JP7280774B2 - 三次元形状測定装置、三次元形状測定方法、三次元形状測定プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体並びに記録した機器 - Google Patents

Description

本発明は、三次元の測定対象物に対して高さ情報を含む所定の検査を行うための三次元形状測定装置、三次元形状測定方法、三次元形状測定プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体並びに記録した機器に関する。

三角測距方式の三次元形状測定装置が知られている（例えば特許文献１）。この三次元形状測定装置では、測定対象物を載置する載置部と、測定対象物に向けて測定光を投光したり、測定対象物からの反射光を受光したりするヘッド部とが固定的に連結されている。これにより、耐振性等外部環境の変化に対するロバスト性を高め、測定対象物の立体形状を安定的に測定可能となっている。また、この三次元形状測定装置には、測定対象物の立体形状を複数方向から測定するために、測定対象物を回転させる回転ステージが設けられている。

特開２０１８－４２７８号公報

このような三次元形状測定装置では、測定対象物を載置する回転ステージの大きさが制限されるところ、回転ステージに収まらないような長尺の測定対象物についても立体形状を測定したいことがある。このような場合に対応するため、回転する回転ステージに加えて、ＸＹ平面内を平行移動する並進ステージを搭載することが考えられる。この場合において、立体形状の測定精度は、測定光を投光するデバイス、例えばＤＭＤ等の物理分解能に支配される。そのため、この物理分解能以下まで測定精度を高めることは容易でなかった。

本発明の目的の一は、測定光を投光するデバイスの物理分解能以下まで測定精度を高めることを可能とした三次元形状測定装置、三次元形状測定方法、三次元形状測定プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体並びに記録した機器を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る三次元形状測定装置によれば、測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置であって、測定対象物を載置させる載置面を有し、該載置面を平行移動させるための並進ステージを有する載置部と、独立して制御可能な複数の投影素子が二次元状に配置され、周期的な明暗の位相を有する所定の投影パターンを有する測定光を、前記載置部に載置された測定対象物に照射する投光部と、前記投光部により照射され、測定対象物にて反射された測定光を受光して投影パターン画像を生成する受光部と、前記受光部により生成された複数の投影パターン画像に基づいて、測定対象物の立体形状を表す第１の点群データを生成する点群データ生成部と、前記投光部の各投影素子を制御することで前記載置部上に投影可能な最小の投影パターンの幅以下の移動ピッチで、前記並進ステージを平行移動させる移動制御部とを備え、前記点群データ生成部は、前記移動制御部により前記並進ステージを前記移動ピッチで平行移動させ、前記受光部により生成された複数の投影パターン画像と、前記第１の点群データの各座標を用いて当該移動ピッチを当該投影パターン画像における移動量として換算した位相シフト量とに基づいて、測定対象物の立体形状を表す第２の点群データを生成することができる。上記構成により、測定対象物の三次元形状測定に際して、投影パターンを投影する投光部で表現可能な投影パターンの物理的な分解能以下まで測定精度を向上させることが可能となる。

また、本発明の第２の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記構成に加えて、前記投光部が、測定光源と、各々が前記測定光源から出射された光を透過又は反射する前記投影素子を二次元状に配列し、各投影素子の透過又は反射を制御することにより前記投影パターンを生成するパターン生成部を備えることができる。上記構成により、パターン生成部を構成する撮像素子で投影可能な物理的な分解能以下まで測定精度を向上させることが可能となる。

さらに、本発明の第３の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記パターン生成部を、ＤＭＤで構成できる。

さらにまた、本発明の第４の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記移動制御部は、前記並進ステージを、前記受光部に対し前記投光部が測定光を投光する方向と平行な方向に、前記移動ピッチで平行移動させるよう構成できる。上記構成により、投影パターンを、投影素子の分解能以上に微小移動させたのと同様の精度向上を図ることができ、投影素子をハードウェア的に高精度化することなく、測定精度の向上が図られる。

さらにまた、本発明の第５の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記投光部は、前記投影パターンを複数の線を平行に並べた縞投影パターンとしており、前記移動制御部は、前記載置部上に投影される縞投影パターンを構成する線と交差する方向に、前記並進ステージを前記移動ピッチで平行移動させるよう構成できる。上記構成により、縞投影パターンを、投影素子の分解能以上に、縞方向に微小移動させたのと同様の精度向上を図ることができ、投影素子をハードウェア的に高精度化することなく、測定精度の向上が図られる。

さらにまた、本発明の第６の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記並進ステージが第一位置にある状態で、前記投光部でもって、位相を異ならせた複数の投影パターンを照射して、それぞれ得られた投影パターン画像の集合である第一パターンセット、及び前記並進ステージが前記第一位置から前記移動ピッチ分移動された第二位置にある状態で、前記投光部でもって、位相を異ならせた複数の投影パターンを照射して、それぞれ得られた投影パターン画像の集合である第二パターンセットに基づいて、前記点群データ生成部が、位相シフト法に従い各投影パターン画像に含まれる明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定するよう構成できる。上記構成により、位相を異ならせつつ、位相を変化させるピッチを、並進ステージを利用して見かけ上、投影素子で物理的に表現できるよりも細かな微小ピッチにてピーク位置を演算できるので、投影素子の分解能を超えた高精度な三次元形状測定が可能となる。

さらにまた、本発明の第７の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記点群データ生成部が、前記第一パターンセットと、第二パターンセットを構成する各投影パターン画像を、位相のシフト量の順に並び変え、該並び変えられた各投影パターン画像に基づき、位相シフト法に従い各投影パターン画像に含まれる明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定するよう構成できる。上記構成により、ソートされた投影パターン画像から、ピーク位置の推定が容易となり、投影素子の分解能を超える正確な形状測定が可能となる。

さらにまた、本発明の第８の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記点群データ生成部は、前記複数の投影パターン画像の内、任意の位置の投影パターン画像を生成した前記並進ステージの位置を基準として、他の投影パターン画像を、前記並進ステージの位置で生成したと推定した場合の画素値に変換した状態で、前記点群データを生成するよう構成できる。上記構成により、測定対象物の三次元形状測定に際して、投影パターン画像の任意の一において、他の投影パターン画像をサンプリング位置に応じて画素値として付加することにより、より高精細な三次元計測が可能となる。

さらにまた、本発明の第９の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記点群データ生成部は、前記複数の投影パターン画像を、該複数の投影パターン画像を生成した前記並進ステージの位置に応じて重ね合わせるようにして、前記点群データを生成するよう構成できる。上記構成により、測定対象物の三次元形状測定に際して、投影パターン画像の生成位置に応じてずらすようにして重ね合わせることで、多重化された高精細な画像に基づく三次元形状測定が可能となる。

さらにまた、本発明の第１０の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、前記受光部を構成する一画素を、前記投影素子の一画素よりも小さくすることができる。

さらにまた、本発明の第１１の側面に係る三次元形状測定装置によれば、上記何れかの構成に加えて、さらに、前記移動制御部により前記並進ステージを微小平行移動させるか否かを選択するステージシフト選択部を備え、前記移動制御部は、前記ステージシフト選択部による選択結果に基づいて、前記並進ステージを微小平行移動させるよう構成できる。

さらにまた、本発明の第１２の側面に係る三次元形状測定方法によれば、測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定方法であって、測定対象物を載置させる載置面を有し、該載置面を平行移動させるための並進ステージを有する載置部に、測定対象物を載置した状態で、初期位置に位置された前記並進ステージ上の測定対象物に対し、独立して制御可能な複数の投影素子が二次元状に配置された投光部で、周期的な明暗の位相を有する所定の投影パターンを有する測定光を生成して照射し、測定対象物で反射された測定光を受光部で受光して、投影パターン画像を生成する工程と、前記投光部の各投影素子を制御することで前記載置部上に投影可能な最小の投影パターンの幅以下の移動ピッチで、前記並進ステージを移動制御部で平行移動させ、移動後の位置において、前記投光部から測定光を測定対象物に照射し、測定対象物で反射された測定光を受光部で受光して、投影パターン画像を生成する工程を、所定回数繰り返して、前記移動ピッチで移動された各位置毎に投影パターン画像を取得する工程と、点群データ生成部で、前記受光部により生成された複数の投影パターン画像に基づいて、測定対象物の立体形状を表す第１の点群データを生成し、前記移動制御部により前記並進ステージを前記移動ピッチで平行移動させ、前記受光部により生成された複数の投影パターン画像と、前記第１の点群データの各座標を用いて当該移動ピッチを当該投影パターン画像における移動量として換算した位相シフト量とに基づいて、測定対象物の立体形状を表す第２の点群データをそれぞれ生成し、測定対象物の各位置における立体形状を表す点群データを合成し、測定対象物の立体形状を連続的に表す外形情報を取得する工程とを含むことができる。これにより、投光部で表現可能な投影パターンの物理的な分解能以下まで測定精度を向上させた測定対象物の外形情報を取得することが可能となる。

さらにまた、本発明の第１３の側面に係る三次元形状測定方法によれば、上記に加えて、前記初期位置において投影パターン画像を生成する工程が、前記投光部でもって、位相を異ならせた複数の投影パターンを照射して、それぞれの投影パターンで得られた投影パターン画像の集合である第一パターンセットを生成する工程を含み、前記移動後の位置において投影パターン画像を生成する工程が、前記投光部でもって、位相を異ならせた複数の投影パターンを照射して、それぞれ得られた投影パターン画像の集合である第二パターンセットを生成する工程を含み、前記外形情報を取得する工程が、前記第一パターンセット及び第二パターンセットに基づいて、位相シフト法に従い各投影パターン画像に含まれる明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定する工程を含むことができる。これにより、位相を異ならせつつ、位相を変化させるピッチを、並進ステージを利用して見かけ上、投影素子で物理的に表現できるよりも細かな微小ピッチにてピーク位置を演算できるので、投影素子の分解能を超えた高精度な三次元形状測定が可能となる。

さらにまた、本発明の第１４の側面に係る三次元形状測定方法によれば、上記何れかに加えて、前記外形情報を取得する工程が、前記第一パターンセットと、第二パターンセットを構成する各投影パターン画像を、位相のシフト量の順に並び変え、該並び変えられた各投影パターン画像に基づき、位相シフト法に従い各投影パターン画像に含まれる明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定する工程を含むことができる。

さらにまた、本発明の第１５の側面に係る三次元形状測定プログラムによれば、測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定プログラムであって、測定対象物を載置させる載置面を有し、該載置面を平行移動させるための並進ステージを有する載置部に、測定対象物を載置した状態で、初期位置に位置された前記並進ステージ上の測定対象物に対し、独立して制御可能な複数の投影素子が二次元状に配置された投光部で、周期的な明暗の位相を有する所定の投影パターンを有する測定光を生成して照射し、測定対象物で反射された測定光を受光部で受光して、投影パターン画像を生成する機能と、前記投光部の各投影素子を制御することで前記載置部上に投影可能な最小の投影パターンの幅以下の移動ピッチで、前記並進ステージを移動制御部で平行移動させ、移動後の位置において、前記投光部から測定光を測定対象物に照射し、測定対象物で反射された測定光を受光部で受光して、投影パターン画像を生成する工程を、所定回数繰り返して、前記移動ピッチで移動された各位置毎に投影パターン画像を取得する機能と、点群データ生成部で、前記受光部により生成された複数の投影パターン画像に基づいて、測定対象物の立体形状を表す第１の点群データを生成し、前記移動制御部により前記並進ステージを前記移動ピッチで平行移動させ、前記受光部により生成された複数の投影パターン画像と、前記第１の点群データの各座標を用いて当該移動ピッチを当該投影パターン画像における移動量として換算した位相シフト量とに基づいて、測定対象物の立体形状を表す第２の点群データをそれぞれ生成し、測定対象物の各位置における立体形状を表す点群データを合成し、測定対象物の立体形状を連続的に表す外形情報を取得する機能とをコンピュータに実現させることができる。上記構成により、投光部で表現可能な投影パターンの物理的な分解能以下まで測定精度を向上させた測定対象物の外形情報を取得することが可能となる。

また第１６のコンピュータで読み取り可能な記録媒体又は記録した機器は、上記プログラムを格納するものである。記録媒体には、ＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－ＲＷやフレキシブルディスク、磁気テープ、ＭＯ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＡＭ、ＤＶＤ－Ｒ、ＤＶＤ＋Ｒ、ＤＶＤ－ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ、Ｂｌｕ－ｒａｙ（登録商標）、ＨＤ ＤＶＤ（ＡＯＤ）等の磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリその他のプログラムを格納可能な媒体が含まれる。またプログラムには、上記記録媒体に格納されて配布されるものの他、インターネット等のネットワーク回線を通じてダウンロードによって配布される形態のものも含まれる。さらに記録媒体にはプログラムを記録可能な機器、例えば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機器を含む。さらにまたプログラムに含まれる各処理や機能は、コンピュータで実行可能なプログラムソフトウエアにより実行してもよいし、各部の処理を所定のゲートアレイ（ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、ＤＳＰ）やマイコン等のハードウエア、又はプログラムソフトウエアとハードウエアの一部の要素を実現する部分的ハードウエアモジュールとが混在する形式で実現してもよい。

本発明の実施の形態１に係る画像検査装置を示すブロック図である。 図１の測定部の構成を示すブロック図である。 図１のコントローラのＣＰＵの構成を示すブロック図である。 三次元形状測定システムを示すブロック図である。 図４に示す三次元形状測定装置本体の分解斜視図である。 図４に示す三次元形状測定装置本体の側面図である。 倍率の異なる複数の受光部を備える三次元形状測定装置の側面図である。 載置面の駆動方向を示す平面図である。 載置面の駆動方向を示す平面図である。 実施形態２に係る三次元形状測定装置を示すブロック図である。 三角測距方式の原理を説明するための図である。 図１２Ａ～図１２Ｂは測定光の第１のパターンを説明するための図である。 図１３Ａ～図１３Ｄは測定光の第２のパターンを説明するための図である。 図１４Ａ～図１４Ｃは測定光の第３のパターンを説明するための図である。 測定対象物の特定の部分における画像が撮影されたタイミング（番数）と受光された光の強度との関係を示す図である。 図１６Ａ～図１６Ｄは測定光の第４のパターンを説明するための図である。 比較例に係る三次元形状測定装置を示すブロック図である。 空間コード法と正弦波位相シフト法を組み合わせて測定を行う手順を示すフローチャートである。 投影素子で生成された正弦波位相シフト用縞パターンの例を示す模式図である。 図２０Ａは図１９の縞パターンを、図２０Ｂ～図２０Ｄは投影素子１画素分ずつずらした縞パターンをそれぞれ示す模式図である。 投影された矩形波パターンを撮影した画像の例を示すイメージ図である。 図２２Ａ～図２２Ｄは、図２０Ａ～図２０Ｄのパターンセット０を基準にしたときにパターンセット１が相当する投影パターン画像を示す模式図である。 図２３Ａ～図２３Ｄは、図２０Ａ～図２０Ｄのパターンセット０を基準にしたときにパターンセット２が相当する投影パターン画像を示す模式図である。 図２４Ａ～図２４Ｄは、図２０Ａ～図２０Ｄのパターンセット０を基準にしたときにパターンセット３が相当する投影パターン画像を示す模式図である。 図２５Ａ～図２５Ｐは、１６枚のパターンセット０－１～３－４を相当する位相シフト量順に並べ変えて、π／８程度ずつシフトさせた縞パターンを示す模式図である。 パターンセット０で得たデータの、位相シフト量に対するサンプリング光量を示すグラフである。 パターンセット０とパターンセット１で得たデータの、位相シフト量に対するサンプリング光量を示すグラフである。 パターンセット０～３で得たデータの、位相シフト量に対するサンプリング光量を示すグラフである。 ステージシフト測定によって位相シフト間隔を細分化して高精度点群を算出する手順を示すフローチャートである。 図３０Ａは縞パターンを測定対象物に投影した状態の斜視図、図３０Ｂは図３０Ａの状態から縞パターンを不変のまま、Ｘ軸方向にステージシフトさせた状態を示す斜視図である。 図３１Ａは並進ステージが基準位置にあるときの測定対象物上の参照点、図３１Ｂ～図３１Ｄは並進ステージを微小移動させたときに参照点を観察する様子を示す模式平面図である。 図３２Ａは縞パターンを測定対象物に投影した状態の斜視図、図３２Ｂは図３２Ａの状態から縞パターンを不変のまま、Ｙ軸方向にステージシフトさせた状態を示す斜視図である。 ステージシフト測定によりカメラ画素密度を向上させる手順を示すフローチャートである。 ステージシフト設定画面を示すイメージ図である。 ステージシフト機能の実施を選択する手順を示すフローチャートである。 実施形態３に係る三次元形状測定装置を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための三次元形状測定装置を例示するものであって、本発明は三次元形状測定装置を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

本明細書において、「テクスチャ画像」とは、光学画像に代表される、テクスチャ情報を有する観察画像である。一方、「高さ画像」とは、距離画像等とも呼ばれるものであり、高さ情報を含む画像の意味で使用する。例えば、高さ情報を輝度や色度等に変換して二次元画像として表示した画像や、高さ情報をＺ座標情報として三次元状に表示した画像が挙げられる。またこのような高さ画像にテクスチャ画像をテクスチャ情報として貼り付けた三次元の合成画像も、高さ画像に含む。また、本明細書において高さ画像の表示形態は二次元状に表示されるものに限られず、三次元状に表示されるものも含む。例えば、高さ画像の有する高さ情報を輝度等に変換して二次元画像として表示したものや、高さ情報をＺ座標情報として三次元状に表示したものを含む。

さらに本明細書において測定対象物をステージ上に置く「姿勢」とは、測定対象物の回転角度を意味する。なお、測定対象物が円錐のような平面視において点対称の形状の場合は、回転角度に依らず同じ結果が得られるため、姿勢は規定する必要がない。

以下の実施例では、測定対象物の高さ情報を取得するため、所定のパターンの測定光を測定対象物に対して照射して、測定対象物の表面で反射された反射光から得られる信号を用いて、高さ情報を取得している。例えば、所定のパターンの測定光として、構造化照明を用いて、測定対象物に投影し、その反射光から得られる投影パターン画像を用いた三角測距を用いた計測方法を用いることができる。ただ、本発明は測定対象物の高さ情報を取得するための原理や構成を、これに限らず、他の方法も適用することができる。
（実施形態１）

三次元形状測定装置は、測定対象画像の三次元の高さ計測を行うことができる。また、三次元計測に加えて、二次元の寸法計測も行うことができる。図１に、本発明の実施例１に係る三次元形状測定装置のブロック図を示す。この図に示す三次元形状測定装置５００は、測定部１００、台座部６００と、コントローラ２００、光源部３００及び表示部４００を備える。この三次元形状測定装置５００は、光源部３００で構造化照明を行い、投影パターン画像を撮像して高さ情報を有する高さ画像を生成し、これに基づいて測定対象物ＷＫの三次元寸法や形状を計測することができる。このような縞投影を用いた測定は、測定対象物ＷＫやレンズ等の光学系をＺ方向に移動させることなく高さ測定ができるため、測定時間を短くできるという利点がある。

測定部１００は、投光部１１０と、受光部１２０と、測定制御部１５０と、照明光出力部１３０を備える。投光部１１０は、載置部１４０に載置された測定対象物ＷＫに所定のパターンを有する測定光を照射する。受光部１２０は、載置面１４２に対して傾斜姿勢で固定されている。この受光部１２０は、投光部１１０により照射され、測定対象物ＷＫにて反射された測定光を受光して、受光量を表す受光信号を出力する。受光部１２０は、載置部１４０に載置された測定対象物ＷＫを撮像することにより測定対象物ＷＫの全体形状を観察するための観察画像を生成することができる。

台座部６００は、載置部１４０と移動制御部１４４を備える。この台座部６００は、ベースプレート６０２上に載置部１４０を支持している。移動制御部１４４は、載置部１４０を移動させる部材である。移動制御部１４４は、台座部６００側に設ける他、コントローラ側に配置してもよい。

光源部３００は、測定部１００と接続される。光源部３００は、測定光を生成して測定部１００に供給する。コントローラ２００は、測定部１００の撮像を制御する。表示部４００は、コントローラ２００と接続され、生成された画像を表示させ、また必要な設定を行うＨＭＩとなる。
（載置部１４０）

図１に示す台座部６００は、載置部１４０と、移動制御部１４４を備える。載置部１４０は、測定対象物ＷＫが載置される載置面１４２を有する。この載置部１４０は、載置面１４２を回転させる回転ステージ１４３と、載置面１４２を平行移動させる並進ステージ１４１を含む。
（移動制御部１４４）

移動制御部１４４は、測定領域設定部２６４により設定された測定領域に基づいて、回転ステージ１４３の回転移動及び並進ステージ１４１の平行移動を制御する。また移動制御部１４４は、後述する測定領域設定部２６４により設定された測定領域に基づいて、載置移動部による載置部１４０の移動動作を制御する。

コントローラ２００は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）２１０、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２０、作業用メモリ２３０、記憶装置２４０及び操作部２５０を含む。コントローラ２００には、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等が利用できる。またＣＰＵ２１０は、点群データを生成する点群データ生成部２６０等の機能を実現する（詳細は後述）。
（測定部１００のブロック図）

図１の三次元形状測定装置５００の測定部１００の構成を図２のブロック図に示す。測定部１００は、例えば顕微鏡であり、投光部１１０、受光部１２０、照明光出力部１３０、測定制御部１５０、及びこれらを収納する本体ケース１０１、並びに載置部１４０を備える。投光部１１０は、測定光源１１１、パターン生成部１１２及び複数のレンズ１１３、１１４、１１５を含む。受光部１２０は、カメラ１２１及び複数のレンズ１２２、１２３を含む。載置部１４０上には、測定対象物ＷＫが載置される。本体ケース１０１は、樹脂や金属製の筐体とする。なお図２では、三次元形状測定装置５００を正面から見た状態を示しており、投光部１１０は図１に示すよう紙面に対して奥行き方向に傾斜して固定されている。
（投光部１１０）

投光部１１０は、載置部１４０の斜め上方に配置される。この測定部１００は、載置部１４０に載置された測定対象物ＷＫに測定光を照射する。測定光は、所定の投影パターンを有する。測定部１００は、二次元状に配置された複数の投影素子を有しており、各投影素子は独立して制御可能としている。この投影素子でもって、周期的な明暗の位相を有する所定の投影パターンを生成する。各投影素子は、明暗や濃淡を表現できる。また投光部１１０は、測定光源１１１と、パターン生成部１１２で構成してもよい。パターン生成部１１２は、多数の投影素子を二次元状に配列している。このパターン生成部１１２は、例えば各投影素子の明暗を二値で、すなわち測定光源１１１からの測定光の透過又は反射のいずれかで表現することで、様々な投影パターンを生成できる。この場合、投影素子は、各々が測定光源１１１から出射された測定光を透過又は反射するよう独立して制御される。

投光部１１０は、複数の投光部１１０を含んでもよい。図２の例においては、測定部１００は２つの投光部１１０を含む。ここでは、第一の方向から測定対象物ＷＫに対して第一測定光ＭＬ１を照射可能な第一測定光投光部１１０Ａ（図２において右側）と、第一の方向とは異なる第二の方向から測定対象物ＷＫに対して第二測定光ＭＬ２を照射可能な第二測定光投光部１１０Ｂ（図２において左側）を、それぞれ配置している。第一測定光投光部１１０Ａ、第二測定光投光部１１０Ｂは受光部１２０の光軸を挟んで対称に配置される。なお投光部を３以上備えたり、あるいは投光部とステージを相対移動させて、共通の投光部を用いつつも、照明の方向を異ならせて投光させることも可能である。また以上の例では投光部１１０を複数用意し、共通の受光部１２０で受光する構成としているが、逆に共通の投光部に対して、複数の受光部を用意して受光するように構成してもよい。さらにこの例では投光部が投光する照明光の、垂直方向に対する照射角度θ（図６等参照）を固定としているが、これを可変とすることもできる。
（測定光源１１１）

各第一測定光投光部１１０Ａ、第二測定光投光部１１０Ｂは、測定光源１１１としてそれぞれ第一測定光源、第二測定光源を備える。これら測定光源１１１は、例えば白色光を出射するハロゲンランプである。測定光源１１１は、単色光を発光する光源、例えば白色光を出射する白色ＬＥＤ（発光ダイオード）や有機ＥＬ等の他の光源であってもよい。測定光源１１１から出射された光（以下、「測定光」と呼ぶ。）は、レンズ１１３により適切に集光された後、パターン生成部１１２に入射される。
（パターン生成部１１２）

パターン生成部１１２は、測定光を測定対象物ＷＫに対して投光させるよう、測定光源１１１から出射された光を反射させる。パターン生成部１１２に入射した測定光は、予め設定されたパターン及び予め設定された強度（明るさ）に変換されて出射される。パターン生成部１１２により出射された測定光は、複数のレンズ１１４、１１５により受光部１２０の観察・測定可能な視野よりも大きい径を有する光に変換された後、載置部１４０上の測定対象物ＷＫに照射される。

パターン生成部１１２は、パターン生成部１１２を構成する多数の投影素子（投影画素）毎に、測定光を測定対象物ＷＫに投光させる投光状態と、測定光を測定対象物ＷＫに投光させない非投光状態とを切り替え可能な部材である。このようなパターン生成部１１２には、例えばＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）が好適に利用できる。ＤＭＤを用いたパターン生成部１１２は、投光状態として測定光を光路上に反射させる反射状態と、非投光状態として測定光を遮光させる遮光状態とを切り替え可能に、測定制御部１５０により制御できる。

ＤＭＤは多数のマイクロミラー（微小鏡面）ＭＭを平面上に配列した素子である。各マイクロミラーは、パターン生成部１１２の投影画素を構成する投影素子となる。各マイクロミラーは、測定制御部１５０により個別にＯＮ状態、ＯＦＦ状態を切り替えることができるので、多数のマイクロミラーのＯＮ状態、ＯＦＦ状態を組み合わせて、所望の投影パターンを構成できる。これによって、三角測距に必要なパターンを生成して、測定対象物ＷＫの測定が可能となる。このようにＤＭＤは、測定時には測定用の周期的な投影パターンを測定対象物ＷＫに投光する投影パターン光学系として機能する。またＤＭＤは応答速度にも優れ、シャッター等に比べ高速に動作させることができる利点も得られる。

なお以上の例では、パターン生成部１１２にＤＭＤを用いた例を説明したが、本発明はパターン生成部１１２をＤＭＤに限定するものでなく、他の部材を用いることもできる。例えば、パターン生成部１１２として、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon：反射型液晶素子）を用いてもよい。あるいは反射型の部材に代えて透過型の部材を用いて、測定光の透過量を調整してもよい。この場合は、パターン生成部１１２を測定光の光路上に配置して、測定光を透過させる投光状態と、測定光を遮光させる遮光状態とを、パターン生成部１１２を構成する投影画素毎に切り替える。このようなパターン生成部１１２には、例えばＬＣＤ（液晶ディスプレイ）が利用できる。あるいは、複数ラインＬＥＤを用いた投影方法、複数光路を用いた投影方法、レーザとガルバノミラー等で構成される光スキャナ方式、ビームスプリッタで分割したビームを重ね合わせることによって発生された干渉縞を用いるＡＦＩ（Accordion fringe interferometry）方式、ピエゾステージと高分解能エンコーダ等で構成される実体格子と移動機構を用いた投影方法等でパターン生成部１１２を構成してもよい。

さらに図２等の例では、測定光投光部を２つ備えた例を説明したが、本発明はこれに限らず、測定光投光部を３以上設けることも可能である。あるいは、測定光投光部を一のみとすることもできる。この場合は、測定光投光部の位置を移動可能とすることで、異なる方向から測定光を測定対象物ＷＫに対して投光できる。
（受光部１２０）

受光部１２０は、載置部１４０の上方に配置される。測定対象物ＷＫにより載置部１４０の上方に反射された測定光は、受光部１２０の複数のレンズ１２２、１２３により集光、結像された後、カメラ１２１により受光される。
（カメラ１２１）

カメラ１２１は、例えば受光素子である撮像素子１２１ａ及びレンズを含むＣＣＤ（電荷結合素子）カメラである。撮像素子１２１ａは、例えばモノクロＣＣＤ（電荷結合素子）である。撮像素子１２１ａは、ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサ等の他の撮像素子であってもよい。カラーの撮像素子は各画素を赤色用、緑色用、青色用の受光に対応させる必要があるため、モノクロの撮像素子と比較すると計測分解能が低く、また各画素にカラーフィルタを設ける必要があるため感度が低下する。そのため、本実施の形態では、撮像素子としてモノクロのＣＣＤを採用し、後述する照明光出力部１３０をＲＧＢにそれぞれ対応した照明を時分割で照射して撮像することにより、カラー画像を取得している。このような構成にすることにより、計測精度を低下させずに測定物のカラー画像を取得することができる。

ただ、撮像素子１２１ａとして、カラーの撮像素子を用いても良いことは云うまでもない。この場合、計測精度や感度は低下するが、照明光出力部１３０からＲＧＢにそれぞれ対応した照明を時分割で照射する必要がなくなり、白色光を照射するだけで、カラー画像を取得できるため、照明光学系をシンプルに構成できる。撮像素子１２１ａの各画素からは、受光量に対応するアナログの電気信号（以下、「受光信号」と呼ぶ。）が測定制御部１５０に出力される。

このようにして撮像された測定対象物ＷＫの画像は、レンズの特性によって、測定対象物ＷＫに対して極めて正確な相似形を成している。またレンズの倍率を用いてキャリブレーションをすることで、画像上の寸法と実際の測定対象物ＷＫ上の寸法を正確に関連付けることができる。
（測定制御部１５０）

測定制御部１５０には、図示しないＡ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）及びＦＩＦＯ（First In First Out）メモリが実装される。カメラ１２１から出力される受光信号は、光源部３００による制御に基づいて、測定制御部１５０のＡ／Ｄ変換器により一定のサンプリング周期でサンプリングされると共にデジタル信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号は、ＦＩＦＯメモリに順次蓄積される。ＦＩＦＯメモリに蓄積されたデジタル信号は画素データとして順次コントローラ２００に転送される。
（コントローラ２００）

図１に示すように、コントローラ２００は、ＣＰＵ２１０、ＲＯＭ２２０、作業用メモリ２３０、記憶装置２４０及び操作部２５０を含む。この操作部２５０は、キーボードやポインティングデバイスを含むことができる。ポインティングデバイスとしては、マウス又はジョイスティック等が用いられる。

ＲＯＭ２２０には、システムプログラムが記憶される。作業用メモリ２３０は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）からなり、種々のデータの処理のために用いられる。記憶装置２４０は、ハードディスク等からなる。記憶装置２４０には、三次元形状測定装置を操作するための三次元形状測定プログラムが記憶される。また、記憶装置２４０は、測定制御部１５０から与えられる画素データ等の種々のデータを保存するために用いられる。さらに記憶装置は、測定画像を構成する画素毎に、輝度情報、高さ情報、属性情報を記憶する。
（ＣＰＵ２１０）

ＣＰＵ２１０は、与えられた信号やデータを処理して各種の演算を行い、演算結果を出力する制御回路や制御素子である。本明細書においてＣＰＵとは、演算を行う素子や回路を意味し、その名称によらず、汎用ＰＣ向けのＣＰＵやＭＰＵ、ＧＰＵ、ＴＰＵ等のプロセッサに限定するものでなく、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、ＬＳＩ等のプロセッサやマイコン、あるいはＳｏＣ等のチップセットを含む意味で使用する。

ＣＰＵ２１０は、測定制御部１５０から与えられる画素データに基づいて画像データを生成する。また、ＣＰＵ２１０は、生成した画像データに作業用メモリ２３０を用いて各種処理を行うと共に、画像データに基づく画像を表示部４００に表示させる。ＣＰＵ２１０のブロック図を図３に示す。このＣＰＵは、点群データ生成部２６０と、測定領域設定部２６４と、高さ画像取得部２２８と、点群データ合成部２１１等の機能を実現する。
（点群データ生成部２６０）

点群データ生成部２６０は、受光部１２０により出力される受光信号に基づいて、測定対象物ＷＫの立体形状を表す三次元位置情報を有する点の集合である点群データを生成する。
（測定領域設定部２６４）

測定領域設定部２６４は、表示部４００上に表示された観察画像上で測定領域を設定する。

高さ画像取得部２２８は、複数の投影パターン画像に基づいて高さ情報を有する高さ画像を取得する。また点群データ合成部２１１は、点群データ生成部２６０で生成された複数の点群データを合成する。ここで点群は、ポイントクラウド等とも呼ばれ、三次元空間の座標（例えばＸＹＺの直交座標）を有している。このため載置部の異なる位置でそれぞれ生成された測定対象物の点群データを、点群データ生成部２１１でもって共通の三次元空間の座標上で重ね合わせることで、より詳細で精密な測定対象物の表面形状を表現できる。
（画像検査部２１６）

画像検査部２１６は、測定部１００で撮像された測定対象物ＷＫの画像に対して、所定の画像検査を実行する。この画像検査部２１６は、測定対象画像に対して所定の計測を行うための計測部２１６ｂを含むことができる。これにより、計測部２１６ｂで計測された計測結果に基づいて画像検査を実行できる。例えば、測定対象物ＷＫの所定部位の長さや角度といった計測を行った結果に基づいて、良品や不良等の判定といった検査を行うことが可能となる。計測部２１６ｂが行う計測には、テクスチャ画像上で指定したプロファイル線を通り、画面に対して垂直な平面で切断した輪郭線を演算して、プロファイルグラフとして表示部４００に表示させたり、プロファイルグラフで示す輪郭線から円や直線等を抽出して、それらの半径や距離を求めることができる。

このようにＣＰＵ２１０は、様々な機能を実現するための異なる手段を兼用している。ただ、一の部材で複数の手段を兼用する構成に限られず、各部や機能を実現する部材を複数、又はそれぞれ別個に設けることも可能であることはいうまでもない。
（表示部４００）

表示部４００は、測定部１００で取得された投影パターン画像や、投影パターン画像に基づいて高さ画像取得部２２８で生成した高さ画像、あるいは測定部１００で撮像されたテクスチャ画像を表示させるための部材である。表示部４００は、例えばＬＣＤパネル又は有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルにより構成される。さらに表示部にタッチパネルを利用することで、操作部と兼用することができる。

また表示部４００は、受光部１２０により生成された観察画像を表示する。
（載置部１４０）

図２において、測定対象物ＷＫが載置される載置部１４０上の平面（「載置面」と呼ぶ。）内で互いに直交する２方向をＸ方向及びＹ方向と定義し、それぞれ矢印Ｘ、Ｙで示す。載置部１４０の載置面１４２に対して直交する方向をＺ方向と定義し、矢印Ｚで示す。Ｚ方向に平行な軸を中心に回転する方向をθ方向と定義し、矢印θで示す。

載置部１４０は、並進ステージ１４１及び回転ステージ１４３を含む。並進ステージ１４１は、Ｘ方向移動機構及びＹ方向移動機構を有する。回転ステージ１４３は、θ方向回転機構を有する。並進ステージ１４１、回転ステージ１４３により、載置部１４０が構成される。また、載置部１４０は、載置面１４２に測定対象物ＷＫを固定する固定部材（クランプ）を含めてもよい。さらに載置部１４０は、載置面１４２に平行な軸を中心に回転可能な機構を有するチルトステージを含んでもよい。

ここで図２に示すように、左右の投光部１１０の中心軸と受光部１２０の中心軸は、載置部１４０上の測定対象物ＷＫの配置と投光部１１０、受光部１２０の被写界深度が適切となる位置において交差するように、受光部１２０、投光部１１０、載置部１４０の相対的な位置関係が定められている。また、θ方向の回転軸の中心は、受光部１２０の中心軸と一致しているため、θ方向に載置部１４０が回転した際に、測定対象物ＷＫが視野から外れることなく、回転軸を中心に視野内で回転するようになっている。なお、本図において測定部１００は紙面におけるＸ方向を中心に回転した配置を有しており、受光部１２０の光軸と載置部１４０の天面法線（Ｚ方向）とは必ずしも一致する必要はない。
（光源部３００）

光源部３００は、制御基板３１０及び観察用照明光源３２０を含む。制御基板３１０には、図示しないＣＰＵが実装される。制御基板３１０のＣＰＵは、コントローラ２００のＣＰＵ２１０からの指令に基づいて、投光部１１０、受光部１２０及び測定制御部１５０を制御する。なお、この構成は一例であり、他の構成としてもよい。例えば測定制御部１５０で投光部１１０や受光部１２０を制御したり、又はコントローラ２００で投光部１１０や受光部１２０を制御することとして、制御基板を省略してもよい。あるいはこの光源部３００に、測定部１００を駆動するための電源回路を設けることもできる。
（観察用照明光源３２０）

観察用照明光源３２０は、例えば赤色光、緑色光及び青色光を出射する３色のＬＥＤを含む。各ＬＥＤから出射される光の輝度を制御することにより、観察用照明光源３２０から任意の色の光を発生することができる。観察用照明光源３２０から発生される照明光ＩＬは、導光部材（ライトガイド）を通して測定部１００の照明光出力部１３０から出力される。なお観察用照明光源には、ＬＥＤの他、半導体レーザ（ＬＤ）やハロゲンライト、ＨＩＤ等、他の光源を適宜利用することもできる。特に撮像素子としてカラーで撮像可能な素子を用いた場合は、観察用照明光源に白色光源を利用できる。

照明光出力部１３０から出力される照明光ＩＬは、赤色光、緑色光及び青色光を時分割で切り替えて測定対象物ＷＫに照射する。これにより、これらのＲＧＢ光でそれぞれ撮像されたテクスチャ画像を合成して、カラーのテクスチャ画像を得て、表示部４００に表示させることができる。

図２の照明光出力部１３０は、円環形状を有し、受光部１２０を取り囲むように載置部１４０の上方に配置される。これにより、影が発生しないように照明光出力部１３０から測定対象物ＷＫにリング状に照明光が照射される。

また照明光出力部１３０は、このようなリング照明に加えて、透過照明や同軸落射照明を加えることもできる。図２の例では、透過照明部を載置部１４０に設けている。透過照明部は、載置部１４０の下方から測定対象物ＷＫを照明する。このため載置部１４０は、透過照明光源と、反射板と、照明用レンズ系を設けている。

なお、リング照明や透過照明は、適宜省略することも可能である。これらを省略する場合は、三次元測定用の照明すなわち投光部を用いて、二次元画像の撮像を行うこともできる。

図１の例では観察用照明光源３２０を本体ケース１０１に含めず、測定部１００に対して外付けとして、光源部３００に観察用照明光源３２０を配置している。このようにすることで、観察用照明光源３２０から供給される照明光の品質を向上し易くできる。例えば観察用照明光源３２０を構成するＲＧＢの各ＬＥＤでは配光特性がそれぞれ異なることから、モノクロの撮像素子１２１ａでＲＧＢのテクスチャ画像をそれぞれ撮像した際、そのままでは視野内に照明色むらが発生する。そこで、それぞれのＬＥＤの配光特性に合わせた専用光学系を個別に用意し、組み合わせることで配光特性の違いを吸収し、色むらのない均一な白色照明を作り出した上で測定部１００に導入することができる。

また観察用照明光源３２０の発熱が、測定部１００の光学系に影響を与える事態を回避できる。すなわち、光学系の部材の近傍に熱源があると、熱膨張によって寸法が狂い、測定精度の低下が生じることがあるが、発熱源である観察用照明光源を本体ケース１０１から排除したことで、このような観察用照明光源の発熱に起因する問題を回避できる。また、この結果として発熱量の大きい高出力の光源を観察用照明光源に利用できる利点も得られる。

各投光部１１０Ａ，１１０Ｂの測定光源１１１は、例えば青色ＬＥＤ（発光ダイオード）である。測定光源１１１は、ハロゲンランプ等の他の光源であってもよい。測定光源１１１から出射された光（以下、測定光と呼ぶ）は、レンズ１１３により適切に集光された後、パターン生成部１１２に入射する。

パターン生成部１１２は、例えばＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）である。パターン生成部１１２は、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon：反射型液晶素子）又はマスクであってもよい。パターン生成部１１２に入射した測定光は、予め設定されたパターン及び予め設定された強度（明るさ）に変換されて出射される。パターン生成部１１２から出射された測定光は、レンズ１１４により測定対象物ＷＫの寸法よりも大きい径を有する光に変換された後、載置部１４０上の測定対象物ＷＫに照射される。

投光部１１０Ａの測定光源１１１、レンズ１１３及びパターン生成部１１２は、受光部１２０の光軸と略平行に並ぶように配置される。同様に、投光部１１０Ｂの測定光源１１１、レンズ１１３及びパターン生成部１１２は、受光部１２０の光軸と略平行に並ぶように配置される。一方、各投光部１１０Ａ，１１０Ｂのレンズ１１４は、測定光源１１１、レンズ１１３及びパターン生成部１１２に対してオフセットするように配置される。これにより、投光部１１０Ａ，１１０Ｂの光軸が受光部１２０の光軸に対して傾斜し、受光部１２０の両側方からそれぞれ測定対象物ＷＫに向けて測定光が出射される。

本実施形態においては、測定光の照射範囲を広くするため、一定の画角を有するように投光部１１０Ａ，１１０Ｂが構成される。投光部１１０Ａ，１１０Ｂの画角は、例えば、パターン生成部１１２の寸法及びレンズ１１４の焦点距離により定まる。測定光の照射範囲を広くする必要がない場合には、画角が略０度となるテレセントリック光学系が投光部１１０Ａ，１１０Ｂの各々に用いられてもよい。

測定対象物ＷＫにより載置部１４０の上方に反射された測定光は、受光部１２０のレンズ１２２により集光及び結像され、カメラ１２１の撮像素子１２１ａにより受光される。

本実施形態においては、受光部１２０の撮像視野を広くするため、一定の画角を有するように受光部１２０が構成される。本実施の形態においては、受光部１２０の撮像視野とは、受光部１２０により撮像が可能な空間上の領域を意味する。受光部１２０の画角は、例えば、撮像素子１２１ａの寸法及びレンズ１２２の焦点距離により定まる。広い視野を必要としない場合には、テレセントリック光学系が受光部１２０に用いられてもよい。ここで、測定部１００に設けられる２つの受光部１２０のレンズ１２２の倍率は互いに異なる。それにより、２つの受光部１２０を選択的に用いることにより、測定対象物ＷＫを互いに異なる２種類の倍率で撮像することができる。２つの受光部１２０は、２つの受光部１２０の光軸が互いに平行となるように配置されることが好ましい。

カメラ１２１は、例えばＣＣＤ（電荷結合素子）カメラである。撮像素子１２１ａは、例えばモノクロＣＣＤ（電荷結合素子）である。撮像素子１２１ａは、ＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）イメージセンサ等の他の撮像素子であってもよい。撮像素子１２１ａの各画素からは、受光量に対応するアナログの電気信号（以下、受光信号と呼ぶ）が制御基板１５０に出力される。

モノクロＣＣＤには、カラーＣＣＤとは異なり、赤色波長の光を受光する画素、緑色波長の光を受光する画素及び青色波長の光を受光する画素を設ける必要がない。ここで、測定光に青色波長等の特定波長を採用した場合、カラーＣＣＤは特定波長の光を受光する画素しか計測に利用できないが、モノクロＣＣＤにはそのような制約がない。そのため、モノクロＣＣＤの計測の分解能はカラーＣＣＤの分解能よりも高くなる。また、モノクロＣＣＤには、カラーＣＣＤとは異なり、各画素にカラーフィルタを設ける必要がない。そのため、モノクロＣＣＤの感度はカラーＣＣＤの感度よりも高くなる。したがって、高い精度で後述する点群データを得ることができる。これらの理由により、本実施形態におけるカメラ１２１にはモノクロＣＣＤが設けられる。

本実施形態においては、照明光出力部１３０は、測定対象物ＷＫに赤色波長の光、緑色波長の光及び青色波長の光を時分割で出射する。この構成によれば、モノクロＣＣＤを用いた受光部１２０により測定対象物ＷＫのカラー画像を撮像することができる。

一方、カラーＣＣＤが十分な分解能及び感度を有する場合には、撮像素子１２１ａは、カラーＣＣＤであってもよい。この場合、照明光出力部１３０は、測定対象物ＷＫに赤色波長の光、緑色波長の光及び青色波長の光を時分割で照射する必要はなく、白色光を測定対象物ＷＫに照射する。そのため、照明光源３２０の構成を単純にすることができる。

実施形態１に係る三次元形状測定装置５００を含む三次元形状測定システム１０００を図４に示す。この図に示す三次元形状測定システム１０００は、三次元形状測定装置本体５００Ａと、コントローラ２００で構成される三次元形状測定装置５００に、制御用のＰＣ１やモニタ２、キーボード３、マウス等の入力デバイス４を接続している。制御用ＰＣ１には、三次元形状測定装置５００を用いて三次元形状測定を行うための三次元形状測定プログラムがインストールされている。ユーザは三次元形状測定プログラムを用いて、三次元形状測定装置５００の設定や、撮像、測定等の実行を指示できる。

なお、図４の例では、コントローラ２００を三次元形状測定装置本体５００Ａと別体に構成しているが、三次元形状測定装置本体側にコントローラを一体化してもよい。あるいは、コントローラの機能を、制御用ＰＣと統合することもできる。

三次元形状測定装置５００は、測定部１００と、支持部７００と、台座部６００と、遮光カバー１０２で構成される。これら測定部１００と、支持部７００と、台座部６００と、遮光カバー１０２は、図５の分解斜視図に示すように着脱自在なユニット式に構成されている。これにより、各部材のメンテナンス性や可搬性に有利となる。遮光カバー１０２は、受光部１２０及び投光部１１０の前方に延長されて、これらを覆うと共に、載置面１４２の上方で、載置面１４２と離間された姿勢に保持され、載置面１４２上方の測定領域を外光から遮光する。この遮光カバー１０２は測定対象物に応じて着脱可能とし、測定における基本最小構成は測定部１００と台座部６００の組合せである。

台座部６００は、載置部１４０を備えている。載置部１４０は、上述の通り測定対象物が載置される載置面１４２を回転させる回転ステージ１４３と、載置面１４２を平行移動させる並進ステージ１４１を含む。ここでは、回転ステージ１４３であるθステージの上面に、並進ステージ１４１であるＸＹステージを載せたＸＹθステージで載置部１４０を構成している。

台座部６００は、支持部７００を介して測定部１００を垂直姿勢に保持している。また測定部１００は、投光部１１０や受光部１２０を載置面１４２に対して光軸が傾斜する姿勢に固定する。このため測定部１００は、投光部１１０や受光部１２０を固定する固定部１２５を含んでいる。固定部１２５は後述する図７に示すように、固定部１２５は、台座部６００から離間した姿勢に支柱部７０２で支持される。また投光部１１０及び受光部１２０を載置面１４２に対して光軸が傾斜する姿勢に固定している。これにより、載置部１４０の上方に測定光による測定領域が形成される。また、投光部１１０や受光部１２０等の光学系がこの測定領域を斜め下に見下ろす姿勢に保持される。

支持部７００は、台座部６００と測定部１００とを連結する。支持部７００を介して、載置部１４０の上方に測定部１００が位置するように保持される。測定部１００は、観察光学系として上述の通り投光部１１０と受光部１２０を備える。この測定部１００は、台座部６００に設けられた載置部１４０の載置面１４２に対して、垂直上方でなく、斜め方向から見下ろす姿勢に保持される。このような配置によって、測定対象物の上面と側面の形状を、一回の測定で取得し易くなる利点が得られる。特に高さ方向の情報を取得するには、測定対象物の内、高低差のある側面の情報が有益となる。一方で、側面のみでは、測定対象物の全体の形状が把握し難い。そこで、全体の外形を把握し易い上面と、高さ情報を取得し易い側面の両方を、一度に得ることのできる、斜め上方からの視点で測定対象物を補足できる姿勢となるよう、測定部１００を載置面１４２に対して傾斜させた姿勢に保持することが有益となる。図６の側面図に示す例では、測定部１００の投光部１１０や受光部１２０の光軸が、ＸＹθステージの載置面１４２に対して約４５°の角度をなすように傾斜姿勢で保持している。このように測定部１００は、４５°の俯瞰角度を一定に保つ状態に支持部７００でもって台座部６００と連結されている。これによって、測定部１００は常に一定角度、一定位置で載置面１４２を見込むことが可能となり、載置面１４２の駆動軸であるＸＹθの３軸と観察光学系との位置関係が一定に保たれる。

受光部１２０は、倍率の異なる複数の光学系を備えてもよい。このような例を、図７に示す。この例では、受光部１２０は、第一倍率を有する第一光学系と、第一倍率よりも高倍率の第二倍率を有する第二光学系を備えている。このように、倍率の異なる光学系を備えたことで、載置面１４２上に載置した測定対象物ＷＫの大きさに応じて視野を切り替えることができる。この例では、受光素子として、第一光学系と光学的に結合された第一受光素子１２１ｂと、第二光学系と光学的に結合された第二受光素子１２１ｃを備えている。なお第一光学系と第一受光素子１２１ｂをまとめて第一カメラ１２１Ｂ、第二光学系と第二受光素子１２１ｃをまとめて第二カメラ１２１Ｃと呼ぶことがある。このように複数の受光素子を用意し、光学系毎に個別の受光素子で撮像するよう構成したことで、各光学系で受光した撮像処理を並行して行うことができ、処理の高速化や光学結合の簡素化が実現される。ただ、共通の受光素子で複数の光学系と光学的に連結してもよい。

第一光学系と第二光学系は、光軸が平行になるように配置している。第一光学系の第一光軸ＬＡ１と、第二光学系の第二光軸ＬＡ２は、それぞれ載置面１４２に対して約４５°に傾斜されている。ここでは、高倍率の第二光学系、すなわち第二カメラ１２１Ｃが、第一光学系である第一カメラ１２１Ｂの下側となるように、垂直方向に並べて固定部１２５に配置されている。このような配置により、第一光学系から第二光学系に切り替えた際の視点の移動が、測定対象物ＷＫの手前側となって、ユーザに対し視野の変化を比較的把握し易くできる利点が得られる。より正確には、視野の広い（倍率の低い）第一光学系においては、載置面上に置かれた測定対象物ＷＫが大きい場合でも、一方視野の狭い（倍率の高い）第二光学系においては載置面上に置かれた測定対象物ＷＫが小さい場合でも、いずれも全周回した際の測定対象物ＷＫの全体を視野に収めることが可能となる。
（ＸＹθステージ）

次に、台座部６００の構成例を図７～図９に基づいて説明する。図７の例では、ＸＹθステージは、台座部６００上に固定された回転ステージ１４３であるθステージの上に、並進ステージ１４１であるＸＹステージが載置されている。また回転ステージ１４３の回転軸は、第一光学系及び第二光学系の光軸と、それぞれ４５°の角度で交わる形で配置されている。回転ステージ１４３上に載置された並進ステージ１４１は、回転ステージ１４３の回転に伴って図８、図９の平面図に示すように、そのＸＹ駆動軸も共に回転する構成となっている。図８においては、並進ステージ１４１を移動させるＸ軸、Ｙ軸を、図９においては回転ステージ１４３を回転させるθ方向を、それぞれ示している。このように、回転ステージ１４３の上に並進ステージ１４１が載置された構成とすることで、測定部１００の光軸と回転ステージ１４３の回転軸とが、機械的に締結された一定関係を保つことが容易となる。また必要に応じて、並進ステージ１４１の移動方向のキャリブレーションと、ステージ回転軸の回転方向のキャリブレーションを行うことで、測定部１００の観察空間中の座標系におけるステージ駆動軸を把握できる。

また、図８に示すように、並進ステージ１４１の移動の基準位置は、例えば、平行移動の基準となる位置である。典型的には、ＸＹ平面の原点Ｄ（０，０）である。さらに、図９に示す点Ｃは、θ回転の中心であって、図９の場合は回転ステージ１４３の回転軸と一致する。この回転ステージ１４３の上方に並進ステージ１４１を、点Ｃと点Ｄが一致するように配置することにより、並進ステージ１４１の移動の制御がし易くなる。

ただ本発明は載置部１４０をこのような構成に限定せず、例えば図１０に示す実施形態２に係る三次元形状測定装置５００Ｂに示すように、並進ステージ１４１の上面に回転ステージ１４３を配置する構成としてもよい。このような載置部１４０の配置によっても、同様の測定、重ねあわせによって、同様に視野からはみ出した測定対象物の全方位フル３Ｄデータを取得することは可能である。

また、回転ステージ１４３と並進ステージ１４１を併存させた構成においては、回転ステージ１４３を回転させる際には、並進ステージ１４１を予め定められた基準位置に復帰させた上で回転させることが好ましい。これにより、測定対象物を載せた載置部１４０の回転半径が大きくなる状態を避け、測定対象物が意図せず他の部材と衝突する事態を避けることができる。基準位置は、例えば並進ステージ１４１を移動させるＸＹ平面の原点位置とする。あるいは、特定の座標位置を基準位置としてもよい。また、回転ステージ１４３と並進ステージ１４１は、同時に移動させず、いずれか一方のステージを移動させる際は他方のステージを停止させた状態とする。これにより、衝突検知や衝突予防を行い易くして安全性を高めることができる。
（測定対象物の立体形状を示す立体形状データ）
（１）三角測距方式による形状測定

三角測距方式による形状測定の方法を、以下図１１～図１６Ｄに基づいて説明する。本実施形態に係る三次元形状測定装置では、三角測距方式により測定対象物ＷＫの形状を測定するための高さ情報を、測定部１００で取得している。なお、実際の測定は、測定部１００で行う他、ＣＰＵ側（例えば点群データ生成部２６０）で行ってもよい。図１１は、三角測距方式の原理を説明するための図である。図１１ならびに後述する図１２Ａ～図１２Ｂ、図１３Ａ～図１３Ｄ、図１４Ａ～図１４Ｃ及び図１６Ａ～図１６Ｄの各図には、装置座標系と共に定義されるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向及びθ方向がそれぞれ矢印で示される。

図１１に示すように、投光部１１０から出射される測定光の光軸と受光部１２０に入射する測定光の光軸（受光部１２０の光軸）との間の角度αが予め設定される。角度αは、０度よりも大きく９０度よりも小さい。

載置部１４０上に測定対象物ＷＫが載置されない場合、投光部１１０から出射される測定光は、載置部１４０の載置面１４２の点Ｏにより反射され、受光部１２０に入射する。一方、載置部１４０上に測定対象物ＷＫが載置される場合、投光部１１０から出射される測定光は、測定対象物ＷＫの表面の点Ａにより反射され、受光部１２０に入射する。

点Ｏと点Ａとの間のＸ方向における距離をｄとすると、載置部１４０の載置面１４２に対する測定対象物ＷＫの点Ａの高さｈは、ｈ＝ｄ÷ｔａｎ（α）により与えられる。ＰＣ２００のＣＰＵ２１０は、制御基板１５０により与えられる測定対象物ＷＫの画素データに基づいて、Ｘ方向における点Ｏと点Ａとの間の距離ｄを測定する。また、ＣＰＵ２１０は、測定された距離ｄに基づいて、測定対象物ＷＫの表面の点Ａの高さｈを算出する。測定対象物ＷＫの表面のすべての点の高さを算出することにより、測定光が照射されたすべての点について装置座標系で表される座標を特定することができる。それにより、測定対象物ＷＫの三次元的な形状が測定される。

測定対象物ＷＫの表面のすべての点に測定光を照射するために、図２の投光部１１０からは種々のパターンを有する測定光が出射される。測定光のパターンは、図２のパターン生成部１１２により制御される。以下、測定光のパターンについて説明する。
（２）測定光の第１のパターン

図１２Ａ～図１２Ｂは、測定光の第１のパターンを説明するための図である。図１２Ａは、載置部１４０上の測定対象物ＷＫに投光部１１０から測定光を照射した状態を示す。図１２Ｂは、測定光が照射された測定対象物ＷＫの平面図を示す。図１２Ａに示すように、第１のパターンとして、Ｙ方向に平行な直線状の断面を有する測定光（以下、ライン状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から出射される。この場合、図１２Ｂに示すように、載置部１４０に照射されたライン状測定光の部分と測定対象物ＷＫの表面に照射されたライン状測定光の部分とは、測定対象物ＷＫの表面の高さｈに対応する距離ｄだけＸ方向に互いにずれる。したがって、距離ｄを測定することにより、測定対象物ＷＫの高さｈを算出することができる。

測定対象物ＷＫの表面のＹ方向に沿った複数の部分が異なる高さを有する場合には、各部分について上記の距離ｄを測定することにより、Ｙ方向に沿った複数の部分の高さｈを算出することができる。

また、図１のＣＰＵ２１０は、Ｘ方向の一の位置でＹ方向に沿った複数の部分について距離ｄを測定した後、Ｙ方向に平行なライン状測定光をＸ方向に走査することにより、Ｘ方向の他の位置でＹ方向に沿った複数の部分について距離ｄを測定する。これにより、Ｘ方向の複数の位置におけるＹ方向に沿った測定対象物ＷＫの複数の部分の高さｈが算出される。測定対象物ＷＫのＸ方向の寸法よりも広い範囲でライン状測定光をＸ方向に走査することにより、測定対象物ＷＫの表面のすべての点の高さｈを算出することができる。これにより、測定対象物ＷＫの三次元的な形状を測定することができる。
（３）測定光の第２のパターン

図１３Ａ～図１３Ｄは、測定光の第２のパターンを説明するための図である。図１３Ａ～図１３Ｄに示すように、第２のパターンとして、Ｙ方向に平行な直線状の断面を有しかつＸ方向に強度が正弦波状に変化するパターンを有する測定光（以下、正弦波状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から複数回（本実施形態においては４回）出射される。

図１３Ａは、１回目に出射される正弦波状測定光を示す。１回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物ＷＫの表面上の任意の部分Ｐ０において初期位相φを有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物ＷＫの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物ＷＫの画素データに基づいて測定される。測定対象物ＷＫの表面上の部分Ｐ０により反射された光の強度をＩ１とする。

図１３Ｂは、２回目に出射される正弦波状測定光を示す。２回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物ＷＫの表面上の部分Ｐ０において位相（φ＋π／２）を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物ＷＫの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物ＷＫの画素データに基づいて測定される。測定対象物ＷＫの表面上の部分Ｐ０により反射された光の強度をＩ２とする。

図１３Ｃは、３回目に出射される正弦波状測定光を示す。３回目に出射される正弦波状測定光の強度は、測定対象物ＷＫの表面上の部分Ｐ０において位相（φ＋π）を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物ＷＫの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物ＷＫの画素データに基づいて測定される。測定対象物ＷＫの表面上の部分Ｐ０により反射された光の強度をＩ３とする。

図１３Ｄは、４回目に出射される正弦波状測定光を示す。４回目の正弦波状測定光の強度は、測定対象物ＷＫの表面上の部分Ｐ０において位相（φ＋３π／２）を有する。この正弦波状測定光が出射されることにより、測定対象物ＷＫの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物ＷＫの画素データに基づいて測定される。測定対象物ＷＫの表面上の部分Ｐ０により反射された光の強度をＩ４とする。

初期位相φは、φ＝ｔａｎ－１［（Ｉ１－Ｉ３）／（Ｉ２－Ｉ４）］で与えられる。初期位相φから測定対象物ＷＫの任意の部分の高さｈが算出される。この方式によれば、４回の光の強度の測定により、測定対象物ＷＫのすべての部分の初期位相φを高速かつ容易に算出することができる。なお、初期位相φは、異なる位相を有する測定光を少なくとも３回出射し、受光される光の強度を測定することにより算出することができる。測定対象物ＷＫの表面上のすべての部分の高さｈを算出することにより、測定対象物ＷＫの三次元的な形状を測定することができる。
（４）測定光の第３のパターン

図１４Ａ～図１４Ｃは、測定光の第３のパターンを説明するための図である。図１４Ａ～図１４Ｃに示すように、第３のパターンとして、Ｙ方向に平行でかつＸ方向に並ぶような直線状の断面を有する測定光（以下、縞状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から複数回（本実施形態においては１６回）出射される。すなわち、縞状測定光においては、Ｙ方向に平行な直線状の明部分及びＹ方向に平行な直線状の暗部分がＸ方向に周期的に配列される。

１回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物ＷＫの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が、測定対象物ＷＫの１番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。図１４Ａは、１回目の縞状測定光に対応する測定対象物ＷＫの１番目の撮影画像である。

２回目の縞状測定光は、１回目の縞状測定光から明部分及び暗部分をＸ方向に１単位だけ移動させたパターンを有する。２回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物ＷＫの表面で反射された光が、受光部１２０により受光される。受光された光の強度が測定対象物ＷＫの２番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。

３回目の縞状測定光は、２回目の縞状測定光から明部分及び暗部分をＸ方向に１単位だけ移動させたパターンを有する。３回目の縞状測定光が出射されることにより、測定対象物ＷＫの表面で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の強度が、測定対象物ＷＫの３番目の撮影画像の画素データに基づいて測定される。

同様の動作が繰り返されることにより、４～１６回目の縞状測定光に対応する光の強度が、測定対象物ＷＫの４～１６番目の撮影画像の画素データに基づいてそれぞれ測定される。Ｘ方向の周期が１６単位である縞状測定光が１６回出射されることにより、測定対象物ＷＫの表面のすべての部分に縞状測定光が照射される。なお、図１４Ｂは、７回目の縞状測定光に対応する測定対象物ＷＫの７番目の撮影画像である。図１４Ｃは、１３回目の縞状測定光に対応する測定対象物ＷＫの１３番目の撮影画像である。

図１５は、測定対象物ＷＫの特定の部分における画像が撮影されたタイミング（番数）と受光された光の強度との関係を示す図である。図１５の横軸は画像の順番を示し、縦軸は受光された光の強度を示す。上述のように、測定対象物ＷＫの各部分について、１～１６番目の撮影画像が生成される。また、生成された１～１６番目の撮影画像の各画素に対応する光の強度が測定される。

図１５に示すように、撮影画像の番号に対応する撮影画像の各画素の光の強度を図示することにより散布図が得られる。得られた散布図に例えばガウシアン曲線、スプライン曲線又は放物線をフィッティングさせることにより、光の強度が最大になるときの撮影画像の番号（番数）を１未満の精度で推定することができる。図１５の例においては、フィッティングされた点線で示す曲線により、９番目と１０番目との間である仮想的な９．３８番目の撮影画像において、光の強度が最大になることが推定される。

また、フィッティングされた曲線により、光の強度の最大値を推定することができる。測定対象物ＷＫの各部分において推定された光の強度が最大となる撮影画像の番号に基づいて、測定対象物ＷＫの各部分の高さｈを算出することができる。この方法によれば、Ｓ／Ｎ（信号／ノイズ）比が十分に大きい光の強度に基づいて、測定対象物ＷＫの三次元的な形状が測定される。これにより、測定対象物ＷＫの形状測定の精度を向上させることができる。

なお、正弦波状測定光又は縞状測定光等の周期的なパターン形状を有する測定光を用いた測定対象物ＷＫの形状測定においては、測定対象物ＷＫの表面の各部分の相対的な高さ（高さの相対値）が測定される。これは、パターンを形成するＹ方向に平行な複数の直線（縞）の各々を識別することができず、複数の直線の１周期（２π）の整数倍に相当する不確かさが存在することにより、絶対位相が求まらないからである。そのため、測定対象物ＷＫの一の部分の高さとその部分に隣接する部分の高さが連続的に変化しているという仮定に基づいて、測定された高さのデータに公知のアンラッピング処理を行って補完してもよい。
（５）測定光の第４のパターン

図１６Ａ～図１６Ｄは、測定光の第４のパターンを説明するための図である。図１６Ａ～図１６Ｄに示すように、第４のパターンとして、Ｙ方向に平行な直線状の断面を有しかつ明部分と暗部分とがＸ方向に並ぶ測定光（以下、コード状測定光と呼ぶ）が投光部１１０から複数回（本実施形態においては４回）出射される。コード状測定光の明部分及び暗部分の割合は、それぞれ５０％である。

本実施形態においては、測定対象物ＷＫの表面がＸ方向において複数（図１６Ａ～図１６Ｄの例では１６）の領域に分割される。以下、複数に分割されたＸ方向における測定対象物ＷＫの領域をそれぞれ第１～第１６の領域と呼ぶ。

図１６Ａは、１回目に出射されるコード状測定光を示す。１回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物ＷＫの第１～第８の領域に照射される明部分を有する。また、１回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物ＷＫの第９～第１６の領域に照射される暗部分を有する。これにより、１回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、１回目に出射されるコード状測定光の明部分及び暗部分の割合は、それぞれ５０％である。

図１６Ｂは、２回目に出射されるコード状測定光を示す。２回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物ＷＫの第５～第１２の領域に照射される明部分を有する。また、２回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物ＷＫの第１～第４及び第１３～第１６の領域に照射される暗部分を有する。これにより、２回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、２回目に出射されるコード状測定光の明部分及び暗部分の割合は、それぞれ５０％である。

図１６Ｃは、３回目に出射されるコード状測定光を示す。３回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物ＷＫの第１、第２、第７～第１０、第１５及び第１６の領域に照射される明部分を有する。また、３回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物ＷＫの第３～第６及び第１１～第１４の領域に照射される暗部分を有する。これにより、３回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、３回目に出射されるコード状測定光の明部分及び暗部分の割合は、それぞれ５０％である。

図１６Ｄは、４回目に出射されるコード状測定光を示す。４回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物ＷＫの第１、第４、第５、第８、第９、第１２、第１３及び第１６の領域に照射される明部分を有する。また、４回目に出射されるコード状測定光は、測定対象物ＷＫの第２、第３、第６、第７、第１０、第１１、第１４及び第１５の領域に照射される暗部分を有する。これにより、４回目に出射されるコード状測定光においては、明部分と暗部分とがＹ方向に平行でかつＸ方向に並ぶ。また、４回目に出射されるコード状測定光の明部分及び暗部分の割合は、それぞれ５０％である。

コード状測定光の明部分に論理“１”が割り当てられ、コード状測定光の暗部分に論理“０”が割り当てられる。また、測定対象物ＷＫの各領域に照射される１回目～４回目のコード状測定光の論理の並びを符号と呼ぶ。この場合、測定対象物ＷＫの第１の領域には、符号“１０１１”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物ＷＫの第１の領域は、符号“１０１１”に符号化される。

測定対象物ＷＫの第２の領域には、符号“１０１０”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物ＷＫの第２の領域は、符号“１０１０”に符号化される。測定対象物ＷＫの第３の領域には、符号“１０００”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物ＷＫの第３の領域は、符号“１０００”に符号化される。同様に、測定対象物ＷＫの第１６の領域には、符号“００１１”のコード状測定光が照射される。これにより、測定対象物ＷＫの第１６の領域は、符号“００１１”に符号化される。

このように、測定対象物ＷＫの隣り合う領域の間では、符号のいずれかの桁が“１”のみ異なるようにコード状測定光が測定対象物ＷＫに複数回照射される。すなわち、コード状測定光は、明部分及び暗部分がグレイコード状に変化するように、複数回測定対象物ＷＫに照射される。

測定対象物ＷＫの表面の各領域で反射された光が受光部１２０により受光される。受光された光の符号を測定することにより、測定対象物ＷＫの領域毎に、測定対象物ＷＫが存在することにより変化した符号が得られ、図１１の距離ｄに相当する距離を算出することができる。ここで、画像におけるＸ軸方向には、上記の符号は１回のみ出現するというコード状測定光を用いた測定方法の特徴から、距離ｄの絶対的な値が算出される。これにより、測定対象物ＷＫのその領域の絶対的な高さ（高さの絶対値）が算出される。測定対象物ＷＫの表面上のすべての領域の高さを算出することにより、測定対象物ＷＫの三次元的な形状を測定することができる。

上記の説明においては、測定対象物ＷＫの表面がＸ方向において１６の領域に分割され、コード状測定光が投光部１１０から４回出射されたが、これに限定されない。測定対象物ＷＫの表面がＸ方向においてＮビットの符号又は２Ｎの領域（Ｎは自然数）に分割され、コード状測定光が投光部１１０からＮ回出射されてもよい。上記の説明においては、理解を容易にするためにＮは４に設定されている。後述のデータ生成処理においては、Ｎは例えば８に設定される。したがって、測定対象物ＷＫの表面はＸ方向において２５６の領域に分割される。

コード状測定光を用いた測定対象物ＷＫの形状測定においては、コード状測定光を分離して識別可能な距離、すなわち１画素分に相当する距離が最小の分解能となる。したがって、受光部１２０のＸ方向における視野の画素数が１０２４画素である場合、高さが例えば１０ｍｍの測定対象物ＷＫを１０ｍｍ÷１０２４≒１０μｍの分解能で計測することができる。分解能は低いが絶対値を算出可能なコード状測定光を用いた形状測定と絶対値を算出できないが分解能が高い正弦波状測定光又は縞状測定光を用いた形状測定とを組み合わせることにより、測定対象物ＷＫの高さの絶対値をより高い分解能で算出することができる。

特に、図１４Ａ～図１４Ｃの縞状測定光を用いた測定対象物ＷＫの形状測定においては、分解能を１／１００画素にすることができる。なお、１／１００画素の分解能は、受光部１２０のＸ方向における視野の画素数が１０２４画素である場合、測定対象物ＷＫの表面をＸ方向において約１０００００の領域に分割することに相当する。そのため、コード状測定光を用いた形状測定と縞状測定光を用いた形状測定と組み合わせることにより、測定対象物ＷＫの高さの絶対値をさらに高い分解能で算出することができる。

上述のライン状測定光を測定対象物ＷＫ上で走査する方法は一般に光切断法と呼ばれる。一方、正弦波状測定光、縞状測定光又はコード状測定光を測定対象物ＷＫに照射する方法は、パターン投影法に分類される。また、パターン投影法の中でも、正弦波状測定光又は縞状測定光を測定対象物ＷＫに照射する方法は位相シフト法に分類され、コード状測定光を測定対象物ＷＫに照射する方法は空間コード法に分類される。

位相シフト法においては、周期的な投影パターンである正弦波状測定光又は縞状測定光を出射した際に、測定対象物ＷＫが存在しない場合の基準高さ位置から反射した受光量に基づいて計算された位相と、測定対象物ＷＫが存在する場合の測定対象物ＷＫ表面から反射した受光量に基づいて計算された位相との位相差から測定対象物ＷＫの高さを求める。位相シフト法においては、個々の周期的な縞が区別できず、縞１周期分（２π）の整数倍に相当する不確かさが存在するため、絶対位相が求まらないという欠点がある。しかしながら、光切断法に比べて取得する画像の枚数が少ないため測定時間が比較的短く、測定分解能が高いという長所がある。

一方、空間コード法おいては、測定対象物ＷＫの領域毎に、測定対象物ＷＫが存在することによって変化した符号が得られる。得られた符号と測定対象物ＷＫが存在しない場合の符号との差分を領域毎に求めることにより、測定対象物ＷＫの絶対的な高さを求めることができる。空間コード法においても、比較的少数の画像により測定が可能であり、絶対的な高さを求めることができるという長所がある。しかしながら、位相シフト法に比べると測定分解能に限界がある。

これらの投影法は、各々短所及び長所を有しているが、いずれも三角測距の原理を用いている点は共通である。上記のパターンの測定光が投影された測定対象物ＷＫの画像データ（以下、パターン画像データと呼ぶ）に基づいて、測定対象物ＷＫの立体形状を表す点群（ポイントクラウド）データが生成される。

以下の説明では、測定対象物ＷＫの立体形状を表す点群データを立体形状データと呼ぶ。立体形状データは、測定対象物ＷＫの表面上の複数の点の位置データを含む。位置データは、例えば、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向における座標を表す。この場合、立体形状データのうち任意の点のデータをＰｎ（ｎは自然数）とすると、Ｐｎは、例えば装置座標系の座標値を用いて（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ）で表すことができる。なお、立体形状データは、点群データに基づいて生成される面情報データにより構成されてもよく、ポリゴンメッシュ等の他の形式のデータを含んでもよい。立体形状データに基づいて、測定対象物ＷＫの立体形状を表す画像（以下、立体形状画像と呼ぶ）を表示することができる。

本実施の形態においては、立体形状画像は、二次元座標系が定義された任意の平面上に立体形状データが投影された状態を示す画像であり、使用者による計測箇所の指定を受け付けるための画像である。使用者は、測定対象物ＷＫを見る方向（測定対象物ＷＫに対する受光部１２０の位置）として立体形状データが投影される平面を指定することができる。それにより、立体形状画像により表される測定対象物ＷＫの向きが変化する。
（６）複数の立体形状データの合成

投光部１１０及び受光部１２０に対する測定対象物ＷＫの位置及び姿勢が一定であると、測定対象物ＷＫの一部にしか測定光が照射されない。また、測定対象物ＷＫの一部で反射される光しか受光部１２０に入射しない。そのため、測定対象物ＷＫの表面の広範囲に渡る立体形状データを求めることができない。そこで、測定対象物ＷＫの位置又は姿勢を変化させることにより、互いに異なる複数の方向から測定対象物ＷＫを撮像し、複数の撮像方向にそれぞれ対応する複数の立体形状データを取得し、取得された複数の立体形状データを合成してもよい。
（ステージシフト機能）

本実施形態に係る三次元形状測定装置では、載置した測定対象物を、載置部１４０を移動制御部１４４で微小移動させることで、三次元形状測定装置の持つ空間分解能や測定能力を超える測定精度を実現する。

非接触で測定対象物の三次元形状を取得する手法として、図２に示すように投光部１１０から測定対象物ＷＫにパターン光を投影し、その縞の位相情報を用いて測定対象物ＷＫの三次元座標を得る、いわゆる縞投影法が知られている。縞投影法は、光切断の原理に基づいており、複数の縞を同時に照射することで、ライン状の投光を用いる光切断に比べて、高速に計測が可能となる。

この縞投影法を用いて三次元形状を取得する手法として、空間コード法、複数周期パターン投影法、ワンショット投影法等、複数が挙げられる。いずれの方法においても、複数のパターン光を測定対象物に投影し、投影方向に対して一定角度を有する撮像光学系でその投影パターン像を撮像して画像を取得し、画像解析により画像上の各画素における位相情報を算出している。算出された位相情報を解析することで、形状の歪みといった三次元的な座標値を得ることができる。以下、各手法について説明する。
（１．空間コード法）

空間コード法は、グレイコード法とも呼ばれる。空間コード法で用いる投影パターンは、投影パターン上の白・黒をビットに見立て、ある撮像画素又は投影画素に着目した際に、複数の投影パターンのビット配列が一意に定まるような規則を有するパターンである。このような投影パターンを投影することで、撮像画素における投影画素の配置が一意に定まることとなる。結果的に、測定対象物の形状に関する絶対的な座標が求められる。しかしながら、空間コード法では、パターン生成部１１２を構成する投影素子、例えばＤＭＤやＬＣＤ、ＬＣＯＳ等の持つ最小分解能（画素ピッチ）によって、コード分解できる空間分解能が決定されてしまう。一般に投光素子の画素ピッチよりも受光素子の画素ピッチの方が細かいため、このような投光素子を用いる以上は総じて粗い空間分解能を有する手法となる。このような空間コード法による分解能の粗さを補完すべく、種々の方法を組み合わせている。このような空間コード法と組み合わせて用いる、分解能の粗さを補完する方法を、本明細書では相対位相補完法と呼ぶ。相対位相補完法には、例えば正弦波位相シフト法、マルチスリット法、エッジ検出法等が利用できる。以下、各方法について説明する。
（ア）正弦波位相シフト法

空間コードでは、図１３Ａ～図１４Ｃで示したように、縞パターン画像を、画素毎に着目して計算を行うことで、各画素における正弦波の位相情報が求まる。さらに算出された位相情報は、正弦波１周期内での移動量（位相）となるため、複数本存在する明暗パターンの、初期位相値からの相対的な移動量しか求まらない。そこで、空間コード法で求めた位相を用いることで、絶対位相に変換することができる。

正弦波位相シフト法では、正弦波状の縞パターンを投影し、正弦波の周期よりも短いピッチでパターンを移動させて、複数枚の縞パターン画像を撮影する。得られた正弦波縞パターン画像から、各画素における位相値を計算し、高さに変換する。正弦波の式は未知数３のため、最低３回の撮影画像があれば足りる。ここでは、正弦波周期の４分の１（π／２）ずつずらして、４回の撮影画像から位相を計算する。このようなピッチをπ／２として４回シフトさせる撮影では、計算式が非常にシンプルになる。またこの方法では撮影枚数が最低３枚と非常に少なくて済むため、高速に三次元形状を計測できる。
（イ）マルチスリット法

マルチスリット法は、輝度ピーク法とも呼ばれる。マルチスリット法では、図１４Ａ～図１４Ｃ、図１５に示すように、測定対象物に複数の細線状のパターン照明（マルチスリット）を投影し、スリット幅より狭いピッチでパターンを移動させ、複数回撮影を行う。このマルチスリット法では、スリット光が全画素を照明するようにパターンを細かく移動させるため、撮影枚数が多くなり、高速用途には向かない。例えば、１６画素周期、３画素幅スリット光、移動ピッチ１画素の場合、撮影枚数は１６枚となる。一方で、画素ごとに最大輝度となる撮影タイミング（何枚目の画像か）を補間計算で求める際、常に輝度の高いデータを利用するため、測定対象物によらず精度を安定して高め易い利点が得られる。

このマルチスリット法では、測定対象物に複数本のバイナリパターン（明暗のみ）、又はガウシアンパターン（輝度分布がガウシアン状）を一度に投影し、その投影位置を少しずつずらしながら撮像を行う。取得した画像を、画素毎に着目して輝度変化を解析、輝度のピーク座標を推定することで、そのピーク位置を位相値として算出する。ここでピーク位置は、画像順序のカウント単位として算出される。なお推定されたピーク位置は、整数値をとらず、例えば２．６８９枚目といった数値となり、これを時間軸と等価と見なせる。また算出した位相値は、１枚目を基準とした相対的な位相情報に過ぎず、これも正弦波位相シフト法と同様に、空間高度の最小ビット幅に相当する周期（枚数）の移動を行うことで、空間コードを補完することとなる。
（ウ）エッジ検出法

エッジ検出法では、測定対象物に複数本の明暗パターンを投影し、それを少しずつずらしながら撮像した縞パターン画像の各々から、画像上での明暗パターンの境界、すなわちエッジを抽出する。エッジの抽出は、例えば一般的な輝度勾配のゼロクロス点としたり、左右の明暗パターンとの輝度クロス点として定義できる。縞パターン画像上で算出されたエッジ座標を、該当パターンの位相量として定義する。この値も、初期投影位置に対する相対移動量にすぎないため、空間コードと組み合わせることで精細な絶対座標計算（アンラッピング処理）が可能となる。

以上は、空間コード法に相対位置補完法を組み合わせる例について説明した。ただ本発明は、縞投影法を用いて三次元形状を取得する手法を、空間コード法に限定せず、他の方法も利用できる。次に、複数周期パターン投影法、ワンショット投影法について、順次説明する。
（２．複数周期パターン投影法）

複数周期パターン投影法は、複数の周期をもつパターンを、それぞれ個別に測定対象物に投影し、投影したパターンを少しずつずらしながら縞パターン画像を撮像する。各々の周期パターン毎に、例えば正弦波位相シフト法を用いて相対位相値を算出した後、周期パターンが異なる結果同士を組み合わせることで、絶対座標が一意に決定される。この複数周期パターン投影法では、空間コードの投影が不要となり、一定空間コード領域毎の境界エラーが発生し難い等の利点が得られる。
（３．ワンショット投影法）

ワンショット投影法は、１枚の画像から位相を推定する手法である。代表的な手法としては、フーリエ変換法が知られている。フーリエ変換法では、投影した縞パターン画像をフーリエ変換し、得られたスペクトルから、縞投影パターンのキャリア周波数周辺のスペクトルのみをフィルタリングして、原点方向にシフトさせてから逆フーリエ変換を行い、虚数部と実数部の逆正接を求めることで位相を算出する。このフーリエ変換法で得られる位相も、正弦波位相シフト法等と同様に縞パターン周期で折り畳まれているため、絶対座標計算を行うためには空間コード法で補完する等の位相アンラッピング処理が必要となる。

以上のような縞投影法を用いて計測部２１６ｂ等で計測を行う際に、測定形状の再現性や最小検知形状（分解能）を決定づける要因として、受光部１２０を構成する撮像素子の解像度や、投影素子の解像度が挙げられる。撮像素子の解像度は、空間の分割能力（空間分解能）を決定する。一方、投影素子の解像度は、投影パターンの送り分解能や、縞投影パターンを構成する縞の最小幅を決定付け、結果的に測定形状の再現性や分解能に、より直結する要因となっている。それぞれの解像度は、選定された部材の仕様に依存するところ、一般に撮像素子の解像度よりも投影素子の解像度を高めることは困難である。このため、三次元形状測定装置の測定能力の拡大には従来、一定の仕様上の制約が存在し、選定された部材のデバイススペックに依存して決定される側面が強かった。

これに対して、本実施形態に係る三次元形状測定装置では、選定したデバイス構成に依存するのでなく、仕様上の制約を超えた測定再現性、分解能を実現することを企図している。具体的には、投光部１１０の各投影素子を制御することで載置部１４０上に投影可能な最小の投影パターンの幅以下の移動ピッチで、並進ステージ１４１を移動制御部１４４で微小に平行移動させる。そして点群データ生成部２６０は、複数の投影パターン画像に基づいて、測定対象物の立体形状を表す点群データを生成する。これにより、測定対象物の三次元形状測定に際して、投影パターンを投影する投光部１１０で表現可能な投影パターンの物理的な分解能以下まで測定精度を向上させることが可能となる。

以下、ステージシフト機能を実行した三次元形状測定方法を説明する。まず載置部１４０に、測定対象物を載置する。この状態で、初期位置に位置された並進ステージ１４１上の測定対象物に対し、所定の投影パターンを有する測定光を、投光部１１０から照射し、この測定対象物で反射された測定光を受光部１２０で受光して、投影パターン画像を撮像する。

次に、所定の移動ピッチで、並進ステージ１４１を移動制御部１４４で平行移動させる。この移動ピッチは、投光部１１０の各投影素子で載置面１４２に投影可能な投影パターンの最小の幅以下とする。そして並進ステージ１４１の移動後の位置において、再び投光部１１０から測定光を測定対象物に照射し、測定対象物で反射された測定光を受光部１２０で受光して、投影パターン画像を撮像する。さらに、並進ステージ１４１を移動ピッチで移動させて、同様に投影パターン画像を撮像する。この処理を所定回数繰り返して、移動ピッチで移動された各位置毎に投影パターン画像を取得する。このようにして得られた複数の投影パターン画像に基づいて、点群データ生成部２６０でそれぞれ生成された、測定対象物の各位置における立体形状を表す点群データを合成して、測定対象物の立体形状を連続的に表す外形情報を取得する。このようにして、投光部１１０で表現可能な投影パターンの物理的な分解能以下まで測定精度を向上させた測定対象物の外形情報を取得することが可能となる。

特に、受光部１２０を構成する受光素子の一画素が、投影素子の一画素よりも小さい場合に、上述したステージシフト機能は有効となり、高精細な三次元計測が実現される。

投光部１１０は、投影パターンを複数の線を平行に並べた縞投影パターンとすることが好ましい。一方移動制御部１４４は、載置部１４０上に投影される縞投影パターンを構成する複数の線すなわち縞と交差する方向に、並進ステージ１４１を移動ピッチで平行移動させる。これにより、縞投影パターンを、投影素子の分解能以上に、縞方向に微小移動させたのと同様の精度向上を図ることができ、投影素子をハードウェア的に高精度化することなく、測定精度の向上が図られる。

また並進ステージ１４１の移動方向は、例えば受光部に対し投光部が測定光を投光する方向と平行な方向、すなわち三角測距で傾斜している方向としてもよい。あるいは、受光部から遠ざかる方向に並進ステージ１４１を平行移動させてもよい。さらに、並進ステージ１４１の移動方向を、支持部との関係で規定してもよい。例えば並進ステージ１４１を、載置面１４２の平面視において、載置部１４０が支持部に接近及び離間する奥行方向と交差する方向、すなわちＸ方向に、移動制御部１４４で移動ピッチで平行移動させてもよい。これにより、投影パターンを、投影素子の分解能以上に微小移動させたのと同様の精度向上を図ることができ、投影素子をハードウェア的に高精度化することなく、測定精度の向上が図られる。

並進ステージ１４１の移動ピッチは、縞投影パターンの周期に基づいて決定できる。例えば縞投影パターンの隣接する線同士の間隔を一周期として、この一周期を分割した枚数分、投影パターン画像を追加で撮像する。

また点群データ生成部２６０は、複数の投影パターン画像の内、任意の一の投影パターン画像を生成した並進ステージ１４１の位置を基準として、他の投影パターン画像を、並進ステージ１４１の位置で生成したと推定した場合の画素値に変換した状態で、点群データを生成することができる。これにより、測定対象物の三次元形状測定に際して、投影パターン画像の任意の位置において、他の投影パターン画像をサンプリング位置に応じて画素値として付加することにより、より高精細な三次元計測が可能となる。

さらに点群データ生成部２６０は、移動制御部１４４による載置部１４０の移動ピッチを、投影パターン画像における移動量、例えば画素何枚分かに換算して、点群データを生成するよう構成してもよい。

あるいは点群データ生成部２６０は、複数の投影パターン画像を、この複数の投影パターン画像を生成した並進ステージ１４１の位置に応じて重ね合わせるようにして、点群データを生成することもできる。この場合は、複数枚の投影パターン画像を、生成位置に応じて重ね合わせることで、多重化された高精細な画像が得られる。

また点群データ生成部２６０は、上述の通り位相シフト法に従って、各投影パターン画像に含まれる明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定する。ここで投影パターン画像は、並進ステージ１４１の同じ位置において複数枚撮像される。すなわち、投影パターンを構成する明暗の位相が周期的に表れるところ、この位相を異ならせた投影パターンを複数種類、パターン生成部１１２で生成して、各位相で投影パターン画像を撮像する。例えば、並進ステージ１４１が第一位置（例えば初期位置や基準位置）にある状態で、投光部１１０でもって、位相を異ならせた複数の投影パターンを異なるタイミングで照射して、それぞれ投影パターン画像を撮像する。これらの投影パターン画像の集合を、第一パターンセットとする。

一方、並進ステージ１４１が第一位置から移動ピッチ分移動された第二位置にある状態で、同じく投光部１１０でもって、位相を異ならせた複数の投影パターンを照射して、それぞれ得られた投影パターン画像の集合を第二パターンセットとする。これを繰り返して、複数のパターンセットが得られる。例えば、縞投影パターンの一周期を２πとして、これを４分割したπ／２毎に位相をシフトさせ、４つのパターンセットを得る。そして点群データ生成部２６０は、位相シフト法に従いパターンセットの各投影パターン画像に含まれる明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定する。これにより、位相を異ならせつつ、位相を変化させるピッチを、並進ステージ１４１を利用して見かけ上、投影素子で物理的に表現できるよりも細かな微小ピッチにてピーク位置（マルチスリット法の場合）や初期位相推定（正弦波位相シフト法の場合）を演算できるので、投影素子の分解能を超えた高精度な三次元形状測定が可能となる。

またこの際、点群データ生成部２６０は、複数のパターンセットに含まれる各投影パターン画像を、位相のシフト量の順に並び変えて、並び変えられた各投影パターン画像に基づいて、位相シフト法に従い明暗のピークの位置を演算する。これにより、ソートされた投影パターン画像から、ピーク位置の推定が容易となり、投影素子の分解能を超える正確な形状測定が可能となる。

ここで、比較のため図１７に示す真上から観察する三次元形状測定装置５００Ｘを考える。この三次元形状測定装置５００Ｘにおいて、載置部１４０を高さ方向（Ｚ方向）に移動可能とし、かつ撮像系、投影系にいずれもテレセントリックな光学系を用いるとする。この構成において、載置部１４０を高さ方向に微小に移動させると、その載置面１４２に載置された測定対象物ＷＫは、撮像系光軸に沿って微小移動するものの、テレセントリックな範疇において撮像画像上では測定対象物ＷＫの位置は変化しない。このため、撮像画像上の各位置において、撮像素子の各画素は測定対象物ＷＫの同一の点をサンプリングしていると見なせる。このため、投影系から縞パターンを投影して、載置面１４２を高さ方向に微小に移動させると、見かけ上、縞投影パターンを微小に移動させることが可能となるため、高さの異なる縞画像を、縞投影パターンを微小に移動させた縞画像として演算し、これらを合成することにより、縞投影パターンの解像度以上に分解能を向上させることができる。

これに対して本実施形態においては、図６等に示したように、撮像系、投影系のいずれも画角を有する広角光学系を採用しており、かつ斜め上方から観察する態様としているため、並進ステージ１４１を移動させて画像を撮像すると、画像中の画素によって移動量が異なる。すなわち、画像中で手前側に位置する（受光部１２０に近い）画素は移動量が大きくなり、奥側に位置する（受光部１２０から離れた）画素は、移動量が小さくなる。このため、並進ステージ１４１を微小移動させても、画素によって移動量が異なるため、単純にこれらを合成することができないという問題がある。以下、本実施形態に係る三次元形状測定装置で、載置面１４２を微小移動させて、パターン生成部１１２の分解能以上での測定を実現するステージシフト機能について説明する。
（ステージシフト機能の詳細）

ここでは、上述した測定方法のうち、空間コード法に正弦波位相シフト法を組み合わせた方法について説明する。なお、本発明は測定方法を方法に限定するものでなく、他の測定手法を利用することもできる。まず、載置面１４２を固定した状態で、空間コード法と正弦波位相シフト法を組み合わせて点群データを測定する手順を、図１８のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップＳ１８０１において、測定対象物をステージに載置する。次にステップＳ１８０２において、必要に応じて照明光出力部１３０の明るさを調整する。そしてステップＳ１８０３において、空間コードパターンを投影し、ステップＳ１８０４において空間コードパターンを撮影する。さらにステップＳ１８０５において、撮影していない空間コードパターンがあるか否かを判定し、ある場合はステップＳ１８０３に戻って上記の処理を繰り返す。一方で撮影していない空間コードパターンがない場合は、すべての空間コードパターンの撮影を完了したとしてステップＳ１８０６に進み、次に正弦波パターンを投光し、同じくステップＳ１８０７において正弦波パターンを撮影する。さらにステップＳ１８０８において、撮影していない正弦波パターンがあるか否かを判定し、ある場合はステップＳ１８０６に戻って上記処理を繰り返す。そして撮影していない正弦波パターンがない場合は、すべての正弦波パターンの撮影が完了したとしてステップＳ１８０９に進み、位相アンラッピングを行い、ステップＳ１８１０において点群データを算出し、処理を終了する。このようにして、空間コード法と正弦波位相シフト法を組み合わせて、点群データ生成部２６０で測定対象物の形状を表す点群データを生成する。

以上の正弦波位相シフト法や、マルチスリット法では、受光部１２０の画素単位で縞投影パターンをシフトしながら、測定対象物に投影された光量をサンプリングして、初期位相の推定を行う。一方、ステージシフト測定機能では、この位相シフトの間隔を、実質的に細分化することで、初期位相の推定精度を向上させることができる。
（受光素子画素密度向上機能）

また、これに加えて、受光部１２０を構成するカメラ等の受光素子の画素が１画素未満ずれた位置での位相を推定することにより、受光素子の画素密度の向上に相当する効果を持たせることもできる。

これら位相シフト間隔の細分化機能、受光素子画素密度向上機能のいずれが、形状測定においてより効果的かは、投影素子の画素サイズ、投光側光学系の解像度、受光素子の画素サイズ、受光側光学系の解像度の関係によって変化する。例えば、構成例に示したように投光側光学系を共有し、受光側光学系が低倍率と高倍率の２系統存在するような場合を考える。この場合において、高倍率側では、受光側の画素サイズと光学系の解像度に対して、投影素子の画素サイズが大きすぎるため、量子化誤差が非常に大きくなってしまう。このため、前者の位相シフト間隔の細分化による量子化誤差の低減が非常に有効である。

これに対して、低倍率側では、受光側の画素サイズと光学系の解像度に対して、投影素子の画素サイズが高倍率ほど大きくはないため、量子化誤差も相対的に小さくなる。このため、位相シフト間隔を細分化しても、高倍率の場合ほどには精度向上は見込めない。ただ、受光素子の画素サイズに対して受光側光学系の解像度に余裕がある場合は、後者の受光素子画素密度の向上によって、より細かい単位での形状を捉えることができる可能性がある。また、上記で挙げた位相シフト間隔の細分化機能と、受光素子画素密度向上機能は、相互に排他的なものではなく、これらを組み合わせて用いることもできる。
（ステージシフト測定により位相シフト間隔を細分化する方法）

正弦波位相シフト法で投影素子を用いて投影する場合、各投影素子は、投影又は非投影の２つの状態のみを用いること多い。具体的には、例えば図１９のように投影素子４画素分で一周期Ｔの矩形波として、正弦波位相シフト用投影パターンを構築する。この図に示すように、周期的に縞パターンが表れる投影パターンでは、２画素分の投影画素ＰＰと２画素分の非投影画素ＮＰが交互に続く。この投影パターンを１画素ずつずらして投影していくことで、図２０Ａ～図２０Ｄに示すように１／４周期（π／２）ずつ均等に位相がシフトした４つの縞投影パターンを作成できる。この４種類の投影パターンが投影された測定対象物の画像を撮影することで、４点法による正弦波位相シフト法の推定が可能となる。

なお、図１９や図２０Ａ～図２０Ｄの例では、投影する投影パターンを矩形波としているが、実際に投影される過程において、光学素子の影響等で惚けが生じ、実際に測定対象物に投影パターンが投影されて受光部１２０で撮影される縞パターン画像は、図２１のように正弦波に非常に近い形状となる。

ここで、図２０Ａ～図２０Ｄで示した４つの縞パターンの位相のずれは、投影素子を構成する一画素の大きさで規定される。このため、投影素子の一画素の大きさよりも細かくずらすことはできない。いいかえると、投影素子（例えばＤＭＤ）の仕様によって物理的な縞パターンの移動量が決定される。

上記の例では、４画素の投影パターンの例を示したが、本発明はこの構成に限られない。例えば、６画素（３画素投光＋３画素非投光）の投影パターンにすると、１画素（π／３）ずつずらすことで、６種類の投影パターンを得ることができる。ただし、その分投影パターンの波長は延びることになる。この場合でも、最小の縞パターンの移動量は、投影素子の１画素よりも細かくすることはできない。

そこで本実施形態に係る三次元形状測定装置では、投影パターンを物理的にシフトさせる代わりに、投影対象の測定対象物側を移動させるステージシフト測定機能を備えている。ここでは、測定対象物を載置する載置部１４０を、投影素子から投影された１画素分の長さよりも細かく、微小平行移動させる。これにより、実質的に投影パターンを１画素分よりも細かいシフト量でずらした位相を得ることが可能となり、より高精細な縞パターン画像を得ることができる。

ステージシフト測定では、まず載置部１４０を並進ステージ１４１で動かさずに、投影素子を１画素ずつずらして一周期分のパターンを撮影する。例えば４画素パターンであれば、４枚の縞パターン画像を撮影することになる。

その後、並進ステージ１４１により測定対象物を微小平行移動させた上で、同様に一周期分の縞パターン画像（例えば４枚）を撮影する。これを繰り返して、必要なパターンを撮影し終わったら、それらのパターンから光量をサンプリングする。これにより、細かいシフト量でずらしたのに相当するデータを得ることができる。

ただし、載置部１４０を移動させて測定対象物の場所をずらしてしまうと、受光部１２０で撮影する位置もずれてしまう。このため、載置部１４０を移動させる前の撮影画素と、載置部１４０を移動させた後の画素との対応を取る必要がある。以下、このような画素位置の対応関係を取りながら、縞パターン画像を撮影する手順を説明する。ここでは、４画素単位の矩形波投影パターンで、載置部１４０の微小移動すなわちステージシフトによって、投影素子の一画素の１／４のシフト量でずらした縞パターン画像を取得する場合を考える。

まず、測定器の測定範囲から縞パターンが測定対象物に投影されたときの、投影素子１画素分の長さを計算により算出する。この演算は、例えば移動制御部１４４で行う。そして、算出された１画素分の投影長さを４等分して、並進ステージ１４１を微小移動させる移動単位、すなわちシフト量を算出する。

次に、並進ステージ１４１を移動させない状態で一周期分の縞パターン画像を撮影する。ここで用いた縞パターンは、図２０Ａ～図２０Ｄに示すような一周期分のパターンセット０となる。この図において、図２０Ａは位相０の縞パターンであるパターンセット０－１、図２０Ｂは位相π／２の縞パターンであるパターンセット０－２、図２０Ｃは位相πの縞パターンであるパターンセット０－３、図２０Ｄは位相３π／２の縞パターンであるパターンセット０－４を、それぞれ示している。

次に、先ほど求めたシフト量分だけ並進ステージ１４１を移動させ、同様に一周期分の縞パターン画像を撮影して、図２２Ａ～図２２Ｄに示すような一周期分のパターンセット１を取得する。パターンセット１に含まれる各縞パターン１－１～１－４の位相は、上記図２０Ａ～図２０Ｄと同様、π／２ずつ異ならせている。

同様の手順を２回繰り返して、図２３Ａ～図２３Ｄに示すようなパターンセット２、及び図２４Ａ～図２４Ｄに示すようなパターンセット３を取得し、全部で１６枚の縞パターン画像を得る。

ここで、パターンセット１の撮影時には、並進ステージ１４１を投影素子一画素の１／４に相当するシフト量分だけ微小移動させていたため、測定対象物が投影素子の画素１／４分だけずれていることになる。よって、パターンセット１の投影パターンは、パターンセット０を基準にすると、図２２Ａ～図２２Ｄに示すようにパターンセット０の各位相から（π／２）÷４＝π／８程度シフトしたものに相当する。

同様にパターンセット２は、パターンセット０の各位相から（π／８）×２＝π／４程度、パターンセット３は（π／８）×３＝３π／８程度シフトしたものに、それぞれ相当する。よって、これらパターンセット０からパターンセット３までの各位相を合わせて、相当する位相シフト量毎に並べ替えると、図２５Ａ～図２５Ｐに示すように、π／８程度ずつシフトした１６枚の縞パターンを投光することに相当する。

このようにして、並進ステージ１４１を動かさないでパターンセット０、すなわち４枚の縞パターンを用いて、位相をπ／２ずつシフトさせた４点のデータを受光部１２０で得ることができる。ここで、パターンセット０で受光部１２０が取得する各データの位相シフト量と、サンプリング光量を、サンプリングセット０として図２６のグラフに示す。ここでは、受光部１２０の受光素子の画素（以下「カメラ画素」という）毎に、位相がπ／２ずつシフトした４点の受光量が得られる。

さらに、このようなパターンセット０で受光部１２０が取得したカメラ画素のデータ（サンプリングセット０）を基準に、投影素子一画素の１／４分のシフト量を受光素子上の長さ（カメラ画素の長さ）に換算して、又はカメラ画素の何画素分に当たるかに換算して、その分だけ位置をずらして、パターンセット１で得られたデータ（投影パターン画像の各画素）の光量を、サンプリングセット１としてサンプリングする。サンプリングセット０の図２６に、このサンプリングセット１を重ねた結果を、図２７のグラフに示す。このとき、投影画素の１／４のずれ量は、一般にはカメラ画素の整数倍にはならないので、補間計算によってカメラ画素に換算したサンプリング光量を求める。

同様にして、２／４投影画素分、及び３／４投影画素分ずらした光量を、それぞれパターンセット２とパターンセット３からサンプリングして、サンプリングセット２、３とする。この結果を、図２８のグラフに示す。

これによって、約π／８ずつシフトさせた１６点の光量をサンプリングすることができた。このようにして得られた光量（サンプリングセット０～３）から、位相を推定する。これにより、従来の４点のみ（図２６）の場合と比較して、量子化誤差を低減した高い精度で位相を推定することができる。サンプリング値の近似には、例えば最小２乗法による正弦波のフィッティング等、既知の手法が利用できる。
（カメラ画素に換算する補正方法）

上述したステージシフト機能において、測定対象物に縞投影して受光部１２０で撮像された投影パターン画像の、撮影素子１画素分の長さについては、一意に決まるものと仮定して計算を行うこともできるが、より精度を向上させるため、補正することもできる。三次元形状測定装置の投光光学系がテレセントリック光学系でない場合は、投影される１画素分の大きさは、投影素子と測定対象物との距離によって変化する。また、光学系を構成するレンズの歪曲収差の影響によって、画像の中心部と周縁部でも１画素分の大きさが変化することがある。このため、厳密には、投影パターン画像において撮影素子１画素分の長さを一意に決めることはできない。そこで、測定対象物に投影された撮影素子１画素分の長さを演算して、補正することによってより高精度な測定が可能となる。この手順を、以下説明する。

まず、パターンセット０の４枚の画像を用いて、４点法で位相推定を行う。また、空間コード法等によりアンラッピング処理を施し、絶対位相を求め、光学系のレンズの枠曲収差を補正して、点群データの推定を行う。

次に、得られた点群データの、各カメラ画素に対応する点の空間座標から、投影素子と測定対象物との距離を算出する。

さらに、算出した距離に基づいて、各カメラ画素位置での測定対象物に投影された撮影素子１画素分の長さを算出する。
（移動ピッチの補正方法）

また、以上の手順では、載置部１４０が正確に１／４投影画素単位で移動していると仮定している。ただ現実には、並進ステージの最小移動分解能や移動精度の制限等により、１／４投影画素単位で正確に移動させることは困難であり、誤差が発生し得る。そこで、このような実際の並進ステージを微小移動させる移動ピッチにずれが生じることを考慮して、光量をサンプリングする手法を説明する。

前提として、各カメラ座標において、投影素子１画素分の長さについては算出済みとする。またステージシフト測定では、並進ステージ１４１の移動ピッチはステッピングモータの駆動パルス数や変位計等の既知の手法により得られているものとする。この２つの情報を組み合わせることで、実際に移動させた載置面１４２の移動ピッチを、投影素子の画素の長さに換算することができる。これにより、各パターンセットにおける位相のシフト量を推定できる。また同様に、点群データの空間座標から、実際に移動させた載置面１４２の移動ピッチとカメラ画素の長さを換算することができる。ここで、載置部１４０の移動ピッチに相当するカメラ画素分だけシフトさせた位置の光量を、補間計算でサンプリングすることにより、載置面１４２が微小平行移動していない画素において、微小位相シフトさせた場合に相当する光量を得ることができる。

上記の例では、π／８ずつ等分にサンプリングさせた例を説明したが、実際には載置面１４２の移動ピッチから算出した位相のずれを用いることで、非等間隔でサンプリングすることになる。この場合でも、最小２乗フィッティングによって位相を推定することが可能となる。

以上説明した、ステージシフト測定における位相シフト間隔細分化による高精度点群算出の手順を、図２９のフローチャートに基づいて説明する。まずステップＳ２９０１において、測定対象物を載置面１４２に設置する。次にステップＳ２９０２において、必要に応じて照明光出力部１３０の明るさを調整する。そしてステップＳ２９０３において、空間コードパターンを投光し、ステップＳ２９０４において、空間コードパターンを撮影する。

次にステップＳ２９０５において、未だ撮影していない空間コードパターンが有るか否かを判定し、未だ残っている場合はステップＳ２９０３に戻って上記の処理を繰り返す。一方、ステップＳ２９０５において、未撮影の空間コードパターンが残っていないと判定された場合は、すべての空間コードパターンの撮影が完了したとして、ステップＳ２９０６において、正弦波パターンを投光する。そしてステップＳ２９０７において、正弦波パターンを撮影する。

さらにステップＳ２９０８において、撮影していない正弦波パターンがあるか否かを判定する。未撮影の正弦波パターンが残っている場合は、ステップＳ２９０６に戻って上記処理を繰り返す。一方、ステップＳ２９０８において、未撮影の正弦波パターンがないと判定された場合は、すべての正弦波パターン撮影が完了したと判定して、ステップＳ２９０９に進み、位相アンラッピングを行い、さらにステップＳ２９１０において点群を算出する。

次いでステップＳ２９１１において、載置部１４０を微小並行移動させる。移動ピッチは、上述の通り予め演算されたシフト量である。そしてステップＳ２９１２において、正弦波パターンを投光し、ステップＳ２９１３において正弦波パターンを撮影する。なお、この例では空間コードを共通とし、微小移動した先では正弦波パターンしか取得しないが、空間コードも取得してよい。例えば空間コードの最小分解能と移動量が近い場合は、空間コードを各位置で取得することも有効となる。ただ、測定時間が位置の数に応じて増えるため、処理速度が優先される用途では本例が有利となる。

そしてステップＳ２９１４において、撮影してない正弦波パターンが有るか否かを判定する。未撮影の正弦波パターンが残っている場合は、ステップＳ２９１２に戻って上記処理を繰り返す。一方、ステップＳ２９１４において、未撮影の正弦波パターンがないと判定された場合は、すべての正弦波パターンの撮影が完了したと判断して、ステップＳ２９１５に進み、１投影画素分の並進ステージ１４１の移動が完了したかを判定する。未だの場合はステップＳ２９１１に戻って、上記処理を繰り返す。そして１投影画素分の並進ステージ１４１の移動が完了したと判定した場合は、ステップＳ２９１６に進み、並進ステージ１４１の移動ピッチと非ステージシフト点群座標から、位相シフト量を算出する。そしてステップＳ２９１７において、各カメラ画素のステージシフトによる位相シフト量に対応するカメラ画素位置の光量を、補間により算出する。さらにステップＳ２９１８において、算出した位相シフト量と光量から、正弦波を最小２乗フィッティングし、初期位相を算出する。さらにまたステップＳ２９１９において、位相アンラッピングを行い、ステップＳ２９２０において点群を算出し、処理を終了する。これにより高精細化した点群が得られ、高精度な測定が可能となる。

ここで、ステージシフトさせたときの測定対象物の位置関係を、図３０Ａ～図３０Ｂに基づいて説明する。図３０Ａと図３０Ｂでは、縞パターンＢＰは変化させず、並進ステージ１４１を図３０Ａの状態からＸ軸方向（図において左側）に平行に微小移動させた状態を図３０Ｂに示している。またこの図では説明の簡素化のため、縞パターンＢＰは１本のみ図示している。並進ステージ１４１を微小移動させると、載置面１４２上の測定対象物も同様に、同じ量だけ微小移動することになる。ただし、縞パターンＢＰの位置は不変のため、結果的に測定対象物上に縞が照射される位置は、並進ステージ１４１の移動ピッチ分だけずれることになる。図中の黒丸の位置は、測定対象物の同一点を示しており、縞がシフト量分だけ移動しているように見えることが確認できる。このように、並進ステージ１４１を移動させずに、縞パターンＢＰを並進ステージ１４１の移動ピッチ分だけずらした（位相が進んだ）状態と概ね一致した縞パターンＢＰの照射結果と見なすことができる。このように、ステージシフトによって投影パターンの微小シフトと同様の効果が得られることが確認できる。

ステージシフトさせたときには、カメラで撮影した位置もずれることになる。ここで必要な情報は、測定対象物の同一点上において微小シフトさせた投影パターンの明るさであることから、ステージシフトさせたときにずれたカメラ上の画素の明るさをサンプリングすればよい。ここで、並進ステージ１４１を微小移動させたときにカメラで撮影した測定対象物上の同一点の様子を、図３１Ａ～図３１Ｄに示す。これらの図において、図３１Ａは並進ステージ１４１が基準位置（ステージ位置１）にあるときの測定対象物ＷＫ上の参照点ＲＰ、図３１Ｂ～図３１Ｄは並進ステージ１４１を微小移動させたときの同一の参照点ＲＰを、それぞれ示している。また測定対象物ＷＫ上の参照点ＲＰをハッチングで示し、受光部１２０の撮像素子の画素の境界を格子状に示している。これらの図に示すように、受光部１２０のカメラで撮影した測定対象物ＷＫの参照点ＲＰが、並進ステージ１４１を微小移動するに従って位置が変化していく。ステージシフトさせると、参照点ＲＰの位置がずれていくが、当然ながら撮像素子の画素の大きさの単位でずれていく訳ではない。このため、撮像素子で各位置の明るさを取得する場合は、補間によって明るさを推定する必要がある。例えば図３１Ｂに示すステージ位置２における測定対象物ＷＫ上の参照点ＲＰは、図３１Ａに示す基準位置、すなわち並進ステージ１４１を移動させていない状態の参照点ＲＰから見ると、０．７５画素分だけ左にずれた位置が同一点を表すことになる。同様に図３１Ｃのステージ位置３では、１．５画素分、図３１Ｄのステージ位置４では２．２５画素分だけ、それぞれ左にずれた位置が測定対象物ＷＫの同じ位置を表している。測定対象物ＷＫの参照点ＲＰを空間上で移動させた場合、カメラ撮影画像で何画素分だけずれた位置に映るかは、演算によって求めることができる。

同様に、投光側でも並進ステージ１４１を移動させると測定対象物ＷＫの同一点を表す投影画素はずれることになるが、そのずれが投影素子何画素分に相当するのかについても、演算によって求めることができる。投影素子のずれ量は、そのまま位相のずれに対応するので、ステージシフトによって投影パターンの位相がどれだけずれたかを算出できることになる。例えば、並進ステージ１４１の移動によって１／４画素だけ投影画素がずれた位置が測定対象物ＷＫの参照点ＲＰに相当すると仮定すると、４点法の場合、１投影画素のずれが位相π／２に相当するので、π／８だけ並進ステージ１４１の移動前の位相からずらした正弦波パターンを投影した状態に相当する。

なお、上述した例では、並進ステージ１４１の移動方向を図３０Ａ～図３０Ｂに示したようにカメラのＸ軸方向と平行な向きとする場合を説明した。ただ本発明は、並進ステージ１４１を微小移動させる方向を、この方向に限定するものでない。例えば、並進ステージ１４１を奥行き方向、すなわち載置面１４２の平面視において、載置部１４０が支持部に接近及び離間する方向に移動させてもよい。このような例を図３２Ａ～図３２Ｂに示す。これらの図において、図３２Ａは縞パターンＢＰを測定対象物ＷＫに投影した状態の斜視図、図３２Ｂは図３２Ａの状態から縞パターンＢＰを不変のまま、Ｙ軸方向（図において上方向）にステージシフトさせた状態を、それぞれ示している。これらの図においても、上述した図３０Ａ～図３０Ｂと同様、測定対象物ＷＫ上の参照点ＲＰである黒丸の位置と縞の位置関係が、並進ステージ１４１のＹ方向への微小移動によって変化しており、縞パターンＢＰを微小シフトさせたのと同様の効果が、この並進ステージ１４１の移動でも得られることが確認できる。また、このとき受光部１２０のカメラ撮影画像上の同一点は、Ｘ方向ではなくＹ方向にずれていくことになる。この例においても、並進ステージ１４１のステージシフト後のシフト量に対応する撮像素子の画素のずれ量（画素シフト量）と、投影素子の画素シフト量は演算により求めることができる。

また、Ｘ方向とＹ方向の両方に並進ステージ１４１を微小移動させても、同様にステージシフト後の撮像素子の画素シフト量と投影素子の画素シフト量を演算により求められる。さらに、並進ステージ１４１に加えて、載置面１４２を高さ方向（Ｚ方向）に移動させるＺステージを設けて３軸移動させる場合においても、同様にステージシフト後の撮像素子の画素シフト量と投影素子の画素シフト量を演算により求められる。
（ステージシフト測定によりカメラ画素密度を向上させる方法）

次に、サンプリング間隔を変えずにカメラ画素密度を向上させる方法について、図３３のフローチャートに基づいて説明する。ここでは、始めにステージシフトせずに空間コードパターンの投光、撮影と、正弦波パターンの投光、撮影を行い、正弦波パターンから算出したラップされた位相を、空間コードから算出した位相を用いてアンラップ位相を求めて、点群に変換する。具体的には、まずステップＳ３３０１において、測定対象物を載置面１４２に設置する。次にステップＳ３３０２において、必要に応じて照明光出力部１３０の明るさを調整する。そしてステップＳ３３０３において、空間コードパターンを投光し、ステップＳ３３０４において、空間コードパターンを撮影する。

次にステップＳ３３０５において、撮影していない空間コードパターンがあるか否かを判定し、ある場合はステップＳ３３０３に戻って処理を繰り返す。そして未撮影の空間コードパターンがない場合は、各空間コードパターンの撮影が完了したと判定してステップＳ３３０６に進む。ステップＳ３３０６では正弦波パターンを投光し、ステップＳ３３０７でこの正弦波パターンを撮影する。そしてステップＳ３３０８において、撮影していない正弦波パターンがあるか否かを判定し、ある場合はステップＳ３３０６に戻って処理を繰り返す。そして未撮影の正弦波パターンがない場合は、すべての正弦波パターンの撮影が完了したとして、ステップＳ３３０９に進んで位相アンラッピングを行い、ステップＳ３３１０で点群を算出する。

次に並進ステージ１４１をシフトさせて、測定対象物を微小に平行移動させた状態で正弦波パターンの投光、撮影を行い、ラップされた位相を求める。その位相を並進ステージ１４１の移動前の空間コードから算出した位相を用いて位相アンラッピングを行い、点群に変換する。ここで並進ステージ１４１の移動ピッチは、上述した位相シフトのサンプリング間隔を細分化する手法と同様である。具体的には、ステップＳ３３１１において、並進ステージ１４１を微小平行移動する。そして同様にステップＳ３３１２において正弦波パターンを投光し、ステップＳ３３１３において正弦波パターンを撮影する。さらにステップＳ３３１４において、撮影していない正弦波パターンがあるか否かを判定し、ある場合はステップＳ３３１２に戻って処理を繰り返し、ない場合はすべての正弦波パターンの撮影が完了したとしてステップＳ３３１５に進み、位相アンラッピングした後、ステップＳ３３１６で点群を算出する。

さらに必要な回数分だけ並進ステージ１４１を移動させて、同様に点群を求める。具体的には、ステップＳ３３１７において、１投影画素分の並進ステージ１４１の移動が完了したか否かを判定し、未だの場合はステップＳ３３１１に戻って処理を繰り返す。そして１投影画素分の並進ステージ１４１の移動が完了した場合は、ステップＳ３３１８に進み、点群を位置合わせして高密度な点群を算出し、処理を終了する。すなわち、求めた複数の点群の位置合わせを行う。位置合わせは、並進ステージ１４１の移動ピッチが分かっているので、並進ステージ１４１の移動ピッチの推定精度が十分に高ければその移動ピッチ分だけずらせば良い。もし並進ステージ１４１の移動ピッチの推定精度が十分で無い場合は、例えばＩＣＰ（Iterative Closest Point）を用いて、ステージシフトしない点群に対して、それ以外の各点群のペアで位置合わせを行うことで、点群の分布を元に、より誤差の少ない位置推定を行うことができる。このようにして合成された点群は、カメラの画素密度が並進ステージ１４１の移動回数倍だけ向上されている。
（ステージシフト設定画面１８００）

上述したステージシフト機能の実行は、ステージシフト選択部で行う。例えばステージシフト機能の実行可否や測定について、専用の設定ＧＵＩを用意して表示部に表示させ、ユーザに設定させるように構成することができる。このようなステージシフト機能の設定ＧＵＩの例として、ステージシフト設定画面１８００を図３４に示す。この図に示すステージシフト設定画面１８００は、操作領域１８２０と画像表示領域１８１０を設けている。操作領域１８２０は、各種の設定を行うボタンやツールを配置した領域である。また画像表示領域１８１０は、観察画像等の画像を表示させる領域である。図３４の例では、ステージシフト設定画面１８００の上部に操作領域１８２０を、下部に画像表示領域１８１０を配置しているが、この配置例に限定されるものでない。
（ステージシフト選択部）

操作領域１８２０において、中段に設けた「解像度」欄１８３０が、ステージシフト選択部に相当する。「解像度」欄１８３０においては「標準」ボタン１８３１と「高精細」ボタン１８３２が設けられている。ユーザが「標準」ボタン１８３１を選択すると、ステージシフトを行わない通常の測定が実施される。また「高精細」ボタン１８３２を選択すると、ステージシフト機能が実行される。ステージシフトを実行した測定に際して、並進ステージ１４１の移動ピッチや移動回数、位相シフト間隔細分化や点群高密度化の設定等は「設定」ボタン１８３３を押下することで、詳細な設定を行うことができるよう構成できる。また、図７等で説明した高倍率の光学系と低倍率の光学系を受光部１２０が備える構成においては、低倍率レンズと高倍率レンズのそれぞれに予め設定された設定値が用いられるように構成してもよい。

さらに、ステージシフト設定画面１８００の設定によってステージシフト機能の実施を選択する手順を、図３５のフローチャートに基づいて説明する。まずステップＳ３５０１において、測定対象物を並進ステージ１４１に設置する。次にステップＳ３５０２において、必要に応じて照明光出力部１３０の明るさを調整し、ステップＳ３５０３においてステージシフト測定を実施するか否かを設定する。ここでは、三次元形状測定装置がステージシフト設定画面１８００において、ユーザに対しステージシフト機能のＯＮ／ＯＦＦの選択を促す。そしてステップＳ３５０４において、ステップＳ３５０３で設定されたステージシフト機能の実行有無を判定し、実行しない場合はステップＳ３５０５に進み、ステージシフトを実行せずに点群を算出し、処理を終了する。一方、ステージシフト機能を実行する場合は、ステップＳ３５０６に進み、ステージシフトを行って測定した点群を算出し、処理を終了する。このようにして、ステージシフト機能の実行可否を設定でき、これに従い点群データを取得する。

なお、以下の説明では載置部１４０として、図６等に示した並進ステージ１４１と回転ステージ１４３を備えるＸＹθステージを採用した例について説明するが、本発明は載置部をこの構成に限定しない。例えば図６の例では、回転ステージ１４３上に並進ステージ１４１が配置されているが、図１０に示すように並進ステージ１４１上に回転ステージ１４３が配置された構成としてもよい。また図３６に示す変形例に係る三次元形状測定装置５００Ｃのように、回転ステージを有さない並進ステージ１４１のみを用いた載置部１４０Ｃを用いる構成においても、本発明を適用できる。このように本実施形態に係る三次元形状測定装置では、測定部に対して測定対象物を一方向（例えばＸ軸方向）に駆動できる駆動軸を有する構成を最小構成とする。ここでいう一方向とは、三次元形状測定装置に対してではなく、投影パターンの送り方向に対して平行という意味である。例えば図２の例では、並進ステージ１４１のＸ方向駆動軸を、パターン送り方向すなわち撮像系に対してパターン投影系が設置されている方向（図２において左右方向）に一致させている。また、測定部の載置面１４２に対する見込み角は、４５°に限定されず、上方からの測定でも良い。

本発明の三次元形状測定装置、三次元形状測定方法、三次元形状測定プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体並びに記録した機器は、測定対象物の高さを三角測距等の原理を利用して測定する三次元形状測定装置やデジタイザ、あるいはこれらの検査結果に基づいて、良品か不良品かを判定する検査装置として好適に利用できる。

１…制御用ＰＣ
２…モニタ
３…キーボード
４…入力デバイス
１００…測定部
１０１…本体ケース
１０２…遮光カバー
１１０…投光部；１１０Ａ…第一測定光投光部；１１０Ｂ…第二測定光投光部
１１１…測定光源
１１２…パターン生成部
１１３～１１５、１２２、１２３…レンズ
１２０…受光部
１２１…カメラ
１２１Ｂ…第一カメラ；１２１Ｃ…第二カメラ
１２１ａ…撮像素子；１２１ｂ…第一受光素子；１２１ｃ…第二受光素子
１２５…固定部
１３０…照明光出力部
１４０、１４０Ｂ、１４０Ｃ…載置部
１４１…並進ステージ
１４２…載置面
１４３…回転ステージ
１４４、１４４Ｂ…移動制御部
１５０…測定制御部
２００…コントローラ
２１０…ＣＰＵ
２１１…点群データ合成部
２１６…画像検査部；２１６ｂ…計測部
２２０…ＲＯＭ
２２８…高さ画像取得部
２３０…作業用メモリ
２４０…記憶装置
２５０…操作部
２６０…点群データ生成部
２６４…測定領域設定部
３００…光源部
３１０…制御基板
３２０…観察用照明光源
４００…表示部
５００、５００Ｂ、５００Ｃ、５００Ｘ…三次元形状測定装置
５００Ａ…三次元形状測定装置本体
６００…台座部
６０２…ベースプレート
７００…支持部
７０２…支柱部
１０００…三次元形状測定システム
１８００…ステージシフト設定画面
１８１０…画像表示領域
１８２０…操作領域
１８３０…「解像度」欄
１８３１…「標準」ボタン
１８３２…「高精細」ボタン
１８３３…「設定」ボタン
ＷＫ…測定対象物
ＭＬ…測定光；ＭＬ１…第一測定光；ＭＬ２…第二測定光
ＬＡ１…第一光軸；ＬＡ２…第二光軸
ＩＬ…照明光
Ｔ…一周期
ＰＰ…投影画素；ＮＰ…非投影画素
ＢＰ…縞パターン
ＲＰ…参照点

Claims (16)

1. 測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定装置であって、
   測定対象物を載置させる載置面を有し、該載置面を平行移動させるための並進ステージを有する載置部と、
   独立して制御可能な複数の投影素子が二次元状に配置され、周期的な明暗の位相を有する所定の投影パターンを有する測定光を、前記載置部に載置された測定対象物に照射する投光部と、
   前記投光部により照射され、測定対象物にて反射された測定光を受光して投影パターン画像を生成する受光部と、
   前記受光部により生成された複数の投影パターン画像に基づいて、測定対象物の立体形状を表す第１の点群データを生成する点群データ生成部と、
   前記投光部の各投影素子を制御することで前記載置部上に投影可能な最小の投影パターンの幅以下の移動ピッチで、前記並進ステージを平行移動させる移動制御部と、
   を備え、
   前記点群データ生成部は、前記移動制御部により前記並進ステージを前記移動ピッチで平行移動させ、前記受光部により生成された複数の投影パターン画像と、前記第１の点群データの各座標を用いて当該移動ピッチを当該投影パターン画像における移動量として換算した位相シフト量とに基づいて、測定対象物の立体形状を表す第２の点群データを生成する三次元形状測定装置。
2. 請求項１に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記投光部が、
   測定光源と、
   各々が前記測定光源から出射された光を透過又は反射する前記投影素子を二次元状に配列し、各投影素子の透過又は反射を制御することにより前記投影パターンを生成するパターン生成部を備えてなる三次元形状測定装置。
3. 請求項２に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記パターン生成部が、ＤＭＤである三次元形状測定装置。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記移動制御部は、前記並進ステージを、前記受光部に対し前記投光部が測定光を投光する方向と平行な方向に、前記移動ピッチで平行移動させるよう構成してなる三次元形状測定装置。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記投光部は、前記投影パターンを複数の線を平行に並べた縞投影パターンとしており、
   前記移動制御部は、前記載置部上に投影される縞投影パターンを構成する線と交差する方向に、前記並進ステージを前記移動ピッチで平行移動させるよう構成してなる三次元形状測定装置。
6. 請求項５に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記並進ステージが第一位置にある状態で、前記投光部でもって、位相を異ならせた複数の投影パターンを照射して、それぞれ得られた投影パターン画像の集合である第一パターンセット、及び、
   前記並進ステージが前記第一位置から前記移動ピッチ分移動された第二位置にある状態で、前記投光部でもって、位相を異ならせた複数の投影パターンを照射して、それぞれ得られた投影パターン画像の集合である第二パターンセットに基づいて、
   前記点群データ生成部が、位相シフト法に従い各投影パターン画像に含まれる明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定するよう構成してなる三次元形状測定装置。
7. 請求項６に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記点群データ生成部が、前記第一パターンセットと、第二パターンセットを構成する各投影パターン画像を、位相のシフト量の順に並び変え、該並び変えられた各投影パターン画像に基づき、位相シフト法に従い各投影パターン画像に含まれる明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定するよう構成してなる三次元形状測定装置。
8. 請求項６又は７のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記点群データ生成部は、前記複数の投影パターン画像の内、任意の位置の投影パターン画像を生成した前記並進ステージの位置を基準として、他の投影パターン画像を、前記並進ステージの位置で生成したと推定した場合の画素値に変換した状態で、前記点群データを生成するよう構成してなる三次元形状測定装置。
9. 請求項６に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記点群データ生成部は、前記複数の投影パターン画像を、該複数の投影パターン画像を生成した前記並進ステージの位置に応じて重ね合わせるようにして、前記点群データを生成するよう構成してなる三次元形状測定装置。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置であって、
    前記受光部を構成する一画素が、前記投影素子の一画素よりも小さい三次元形状測定装置。
11. 請求項１～１０のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置であって、さらに、
    前記移動制御部により前記並進ステージを微小平行移動させるか否かを選択するステージシフト選択部を備え、
    前記移動制御部は、前記ステージシフト選択部による選択結果に基づいて、前記並進ステージを微小平行移動させるよう構成してなる三次元形状測定装置。
12. 測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定方法であって、
    測定対象物を載置させる載置面を有し、該載置面を平行移動させるための並進ステージを有する載置部に、測定対象物を載置した状態で、初期位置に位置された前記並進ステージ上の測定対象物に対し、独立して制御可能な複数の投影素子が二次元状に配置された投光部で、周期的な明暗の位相を有する所定の投影パターンを有する測定光を生成して照射し、測定対象物で反射された測定光を受光部で受光して、投影パターン画像を生成する工程と、
    前記投光部の各投影素子を制御することで前記載置部上に投影可能な最小の投影パターンの幅以下の移動ピッチで、前記並進ステージを移動制御部で平行移動させ、移動後の位置において、前記投光部から測定光を測定対象物に照射し、測定対象物で反射された測定光を受光部で受光して、投影パターン画像を生成する工程を、所定回数繰り返して、前記移動ピッチで移動された各位置毎に投影パターン画像を取得する工程と、
    点群データ生成部で、
    前記受光部により生成された複数の投影パターン画像に基づいて、測定対象物の立体形状を表す第１の点群データを生成し、
    前記移動制御部により前記並進ステージを前記移動ピッチで平行移動させ、前記受光部により生成された複数の投影パターン画像と、前記第１の点群データの各座標を用いて当該移動ピッチを当該投影パターン画像における移動量として換算した位相シフト量とに基づいて、測定対象物の立体形状を表す第２の点群データをそれぞれ生成し、測定対象物の各位置における立体形状を表す点群データを合成し、測定対象物の立体形状を連続的に表す外形情報を取得する工程と、
    を含む三次元形状測定方法。
13. 請求項１２に記載の三次元形状測定方法であって、
    前記初期位置において投影パターン画像を生成する工程が、前記投光部でもって、位相を異ならせた複数の投影パターンを照射して、それぞれの投影パターンで得られた投影パターン画像の集合である第一パターンセットを生成する工程を含み、
    前記移動後の位置において投影パターン画像を生成する工程が、前記投光部でもって、位相を異ならせた複数の投影パターンを照射して、それぞれ得られた投影パターン画像の集合である第二パターンセットを生成する工程を含み、
    前記外形情報を取得する工程が、前記第一パターンセット及び第二パターンセットに基づいて、位相シフト法に従い各投影パターン画像に含まれる明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定する工程を含む三次元形状測定方法。
14. 請求項１３に記載の三次元形状測定方法であって、
    前記外形情報を取得する工程が、前記第一パターンセットと、第二パターンセットを構成する各投影パターン画像を、位相のシフト量の順に並び変え、該並び変えられた各投影パターン画像に基づき、位相シフト法に従い各投影パターン画像に含まれる明暗のピークの位置を演算することで、測定対象物の表面形状を測定する工程を含む三次元形状測定方法。
15. 測定対象物の三次元形状を測定する三次元形状測定プログラムであって、
    測定対象物を載置させる載置面を有し、該載置面を平行移動させるための並進ステージを有する載置部に、測定対象物を載置した状態で、初期位置に位置された前記並進ステージ上の測定対象物に対し、独立して制御可能な複数の投影素子が二次元状に配置された投光部で、周期的な明暗の位相を有する所定の投影パターンを有する測定光を生成して照射し、測定対象物で反射された測定光を受光部で受光して、投影パターン画像を生成する機能と、
    前記投光部の各投影素子を制御することで前記載置部上に投影可能な最小の投影パターンの幅以下の移動ピッチで、前記並進ステージを移動制御部で平行移動させ、移動後の位置において、前記投光部から測定光を測定対象物に照射し、測定対象物で反射された測定光を受光部で受光して、投影パターン画像を生成する工程を、所定回数繰り返して、前記移動ピッチで移動された各位置毎に投影パターン画像を取得する機能と、
    点群データ生成部で、
    前記受光部により生成された複数の投影パターン画像に基づいて、測定対象物の立体形状を表す第１の点群データを生成し、
    前記移動制御部により前記並進ステージを前記移動ピッチで平行移動させ、前記受光部により生成された複数の投影パターン画像と、前記第１の点群データの各座標を用いて当該移動ピッチを当該投影パターン画像における移動量として換算した位相シフト量とに基づいて、測定対象物の立体形状を表す第２の点群データをそれぞれ生成し、測定対象物の各位置における立体形状を表す点群データを合成し、測定対象物の立体形状を連続的に表す外形情報を取得する機能と、
    をコンピュータに実現させるための三次元形状測定プログラム。
16. 請求項１５に記載のプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体又は記録した機器。

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