができる。同様に、第５～第８投光部３５～３８もＬＥＤ駆動回路とＬＣＤ駆動回路とを有しており、精密に同期させることができる。

投光制御部３９は、第１ＬＣＤ３１ｄ、第２ＬＣＤ３２ｄ、第３ＬＣＤ３３ｄ及び第４ＬＣＤ３４ｄの内の任意の一の液晶パネルから複数のパターン光の内の一のパターン光の投影が完了するまでに、少なくとも次にパターン光を投影する他の液晶パネル上に、次に投影すべきパターンの形成処理を完了させ、前記一の液晶パネルによるパターン光の投影が完了した後に、前記他の液晶パネルに前記次のパターン光を投影する処理を繰り返し実行するように、第１ＬＣＤ３１ｄ、第２ＬＣＤ３２ｄ、第３ＬＣＤ３３ｄ及び第４ＬＣＤ３４ｄを制御する。

具体的には、照明装置３の投光制御部３９には、コントローラ部４から、パターン光の投影を開始するトリガ信号と、パターン光の投影中に撮像装置２との同期を取るための再同期トリガ信号とが入力されるようになっている。トリガ信号は、ＰＬＣ１０１から入力するようにしてもよい。例えば、ＰＬＣ１０１に接続された光電センサ等による検出結果に基づいてトリガ信号を投光制御部３９に入力することができる。トリガ信号を生成する装置は、ＰＬＣ１０１でなくてもよく、光電センサ等であってもよい。この場合、光電センサ等を投光制御部３９に直接接続するか、コントローラ部４を介して接続することができる。

トリガ信号が入力されると、投光制御部３９は、第１ＬＣＤ３１ｄ上に現在形成されているパターンを、当該現在の表示形態とは異なるパターンに切り替えるように、第１ＬＣＤ駆動回路３１ｆを介して第１ＬＣＤ３１ｄを制御する。ここで、第１ＬＣＤ３１ｄ上のパターンを切り替えるためには、第１ＬＣＤ３１ｄを構成している各セグメントの液晶組成物に対する印加電圧を第１ＬＥＤ駆動回路３１ｅが周知の手法によって変化させる。液晶組成物に対する印加電圧を変化させてから当該液晶組成物がその配向を変えるまでの時間は、後述する撮像装置２による撮像間隔よりも長い。つまり、第１ＬＣＤ３１ｄ上に現在形成されているパターンを異なるパターンに切り替えるには、撮像装置２による撮像間隔よりも長い所定のパターン切り替え時間が必要になり、あるパターンから別のパターンに切り替える時間が必要になる。第２ＬＣＤ３２ｄ、第３ＬＣＤ３３ｄ及び第４ＬＣＤ３４ｄも同様に、パターンを順に切り替えるための時間が必要になる。

第１ＬＣＤ３１ｄ上にあるパターンが完全に形成されている間に、そのパターンの形成と同期して第１ＬＥＤ３１ｂから光を出射し、第２ＬＥＤ３２ｂ、第３ＬＥＤ３３ｂ及び第４ＬＥＤ３４ｂからは光を出射させないように制御する。これにより、第１ＬＣＤ３１ｄ上に形成されているパターンのみがパターン光として測定対象物Ｗに投影されるので、第２ＬＣＤ３２ｄ、第３ＬＣＤ３３ｄ及び第４ＬＣＤ３４ｄ上に形成されているパターンは、測定対象物Ｗへ投影されることはない。

第１ＬＣＤ３１ｄ上にパターンが形成されている時間は、第２ＬＣＤ３２ｄ上にパターンを形成するためのパターン切り替え時間の一部である。第２ＬＣＤ３２ｄ上にパターンを形成するため時間は、第１ＬＣＤ３１ｄ上にパターンが形成されている時間よりも長くなっており、具体的には、第１ＬＣＤ３１ｄ上にパターンの形成が完了するよりも前から始まっている。

測定対象物Ｗに投影されているパターンのパターン光の撮像が完了すると、第２ＬＣＤ３２ｄ上にパターンが完全に形成されている間に、パターンの形成と同期して第２ＬＥＤ３２ｂから光を出射し、第１ＬＥＤ３１ｂ、第３ＬＥＤ３３ｂ及び第４ＬＥＤ３４ｂからは光を出射させないように制御する。これにより、第２ＬＣＤ３２ｄ上に形成されているパターンのみがパターン光として測定対象物Ｗに投影される。

第２ＬＣＤ３２ｄ上にパターンが形成されている時間は、第３ＬＣＤ３３ｄ上にパターンを形成するための切り替え時間の一部である。第３ＬＣＤ３３ｄ上にパターンを形成するため時間は、第２ＬＣＤ３２ｄ上にパターンが形成されている時間よりも長くなっており、具体的には、第１ＬＣＤ３１ｄ上にパターンの形成が完了するよりも前から始まっている。

測定対象物Ｗに投影されているパターンのパターン光の撮像が完了すると、第３ＬＣＤ３３ｄ上にパターンが完全に形成されている間に、パターンの形成と同期して第３ＬＥＤ３３ｂから光を出射し、第１ＬＥＤ３１ｂ、第２ＬＥＤ３２ｂ及び第４ＬＥＤ３４ｂからは光を出射させないように制御する。これにより、第３ＬＣＤ３３ｄ上に形成されているパターンのみがパターン光として測定対象物Ｗに投影される。

第３ＬＣＤ３３ｄ上にパターンが形成されている時間は、第４ＬＣＤ３４ｄ上にパターンを形成するための切り替え時間の一部である。第４ＬＣＤ３４ｄ上にパターンを形成するため時間は、第３ＬＣＤ３３ｄ上にパターンが形成されている時間よりも長くなっており、具体的には、第１ＬＣＤ３１ｄ上にパターンの形成が完了するよりも前から始まっている。

測定対象物Ｗに投影されているパターンのパターン光の撮像が完了すると、第４ＬＣＤ３４ｄ上にパターンが完全に形成されている間に、パターンの形成と同期して第４ＬＥＤ３４ｂから光を出射し、第１ＬＥＤ３１ｂ、第２ＬＥＤ３２ｂ及び第３ＬＥＤ３３ｂからは光を出射させないように制御する。これにより、第４ＬＣＤ３４ｄ上に形成されているパターンのみがパターン光として測定対象物Ｗに投影される。このパターンが形成されている時間の一部は、第１ＬＣＤ３１ｄ上に次のパターンを形成するための切り替え時間の一部である。

つまり、この実施形態では、第１ＬＣＤ３１ｄ、第２ＬＣＤ３２ｄ、第３ＬＣＤ３３ｄ及び第４ＬＣＤ３４ｄの内、一の液晶パネルによる複数のパターン光の投影を順次連続して行うのではなく、一の液晶パネルによる１番目のパターン光の投影が完了すると、別の液晶パネルによる１番目のパターン光の投影を行い、その別の液晶パネルによる１番目のパターン光の投影が完了すると、更に別の液晶パネルによる１番目のパターン光の投影を行い、そのようにして１番目のパターン光の投影が全ての液晶パネルで完了すると、前記一の液晶パネルによる２番目のパターン光の投影を行い、前記一の液晶パネルによる２番目のパターン光の投影が完了すると、前記別の液晶パネルによる２番目のパターン光の投影を行い、その別の液晶パネルによる２番目のパターン光の投影が完了すると、更に別の液晶パネルによる２番目のパターン光の投影を行うように、第１ＬＣＤ３１ｄ、第２ＬＣＤ３２ｄ、第３ＬＣＤ３３ｄ及び第４ＬＣＤ３４ｄを制御する。したがって、パターン光の投影を行っていない液晶パネルでは、次に投影するパターンの形成準備を行うことができるので、液晶パネルの応答速度の遅さをカバーすることができる。

前記した例では、第１ＬＣＤ３１ｄ、第２ＬＣＤ３２ｄ、第３ＬＣＤ３３ｄ及び第４ＬＣＤ３４ｄの全てでパターン光を投影する場合について説明したが、これに限らず、第１ＬＣＤ３１ｄ及び第２ＬＣＤ３２ｄのみでパターン光を投影すること、第３ＬＣＤ３３ｄ及び第４ＬＣＤ３４ｄのみでパターン光を投影することもできる。第１ＬＣＤ３１ｄ及び第２ＬＣＤ３２ｄのみでパターン光を投影する場合には、パターン光の投影を交互に行えばよく、例えば、第１ＬＣＤ３１ｄで１番目のパターン光の投影を行っている間に、第２ＬＣＤ３２ｄ上に１番目のパターンの形成処理を行い、その後、第２ＬＣＤ３２ｄで１番目のパターン光の投影を行っている間に、第１ＬＣＤ３１ｄ上に２番目のパターンの形成処理を行い、これを繰り返す。第３ＬＣＤ３３ｄ及び第４ＬＣＤ３４ｄのみでパターン光を投影する場合も同様である。

投光制御部３９には、トリガ信号及び再同期トリガ信号以外にも、コントローラ部４からパターン光の形成情報も送信され、送信されたパターン光の形成情報は、一旦、投光制御部３９に記憶されて、このパターン光の形成情報に基づいて、第１ＬＥＤ３１ｂ、第２ＬＥＤ３２ｂ、第３ＬＥＤ３３ｂ及び第４ＬＥＤ３４ｂと、第１ＬＣＤ３１ｄ、第２ＬＣＤ３２ｄ、第３ＬＣＤ３３ｄ及び第４ＬＣＤ３４ｄとを制御する。

パターン光の形成情報には、例えば、照射モード、空間コード用のパターン光の照射の有無、空間コード用のパターン光の具体的なパターン及び数、位相シフト法用のパターン光の照射の有無、位相シフト法用のパターン光の具体的なパターン及び数、パターン光の照射順等が含まれている。照射モードには、第１ＬＣＤ３１ｄ及び第２ＬＣＤ３２ｄのみでパターン光を照射して測定対象物Ｗに投影する第１照射モードと、第１ＬＣＤ３１ｄ、第２ＬＣＤ３２ｄ、第３ＬＣＤ３３ｄ及び第４ＬＣＤ３４ｄの全てでパターン光を投影する第２照射モードと、第３ＬＣＤ３３ｄ及び第４ＬＣＤ３４ｄのみでパターン光を照射して測定対象物Ｗに投影する第３照射モードとが含まれている。

（撮像装置２の構成）
図１等に示すように、撮像装置２は、照明装置３とは別体に設けられている。図１に示すように撮像装置２とコントローラ部４とは接続線２ａによって接続されているが、撮像装置２とコントローラ部４とは無線接続するようにしてもよい。

撮像装置２は、画像処理装置１の一部を構成するものであることから、撮像部ということもできる。撮像装置２が照明装置３とは別体に設けられているので、撮像装置２と照明装置３とを別々に設置することができる。よって、撮像装置２の設置場所と照明装置３の設置場所とを変えること、撮像装置２の設置場所と照明装置３の設置場所とを離すことができる。これにより、撮像装置２及び照明装置３の設置時の自由度を大きく向上させ、あらゆる生産現場等へ画像処理装置１を導入することが可能になる。

尚、撮像装置２の設置場所と照明装置３の設置場所と同じにすることができる現場であれば、撮像装置２と照明装置３とを同じ部材に取り付けることもでき、設置状態は使用者が現場に応じて任意に変更することができる。また、撮像装置２と照明装置３とを同じ部材に取り付けて一体化して使用することもできる。

撮像装置２は、照明装置３の照明ハウジング３０の上方、即ちパターン光の出射方向とは反対側において、照明ハウジング３０の開口部３０ａを覗くように配置されている。したがって、撮像装置２は、照明装置３の照明ハウジング３０の開口部３０ａを介して、測定対象物Ｗから反射した第１測定用パターン光を受光して複数の第１パターン画像を生成するとともに、測定対象物Ｗから反射した第２測定用パターン光を受光して複数の第２パターン画像を生成することができる。また、照明装置３が第３投光部３３及び第４投光部３４を有している場合には、撮像装置２は、照明装置３の照明ハウジング３０の開口部３０ａを介して、測定対象物Ｗから反射した第３測定用パターン光を受光して複数の第３パターン画像を生成するとともに、測定対象物Ｗから反射した第４測定用パターン光を受光して複数の第４パターン画像を生成することができる。同様に、第５～第８投光部３５～３８を有している場合には、第５～第８パターン画像を生成することもできる。

図３に示すように、撮像装置２は、光学系を構成するレンズ２１と、レンズ２１から入射した光を受光する受光素子からなる撮像素子２２とを備えており、レンズ２１及び撮像素子２２によって、いわゆるカメラが構成されている。レンズ２１は、測定対象物Ｗ上の少なくとも高さ測定エリアまたは検査対象エリアを撮像素子２２に結像させるための部材である。レンズ２１の光軸と、照明装置３の照明ハウジング３０の開口部３０ａの中心軸Ａとを一致させてもよいが、一致させなくてもよい。また、撮像装置２と照明装置３との中心軸Ａ方向の距離は、撮像装置２による撮像を照明装置３が妨げない範囲で任意に設定することができ、設置の自由度が高く設計されている。

また、撮像素子２２としては、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等を利用することができる。撮像素子２２は、測定対象物Ｗからの反射光を受光して画像を取得し、取得した画像データをデータ処理部２４に出力する。この例では撮像素子２２として高解像度のＣＭＯＳセンサを利用している。尚、カラーで撮像可能な撮像素子を利用することもできる。撮像素子２２は、パターン投影画像以外に、通常の輝度画像を撮像することもできる。通常の輝度画像を撮像する場合には、前記照明装置３の全てのＬＥＤ３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂを点灯させるとともに、パターン光を形成しないように全てのＬＣＤ３１ｄ、３２ｄ、３３ｄ、３４ｄを制御すればよい。図５及び図６に示すような観察用照明５０がある場合にはそれを利用して通常の輝度画像を撮像装置２で撮像することもできる。

撮像装置２は、前記カメラの他、露光制御部２３と、データ処理部２４と、位相計算部２６と、画像処理部２７と、画像記憶部２８と、出力制御部２９とを更に備えている。データ処理部２４、位相計算部２６、画像処理部２７及び画像記憶部２８は、撮像装置２に内蔵されている共通のバスライン２５に接続されていて相互にデータの送受信が可能になっている。露光制御部２３、データ処理部２４、位相計算部２６、画像処理部２７、画像記憶部２８及び出力制御部２９は、ハードウェアで構成することもできるし、ソフトウェアで構成することもできる。

（露光制御部２３の構成）
露光制御部２３には、コントローラ部４から、撮像を開始するトリガ信号と、撮像中に照明装置３との同期を取るための再同期トリガ信号とが入力されるようになっている。露光制御部２３に入力されるトリガ信号及び再同期トリガ信号は、照明装置３に入力されるトリガ信号及び再同期トリガ信号と同じタイミングとなるように、入力タイミングが設定されている。

露光制御部２３は、撮像素子２２を直接制御する部分であり、露光制御部２３に入力されたトリガ信号及び再同期トリガ信号によって撮像素子２２の撮像タイミング及び露光時間を制御する。露光制御部２３には、コントローラ部４から撮像条件に関する情報が入力されて記憶されるようになっている。撮像条件に関する情報には、例えば、撮像回数、撮像間隔（撮像後、次の撮像を行うまでの時間）、撮像時の露光時間（シャッタースピード）等が含まれている。

コントローラ部４から送出されるトリガ信号の入力によって露光制御部２３が撮像素子２２に撮像を開始させる。この実施形態では、１回のトリガ信号の入力によって複数のパターン画像を生成する必要があることから、撮像中に再同期トリガ信号がコントローラ部４から入力され、この再同期トリガ信号の入力によって照明装置３との同期を取ることができるようになっている。

具体的には、第１ＬＣＤ３１ｄ上に完全に形成されているパターンがパターン光として測定対象物Ｗに投影されている間に、撮像素子２２が撮像（露光）するように、露光制御部２３が撮像素子２２を制御する。露光時間と、パターンがパターン光として測定対象物Ｗに投影されている時間とは、同じにすることができるが、露光開始のタイミングを、パターン光が投影開始されたタイミングよりも若干遅くしてもよい。

その後、第２ＬＣＤ３２ｄ上に形成されているパターンがパターン光として測定対象物Ｗに投影されている間に、撮像素子２２が撮像するように、露光制御部２３が撮像素子２２を制御する。この撮像が完了すると、第３ＬＣＤ３３ｄ上に形成されているパターンがパターン光として測定対象物Ｗに投影されている間に、撮像素子２２が撮像するように、露光制御部２３が撮像素子２２を制御する。その後、第４ＬＣＤ３４ｄ上に形成されているパターンがパターン光として測定対象物Ｗに投影されている間に、撮像素子２２が撮像するように、露光制御部２３が撮像素子２２を制御する。これを繰り返すことにより、複数の第１パターン画像、複数の第２パターン画像、複数の第３パターン画像及び複数の第４パターン画像を生成する。

撮像素子２２は、撮像を完了すると、その都度、画像データをデータ処理部２４に転送する。尚、画像データは、図３に示す画像記憶部２８に記憶させておくことができる。すなわち、撮像素子２２による撮像タイミングと、コントローラ部４の画像の要求タイミングとは一致していないので、このズレを吸収するバッファとして画像記憶部２８が機能するようになっている。

撮像と次の撮像との間に、画像データを図３に示すデータ処理部２４に転送するようにしているが、これに限らず、例えば、撮像とデータ転送とを並行して行うこともできる。あるパターン光が照射されている測定対象物Ｗの撮像が完了すると、次のパターンのパターン光が照射されている測定対象物Ｗの撮像を行っているときに、前のパターンの画像データをデータ処理部２４に転送する。このように、前回撮像した画像データを次の撮像時にデータ処理部２４に転送することもできる。

また、あるパターンのパターン光が照射されている測定対象物Ｗを複数回撮像することもできる。この場合、第１ＬＥＤ３１ｂは、撮像素子２２による撮像時にのみ点灯させることができる。撮像素子２２の露光時間は、１回目の撮像時が２回目の撮像時よりも長くなるように設定することができるが、２回目の撮像時が１回目の撮像時よりも長くなるように設定することもできる。他のパターンのパターン光が照射されている測定対象物Ｗを撮像するときも、複数回撮像できる。これにより、複数のパターン光の内の一のパターン光が測定対象物Ｗに投影されている間に、露光時間が異なる複数の画像を生成することができる。この露光時間が異なる複数の画像は、後述するハイダイナミックレンジ処理を行う際に使用される。尚、あるパターンのパターン光が照射されている測定対象物Ｗを複数回撮像する間、第１ＬＥＤ３１ｂを点灯させ続けてもよい。

（データ処理部２４の構成）
図３に示すデータ処理部２４は、撮像素子２２から出力される画像データに基づいて複数のパターン画像セットを生成する。撮像素子２２が第１パターン画像を複数生成すると、データ処理部２４は、複数の第１パターン画像からなる第１パターン画像セットを生成する。同様に、複数の第２パターン画像からなる第２パターン画像セットを生成し、複数の第３パターン画像からなる第３パターン画像セットを生成し、複数の第４パターン画像からなる第４パターン画像セットを生成する。したがって、撮像装置２は、各液晶パネルから投影された複数のパターン光の測定対象物Ｗからの反射光をそれぞれ受光し、各液晶パネルにそれぞれ対応する複数のパターン画像セットを生成することができる。

第１ＬＣＤ３１ｄ及び第２ＬＣＤ３２ｄのみでパターン光を投影する場合には、第１パターン画像セットと第２パターン画像セットとが生成される。第３ＬＣＤ３３ｄ及び第４ＬＣＤ３４ｄのみでパターン光を投影する場合には、第３パターン画像セットと第４パターン画像セットとが生成される。

データ処理部２４は、位相シフト法にしたがうパターン光の投影によって位相シフトパターン画像セットを生成するとともに、空間コード法にしたがうパターン光の投影によってグレーコードパターン画像セットを生成することができる。

位相シフト法にしたがうパターン光は、照度分布を例えば正弦波状に変動させたパターン光であるが、これ以外のパターン光であってもよい。この実施形態では、位相シフト法にしたがうパターン光の数を８としているが、これに限られるものではない。一方、空間コード法にしたがうパターン光は、白黒デューティ比５０％で縞幅が全体の半分、４分の１、…と細かくなっていく縞パターンである。この実施形態では、空間コード法にしたがうパターン光の数を４としているが、これに限られるものではない。尚、この例で説明しているパターンは、グレーコードを空間コードとして利用する場合であり、縞幅を半々にしていくことによってパターン光を形成するのはグレーコードの目的ではないが、結果としてそうなっているだけである。またグレーコードは、隣接コードとのハミング距離＝１とすることでノイズ耐性を考慮したコード方式の一種である。

図１５に示すように、照明装置３の第１投光部３１が空間コード法にしたがう４つのパターン光を測定対象物Ｗに照射した場合には、データ処理部２４が４つの異なる画像からなるグレーコードパターン画像セットを生成する。また、照明装置３の第１投光部３１が位相シフト法にしたがう８つのパターン光を測定対象物Ｗに照射した場合には、データ処理部２４が８つの異なる画像からなる位相シフトパターン画像セットを生成する。第１投光部３１によるパターン光の照射によって得られたグレーコードパターン画像セット及び位相シフトパターン画像セットは、共に、第１パターン画像セットである。

同様に、照明装置３の第２投光部３２が空間コード法にしたがうパターン光を測定対象物Ｗに照射した場合には、グレーコードパターン画像セットが生成され、また、位相シフト法にしたがうパターン光を測定対象物Ｗに照射した場合には、位相シフトパターン画像セットが生成される。第２投光部３２によるパターン光の照射によって得られたグレーコードパターン画像セット及び位相シフトパターン画像セットは、共に、第２パターン画像セットである。

同様に、照明装置３の第３投光部３３が空間コード法にしたがうパターン光を測定対象物Ｗに照射した場合には、グレーコードパターン画像セットが生成され、また、位相シフト法にしたがうパターン光を測定対象物Ｗに照射した場合には、位相シフトパターン画像セットが生成される。第３投光部３３によるパターン光の照射によって得られたグレーコードパターン画像セット及び位相シフトパターン画像セットは、共に、第３パターン画像セットである。

同様に、照明装置３の第４投光部３４が空間コード法にしたがうパターン光を測定対象物Ｗに照射した場合には、グレーコードパターン画像セットが生成され、また、位相シフト法にしたがうパターン光を測定対象物Ｗに照射した場合には、位相シフトパターン画像セットが生成される。第４投光部３４によるパターン光の照射によって得られたグレーコードパターン画像セット及び位相シフトパターン画像セットは、共に、第４パターン画像セットである。

前記各パターン画像セットは、図３に示す画像記憶部２８に記憶させておくことができる。

図３に示すように、データ処理部２４は、ＨＤＲ処理部２４ａを有している。ＨＤＲ処理とは、ハイダイナミックレンジ（high dynamic range imaging）合成処理のことであり、このＨＤＲ処理部２４ａにおいて、露光時間が異なる複数の画像を合成する。すなわち、上述したように、あるパターンのパターン光が照射されている測定対象物Ｗを、露光時間を変えて複数回撮像した場合には、露光時間の異なる複数の輝度画像が得られることになり、これら輝度画像を合成することで各輝度画像のダイナミックレンジよりも広いダイナミックレンジを有する画像を生成することができる。ＨＤＲ合成の手法については従来から周知の手法を用いることができる。露光時間を変化させる代わりに、照射する光の強度を変化させることによって明るさの異なる複数の輝度画像を得て、これら輝度画像を合成してもよい。

（位相計算部２６の構成）
図３に示す位相計算部２６は、高さ画像の元データとなる絶対位相画像を算出する部分である。図１４に示すように、ステップＳＡ１において、位相シフトパターン画像セットの各画像データを取得し、位相シフト法を利用することにより、相対位相計算処理を行う。これは図１６における相対位相（Unwrapping前位相）のように表現することができ、ステップＳＡ１の相対位相計算処理により位相画像が得られる。

一方、図１４のステップＳＡ３において、グレーコードパターン画像セットの各画像データを取得し、空間コード法を利用することにより、空間コード算出処理を行い、縞番号画像を得る。縞番号画像は、光が照射される空間を多数の小空間に分けた場合に、小空間に一連の空間コード番号を付して識別可能にした画像である。図１６に、一連の空間コード番号の付与要領について示している。

図１４のステップＳＡ４では絶対位相位相化処理を行う。絶対位相位相化処理では、ステップＳＡ１において得られた位相画像と、ステップＳＡ３において得られた縞番号画像とを合成（Unwrapping）して絶対位相画像（中間画像）を生成する。つまり、空間コード法によって得た空間コード番号により、位相シフト法による位相ジャンプの補正（位相アンラップ）ができるので、高さのダイナミックレンジを広く確保しつつ、高分解能な測定結果を得ることができる。

位相シフト法のみで高さ測定を行うようにしてもよい。この場合は、高さの測定ダイナミックレンジが狭くなるので、位相が１周期以上ずれてしまうような高さの相違が大きい測定対象物Ｗの場合は、高さの測定が正しく行えない。逆に、高さの変化が小さな測定対象物Ｗの場合は、空間コード法による縞画像の撮像や合成を行わないので、その分だけ処理を高速化することができるメリットがある。例えば、高さ方向の差異が少ない測定対象物Ｗを測定する際には、ダイナミックレンジを大きく取る必要がないため、位相シフト法のみでも高精度な高さ測定性能を維持しつつ、処理時間を短くすることができる。また、絶対高さは判るので空間コード法のみで高さ測定するように構成してもよい。この場合、コードを増やすことによって精度を高めることができる。

また、図１４のステップＳＡ２では、位相シフトパターン画像セットの各画像データを取得し、信頼度画像算出処理を行う。信頼度画像算出処理では、位相信頼性を示す信頼度画像を算出する。これは無効画素の判定に利用することができる画像である。

前記位相画像、縞番号画像及び信頼度画像は、図３に示す画像記憶部２８に記憶させておくことができる。

位相計算部２６が生成する絶対位相画像は、各画素が測定対象物Ｗへの測定用パターン光の照射角度情報を有する角度画像ということもできる。すなわち、第１パターン画像セット（位相シフトパターン画像セット）には、正弦波縞模様パターンの位相をずらして撮像した８枚の第１パターン画像が含まれているので、位相シフト法を利用することによって測定対象物Ｗへの測定用パターン光の照射角度情報を各画素が有することになる。つまり、位相計算部２６は、複数の第１パターン画像に基づいて、各画素が測定対象物Ｗへの第１測定用パターン光の照射角度情報を有する第１角度画像を生成する部分であるので、角度画像生成部ということもできる。第１角度画像は、第１ＬＥＤ３１ｂから測定対象物Ｗへ照射される光の角度を画像化した画像である。

同様に、位相計算部２６は、複数の第２パターン画像に基づいて各画素が測定対象物Ｗへの第２測定用パターン光の照射角度情報を有する第２角度画像と、複数の第３パターン画像に基づいて各画素が測定対象物Ｗへの第３測定用パターン光の照射角度情報を有する第３角度画像と、複数の第４パターン画像に基づいて各画素が測定対象物Ｗへの第４測定用パターン光の照射角度情報を有する第４角度画像とを生成することができる。第２角度画像は、第２ＬＥＤ３２ｂから測定対象物Ｗへ照射される光の角度を画像化した画像である。第３角度画像は、第３ＬＥＤ３３ｂから測定対象物Ｗへ照射される光の角度を画像化した画像である。第４角度画像は、第４ＬＥＤ３４ｂから測定対象物Ｗへ照射される光の角度を画像化した画像である。図１５における中間画像の最も上の画像が第１角度画像であり、上から２番目の画像が第２角度画像であり、上から３番目の画像が第３角度画像であり、一番下の画像が第４角度画像である。各角度画像の真っ黒に塗りつぶされたように見える部分が照明（前記各ＬＥＤ）の影になっている部分であり、角度情報の無い無効画素となる。

（画像処理部２７の構成）
画像処理部２７は、前記各パターン画像、位相画像、縞番号画像及び信頼度画像に対して、例えば、ガンマ補正、ホワイトバランスの調整、ゲイン補正等の画像処理を行う部分である。画像処理後の各パターン画像、位相画像、縞番号画像及び信頼度画像を画像記憶部２８に記憶させておくこともできる。画像処理は上述した処理に限られるものではない。

（出力制御部２９の構成）
出力制御部２９は、コントローラ部４から出力された画像出力要求信号を受信すると、その画像出力要求信号に従い、画像記憶部２８に記憶されている画像の内、画像出力要求信号で指示された画像のみ、画像処理部２７を介してコントローラ部４に出力する部分である。この例では、画像処理前の各パターン画像、位相画像、縞番号画像及び信頼度画像を画像記憶部２８に記憶させておき、コントローラ部４からの画像出力要求信号で要求された画像に対してのみ、画像処理部２７で画像処理を行い、コントローラ部４に出力する。画像出力要求信号は、使用者が各種測定操作や検査操作を行った時に出力することができる。

この実施形態では、データ処理部２４、位相計算部２６及び画像処理部２７を撮像装置２に設けたが、これに限らず、コントローラ部４に設けてもよい。この場合、撮像素子２２から出力された画像データはコントローラ部４に出力されて処理されることになる。

（コントローラ部４の構成）
図２に示すように、コントローラ部４は、撮像投光制御部４１と、高さ測定部４２と、画像合成部４３と、検査部４５と、表示制御部４６と、履歴記憶部４７とを備えている。コントローラ部４は、撮像装置２及び照明装置３とは別体に設けられている。

（撮像投光制御部４１の構成）
撮像投光制御部４１は、前記パターン光の形成情報、トリガ信号及び再同期トリガ信号を、照明装置３に所定のタイミングで出力するとともに、前記撮像条件に関する情報、トリガ信号及び再同期トリガ信号を、撮像装置２に所定のタイミングで出力する。照明装置３に出力するトリガ信号及び再同期トリガ信号と、撮像装置２に出力するトリガ信号及び再同期トリガ信号とは同期している。前記パターン光の形成情報及び前記撮像条件に関する情報は、例えば撮像投光制御部４１や、別の記憶部（図示せず）に記憶させておくことができる。使用者が所定の操作（高さ測定準備操作、検査準備操作）を行うことで、前記パターン光の形成情報が照明装置３に出力されて照明装置３の投光制御部３９に一旦記憶され、また、前記撮像条件に関する情報撮像装置２に出力されて露光制御部２３に一旦記憶される。この例では、照明装置３は、該照明装置３に内蔵されている投光制御部３９でＬＥＤ及びＬＣＤの制御を行うように構成されているので、スマートタイプの照明装置と呼ぶことができる。また、撮像装置２は、該撮像装置２に内蔵されている露光制御部２３で撮像素子２２の制御を行うように構成されているので、スマートタイプの撮像装置と呼ぶことができる。

このように撮像装置２及び照明装置３が個別に制御を行う場合には、撮像回数が増えれば増えるほど、撮像タイミングと、照明タイミング（パターン光の投影タイミング）とがずれて、撮像装置２によって得られた画像が暗くなってしまうという問題がある。特に、上述したように、位相シフトパターン画像セットの画像が８つ、グレーコードパターン画像セットが４つの合計１２の画像で第１パターン画像セットを構成し、第２パターン画像セットも同様に構成し、さらにＨＤＲ用の撮像も行うようにすると、撮像回数が多くなり、撮像タイミングと、照明タイミングとのズレが顕著になる。

この例では、再同期トリガ信号を照明装置３と撮像装置２に同期して出力するようにしており、これにより、撮像の途中で照明装置３と撮像装置２との同期を取ることができるようにしている。よって、撮像回数が多くなったとしても、撮像タイミングと、照明タイミングとのズレが問題とならない程度に極めて小さなものとなり、位相シフトパターンやグレーコードパターンの照射中に画像が暗くなるのを抑制でき、位相の歪みやコードの判定を誤る可能性を低減できる。再同期トリガ信号は、複数回出力することもできる。

撮像投光制御部４１は、照射モード切替部４１ａを備えている。第１投光部３１及び第２投光部３２によってそれぞれ第１測定用パターン光及び第２測定用パターン光を照射する第１照射モードと、第１投光部３１及び第２投光部３２によってそれぞれ第１測定用パターン光及び第２測定用パターン光を照射した後、第３投光部３３及び第４投光部３４によってそれぞれ第３測定用パターン光及び第４測定用パターン光を照射する第２照射モードと、第３投光部３３及び第４投光部３４によってそれぞれ第３測定用パターン光及び第４測定用パターン光を照射する第３照射モードとの３つの照射モードの内、任意の１つの照射モードに切り替えることができる。照射モードの切替は、使用者が表示部５を見ながら、コンソール部６やマウス７の操作によって行うことができる。また、コントローラ部４が自動で照射モードの切替を行うように構成することもできる。

（高さ測定部４２の構成）
高さ測定部４２は、位相計算部２６が生成した第１角度画像の各画素の照射角度情報及び第２角度画像の各画素の照射角度情報と、照明装置３の照明ハウジング３０内における第１投光部３１及び第２投光部３２の相対位置情報とにしたがって、照明装置３の中心軸Ａ方向における測定対象物Ｗの高さを測定することができるように構成されている。

以下、高さ測定部４２による具体的な高さを測定方法について説明する。上述したように、位相のＵｎｗｒａｐによって角度画像を生成することにより、各画素に対する照明からの角度が決まる。第１角度画像は、第１ＬＥＤ３１ｂから測定対象物Ｗへ照射される光の角度を示す画像であり、第２角度画像は、第２ＬＥＤ３２ｂから測定対象物Ｗへ照射される光の角度を示す画像である。そして、第１ＬＥＤ３１ｂと第２ＬＥＤ３２ｂとは照明ハウジング３０に一体的に支持されていて第１ＬＥＤ３１ｂと第２ＬＥＤ３２ｂとの距離は、上述したようにｌ（図１７に示す）となっている。

図１７では、測定対象物Ｗにおける任意の点Ｈの高さを求める場合について説明している。第１ＬＥＤ３１ｂの直下を０゜、第１ＬＥＤ３１ｂから４５゜の方向を１としている。また、図１７の右方向を正、左方向を負としている。第１ＬＥＤ３１ｂから点Ｈに照射される光の角度は、第１角度画像における点Ｈに対応する画素から求めることができ、点Ｈと第１ＬＥＤ３１ｂとを結ぶ直線の傾きを１／ａ１とする。また、第２ＬＥＤ３２ｂから点Ｈに照射される光の角度は、第２角度画像における点Ｈに対応する画素から求めることができ、点Ｈと第２ＬＥＤ３２ｂとを結ぶ直線の傾きを－１／ａ２とする。ａ１、ａ２は位相である。

Ｚ＝１／ａ１＊Ｘ＋０ … 式１
Ｚ＝－１／ａ２＊（Ｘ－ｌ） … 式２
式１、式２に対してＺを解くと高さが求まる。

ａ１Ｚ＝Ｘ
ａ２Ｚ＝－Ｘ＋ｌ
Ｚ＝ｌ／（ａ１＋ａ２）
Ｘ＝ａ１＊ｌ／（ａ１＋ａ２）
このようにして、測定対象物Ｗにおける各点の高さを求めることができる。前記各式には、撮像装置２の位置に関する変数が無いので、測定対象物Ｗにおける各点の高さを求める際には撮像装置２の位置は無関係であることが分かる。但し、角度画像で無効画素となっている画素については角度情報が無いので、その点の高さを求めることはできない。すなわち、算出されるＺ座標は撮像装置２と測定対象物Ｗとの距離ではなく、照明装置３から見た時の測定対象物Ｗまでの距離を示すものになっている。撮像装置２の設置位置とは無関係に、照明装置３の設置位置によって得られるＺ座標が定まる。

また、図示しないが、同様にして、第３ＬＥＤ３３ｂから点Ｈに照射される光の角度を、第３角度画像における点Ｈに対応する画素から求めることができ、また、第４ＬＥＤ３４ｂから点Ｈに照射される光の角度を、第４角度画像における点Ｈに対応する画素から求めることができるので、第３角度画像及び第４角度画像に基づいて各画素の高さを求めることができる。

例えば、図１５では、高さ測定部４２は、第１角度画像の各画素の照射角度情報及び第２角度画像の各画素の照射角度情報と、照明ハウジング３０内における第１投光部３１及び第２投光部３２の相対位置情報とにしたがって測定対象物Ｗの高さを表す第１高さ画像を生成するとともに、第３角度画像の各画素の照射角度情報及び第４角度画像の各画素の照射角度情報と、照明ハウジング３０内における第３投光部３３及び第４投光部３４の相対位置情報とにしたがって測定対象物Ｗの高さを表す第２高さ画像を生成した場合を示している。

第１高さ画像は、各画素の高さを把握することができるので、各種検査を行う際に使用される検査対象画像とすることができる。また、第２高さ画像も各画素の高さを把握することができるので、各種検査を行う際に使用される検査対象画像とすることができる。したがって、高さ測定部４２は、複数の中間画像に基づいて検査対象画像を生成する検査対象画像生成部ということもできる。

図１５に示す場合では、まず、第１投光部３１によるパターン光の投影によって得られた第１パターン画像セットで第１角度画像を生成し、第２投光部３２によるパターン光の投影によって得られた第２パターン画像セットで第１角度画像を生成する。第１角度画像では、第１投光部３１が測定対象物Ｗの左側から光を照射することになるので、測定対象物Ｗの右側に影ができ、その部分が無効画素となっている。一方、第２角度画像では、第２投光部３２が測定対象物Ｗの右側から光を照射することになるので、測定対象物Ｗの左側に影ができ、その部分が無効画素となっている。第１角度画像と第２角度画像とによって第１高さ画像を生成するので、一方の角度画像で無効画素となっている画素については第１高さ画像においても無効画素となる。

同様にして、第３投光部３３によるパターン光の投影によって得られた第３パターン画像セットで第３角度画像を生成し、第４投光部３４によるパターン光の投影によって得られた第４パターン画像セットで第４角度画像を生成する。第３角度画像では、第３投光部３３が測定対象物Ｗの上側（図において上になる側）から光を照射することになるので、測定対象物Ｗの下側（図において下になる側）に影ができ、その部分が無効画素となっている。一方、第４角度画像では、第４投光部３４が測定対象物Ｗの下側から光を照射することになるので、測定対象物Ｗの上側に影ができ、その部分が無効画素となっている。第３角度画像と第４角度画像とによって第２高さ画像を生成するので、一方の角度画像で無効画素となっている画素については第２高さ画像においても無効画素となる。無効画素をできるだけ少なくするために、この実施形態では図２に示すようにコントローラ部４に画像合成部４３を設けている。

この実施形態では、高さ測定部４２をコントローラ部４に設けた場合について説明したが、これに限らず、図示しないが、高さ測定部を撮像装置２に設けてもよい。

（画像合成部４３の構成）
画像合成部４３は、第１高さ画像と第２高さ画像とを合成して合成後高さ画像を生成するように構成されている。これにより、第１高さ画像で無効画素になっている部分が、第２高さ画像では無効画素となっていない部分については、合成後高さ画像において有効画素で表されることになり、反対に、第２高さ画像で無効画素になっている部分が、第１高さ画像では無効画素となっていない部分については、合成後高さ画像において有効画素で表されることになる。よって、合成後高さ画像では無効画素の数を少なくすることができる。逆に、高い信頼を持った高さを得たい場合は、第１高さ画像、第２高さ画像の双方とも有効で、かつ、その差が所定以下の小さい場合のみに、その平均高さを有効としてもよい。

言い換えると、測定対象物Ｗに対して互いに異なる４方向からパターン光を照射することで、高さ画像の有効画素数を多くすることができ、死角を少なくすることができるとともに、測定結果の信頼性を向上させることができる。尚、２方向からのパターン光の照射で無効画素が十分に少なくなるような測定対象物Ｗの場合は、高さ画像を１つだけ生成すればよい。この場合、使用者が第１高さ画像と第２高さ画像のどちらを生成するか選択するように構成することもできる。高さ画像を１つだけ生成する場合には測定時間が短くなるというメリットがある。

合成後高さ画像も各画素の高さを把握することができるので、各種検査を行う際に使用される検査対象画像とすることができる。したがって、画像合成部４３は、検査対象画像を生成する検査対象画像生成部ということもできる。

この実施形態では、画像合成部４３をコントローラ部４に設けた場合について説明したが、これに限らず、図示しないが、画像合成部を撮像装置２に設けてもよい。

（検査部４５の構成）
検査部４５は、第１高さ画像、第２高さ画像及び合成後高さ画像の内、任意の画像に基づいて検査処理を実行する部分である。検査部４５には、有無検査部４５ａと、外観検査部４５ｂと、寸法検査部４５ｃとが設けられているが、これは一例であり、これら全ての検査部が必須ではなく、またこれら検査部以外の検査部を備えていてもよい。有無検査部４５ａは、測定対象物Ｗの有無や測定対象物Ｗに取り付けられている部品の有無等を画像処理によって判断することができるように構成されている。外観検査部４５ｂは、測定対象物Ｗの外形状等が予め決められた形状であるか否かを画像処理によって判断することができるように構成されている。寸法検査部４５ｃは、測定対象物Ｗの各部の寸法が予め決められた寸法であるか否か、または各部の寸法を画像処理によって判断することができるように構成されている。これら判断の手法は従来から周知の手法であることから詳細な説明は省略する。

（表示制御部４６の構成）
表示制御部４６は、第１高さ画像、第２高さ画像及び合成後高さ画像等を表示部５に表示させたり、画像処理装置１を操作するための操作用ユーザーインターフェース、画像処理装置１を設定するための設定用ユーザーインターフェース、測定対象物の高さ測定結果を表示するための高さ測定結果表示用ユーザーインターフェース、測定対象物の各種検査結果を表示するための検査結果表示用ユーザーインターフェース等を生成して表示部５に表示させることができるように構成されている。

（履歴記憶部４７の構成）
履歴記憶部４７は、例えばＲＡＭ等の記憶装置で構成することができる。履歴記憶部４７には、撮像装置２からコントローラ部４に出力された第１高さ画像、第２高さ画像及び合成後高さ画像等を記憶させておくことができるようになっている。コンソール部６やマウス７の操作によって履歴記憶部４７に記憶されている画像を読み出して表示部５に表示させることができる。

（補正処理）
上述したように、本実施形態では、第１投光部３１からパターン光が投影された状態の測定対象物Ｗを撮像して第１パターン画像を生成し、第２投光部３２からパターン光が投影された状態の測定対象物Ｗを撮像して第２パターン画像を生成し、第１パターン画像及び第２パターン画像に基づいて、照射角度情報を有する角度画像を生成し、既知である第１ＬＥＤ３１ｂと第２ＬＥＤ３２ｂの相対位置と、照射角度情報とにより、撮像装置２と照明装置３との相対的な位置関係に関わらず、測定対象物Ｗの高さを測定することができる。

このようにした場合、第１ＬＥＤ３１ｂと第２ＬＥＤ３２ｂとの相対位置が高さ測定結果に影響を与えることになるので、第１ＬＥＤ３１ｂと第２ＬＥＤ３２ｂの相対位置を厳密に規定しておく必要がある。しかしながら、製造上、部品のバラつきや組み付け位置のバラつきが発生するのは避けられず、第１ＬＥＤ３１ｂと第２ＬＥＤ３２ｂの相対位置を厳密に規定するのが難しい。そこで、本例の照明装置３では、第１ＬＥＤ３１ｂや第２ＬＥＤ３２ｂの位置補正を行うことができるように構成されている。

補正処理の全体の流れを図１８に示している。具体的なずれの例について図１９に基づいて説明する。図１９（Ａ）では、「０」の点が第１ＬＥＤ３１ｂの直下に位置すべきところ、第１ＬＥＤ３１ｂの取付角度がθ０だけずれてしまい、「０」の点が第１ＬＥＤ３１ｂの直下から所定量だけマイナス方向（図の左方向）に位置した場合を示している。図１９（Ｂ）では、第１ＬＥＤ３１ｂがＺ方向にずれている場合を示しており、この例では第１ＬＥＤ３１ｂが正規の取付位置から下方向にずれている。

これらのずれを補正して図１９（Ｃ）に示すように、「０」の点が第１ＬＥＤ３１ｂの直下でかつ基準面上に位置し、０～４５°の照射角度となるようにする。具体的には、図１８に示す流れに基づいて行うことができ、まず、絶対位相０の座標を推定するとともに、絶対位相１の座標を推定する。さらに、第１ＬＥＤ３１ｂの位置を推定した後、補正係数を導出する。補正は線形補正とすることができる。例えば、Φ' = a * Φ + bの式を用いることができ、この式におけるΦ'は補正後絶対位相であり、Φは補正前絶対位相である。a = tanθ1 + tanθ0であり、b = -tanθ0である。

また、図２０に示すように、あおり角がある場合には、絶対位相が大きくなるほどその間隔が広がることになるが、あおり角がない理想状態の場合には絶対位相が等ピッチになる。あおり角がある場合の線分２３０の長さと、あおり角がない場合の線分２３１の長さとを比較すると、あおり角がある場合の線分２３０の方が長くなり、この長さの相違が誤差となる。つまり、理想状態の場合に対し、あおり角がある場合は絶対位相Φの値がずれることになり、あおり角が無い場合の値に比べて小さな値となる。

あおり角の補正を行う場合には、まず、あおりを直接測定し、変換式を適用する。あおり角の直接測定ができない場合は、絶対位相を二次補正すればよい。変換式は、Φ'＝Φcosθ／（１－Φsinθ）であり、この式におけるΦは観測した絶対位相、Φ'は変換後の絶対位相（あおり角がないときの絶対位相）である。

図２１は、ペアである第１ＬＥＤ３１ｂと第２ＬＥＤ３２ｂとの高さずれが生じている場合を模式的に示している。この例では、第２ＬＥＤ３２ｂの方が第１ＬＥＤ３１ｂよりも寸法ｄだけ上に位置している。第１ＬＥＤ３１ｂと第２ＬＥＤ３２ｂの高さ補正を行う前提条件として、第１ＬＥＤ３１ｂ及び第２ＬＥＤ３２ｂの照射角度範囲は既に０°～４５°に正規化（調整）されていることが必要である。高さ補正を行う補正式は、h = (l - d * φ1) / (φ0 + φ1）である。

すなわち、第１ＬＥＤ３１ｂと第２ＬＥＤ３２ｂとの距離ｌは、l = h * tanθ0 + (h+d) * tanθ1となる。この関係をｈについて解く。

h * (tanθ0 + tanθ1) = l - d * tanθ1
h = (l - d * tanθ1) / (tanθ0 + tanθ1)

ここで、tanθ0, tanθ1は、正規化後の絶対位相と同じであるから、h = (l - d * φ1) / (φ0 + φ1）となる。

図２２は、補正が必要な箇所の推定と、補正を行うための各部の調整の流れを説明する図である。まず、ステップＳＢ１において照明を設置する。例えば、第１ＬＥＤ３１ｂ及び第２ＬＥＤ３２ｂを照明ハウジング３０取り付ける。その後、ステップＳＢ２において第１の推定においてθｘｙとθｘｚと残存誤差を推定してから、ステップＳＢ３において各θｘｙと各θｘｚを調整する。調整後、ステップＳＢ４に進み、第２の推定においてθ０、θ１、照明座標Ｘ，Ｙ，Ｚ、θｘｙ、θｙｚ、θｘｚ、残存誤差を推定する。ステップＳＢ５において残存誤差の有無を判定し、残存誤差があると判定された場合にはステップＳＢ３に進んで各調整を行い、第２の推定を再び行う。残存誤差が無くなるまで調整と第２の推定が繰り返され、残存誤差が無くなると、ステップＳＢ６に進み、推定結果を取得するとともに、記憶する。第１の推定と第２の推定とは同じにすることができる。以上のステップは、図２に示す誤差推定部４９ａによって行うことができる。

図２３は、ずれの具体的な推定方法を説明する模式図である。第１ＬＥＤ３２ｂの中心座標を（Ｘ，０，Ｚ）とする。座標ｘの位相Ｐは以下のようにおける。

t0= tanθ0
t1= tanθ1
底辺の長さｌ＝(Z-z) * (t0 + t1)
θ0側端からxまでの距離ｌｘ＝(x-X) + (Z-z) * t0
P = lx / l
P = ｛(x-X) + (Z-z) * t0｝ / ｛(Z-z) * (t0 + t1)｝

第１ＬＥＤ３２ｂが傾いていた場合、照明中心位置ＸがＹ依存性を持っていると置くことができる。

X(y) = X0 + axy * y
P =｛(x-(X0 + a * y)) + (Z-z) * t0｝ / ｛(Z-z) * (t0 + t1)｝
=｛(x-(X0 + a * y))｝/ ｛(Z-z) * (t0 + t1)｝＋ t0 / ｛t0 + t1｝

不明係数をまとめると、以下のようになる。

t0 … 第１ＬＥＤ３２ｂの照射幅０
t1 … 第１ＬＥＤ３２ｂの照射幅１
X0 … 照明中心Ｘ座標
a … 第１ＬＥＤ３２ｂの傾きxy (a = tanθxy）
Z … 第１ＬＥＤ３２ｂの高さ
P = ｛(x-(X0 + a * y)) * Ti｝ / ｛Z-z｝＋ t0 * Ti

ここで、最小二乗法の目的関数は、J = (p - P)^2となる。pは計測された位相である。

Pは、不明係数の線形結合ではないため、勾配法などの反復法を使う必要があり、レーベンバーグマーカート法を使うことができる。

各係数を求めた後、t0、t1、θxy補正をする。

t0' = t0 / cosθxy
t1' = t1 / cosθxy

（カメラキャリブレーション）
図２４は、カメラキャリブレーションの概念を示す図である。まず、ワールド座標とカメラ座標との対応付けのための係数（カメラパラメータ）を推定する。「カメラ」とは撮像装置２である。本実施形態では、ワールド座標＝照明座標となる。つまり、第１投光部３１及び第２投光部３２と、第３投光部３３及び第４投光部３４の２ペアで互いに異なる方向から測定対象物Ｗに測定用パターン光を投影できるので、キャリブレーションボードを使用することなく、ＸＹＺが求まった状態にすることができる。

測定対象物Ｗのワールド座標と対応するカメラ座標は既知である。測定対象物Ｗの高さを変え、複数回撮像し、信頼性の高いサンプリング点（特定点）を使い、従来周知のTsai（1987）の方法でカメラパラメータを推定する。Tsaiの論文では平たい板を前提としているが、本実施形態では、第１ＬＥＤ３１ｂ及び第２ＬＥＤ３２ｂの高さを使って、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標が求まるので、平たい板でなくてもよく、基本的に自由な形状で構わない。ただし、位相が狂う場合があるため、ロバスト推定法であるRANSACを併用し、誤差要因を取り除くようにしている。

図２５（Ａ）は、測定対象物Ｗが初期位置（第１の高さ）にある場合に、サンプリング点ＳＰのＸ，Ｙ，Ｚ座標を取得する場合を説明する図である。サンプリング点ＳＰのＸ，Ｙ，Ｚ座標は、上述したように、第１パターン画像セット、第２パターン画像セット、第３パターン画像セット及び第４パターン画像セットと、第１ＬＥＤ３１ｂ及び第２ＬＥＤ３２ｂの距離情報と、第３ＬＥＤ３３ｂ及び第４ＬＥＤ３４ｂの距離情報とを利用して求めることができる。図２５（Ｂ）は、測定対象物Ｗが初期位置よりも高い位置（第２の高さ）にある場合に、サンプリング点ＳＰのＸ，Ｙ，Ｚ座標を取得する場合を説明する図である。サンプリング点ＳＰのＸ，Ｙ，Ｚ座標は、図２５（Ａ）の場合と同様にして求めることができる。

図２６は、カメラパラメータ行列と歪みモデルの数式を示すものであり、ワールド座標とカメラ座標との対応付けのためのパラメータを求めるために使用される。ｘ，ｙはレンズ歪みを補正した後のカメラ座標であり、既知である。Ｘ，Ｙ，Ｚはワールド座標であり、これも既知である。ｘ，ｙ，Ｘ，Ｙ，Ｚを使用して他のパラメータを推定する。ｓ，ａはそれぞれスキュー、アスペクト比であり、どちらも通常は１でよい。ｔｘ，ｔｙは、撮像素子２２として用いられるイメージセンサの中心座標である。ｆは、縦横の焦点距離である。Ｒは回転行列、Ｔは並進ベクトルである。また、ｋ１，ｋ２，ｐ１，ｐ２は歪みパラメータである。

図２７は、各パラメータの推定手順を示すフローチャートである。ステップＳＣ１では、ｔｘ，ｔｙを推定し、ステップＳＣ２では、Ｒを推定する。ステップＳＣ１及びステップＳＣ２は２Ｄキャリブレーションに類似する処理であり、ｔｘ，ｔｙ，Ｒは比較的安定的に求まる。ただし、視野端などで高さが正しくない画素があると影響が大きいので、ロバスト推定（ＲＡＮＺＡＣ法）を実施する。

ステップＳＣ３では、ｆ，ｔｚを粗く推定し、ステップＳＣ４では、ｆ，ｔｚを精密に推定するとともに、ｋを推定する。ステップＳＣ３及びステップＳＣ４は、３Ｄキャリブレーションとレンズ歪み推定のための処理であり、ばらつきが大きく、最小二乗法では安定しないことがあるので、ＲＡＮＺＡＣ法を適用する。ステップＳＣ５は、必須のステップではないが、全ての推定値の微調整を行うステップである。

ｆ，ｔｚ値に影響するのは画角の影響を受けやすい外側の画素（イメージセンサの中心から外れた所の画素）であるため、キャリブレーションを行う際には、イメージセンサの外側の画素を使用してもよい。また、画角の影響を受けない点を省くことができる。

また、サンプリング点ＳＰの信頼性を高めるために、サンプリング点ＳＰのＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標は、当該サンプリング点ＳＰの周囲の点のＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標の情報が加味されていてもよい。例えば、サンプリング点ＳＰ及びその周囲の点のＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標の平均値（例えば、３×３、Ｍｅｄｉａｎ等）をサンプリング点ＳＰのＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標とすることができる。これにより、信頼性の高いキャリブレーションターゲットを生成できる。

第１ＬＥＤ３１ｂ、第２ＬＥＤ３２ｂ、第３ＬＥＤ３３ｂ及び第４ＬＥＤ３４ｂが固定されていて、位相Ｐが既知であれば、カメラ座標（ｘｆ，ｙｆ）と位相Ｐとからワールド座標（ｗｘ，ｗｙ，ｗｚ）を導出することができる。

上述したカメラパラメータの推定は、図１等に示すコントローラ部４で行うことができる。このカメラパラメータは、キャリブレーションターゲットであり、カメラパタメーラの生成は、図２に示すキャリブレーションターゲット生成部４８ａで行われる。キャリブレーションターゲット生成部４８ａは、キャリブレーションターゲットを生成する際に、測定対象物Ｗの表面におけるサンプリング点ＳＰのＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標を利用してキャリブレーションターゲットを生成することができる。すなわち、第１パターン光生成部３１ｄ及び第２パターン光生成部３２ｄが対をなし、また、第３パターン光生成部３３ｄ及び第４パターン光生成部３４ｄが対をなすことになるので、測定対象物Ｗに対して異なる複数方向から各パターン光を順次投影することが可能になる。これにより、パターン画像の死角が少なくなるので、各パターン画像に基づいてサンプリング点ＳＰのＸ座標、Ｙ座標及びＺ座標を計測することができる。この計測結果がキャリブレーションターゲットとなる。

図２に示すキャリブレーション実行部４８ｂは、キャリブレーションターゲット生成部４８ａで生成されたキャリブレーションターゲットを利用してカメラキャリブレーションを実行する。これにより、ワールド座標と撮像装置２の座標との対応付けが行われる。よって、ワールド座標と撮像装置２の座標との対応付けに際してキャリブレーションボードは不要になる。

（投光部の調整機構）
図２８及び図２９は、調整機構を有する第１投光部３１の構造例を示すものである。照明装置３の照明ハウジング３０は、ベース部材６０と、第１ＬＣＤ３１ｄが固定されたＬＣＤホルダ（第１パターン光生成部ホルダ部材）６１と、第１ＬＥＤ３１ｂが固定されたＬＥＤホルダ（第１光源ホルダ部材）６２とを備えている。ＬＣＤホルダ６１は、ベース部材６０に対して位置調整可能に取り付けられ、また、ＬＥＤホルダ６２も、ベース部材６０に対して位置調整可能に取り付けられている。図２８及び図２９における幅方向とは、第１ＬＥＤ３１ｂが並ぶ方向のことである。

すなわち、図２８に示すように、ベース部材６０の上面には、ボス部６０ａが上方へ突出するように設けられるとともに、このボス部６０ａから幅方向に離れた部分に当て板部６０ｂが上方へ突出するように設けられている。ベース部材６０の上面には、ボス部６０ａから幅方向に離れた部分に第１シム６３ａ（図２８において左下がりの斜線を付して示す）が載置されている。ボス部６０ａの上端面と、第１シム６３ａの上面とにＬＣＤホルダ６１が載置されている。図２９に示すように、ＬＣＤホルダ６１は、第１ビス６４と、第２ビス６５と、２本の第３ビス６６とでベース部材６０に締結固定されている。第１ビス６４及び第２ビス６５は、ベース部材６０のボス部６０ａに螺合するようになっている。２本の第３ビス６６は、第１シム６３ａを貫通してベース部材６０に螺合するようになっている。したがって、第１シム６３ａの厚さを変更することで、ＬＣＤホルダ６１の傾き、即ちＬＥＤホルダ６２の傾きを変更することができる。つまり、ＬＥＤホルダ６２のθｚｘを調整でき、第１投光部３１と第２投光部３２との間でθｚｘの調整が可能になる。

ＬＣＤホルダ６１には、第２ビス６５が挿通する円弧状スリット６１ｃが形成されている。円弧状スリット６１ｃは、第１ビス６４の中心線を中心とした円弧を描くように延びている。また、ＬＣＤホルダ６１には、第３ビス６６が挿通するスリット６１ｄが形成されている。円弧状スリット６１ｃ及びスリット６１ｄの形成により、ＬＣＤホルダ６１を第１ビス６４の中心線周りに回動させることができ、任意の回動位置で固定できる。ベース部材６０の当て板部６０ｂと、ＬＣＤホルダ６１の側面との間には、第２シム６３ｂ（図２８において右下がりの斜線を付して示す）が配置されている。したがって、第２シム６３ｂの厚さを変更することで、ＬＣＤホルダ６１の向き、即ちＬＥＤホルダ６２の向きを変更することができる。つまり、ＬＥＤホルダ６２のθｘｙを調整でき、第１投光部３１と第２投光部３２との間でθｘｙの調整が可能になる。

図２８に示すように、ＬＣＤホルダ６１の上面には、ボス部６１ａが上方へ突出するように設けられるとともに、このボス部６１ａから幅方向に離れた部分に当て板部６１ｂが上方へ突出するように設けられている。ＬＣＤホルダ６１の上面には、ボス部６１ａから幅方向に離れた部分に第３シム６３ｃが載置されている。ボス部６１ａの上端面と、第３シム６３ｃの上面とにＬＥＤホルダ６２が載置されている。ＬＥＤホルダ６２は、ＬＣＤホルダ６１のベース部材６０に対する固定構造と同様に、ＬＣＤホルダ６１に対して締結固定されている。したがって、第３シム６３ｃの厚さを変更することで、ＬＥＤホルダ６２のθｚｘを調整できる。この場合、第１投光部３１内においてθｚｘの調整が可能になる。

また、ＬＣＤホルダ６１の当て板部６１ｂと、ＬＥＤホルダ６２の側面との間には、第４シム６３ｄが配置されている。したがって、第４シム６３ｄの厚さを変更することで、ＬＥＤホルダ６２のθｘｙを調整できる。この場合、第１投光部３１内においてθｘｙの調整が可能になる。高さ測定時の誤差が最も少なくなるように各調整を行う。

また、図３０に示す構造例では、第１ＬＥＤ３１ｂが実装された基板３１ｃの幅方向一端側がビス７０によってケーシング３１ａに固定されている。基板３１ｃの幅方向他端側には、当該基板３１ｃの幅方向に長い複数の長孔７１が互いに間隔をあけて設けられている。ケーシング３１ａにおける各長孔７１に対応する部分には、ビス７２が螺合するようになっている。基板３１ｃにおけるビス７２で締結する位置を選択することにより、基板３１ｃの角度、即ち第１ＬＥＤ３１ｂの角度を調整することができる。

図３０に示す構造例の場合、ケーシング３１ａを介して第１ＬＥＤ３１ｂと第１ＬＣＤ３１ｄとを一体化しており、互いの位置精度を高めやすいが、製造上の誤差が生じ得るのは避けられない。誤差が生じた場合に、高さ測定時の誤差が最も少なくなるように、基板３１ｃを回動させればよい。

また、上記調整機構は、第２投光部３２、第３投光部３３及び第４投光部３４に設けることもできる。

（使用セグメント変更）
図２に示す誤差推定部４９ａによって各誤差を推定することができ、このとき、第１ＬＣＤ３１ｄにより投影されるパターン光の投影誤差を推定することもできる。図３１の（Ａ）は、第１ＬＥＤ３１ｂと第１ＬＣＤ３１ｄとの相対位置がずれてしまっていて、第１ＬＥＤ３１ｂから出射された光が第１ＬＣＤ３１ｄの外に達している状態を示している。この場合に、第１ＬＣＤ３１ｄを、第１ＬＥＤ３１ｂの照射範囲（０°～４５°）よりも大きなサイズのものにしておき、有効セグメントと余剰セグメントとを確保しておく。

図３１の（Ｂ）に示すように、第１ＬＥＤ３１ｂを設計通りの視野に合わせ、第１ＬＥＤ３１ｂの直下に位置するセグメントから投影パターンを生成できるようにする。誤差推定部４９ａの推定結果に基づいて、第１ＬＣＤ３１ｄにより投影されるパターン光の投影誤差を補正するように、第１ＬＣＤ３１ｄの使用セグメントを決定する。これは、図２に示す使用セグメント決定部４９ｂが行う。

図３１の（Ｂ）の有効セグメントは、パターンを形成するセグメントであり、余剰セグメントはパターンの形成に寄与しないセグメントである。有効セグメントの開始位置及び終了位置は、任意に設定することができ、パターン光の投影誤差が最も少なくなるように決定することができる。使用セグメント変更の変更はソフトウェア上で行えるので、物理的な調整機構による調整に比べて容易である。尚、位相シフト法の場合は、全領域を照射しつつ、位相をずらすだけでよいので、有効セグメントの開始位置及び終了位置が投影の端である必要はない。グレーコードの場合は、照射範囲外は常に全黒パターンとなるので、一般的には全黒パターンと他の空間コードとの境が開始位置及び終了位置となり得る。

使用セグメントの変更は、第３投光部３３及び第４投光部３４においても可能である。

（照明構造誤差と補正方法との関係）
上述した各誤差は、照明の構造に起因するものが殆どである。例えば、第１投光部３１と第２投光部３２との間のθｘｙ，θｚｘ、各投光部３１～３４のθｘｙ，θｚｘは、上記調整機構によって補正することができる。また、視野（θ０，θ１）は、上記使用セグメントの変更によって補正することができる。また、視野（θ０，θ１）と、あおり角θｙｚは絶対位相補正によって補正することができる。さらに、ペアとなる投光部のＬＥＤ間の距離（ｌ）、ペアとなる投光部のＬＥＤの高さ差（ｄ）は、高さ計測時のパラメータによって補正することができる。

（運用時補正）
雰囲気温度等の影響により、第１ＬＥＤ３１ｂと第２ＬＥＤ３２ｂの高さ方向のずれや、第３ＬＥＤ３３ｂと第４ＬＥＤ３４ｂの高さ方向のずれがあった場合には、そのずれを画像処理装置１の運用時に補正することができる。例えば、第１ＬＥＤ３１ｂの高さを真とし、最小二乗法で合わせ込むようにする。

（画像処理装置１の運用時）
次に、画像処理装置１の運用時について説明する。図３２～図３６は、測定対象物Ｗが直方体の箱であり、第１投光部３１及び第２投光部３２からパターン光を投影して測定した場合を示している。

まず、使用者が測定対象物Ｗを載置面１００に載置して測定開始操作又は検査開始操作を行うと、第１投光部３１及び第２投光部３２からそれぞれ８つの位相シフト法用のパターン光が順次生成されて測定対象物Ｗに投影される。撮像装置２は、各パターン光が投影されたタイミングで撮像する。図３２に示す位相シフトパターン画像セットは、第１投光部３１から測定対象物Ｗに投影されたパターン光を撮像した画像である。図３２に示す位相シフトパターン画像セットに基づいて位相画像を生成すると、図３３の左側に示すような位相画像になる。位相画像から中間画像を生成すると、図３３の右側に示すような画像になる。尚、グレーコードパターン画像の図示は省略している。

一方、図３４に示す位相シフトパターン画像セットは、第２投光部３２から測定対象物Ｗに投影されたパターン光を撮像した画像である。図３４に示す位相シフトパターン画像セットに基づいて位相画像を生成すると、図３５の左側に示すような位相画像になる。位相画像から中間画像を生成すると、図３５の右側に示すような画像になる。

図３３の右側に示す中間画像と、図３５の右側に示す中間画像とを合成すると図３６の左側に示すような高さ画像が生成される。高さ画像の上下方向の断面形状は、図３６の右側に示すようなユーザーインターフェースによって表示部５に表示することができる。

また、測定開始操作又は検査開始操作を行うと、第３投光部３３及び第４投光部３４からそれぞれ８つの位相シフト法用のパターン光が順次生成されて測定対象物Ｗに投影される。撮像装置２は、各パターン光が投影されたタイミングで撮像する。

（実施形態の作用効果）
以上説明したように、この実施形態によれば、第１測定用パターン光を投影する第１投光部３１と、第２測定用パターン光を投影する第２投光部３２と、撮像装置２とにより、複数の第１パターン画像及び第２パターン画像を生成することができる。第１パターン画像及び第２パターン画像に基づいて、各画素が測定対象物Ｗへの第１測定用パターン光の照射角度情報を有する第１角度画像と、各画素が測定対象物Ｗへの第２測定用パターン光の照射角度情報を有する第２角度画像とを生成することができる。

照明装置３の照明ハウジング３０内における第１投光部３１及び第２投光部３２の相対位置は既知であるため、この相対位置情報と、第１角度画像の各画素の照射角度情報及び第２角度画像の各画素の照射角度情報とにより、撮像装置２と照明装置３との相対的な位置関係に関わらず、照明装置３の中心軸Ａ方向における測定対象物Ｗの高さを測定することができる。

つまり、照明装置３と撮像装置２とを別体とすることで別々に設置可能にして設置時の自由度を高める場合に、撮像装置２の照明装置３に対する位置を厳密に調整しなくても、測定対象物Ｗの絶対形状を測定できるので、設置時の使用者の負担が大きくなることはない。

また、パターン光を生成するための手段として照明装置３に液晶パネルを用いているので、ＤＭＤを用いた場合のような反射光学系が不要になるとともに、パターンを有するマスクを移動させる場合のような駆動系も不要になり、よって、照明装置３の構成が簡易になるとともに、照明装置３が小型になる。特に反射光学系の場合は、レンズを含んだ光学系が高額で厳しい精度が要求されるとともに、レンズの歪みの発生によってパターンも歪んで精度が劣化するおそれがあるが、この実施形態では、このようなことを回避できるという効果を奏することができる。

また、第１ＬＥＤ３１ｂ及び第２ＬＥＤ３２ｂを照明ハウジング３０の開口部３０ａの周方向に互いに離して設け、第１ＬＥＤ３１ｂ及び第２ＬＥＤ３２ｂから出射された拡散光がそれぞれ入射される第１ＬＣＤ３１ｄ及び第２ＬＣＤ３２ｄを、照明ハウジング３０の開口部３０ａの中心軸Ａと直交する同一平面内に設けたので、各ＬＣＤ３１ｄ、３２ｄが持つ角度特性に起因するパターン光の位置に応じた輝度ムラの発生を抑えながら、測定対象物Ｗに対して複数の方向からパターン光を投影可能な照明装置３を小型化することができ、照明装置３の設置自由度を高めることができる。

また、第１ＬＥＤ３１ｂから出射された拡散光が第１ＬＣＤ３１ｄの有効角度範囲内で当該第１ＬＣＤ３１ｄに入射するように、第１ＬＣＤ３１ｄと第１ＬＥＤ３１ｂとの相対位置を設定しているので、第１ＬＣＤ３１ｄが持つ角度特性に起因するパターン光の位置に応じた輝度ムラの発生を抑えながら、照明装置３の小型化を図ることができる。

また、第１ＬＥＤ３１ｂの光出射面の寸法がパターン光の波の半周期の寸法以下である場合に、複数の第１ＬＥＤ３１ｂをパターン光の照度が変化する方向に互いにずれるように配置したので、見かけ上の光出射面の寸法を、パターン光の波の半周期の寸法よりも長くすることができる。これにより、波状のパターン光を狙い通りに生成することができ、高さ画像中に高周波のうねりが発生しないようにすることができる。

また、第１投光部３１に調整機構を設けたこと、及び使用セグメントの変更を可能にしたことで、第１ＬＥＤ３１ｂの位置ずれを補正することができる。これにより、第１ＬＥＤ３１ｂ及び第２ＬＥＤ３２ｂの照射角度情報と、両ＬＥＤ３１ｂ、３２ｂの相対位置とにより測定対象物Ｗの高さを測定する場合に正確な測定結果を得ることができる。

また、測定用パターン光を受光して得られたパターン画像に基づいてキャリブレーションターゲットを生成することができるので、キャリブレーションボードを使用することなく、ワールド座標と撮像装置３の座標との対応付けを行うことができる。

上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

例えば、上述した各処理及び機能をコンピュータに実現させることが可能に構成されたプログラムを提供して使用者のコンピュータにて上述した各処理及び機能を実現させることができる。

また、上記プログラムの提供形態は特に限定されるものではないが、例えばインターネット等のネットワーク回線を利用して提供する方法、上記プログラムが格納された記録媒体を提供する方法等がある。いずれの提供方法であっても、使用者のコンピュータにプログラムをインストールすることで上述した各処理及び機能を実現させることができる。

また、上述した各処理及び機能を実現する装置としては、上記プログラムがソフトウェアやファームウェア等の形態で実行可能な状態に実装された汎用もしくは専用の機器を含む。また、上述した各処理及び機能の一部を所定のゲートアレイ（ＦＰＧＡ、ＡＳＣＩ）等のハードウェア、またはプログラムソフトウェアとハードウェアの一部の要素を実現する部分的ハードウェアモジュールとが混在する形式で実現してもよい。

また、ステップ（工程）の組み合わせで上述した各処理及び機能を実現することもでき、この場合は、使用者が画像処理方法を実行することになる。

また、上記実施形態ではパターン光生成部が液晶パネルである場合について説明したが、これに限らず、例えば、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いたものや、物理的にパターンが形成されたマスクを移動させるものであってもよい。また、光源は発光ダイオードに限られるものではない。

以上説明したように、本発明に係る画像処理装置は、例えば、測定対象物の高さを測定する場合や測定対象物を検査する場合に使用することができる。

１ 画像処理装置
２ 撮像装置
３ 照明装置
２２ 撮像素子
２６ 位相計算部
３０ 照明ハウジング
３１ 第１投光部
３１ｂ 第１ＬＥＤ（第１光源）
３１ｄ 第１ＬＣＤ（第１パターン光生成部）
３１ｅ 第１ＬＥＤ駆動回路（光源駆動回路）
３１ｆ 第１ＬＣＤ駆動回路（液晶パネル駆動回路）
３２ 第２投光部
３２ｂ 第２ＬＥＤ（第２光源）
３２ｄ 第２ＬＣＤ（第２パターン光生成部）
３２ｅ 第２ＬＥＤ駆動回路（光源駆動回路）
３２ｆ 第２ＬＣＤ駆動回路（液晶パネル駆動回路）
３３ 第３投光部
３３ｂ 第３ＬＥＤ（第３光源）
３３ｄ 第３ＬＣＤ（第３パターン光生成部）
３３ｅ 第３ＬＥＤ駆動回路（光源駆動回路）
３３ｆ 第３ＬＣＤ駆動回路（液晶パネル駆動回路）
３４ 第４投光部
３４ｂ 第４ＬＥＤ（第４光源）
３４ｄ 第４ＬＣＤ（第４パターン光生成部）
３４ｅ 第４ＬＥＤ駆動回路（光源駆動回路）
３４ｆ 第４ＬＣＤ駆動回路（液晶パネル駆動回路）
３５ 投光制御部
４１ａ 照明モード切替部
４２ 高さ測定部（検査対象画像生成部）
４３ 画像合成部
４５ 検査部
４８ａ キャリブレーションターゲット生成部
４８ｂ キャリブレーション実行部
４９ａ 誤差推定部
４９ｂ 使用セグメント決定部
Ａ 開口部

Claims (10)

1. 測定対象物の高さを測定する画像処理装置において、
   中心に開口部が形成された照明ハウジングと、前記照明ハウジング内において上部に設けられ、拡散光を出射する光源と、前記光源から下方に離れた状態で前記照明ハウジングに設けられ、前記光源から出射された光が入射される液晶パネルと、前記測定対象物に対して前記液晶パネルから互いに異なるパターン光が複数回投影されるように前記光源及び前記液晶パネルを制御する投光制御部とを有する照明装置と、
   前記照明ハウジングの前記開口部を介して、前記液晶パネルから投影された複数のパターン光の測定対象物からの反射光を受光してパターン画像セットを生成する撮像装置と、
   前記撮像装置が生成した前記パターン画像セットに基づいて、前記照明装置の中心軸方向における測定対象物の高さ情報を含む検査対象画像を生成する検査対象画像生成部と、
   前記検査対象画像生成部が生成した前記検査対象画像に基づいて検査処理を実行する検査部とを備え、
   前記光源は、前記液晶パネルにおける前記照明ハウジングの径方向外方に位置する外端部側の上方に配置され、前記光源から出射された光が前記液晶パネルに当該液晶パネルの有効角度範囲内で入射されるように、前記液晶パネルと前記光源との相対位置が設定されており、
   前記照明ハウジングは、平面視において前記光源及び前記液晶パネルを囲むように環状に配置される複数の観察用発光ダイオードと、当該複数の観察用発光ダイオードを覆うように形成され、当該複数の観察用発光ダイオードから出射された観察用の光を拡散させるカバー部材とを有し、
   前記撮像装置は、前記カバー部材により拡散された光の測定対象物からの反射光を受光して輝度画像を生成し、
   前記検査部は、前記検査対象画像および前記輝度画像に基づいて検査処理を実行可能に構成されていることを特徴とする画像処理装置。
2. 請求項１に記載の画像処理装置において、
   前記液晶パネルの有効角度範囲は、前記パターン光のコントラストを所定以上確保可能な角度範囲であることを特徴とする画像処理装置。
3. 請求項１または２に記載の画像処理装置において、
   前記液晶パネルの有効角度範囲は、光を最も通しやすい液晶分子配列状態にある前記液晶パネルを前記光源から出射された光が通過する際に、当該光が減衰する減衰率が１０％以下となる角度範囲であることを特徴とする画像処理装置。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の画像処理装置において、
   前記液晶パネルの駆動方式がＴＮ方式であることを特徴とする画像処理装置。
5. 請求項４に記載の画像処理装置において、
   前記液晶パネルと前記光源との相対位置は、当該光源から前記液晶パネルの表示面に向けて引いた当該表示面の法線と、当該光源から前記液晶パネルの前記有効角度範囲における前記外端部側の境界に向けて引いた外側仮想線とのなす角度が１０°以下となるように設定されていることを特徴とする画像処理装置。
6. 請求項４または５に記載の画像処理装置において、
   前記液晶パネルと前記光源との相対位置は、当該光源から前記液晶パネルの表示面に向けて引いた当該表示面の法線と、当該光源から前記液晶パネルの前記有効角度範囲における前記照明ハウジングの径方向内方に位置する内端部側の境界に向けて引いた内側仮想線とのなす角度が５０°以下となるように設定されていることを特徴とする画像処理装置。
7. 請求項１から６のいずれか１つに記載の画像処理装置において、
   前記光源と前記液晶パネルの表面との距離と、前記液晶パネルの有効角度範囲の幅とが略一致していることを特徴とする画像処理装置。
8. 請求項１から７のいずれか１つに記載の画像処理装置において、
   前記光源は、前記照明ハウジング内において前記開口部の周方向に互い離れて設けられた第１光源及び第２光源を含み、
   前記液晶パネルは、前記第１光源から出射された光が有効角度範囲内で入射されるように、前記第１光源に対応するように配置された第１液晶パネルと、前記第２光源から出射された光が有効角度範囲内で入射されるように、前記第２光源に対応するように配置された第２液晶パネルとを含み、
   前記投光制御部は、前記測定対象物に対して前記液晶パネルから互いに異なるパターン光が複数回投影されるように前記第１光源、前記第２光源、前記第１液晶パネル及び前記第２液晶パネルを制御するように構成されていることを特徴とする画像処理装置。
9. 請求項８に記載の画像処理装置において、
   前記第１液晶パネルの表示面及び前記第２液晶パネルの表示面は、前記照明ハウジングの前記開口部の前記中心軸と直交する同一平面上に位置するように設けられていることを特徴とする画像処理装置。
10. 請求項１から９のいずれか１つに記載の画像処理装置において、
    前記カバー部材は、前記照明ハウジングの内部において前記液晶パネルの表示面よりも前記開口部の径方向外側に設けられるとともに、前記液晶パネルの表示面よりも測定対象物に接近する方向へ突出するように設けられていることを特徴とする画像処理装置。

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