JPH11148810A

JPH11148810A - 形状計測装置

Info

Publication number: JPH11148810A
Application number: JP10192166A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Futamura; 伊久雄二村; Manabu Okuda; 学奥田; Susumu Shibata; 進柴田
Original assignee: NEKUSUTA KK; CKD Corp
Current assignee: NEKUSUTA KK; CKD Corp
Priority date: 1997-09-09
Filing date: 1998-07-07
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2018-07-07
Also published as: JP3914638B2; US6075605A

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】高さの高い被測定物でも計測可能でありなが
ら高分解能の形状計測装置を提供すること。【解決手段】形状計測装置１００は、スリット状レー
ザ光線を発生する光源１と、これを走査し被測定物Ｍに
照射するポリゴンミラー５を有する。さらに、１フレー
ム分の撮像期間内に照射される光線の積算照射強度分布
を所定コードに従うストライプ状および正弦波状パター
ンとする空間コード型光線制御手段１１と位相シフト型
光線制御手段１４とを有し、この光線による被測定物Ｍ
の光学像を撮像するＣＣＤカメラ２１を有する。また、
撮像した画像情報から、空間コード化法により粗形状を
算出する空間コード型形状演算手段４０、位相シフト法
により細部形状を算出する位相シフト型形状演算手段５
０、および、これらのデータを合成し被測定物Ｍの形状
を算出する形状合成演算手段６０を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物の変位や
三次元形状を光学的手段を用いて非接触で計測する形状
計測装置に関し、更に詳しくは、光線を被測定物に照射
し、その光学像を撮像した画像情報を演算して形状を算
出する形状計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の変位および三次元形状を非接触で
計測する手法の１つとして、空間コード化法が知られて
いる。この空間コード化法の一例として、特開平５−３
３２７３７号公報に開示されているものを図３３を参照
して説明する。図３３の形状計測装置１１０は、レーザ
光源１１７と、レーザ光をスリット形に整形するレンズ
系１１８と、整形されたレーザ光を被測定物Ｍに向けて
照射するポリゴンミラー１１９と、被測定物Ｍによる反
射光を検出するＣＣＤカメラ１１１と、これらを制御す
るコントロール部１１２とを有している。

【０００３】レーザ光源１１７は、所定の規則に従って
点滅するように制御されており、ポリゴンミラー１１９
は回転してレーザ光を偏向・走査する。従って、被測定
物Ｍの表面には、レーザ光が照射された部分と照射され
なかった部分とのストライプ模様が生ずる。ここで、Ｃ
ＣＤカメラ１１１の１フレーム（１枚分）の蓄積時間
（撮像期間）内にレーザ光の走査が１回行われるように
なっているので、１フレーム分の画像データには、被測
定物Ｍのストライプ模様状のデータが蓄積される。そし
て、異なる点滅パターンによる複数回の走査をおこなっ
て、異なる複数のストライプ模様データを各走査ごとに
蓄える。ついで、これらのストライプ模様データに基づ
き、コントロール部１１２に内蔵される演算装置が、被
測定物Ｍの各点の空間コード番号を算出し、さらに三角
測量の原理を利用して各画素に対応する被測定物Ｍ上の
点の座標を算出し、形状を計測する。

【０００４】この手法によれば、光が照射される空間
は、多数の断面略扇状の小空間に分けられ、この小空間
には一連の空間コード番号が付されるため、被測定物Ｍ
の高さが高くても（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。従って、高さの高い被測定物についても全体にわ
たって形状を計測できる。

【０００５】更に、レーザ光を走査して用いたこの例に
おいては、機械的なパターンマスクおよびその入れ替え
操作を不要として、装置の小型化と迅速な計測ができる
利点がある。

【０００６】また、他の手法としては、位相シフト法
（格子パターン投影法、しま走査法ともいう）が知られ
ている。この方法では、照度分布を正弦波状に変動させ
た格子パターンをもつ光線を被測定物に投影する。しか
も、正弦波の位相を１／４周期ずつ４段階にずらした格
子パターンで投影し、高さ計測点の各明度値を光線の投
影方向とは別の角度から各パターン毎に測定し、各明度
値より格子パターンの位相値を計算する。計測点の高さ
に応じて、計測点に投影される光線の照度が変わり、格
子パターンの位相が変調されて、被測定物がない場合に
観察される位相とは異なった位相の光線が観察される。
そこで、計測点における光線の位相を計算し、三角測量
の原理を利用して、光学装置の幾何関係式に代入するこ
とにより計測点（従って物体）の高さを計測し、三次元
形状を求める方法である。

【０００７】この手法による形状計測装置に一例とし
て、特開平４−２７８４０６号公報に開示されているも
のを図３４を参照して説明する。図３４の形状計測装置
１２０は、計測の基準となる基準面Ｌ上におかれた被測
定物Ｍの各点の高さや形状を測定するものである。この
装置１２０は、被測定物Ｍを撮像する撮像カメラ１２２
と、格子パターンを投影し、１／４周期ずつシフトさせ
る投影装置１２３と、格子パターンを１／４周期ずつシ
フトさせる信号を出力する投影制御装置１２４と、撮像
カメラ１２２で撮像した画像を指定された時に１枚ずつ
４枚分格納する画像メモリ１２５と、計測に用いるコン
ピュータ１２６とを有している。また、コンピュータ１
２６は、投影制御装置１２４の指示、画像メモリ１２５
の画像格納指示、画像の明度値の読み込みを行う。

【０００８】この形状計測装置１２０のよる計測方法は
以下のようである。即ち、基準面Ｌ上におかれた被測定
物Ｍに投影装置１２３から照度分布が正弦波状の光を投
影（照射）する。これにより被測定物Ｍの表面には、濃
淡縞状の模様が形成される。この模様を撮像カメラ１２
２によって撮像し、コンピュータ１２６の指示により第
１枚分として画像メモリ１２５に格納する。ついで、コ
ンピュータ１２６の指示により投影制御装置１２４から
信号を出力させ、これによって投影装置１２３は、格子
パターンをその位相が１／４周期分シフトした別の格子
パターンに変更する。ついで、上記と同様に被測定物Ｍ
に投影装置１２３から光を投影し、撮像カメラ１２２で
撮像した画像を第２枚分として画像メモリ１２５に格納
する。同様に、格子パターンの位相を１／４周期ずつシ
フトさせて撮像した第３、第４枚分の画像を画像メモリ
１２５に格納する。ついで、画像メモリ１２５の各画像
データから画像の明度値を読み込み、演算して被測定物
Ｍの表面各点の高さや形状を算出する。

【０００９】この手法によれば、格子パターンの格子間
隔を狭くしなくとも、明度値から算出した位相値によっ
て被測定物の各点の高さを算出できるため、粗く量子化
された高さデータではなく、細かな高さデータを得るこ
とができる、つまり、高さ方向の分解能を小さく（高分
解能に）できる利点がある。

【００１０】なお、この手法においては、照度分布が正
弦波状の格子パターンを投影する必要があるが、このよ
うな格子パターンを実現する手段としては、以下のよう
なものがあった。即ち、一定幅のスリットを一定間隔に
並べた、すだれ状のマスクあるいは透明と不透明の部分
を交互に並べたストライプ状のフィルタ（マスク）を形
成しておき、投影光の焦点をずらしながらこのマスクを
透過させて、投影光の照度分布に略正弦波状の変動を与
えていた。また、液晶スリットの透過率を正弦波状に変
化させておき、この液晶スリットを通して投影すること
もあった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述した空間コード化
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、高さの高い被測定物についても全体にわたって
形状を計測できる。しかし、付与される空間コード番号
の数（小空間の数）を撮像するＣＣＤカメラの光線走査
方向に並ぶ画素数（水平方向の画素数）より多くするこ
とはできない。このため、この手法による高さ方向の分
解能を高くするのには限度がある。従って、空間コード
化法で被測定物の高さを計測した場合、粗く量子化され
た高さデータとなる。

【００１２】例えば、図３５(a)に示す形状（断面形
状）の被測定物Ｍ１の基準面Ｌからの高さを空間コード
化法で計測した場合について説明する。被測定物Ｍ１
は、図中左側に斜面を持ち、右側上面は平面となった断
面台形状の物体である。

【００１３】この被測定物Ｍ１の高さ（形状）を空間コ
ード化法によって計測した場合、図３５(b) に示すよう
に、全体にわたって、高さを測定できる。これは、許容
高さのレンジが広いからである。しかし、高さが空間コ
ード番号ごとに区切られて量子化されるために、斜面で
あっても階段状のデータとして算出されることになる。

【００１４】一方、上述した位相シフト法による場合、
通常照射する格子パターンには、正弦波状の波が複数
（数〜数十波長分程度）含まれるようにする。従って、
被測定物の高さが高い場合（高低差が大きい場合）に
は、被測定物Ｍ１の各計測点を見込むＣＣＤカメラの各
画素が観察する光線の位相に対し、その画素が、被測定
物Ｍ１をなくして基準面Ｌを見込んだとした場合に、基
準面Ｌに照射された光線の位相との差である位相の変調
量（ずれ量）が２π（あるいは４π、６π・・）を越え
ることになる。つまり、本来、基準面Ｌのある部分に照
射された正弦波状パターンの光線をある画素で観察した
ときに算出される光線の位相に比べ、被測定物Ｍ１を置
いたために、その画素が観察する光線の位相は、変調さ
れて異なった値となる。この位相のずれ量（変調量）
は、被測定物Ｍ１の高さ（正確には、被測定物Ｍ１のう
ち、考察している画素が見込む計測点の高さ）が高いほ
ど大きくなる。そして、この被測定物Ｍ１（正確には計
測点）の高さが高い場合には、位相のずれ量は、２π
（あるいは４π、６π…）を越える場合もある。

【００１５】しかし、画像情報から位相を算出するとき
には正弦波の周期性より、位相が０〜２πの範囲の値で
しか算出されないので、２π（４π、６π・・）を越え
た位相のずれ量のうち２π（４π、６π・・）分は無視
される。即ち、２π（４π、６π・・）を越える分のず
れ量しか位相の計算時に寄与しない。従って、被測定物
の高さが低いもの（位相のずれ量が２π未満のもの）に
ついては、正しく高さを算出できるが、高さの高いもの
（位相のずれ量が２π以上のもの）については、２π
（４π、６π・・）を越える分（本来のずれ量から２π
…を差し引いた分）のずれ量に対応する高さしかないと
算出されてしまう。

【００１６】例えば、図３５(a) に示す形状の被測定物
Ｍ１を、上記した空間コード化法と同様に位相シフト法
で計測すると以下（図３５(c) 参照）のようになる。す
なわち、左端点Ｐ０から斜面の途中Ｐ１まで（Ａ部）に
おいては、被測定物Ｍ１の高さが低いため、位相のずれ
量が２π未満となる。したがって、被測定物Ｍ１の形状
に沿った形状データが算出される。しかし、位相のずれ
量がちょうど２πとなる点Ｐ１では、位相は変調されな
かったように見えるので、高さ＝０と算出されてしま
う。従って、位相のずれ量が２πを越える点Ｐ１〜Ｐ２
の間のＢ部では、ずれ量のうち２πが無視されるため、
算出された高さデータは一旦０から始まる鋸歯状にな
る。さらに、位相のずれ量が４πを越える点Ｐ２から右
端点Ｐ４までのＣ部においても、ずれ量のうち４πが無
視され、同様に高さデータは実際の形状からずれ量４π
分の高さだけ差し引いた形状データとして算出される。

【００１７】このように、位相シフト法によれば、被測
定物の高さを高分解能で計測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）しか計測できな
い。

【００１８】さらに、上述した位相シフト法において上
述したスリットを並べたすだれ状マスクやフィルタを用
いる場合には、投影光の照度分布が焦点からのずれ量に
よって影響を受け、必ずしも正弦波状にならないため、
位相の誤差が生じる。また、液晶スリットを用いる場合
にはコントラストの低い液晶スリットを透過させるた
め、投影光の照度分布の変化量も小さくなり明度値の誤
差が大きくなる問題もあった。さらに、被測定物に面状
の光を投影するため、光源の光量が不足していると、投
影される光の照度が低くなり明度値の誤差が大きくな
る。これについては、大光量の光源を用いれば良いが、
そうすると消費電力や発熱、スリット等の耐熱性、装置
の大型化等の問題を生じる。

【００１９】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
ものであって、本発明の目的は、高さの高い被測定物で
も計測可能でありながら高分解能の形状計測装置を提供
することにある。他の目的は、被測定物の各部を均一な
分解能で計測できる形状計測装置を提供することにあ
る。また、他の目的は、スリット状光線を走査して被測
定物に照射して計測することにより、機械的なスリット
等を不要とし、しかも、空間コード化法計測と位相シフ
ト法による計測とを共通の機械構成を用いて行うことの
できる形状計測装置を提供することにある。更に他の目
的は、スリット状光線を走査して被測定物に照射して計
測することにより、機械的なスリット等を不要とした位
相シフト法による形状計測装置を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】しかし
て、請求項１に記載の解決手段は、１フィールドまたは
１フレーム分の撮像期間内に照射される光線の積算照射
強度分布が、所定コードに従うストライプ状パターンの
光線、および、正弦波状パターンの光線を、順次、被測
定物に照射する光線照射手段と、上記光線により上記被
測定物の表面に生じる光学像を積分型撮像部材によって
撮像する撮像手段と、該撮像手段から出力される複数フ
ィールドまたは複数フレームの画像情報を演算処理する
ことにより上記被測定物の形状を算出する画像情報演算
手段と、を有し、該画像情報演算手段は、上記被測定物
に上記所定コードに従ったストライプ状パターンの光線
を照射して得られた空間コード化画像情報と、上記被測
定物に上記正弦波状パターンの光線を照射して得られた
位相シフト化画像情報とから、被測定物の形状を算出す
る形状計測装置である。

【００２１】上記構成を有する本発明の形状計測装置に
よれば、画像情報演算手段において、被測定物に所定コ
ードに従ったストライプ状パターンの光線を照射して得
られた空間コード化画像情報と、被測定物に正弦波状パ
ターンの光線を照射して得られた位相シフト化画像情報
とから、被測定物の形状を算出する。このため、空間コ
ード化画像情報には、許容高さのレンジが広い（ダイナ
ミックレンジの広い）空間コード化法を適用し、また位
相シフト化画像情報には、高分解能の位相シフト法を適
用して、この２つの手法から被測定物の形状を算出でき
るので、ダイナミックレンジが広く、高さの高い被測定
物でも計測でき、しかも高分解能の計測ができる。

【００２２】ここで、光線照射手段は、ストライプ状パ
ターンの光線および正弦波状パターンの光線をそれぞれ
被測定物に照射できればよく、光源や照射強度を変化さ
せるための手段については、別々のものを適宜切り替え
て使用してもよく、１つのものを使い分けても良い。ま
た、積算照射強度分布とは、ある期間内に照射される光
線の照射強度を積算したときの照射強度の分布をいう。
従って、本発明では、積算照射強度分布がストライプ状
あるいは正弦波状とされていればよく、ある瞬間に照射
されている光線の照射強度がストライプ状等に分布して
いる必要はない。

【００２３】また、積分型撮像部材とは、出力される画
像情報が、照射された光線の照射強度を撮像期間にわた
って積算（積分）した値に従って出力される種類の撮像
部材を指し、具体的には、ＣＣＤ撮像素子を用いたカメ
ラ（ＣＣＤカメラ）が挙げられ、その他、ＭＯＳ型撮像
素子を用いたものやビジコン等の撮像管を用いても良
い。なお、画像情報としてフィールド単位およびフレー
ム単位のいずれの画像情報を用いるかは、積分型撮像部
材の撮像方式によって異なる。

【００２４】また、コードとしては、規則性を有し、空
間コード番号の識別可能なコードであればよく、例えば
グレイコード、バイナリーコード等に従うものが挙げら
れる。特に、グレイコードに従って小空間に一連の空間
コード番号を付する場合には、ある小空間の空間コード
番号を表すグレイコードは、これに隣接する小空間に付
される空間コード番号を表すグレイコードと、常に１ビ
ットのみが異なる。このため、画素が見込む被測定物
（被測定物の一部）がちょうど小空間同士の境界部分に
位置した場合、画素の出力を２値化する際、０か１か
（明か暗か）の判定が変動するのはグレイコードのうち
１ビット分のみであり、他のビットは隣接する小空間で
共通であるので変動しない。しかもこの１ビットが０／
１（明／暗）いずれに判定されても、隣接する小空間の
いずれかに対応するグレイコードになる。従って、異な
るグレイコードが読みとられた場合でも、高さ情報の誤
差が少なくなるという点で他のコードを用いる場合より
も優れている。なお、空間コード番号とは、光線に照射
された空間に付される番号であって、コードに従って照
射された光線の明暗の区切りにそって照射中心を中心
（要）とする扇形状に分割したときの各小空間に付され
た一連番号を指す。

【００２５】また、空間コード化画像情報とは、基準
面、被測定物、あるいは基準面と被測定物に所定コード
に従ったストライプ状パターンの光線を照射したとき
に、積分型撮像部材が撮像した画像情報を指す。また、
位相シフト化画像情報とは、基準面、被測定物、あるい
は基準面と被測定物に正弦波状パターンの光線を照射し
たときに、積分型撮像部材が撮像した画像情報を指す。

【００２６】さらに、請求項２に記載の解決手段は、請
求項１に記載の形状計測装置であって、前記ストライプ
状パターンの光線と前記正弦波状パターンの光線とは、
０＜Ｊ≦１としたとき、上記ストライプ状パターンの光
線により１つの空間コード番号が与えられる小空間が、
それぞれ、Ｊ周期分の前記正弦波状パターンの光線によ
って照射される小空間に一致する関係とされていること
を特徴とする形状計測装置である。

【００２７】上記構成を有する本発明の形状計測装置に
よれば、ストライプ状パターンの光線により１つの空間
コード番号が与えられる小空間が、それぞれ、Ｊ周期分
の前記正弦波状パターンの光線によって照射される小空
間に一致する関係とされている。つまり、１つの空間コ
ード番号が与えられる略扇状の小空間（たとえば空間コ
ード番号４の小空間）が、それぞれＪ周期分（例えば、
１周期分、１／２周期分、１／４周期分等）の正弦波状
パターンの光線によって照射される小空間と一致する関
係とされている。

【００２８】前記したように、位相シフト法は、分解能
は高いが、被測定物の高さが高いために、位相のずれ量
（変調量）が１周期分の位相２π（＝３６０deg ）、も
しくは４π、６π…を越えると、それぞれ２π、４π、
６π…に相当する位相ずれ量は無視され、０〜２πの位
相ずれ量に対応する高さのみが算出される。このため、
前記で説明したように（図３５（ｃ）参照）、位相デー
タや高さデータが不連続（例えば鋸歯状）になるので、
位相ずれ量が２π、４π…となる前後で、位相データや
高さデータの不連続を修正する必要がある。いわゆる位
相連結問題である。つまり、実際には高さが連続してい
るのに、位相ずれ量のうち、２π、４π…に相当する量
が無視されるために、被測定物が不連続の高さを有する
かのように高さデータが算出される場合があるので、こ
れを修正して真の高さを求めるようにすることが必要に
なる。このためには、被測定物の高さが連続的に変化し
ていると仮定し、高さデータの不連続部分で高さデータ
が連続になるように、不連続部分で高さデータの値が一
致するように調整することで、全体の高さデータを補正
する方法が考えられる。しかし、この手法では、階段状
の形状を持つものなど不連続な高さに見える形状の被測
定物について高さを計測することが困難となるほか、高
さデータの不連続点を探し、その部分の補正をし、次に
移るというように、順に補正することになるため、補正
に時間が掛かる。

【００２９】一方、空間コード化法は、前記で説明した
ように（図３５（ｂ）参照）、分解能が低いためにとび
とびの量子化された値でしか高さが求められないもの
の、ダイナミックレンジが広い。しかも、ストライプ状
パターンの光線を照射した空間全域を分割した略扇状の
小空間に、一連の空間コード番号が付されるので、２つ
以上の小空間に同じ空間コード番号が付されることはな
い。このため、各小空間を空間コード番号で区別できる
から、位相シフト法のような不具合はない。そこで、本
発明のようにすると、Ｊ周期分の正弦波状パターンによ
り照射される小空間には、必ず１つの空間コード番号が
付されることになる。

【００３０】位相シフト法によれば、例えば、被測定物
のうち、ある計測点（仮に、Ａ点とする）の高さを計測
した場合に、Ａ点の位相ずれ量が２π（またはその整数
倍）を越えていたとしても、前記したように、その位相
ずれ量のうちの２π（またはその整数倍）分は、無視さ
れることになるため、Ａ点の高さは実際よりも低く算出
され、位相データや高さデータ等に不連続が生じる。し
かし、空間コード化法でＡ点の高さを計測した場合に
は、量子化された値で算出されるものの、そのようなこ
とは生じない。しかも、１つの空間コード番号が与えら
れる小空間は、正弦波状パターンの光線のＪ周期（０＜
Ｊ≦１）の小空間に一致しているので、空間コード番号
が１だけ異なることは、位相で２π×Ｊ分だけ異なるこ
とに相当する。従って、位相シフト法による位相データ
や高さデータの不連続は、空間コード化法による空間コ
ード番号データやこれによって求めた高さデータで補正
できる。しかもこの補正は、隣接する画素にされた補正
に影響されないので、各画素について独立に行え、順に
補正する必要が無いので、容易にかつ速く行うことがで
きる。

【００３１】なお、０＜Ｊ≦１としたのは、１周期分以
上の正弦波状パターンの光線によって照射される小空間
と、１つの空間コード番号が与えられる小空間とを対応
させると、その小空間内において位相データの不連続が
生じるが、これを空間コード番号で補正できないので、
両者を対応させるメリットがないからである。

【００３２】ここで、請求項３に記載したように、請求
項２に記載の形状計測装置であって、前記Ｊを、１また
は１／２としたことを特徴とする形状計測装置とすると
良い。このようにすると、空間コード化法から求めた空
間コード番号と位相シフト法で求めた位相（位相ずれ
量）とを用いて、容易に被測定物の形状を求めることが
出来るからである。即ち、Ｊ＝１の場合、つまり、１つ
の空間コード番号が与えられる小空間と１周期分の正弦
波パターンの光線によって照射される小空間とが一致す
る関係とすると、空間コード番号が１つ増減すること
は、位相（位相ずれ量）がちょうど１周期分、即ち、２
π(rad)（＝３６０(deg)）増減することに対応する。こ
のため、空間コード番号を位相に、また、空間コード番
号のずれ量を位相ずれ量に置き換えることが容易になる
ので、位相シフト法によって求めた位相（位相ずれ量）
と空間コード番号から換算して得た位相ずれ量とを合成
することで、容易に高さ（形状）を求めることができ
る。また、空間コード化画像情報と位相シフト化画像情
報とからそれぞれ高さを求めておき、これらを合成する
場合にも、容易に合成できる。

【００３３】また、Ｊ＝１／２の場合、つまり、１つの
空間コードが与えられる小空間と１／２周期分の正弦波
パターンの光線によって照射される小空間とが一致する
関係とすると、空間コード番号が１つ増減することは、
位相（位相ずれ量）がちょうど１／２周期分、即ち、π
(rad)（＝１８０(deg)）増減することに対応する。この
ため、Ｊ＝１の場合と同様に、空間コード番号やそのず
れ量を位相や位相ずれ量に置き換えることが容易となる
ので、位相シフト法によって求めた位相（位相ずれ量）
と空間コード番号から換算して得た位相ずれ量とを合成
することで、容易に高さ（形状）を求めることができ
る。また、空間コード化画像情報と位相シフト化画像情
報とからそれぞれ高さを求めておき、これらを合成する
ことも容易にできる。

【００３４】なお、後述するように、位相シフト法によ
って、互いに位相がπ／２（１／４周期）ずつ異なる４
つの正弦波状パターンの光線（例えば、基準面上の積算
照射強度Ｉが、Ｉ₀＝cosθ、Ｉ₁＝cos(θ＋π／２）、
Ｉ₂＝cos(θ＋π)、Ｉ₃＝cos(θ＋３π／２)で表される
光線）から、ある部位に照射された光線の位相角を算出
する際には、arctan（＝tan^-1）の計算が必要となる
（後述する(2)式参照）。しかし、tanθ＝tan（θ＋
π）であるので、つまり、 tanθの値は、位相角θがπ
だけ異なった場合と区別できないので、ａｒｃｔａｎの
計算だけでは１周期分の位相角が計算できない。このた
め、別途、位相角θの属する象限を判別する計算が必要
となる。これに対し、Ｊ＝１／２の場合には、空間コー
ド番号が１つ増減する毎に、位相ずれ量としては、πず
つ増減するので、位相シフト法で求める位相角の範囲
は、πの範囲、例えば、θ＝−π／２〜π／２やθ＝０
〜πの範囲で求めれば良く、ａｒｃｔａｎの計算だけで
位相角を算出できるので、より計算が容易になる。

【００３５】さらに、上記Ｊ＝１とした場合において、
前記正弦波状パターンの位相と前記小空間との関係を、
４種の正弦波状パターンのうちの１つをＩｓ₀＝cosθで
表したとき、θ＝０，２π，４π…の位置に各小空間同
士の境界が位置するように選択したすることを特徴とす
ると良い。このようにすると、位相シフト法によって算
出される位相θ（精細位相θｐ）が、θ＝０〜２πの範
囲で算出される。また、小空間に与えられた空間コード
番号をＳｃ＝０，１，２，３…、ｎ、…とすると、空間
コード番号は容易に粗位相θｒ（＝２ｎπ）に換算でき
る。このため、両者を容易に合成した合成位相θｃ（＝
θｒ＋θｐ＝２ｎπ＋θｐ）が求められるからである。
また、このようにすると、空間コード番号ｎ＝０の空間
の端部θｐ＝０の点を原点として合成位相θｃが計算で
きるので、さらに容易に高さを算出できる。

【００３６】また、Ｊ＝１／２とした場合には、前記正
弦波状パターンの位相と前記小空間との関係を、４種の
正弦波状パターンのうちの１つをＩｓ₀＝cosθで表した
とき、θ＝−π／２，π／２，３π／２…の位置に各小
空間同士の境界が位置するように選択したすることを特
徴とすると良い。このようにすると、位相シフト法によ
って算出される位相θ（精細位相θｐ）が、θ＝−π／
２〜π／２の範囲で算出される。また、小空間に与えら
れた空間コード番号をＳｃ＝０，１，２，３…、ｎ、…
とすると、空間コード番号は容易に粗位相θｒ（＝ｎ
π）に換算できる。このため、両者を容易に合成した合
成位相θｃ（＝θｒ＋θｐ＝ｎπ＋θｐ）が求められる
からである。また、このようにすると、空間コード番号
ｎ＝０の空間の端部θｐ＝０の点を原点として合成位相
θｃが計算できるので、さらに容易に高さを算出でき
る。

【００３７】さらに、請求項４に記載の解決手段は、請
求項２または請求項３に記載の形状計測装置において、
前記１つの空間コード番号が与えられ、かつ前記Ｊ周期
分の正弦波状パターンの光線によって照射される各小空
間は、略扇状断面の開き角が、いずれも等角度にされて
いることを特徴とする形状計測装置である。

【００３８】上記構成を有する本発明の形状計測装置で
は、各小空間の略扇状断面の開き角がいずれも等角度に
されているので、ストライプ状パターンや正弦波状パタ
ーンの光線を生成するための光線照射手段の制御が光線
の偏向角に依存しない。このため、光線照射手段の制御
が容易となる。

【００３９】また、請求項５に記載の解決手段は、請求
項２または請求項３に記載の形状計測装置において、前
記積分型撮像部材の光軸と直交する基準面から、前記光
線の照射中心までの高さと、上記基準面から上記積分型
撮像部材の対物レンズの主点までの高さとが等しくさ
れ、しかも、前記１つの空間コード番号が与えられ、か
つ前記Ｊ周期分の正弦波状パターンの光線によって照射
される各小空間は、上記基準面のうち、上記各小空間に
属する上記基準面上の幅が、いずれも等間隔にされてい
ることを特徴とする形状計測装置である。

【００４０】上記構成を有する本発明の形状計測装置に
よれば、基準面から光線の照射中心までの高さと積分型
撮像部材の対物レンズの主点までの高さとが等しくさ
れ、各小空間に属する基準面上の幅がいずれも等間隔に
されている。このため、照射する光線の偏向角に拘わら
ず高さの分解能が一定となる。つまり、被測定物を基準
面上のどの位置に水平移動させても、形状（高さ）計測
の分解能が同じになるので、被測定物の各部を均一な分
解能で計測することができる。また、形状（高さ）計算
も容易にできる。ここで、基準面は被測定物の高さの基
準となる面を指すが、実在の面であっても仮想の面であ
っても良い。

【００４１】さらに、請求項６に記載の解決手段は、請
求項５に記載の形状計測装置において、前記画像情報演
算手段は、前記被測定物に前記所定コードに従ったスト
ライプ状パターンの光線を照射して得られた空間コード
化画像情報と、上記被測定物を無くして前記基準面に上
記ストライプ状パターンの光線を照射したとした場合に
各画素が観察する基準空間コード番号とから、各画素毎
に空間コード番号ずれ量を算出する空間コード番号ずれ
量演算手段と、上記被測定物に前記正弦波状パターンの
光線を照射して得られた位相シフト化画像情報と、上記
被測定物を無くして前記基準面に上記正弦波状パターン
の光線を照射したとした場合に各画素が観察する基準位
相とから、各画素毎に位相ずれ量を算出する位相ずれ量
演算手段と、上記空間コード番号ずれ量と上記位相ずれ
量とから前記被測定物の形状を算出する形状演算手段
と、を有する形状計測装置である。

【００４２】上記構成を有する本発明の形状計測装置で
は、前記のように、光線の照射中心までの高さと対物レ
ンズの主点までの高さとが等しくされ、しかも、１つの
空間コード番号が与えられ、かつＪ周期分の正弦波状パ
ターンの光線によって照射される各小空間は、基準面の
うち、各空間に属する基準面上の幅が、いずれも等間隔
にされている。しかも、空間コード化画像情報と基準空
間コード番号とから各画素毎に空間コード番号ずれ量を
求め、位相シフト化画像情報と、基準位相とから、各画
素毎に位相ずれ量を求める。このため、別途、基準空間
コード番号や基準位相が必要となるが、この２つのずれ
量から前記被測定物の形状を算出するのに、偏向角αを
求め、また、 tanαの計算を含む三角測量の原理による
計算式を用いないで、簡単な計算式で高さを算出するこ
とができる。なお、基準空間コード番号や基準位相は、
被測定物の計測に先立ちあるいは計測後に、基準面に光
線を照射して得ても良いが、予め計測または算出した値
をＲＯＭ、ハードディスク等のメモリ（記憶媒体）に記
憶させておいても良い。

【００４３】さらに、請求項７に記載の解決手段は、請
求項６に記載の形状計測装置において、前記形状演算手
段は、前記空間コード番号ずれ量と前記位相ずれ量と
を、各画素についてそれぞれ合成して得た合成位相ずれ
量から被測定物の形状を算出する合成位相ずれ量−形状
演算手段と、を有する形状計測装置である。

【００４４】上記構成を有する本発明の形状計測装置に
よれば、一旦空間コード番号ずれ量と位相ずれ量とを合
成して得た合成位相ずれ量により被測定物の形状を算出
するので、形状の演算が１度で済む点で好ましい。

【００４５】さらに、請求項８に記載の解決手段は、請
求項６に記載の形状計測装置において、前記形状演算手
段は、前記空間コード番号ずれ量から前記被測定物の粗
形状を算出する空間コード番号ずれ量−粗形状演算手段
と、前記位相ずれ量から前記被測定物の細部形状を算出
する位相ずれ量−細部形状演算手段と、上記粗形状と細
部形状とを合成して被測定物の形状を算出する形状合成
手段と、を有する形状計測装置である。

【００４６】上記構成を有する本発明の形状計測装置で
は、空間コード番号ずれ量から粗形状を、位相ずれ量か
ら細部形状を求めるので、形状の算出が各画素について
２回行うことになるが、合成はこれらを足し合わせだけ
足りるので、容易に形状を算出できる。

【００４７】また、請求項９に記載の解決手段は、請求
項２〜請求項５のいずれかに記載の形状計測装置におい
て、前記画像情報演算手段は、前記空間コード化画像情
報から各画素毎に前記正弦波状パターンの光線の位相に
相当する粗位相を算出する粗位相演算手段と、前記位相
シフト化画像情報から各画素に精細位相を算出する精細
位相演算手段と、上記粗位相と上記精細位相とを各画素
についてそれぞれ合成して、各画素毎の合成位相を算出
する合成位相演算手段と、上記合成位相から前記被測定
物の形状を算出する合成位相−形状演算手段と、を有す
る形状計測装置である。

【００４８】上記構成を有する本発明の形状計測装置に
よれば、粗位相演算手段で、空間コード化画像情報から
各画素毎に粗位相を算出して、位相シフト化画像情報か
ら各画素毎に算出する精細位相と同じく位相の情報とす
る。このため、合成位相演算手段において粗位相と精細
位相とを合成するのに、両者を足し合わせるだけで足
り、容易に合成位相を算出できる。また、合成位相から
被測定物の形状を一度に算出できるので、形状の算出も
容易になる。

【００４９】さらに、請求項１０に記載の解決手段は、
請求項２〜請求項５のいずれかに記載の形状計測装置に
おいて、前記画像情報演算手段は、前記被測定物に上記
所定コードに従ったストライプ状パターンの光線を照射
して得られた空間コード化画像情報から被測定物の粗形
状を算出する空間コード型形状演算手段と、前記被測定
物に上記正弦波状パターンの光線を照射して得られた位
相シフト化画像情報から被測定物の細部形状を算出する
位相シフト型形状演算手段と、上記空間コード型形状演
算手段により算出された粗形状と上記位相シフト型形状
演算手段により算出された細部形状とを合成して被測定
物の形状を算出する形状合成演算手段と、を有する形状
計測装置である。

【００５０】上記構成を有する本発明の形状計測装置で
は、ストライプ状パターンの光線を照射して得られた空
間コード化画像情報からは、空間コード型演算手段によ
って被測定物の粗形状を算出する。一方、正弦波状パタ
ーンの光線を照射して得られた位相シフト化画像情報か
らは、位相シフト型演算手段によって被測定物の細部形
状を算出する。さらに、これらによって算出された粗形
状および細部形状を形状合成演算手段によって合成して
被測定物の形状を算出する。

【００５１】つまり、本発明によれば、空間コード型形
状演算によって粗形状を算出し、位相シフト型形状演算
によって細部形状を算出し、これを合成するので、高分
解能でありながら、許容高さのレンジの広い（ダイナミ
ックレンジの広い）測定が可能となる。したがって、大
型の被測定物でも計測が可能であり、かつ高分解能に測
ることができる。しかも、被測定物について粗形状と細
部形状の２種の形状を算出する必要があるものの、形状
の合成は足し合わせるだけで足りるので、合成が容易と
なる。

【００５２】さらに、請求項１１に記載の解決手段は、
請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の形状計測装置
において、前記光線照射手段が、スリット状光線を発生
する光源と、このスリット状光線を被測定物の表面に照
射しつつ偏向走査させる光線走査手段と、１フィールド
または１フレーム分の撮像期間内に照射される上記スリ
ット状光線の積算照射強度が、所定コードに従うストラ
イプ状に分布するように上記スリット状光線を制御する
空間コード型光線制御手段と、１フィールドまたは１フ
レーム分の撮像期間内に照射される上記スリット状光線
の積算照射強度が、正弦波状に分布するように上記スリ
ット状光線を制御する位相シフト型光線制御手段と、を
有することを特徴とする形状計測装置である。

【００５３】上記構成を有する本発明の形状計測装置で
は、光線照射手段において、光源からスリット状光線が
発せられ、このスリット状光線は、光線走査手段によっ
て被測定物の表面に照射しつつ偏向走査される。このと
き、１フィールドまたは１フレーム分の撮像期間内に照
射される上記スリット状光線の積算照射強度が、所定コ
ードに従うストライプ状に分布するように空間コード型
光線制御手段がスリット状光線を制御する。また、１フ
ィールドまたは１フレーム分の撮像期間内に照射される
スリット状光線の積算照射強度が、正弦波状に分布する
ように位相シフト型光線制御手段がスリット状光線を制
御する。

【００５４】本発明によれば、スリット状光線を用い、
光線の照射強度を１フィールドまたは１フレーム分の撮
像期間について積算した積算照射強度においてそのパタ
ーンがストライプ状や正弦波状になるように制御したの
で、面状光源を用いる必要がなくなり、光量の少ない光
源を用いてもコントラストを高くして測定できる。した
がって、大光量の光源を用いる必要がないので、発熱の
問題もなく装置をコンパクトにできる。また、光源や光
線走査手段を共通とし、制御手段を異ならせて空間コー
ド化法による計測と位相シフト法による計測を行うよう
にしたので、高分解能の計測ができる上、装置がコンパ
クトで安価になる。また、位相シフト化画像情報のコン
トラストを高くできるので、わずかな高さの違いでも明
度の違い（位相の違い）として明瞭に判別できるため、
高さの分解能を向上させうる。また、本発明によれば、
特に輝度の高いレーザ光線等を用いて位相シフト法によ
る計測が可能となる。

【００５５】なお、光源としてレーザ光源を用いると、
消費電力が少ないのにも拘わらず照射強度の高いスリッ
ト状光源とすることができるので好ましい。レーザ光源
には、半導体レーザ、気体レーザ、固体レーザ、液体レ
ーザ等のレーザ光源であれば何を用いても良いが、装置
の小型化、高速スイッチング可能の点から半導体レーザ
を用いるのが好ましい。また、レーザ光線の波長は、被
測定物の材質や積分型撮像部材（ＣＣＤカメラ等）の感
光性、ノイズとなる外乱光の波長等を考慮して選択すれ
ばよいが、可視光の範囲（例えば、赤、緑、青等）で選
択すると肉眼での動作確認が容易になるので都合がよ
い。また、光線をスリット状に整形するには、シリンド
リカルレンズ等の光学手段を用いて整形するとよい。ま
た、光線走査手段としては、スリット状光線を反射や透
過させる際に、その進行方向を偏向させるものであれば
よく、具体的には、回転多面鏡（以下、ポリゴンミラー
ともいう）、ガルバノミラー等が挙げられる。

【００５６】なお、上記請求項１１に記載の形状計測装
置において、前記位相シフト型光線制御手段が、フィー
ルド毎またはフレーム毎に前記正弦波の位相が４分の１
周期ずつ異なる積算照射強度分布となるように前記スリ
ット状光線を制御し、前記位相シフト型形状演算手段
が、少なくとも互いに上記正弦波の位相が異なる４フィ
ールドまたは４フレーム分の位相シフト化画像情報を用
いて前記被測定物の細部形状を算出することを特徴とす
る形状計測装置とするとよい。

【００５７】位相シフト法によって形状を計測するのに
あたっては、原理的には、位相の異なる３種以上の光線
を照射した３つ以上の画像情報があれば算出できる。し
かし、４分の１周期ずつ異なった４フィールド分または
４フレーム分の位相シフト化画像情報を用いると簡単な
計算で、位相が算出できる上、被測定物の反射率の影響
や外乱光に影響を除外することができるからである。

【００５８】さらに、請求項１２に記載の解決手段は、
請求項１１に記載の形状計測装置において、前記位相シ
フト型光線制御手段は、基準面上の小領域内を前記スリ
ット状光線が点灯しつつ走査する時間を制御して、該小
領域における積算照射強度を調整することを特徴とする
形状計測装置である。

【００５９】上記構成を有する本発明の形状計測装置で
は、積算照射強度を正弦波状に分布させるために、位相
シフト型光線制御手段は、基準面上の小領域内をスリッ
ト状光線が点灯しつつ走査する時間を制御する。これに
より、その小領域における積算照射強度を調整する。

【００６０】つまり、本発明によれば、基準面上のある
小領域内を照射する光線の積算照射強度は、その小領域
をスリット状光線が走査する期間のうち実際に点灯しな
がら走査する時間で調整される。従って、積算照射強度
を正弦波状に分布させるのに、従来のようなすだれ状マ
スクや液晶スリットを用いる必要がない。また、点灯時
間の調整で積算照射強度の分布状態の調整（例えば、分
布の位相や積算照射強度のレンジ等の調整）も行うこと
ができるので、焦点合わせやマスクの取り替え等の機械
的な調整は不要であり、電気回路的調整で足りるため、
分布状態の調整が容易である。

【００６１】点灯しつつ走査する時間の制御手法として
は、具体的には、ＰＷＭ（パルス幅変調）により、ある
小領域内を走査している期間のうち、スリット状光源が
点灯を続ける時間を変化させ、照射強度を強くしたい部
分ほど点灯時間を長くするものが挙げられる。また、あ
る小領域内を走査している期間内に含まれる一定時間幅
の点灯の回数（パルス数）を変化させ、照射強度を強く
したい部分ほど点灯の回数（パルス数）を多くするもの
なども挙げられる。上記制御手法としては、小領域内を
光線が走査する期間のうち光源が実際に点灯している時
間を調整できれば他の手法によってもよい。なお、他の
調整手段として、光源自身の輝度変調により積算照射強
度を変化させるものや、液晶フィルタの透過度変調によ
り積算照射強度を変化させるものなども挙げられる。

【００６２】さらに、請求項１３に記載の解決手段は、
請求項１１に記載の形状計測装置において、前記スリッ
ト状光線走査手段は、１フィールドまたは１フレーム分
の撮像期間内に前記スリット状光線を複数回走査させ、
前記位相シフト型光線制御手段は、基準面上の小領域内
を前記スリット状光線が点灯しつつ走査する回数を制御
して、該小領域における積算照射強度を調整することを
特徴とする形状計測装置である。

【００６３】上記構成を有する本発明の形状計測装置で
は、積算照射強度を正弦波状に分布させるために、スリ
ット状光線走査手段が、１フィールドまたは１フレーム
分の撮像期間内にスリット状光線を複数回走査させる。
さらに、位相シフト型光線制御手段が、この複数回の走
査のうち、基準面上の小領域内をスリット状光線が点灯
しつつ走査する回数を制御して、この小領域における積
算照射強度を調整する。

【００６４】つまり、本発明によれば、基準面上のある
小領域内を照射する光線の積算照射強度は、その小領域
を光線が走査する回数のうち実際に点灯しながら走査す
る回数で制御される。従って、積算照射強度を正弦波状
に分布させるのに、従来のようなすだれ状マスクや液晶
スリットを用いる必要がない。また、点灯回数の調整で
積算照射強度の分布状態の調整も行うことができるの
で、焦点合わせ等の機械的な調整は不要であり、電気回
路的調整で足りるため、分布状態の調整が容易である。

【００６５】なお、点灯しつつ走査する回数の制御手法
としては、具体的には以下のようにする。即ち、ある小
領域について見ると、１フィールドまたは１フレーム分
の撮像期間内にスリット状光線が複数回走査されるので
あるが、この複数回の走査のうち、実際に点灯しつつ走
査する回数を制御することにより、撮像期間内にこの小
領域に照射される光線の積算照射強度を変化させる。例
えば、撮像期間中に７回走査される場合、点灯しつつ走
査する回数は、０〜７回の８段階に変化させることがで
きる。

【００６６】さらに、請求項１４に記載の解決手段は、
前記請求項１１に記載の形状計測装置において、前記ス
リット状光線走査手段は、１フィールドまたは１フレー
ム分の撮像期間中に前記スリット状光線を複数回走査さ
せ、前記位相シフト型光線制御手段は、基準面上の小領
域内を前記スリット状光線が点灯しつつ走査する時間及
び回数をそれぞれ制御して、該小領域における積算照射
強度を調整することを特徴とする形状計測装置である。

【００６７】上記構成を有する本発明の形状計測装置で
は、スリット状光線走査手段が、１フィールドまたは１
フレーム分の撮像期間中にスリット状光線を複数回走査
させる。さらに、位相シフト型光線制御手段が、複数回
の走査のうちに基準面上の小領域内をスリット状光線が
点灯しつつ走査する時間及び回数をそれぞれ制御して、
この小領域の積算照射強度を調整する。

【００６８】つまり、本発明によれば、積算照射強度を
正弦波状に分布させるのに、スリット状光線を複数回走
査させ、この複数回の走査のうち、基準面上の小領域を
点灯しつつ走査する回数および点灯しながら走査する時
間をそれぞれ制御することで行うので、従来のようなす
だれ状マスクや液晶スリットを用いる必要がない。さら
に、回数と時間は独立に制御できるため、多くの段階を
設けて強度を変化させることができる。従って、変化の
段階を多くすることができ、強度分布をより正弦波形状
に近づけることができ、分布波形の歪みに起因する誤差
を小さくできる。

【００６９】なお、上記請求項１３および請求項１４に
記載の形状計測装置において、前記スリット状光線走査
手段は、前記スリット状光線を回転多面鏡によって偏向
・走査させることを特徴とする形状計測装置とするとよ
い。

【００７０】回転多面鏡は、回転数を上げ、また面数を
多くすることで、走査速度を速くできるため、１フィー
ルドまたは１フレーム分の撮像期間内にスリット状光線
を容易に複数回走査させることができる。また、ガルバ
ノミラーのように戻り走査が無いので、走査回数を容易
に調整できる。

【００７１】さらに、請求項１５に記載の解決手段は、
スリット状光線を発生する光源と、このスリット状光線
を被測定物の表面に照射しつつ偏向走査させる光線走査
手段と、１フィールドまたは１フレーム分の撮像期間内
に照射される上記スリット状光線の積算照射強度が正弦
波状に分布するように上記スリット状光線を制御する位
相シフト型光線制御手段と、上記スリット状光線により
上記被測定物の表面に生じる光学像を積分型撮像部材に
よって撮像する撮像手段と、上記位相シフト型光線制御
手段によって制御された上記スリット状光線を上記被測
定物に照射して得られた位相シフト化画像情報から被測
定物の形状を算出する位相シフト型形状演算手段と、を
有する形状計測装置である。

【００７２】上記構成を有する本発明の形状計測装置で
は、光源によりスリット状光線が発せられ、このスリッ
ト状光線がスリット状光線走査手段により被測定物の表
面に照射しつつ偏向走査される。このとき、１フィール
ドまたは１フレーム分の撮像期間内に照射されるスリッ
ト状光線の積算照射強度が正弦波状に分布するように位
相シフト型光線制御手段がスリット状光線を制御する。
撮像手段がスリット状光線によって被測定物の表面に生
じる光学像を撮像する。さらに、位相シフト型形状演算
手段が、位相シフト型光線制御手段によって制御された
スリット状光線を被測定物に照射して得られた位相シフ
ト化画像情報から被測定物の形状を算出する。

【００７３】つまり、本発明によれば、位相シフト法を
適用するにあたって、スリット状光線を用いてこれを走
査し、光線の照射強度を１フィールドまたは１フレーム
分の撮像期間について積算した積算照射強度においてそ
のパターンが正弦波状になるように制御した。このた
め、面状光源を用いる必要がなくなり、光量の少ない光
源を用いてもコントラストを高くして測定できる。した
がって、大光量の光源を用いる必要がないので、発熱の
問題もなく装置をコンパクトにできる。また、位相シフ
ト化画像情報のコントラストを高くできるので、わずか
な高さの違いでも明度の違い（位相の違い）として明瞭
に判別できるため、高さの分解能を向上させうる。ま
た、本発明によれば、特に輝度の高いレーザ光線等を用
いて位相シフト法による計測が可能となる。

【００７４】さらに、請求項１５に記載の形状計測装置
において、前記位相シフト型光線制御手段が、フィール
ド毎またはフレーム毎に前記正弦波の位相が４分の１周
期ずつ異なる積算照射強度分布となるように上記スリッ
ト状光線を制御し、前記位相シフト型形状演算手段は、
少なくとも互いに上記正弦波の位相が異なる４フィール
ド分または４フレーム分の前記位相シフト化画像情報を
用いて前記被測定物の形状を算出することを特徴とする
形状計測装置とすると良い。４分の１周期ずつ異なった
４フィールドまたは４フレーム分の位相シフト化画像情
報を用いると簡単な計算で、位相が算出できる上、被測
定物の反射率の影響や外乱光に影響を除外することがで
きるからである。

【００７５】また、請求項１５に記載の形状計測装置に
おいて、前記位相シフト型光線制御手段は、基準面上の
小領域内を前記スリット状光線が点灯しつつ走査する時
間を制御して、この小領域の積算照射強度を調整するこ
とを特徴とする形状計測装置とするとよい。本発明によ
れば、基準面上のある小領域に照射される光線の積算照
射強度は、その小領域内を光線が走査する期間のうち実
際に点灯しつつ走査する時間で制御する。従って、積算
照射強度を正弦波状に分布させるのに、従来のようなす
だれ状マスクや液晶スリットを用いる必要がない。ま
た、点灯時間の制御で積算照射強度の分布状態の調整も
行うことができるので、焦点合わせ等の機械的な調整は
不要であり、電気回路的調整で足りるため、分布状態の
調整が容易である。

【００７６】また、請求項１５に記載の形状計測装置に
おいて、前記光線走査手段は、１フィールドまたは１フ
レーム分の撮像期間内に前記スリット状光線を複数回走
査させ、前記位相シフト型光線制御手段は、基準面上の
小領域内を前記スリット状光線が点灯しつつ走査する回
数を制御して、この小領域の積算照射強度を調整するこ
とを特徴とする形状計測装置とするとよい。本発明によ
れば、ある基準面上のある小領域に照射される光線の積
算照射強度は、その小領域内を光線が走査する期間内に
実際に点灯しつつ走査する回数で制御する。従って、積
算照射強度を正弦波状に分布させるのに、従来のような
すだれ状マスクや液晶スリットを用いる必要がない。ま
た、点灯回数の制御で積算照射強度の分布状態の調整も
行うことができるので、焦点合わせ等の機械的な調整は
不要であり、電気回路的調整で足りるため、分布状態の
調整が容易である。

【００７７】また、請求項１５に記載の形状計測装置に
おいて、前記光線走査手段が、１フィールドまたは１フ
レーム分の撮像期間中に前記スリット状光線を複数回走
査させ、前記位相シフト型光線制御手段が、基準面上の
小領域内を前記スリット状光線が点灯しつつ走査する時
間及び回数をそれぞれ調整して積算照射強度を変化させ
ることを特徴とする形状計測装置とするとよい。本発明
によれば、積算照射強度を正弦波状に分布させるのに、
スリット状光線を複数回走査させ、この複数回の走査の
うち、基準面上の小領域を点灯つつ走査する回数および
点灯しつつ走査する時間の制御でおこなうので、従来の
ようなすだれ状マスクや液晶スリットを用いる必要がな
い。さらに、回数と時間は独立に制御できるため、多く
の段階を設けて強度を変化させることができる。従っ
て、変化の段階を多くすることができ、強度分布をより
正弦波形状に近づけることができ、分布波形の歪みに起
因する誤差を小さくできる。

【００７８】さらに、請求項１６に記載の解決手段は、
請求項１５に記載の形状計測装置において、前記積分型
撮像部材の光軸と直交する基準面から、前記光線の照射
中心までの高さと、上記基準面から上記積分型撮像部材
の対物レンズの主点までの高さとが等しくされ、前記位
相シフト型光線制御手段は、上記基準面に照射された前
記スリット状光線の積算照射強度分布が、上記基準面上
において、一定波長の正弦波パターンとなるように上記
スリット状光線を制御することを特徴とする形状計測装
置である。

【００７９】上記構成を有する本発明の形状計測装置に
よれば、基準面から光線の照射中心までの高さと積分型
撮像部材の対物レンズの主点までの高さとが等しくさ
れ、スリット状光線の積算照射強度分布が、上記基準面
上において、一定波長の正弦波パターンとなるようにさ
れている。このため、照射する光線の偏向角に拘わらず
高さの分解能が一定となる。つまり、被測定物を基準面
上のどの位置に水平移動させても、形状（高さ）計測の
分解能が同じにすることができるので、被測定物の各部
を均一な分解能で計測できる。

【００８０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図と共に以
下に説明する。（実施形態１）図１は本発明の実施形態１にかかる形状
計測装置１００の説明図である。本実施形態の形状計測
装置１００は、基準面Ｌに載置された被測定物Ｍに光線
を照射する光線照射手段１０と、光線を照射されてでき
る光学像を撮像する撮像手段２０と、撮像された画像情
報から被測定物Ｍの高さや形状を算出する画像情報演算
手段３０と、コントロール部７０とを有している。

【００８１】また、光線照射手段１０には、スリット状
光線を発する光源１と、このスリット状光線を被測定物
に照射しつつ偏向走査する光線走査手段４と、スリット
状光線を制御する空間コード型光線制御手段１１および
位相シフト型光線制御手段１４が含まれている。さらに
詳しく言えば、光源１には、レーザ光源２とこのレーザ
光源２からのレーザ光線を整形してスリット状光線とす
るレンズ系３が含まれ、光線走査手段４には、スリット
状光線を反射し、回転によって偏向走査させるポリゴン
ミラー５が含まれている。

【００８２】また、空間コード型光線制御手段１１に
は、空間コード型光線制御データメモリ（図１ではＳ型
データメモリと表示）１２と、この空間コード型光線制
御データメモリ１２に格納されているコードを読み込ん
でこれに従ってレーザ光源２を制御するレーザコントロ
ーラ１３が含まれている。なお、このレーザコントロー
ラ１３は、位相シフト型光線制御データメモリ（Ｐ型デ
ータメモリと表示）１５と共に、位相シフト型光線制御
手段１４にも含まれており、位相シフト型光線制御デー
タメモリ１５に格納された制御データを読み込みこれに
従ってレーザ光源２を制御することをも行う。

【００８３】また、撮像手段２０には、フィールド蓄積
方式によって画像情報を出力するように設定されたＣＣ
Ｄカメラ２１と画像メモリ２２とが含まれており、１フ
ィールド分の撮像期間（１／６０秒）毎に、ＣＣＤカメ
ラ２１が撮像し、これから出力される画像情報を画像メ
モリ２２に格納している。

【００８４】さらに、画像情報演算手段３０は、被測定
物Ｍの粗形状を算出する空間コード型形状演算手段４０
と、被測定物Ｍの細部形状を算出する位相シフト型形状
演算手段５０と、これらを合成して被測定物Ｍの形状を
算出する形状合成演算手段６０とを有している。さらに
詳しく言えば、空間コード型形状演算手段４０には、撮
像手段２０からの画像情報を取り込んで明暗の二値化画
像情報に変換したうえで格納する空間コード化画像情報
取込回路（Ｓ型取込回路と表示）４１と、二値化画像情
報から空間コード化法により被測定物Ｍの粗形状を算出
する空間コード型演算回路（Ｓ型演算回路と表示）４２
と、算出された粗形状データを格納する粗形状データメ
モリ（粗形状メモリと表示）４３とが含まれている。さ
らに、空間コード化画像情報取込回路４１は、図２にそ
の詳細を示すように、二値化演算回路４４と例えば８個
の二値化画像情報メモリ（二値化画像メモリと表示）４
５ａ〜４５ｈとを有している。ここでは、画像メモリ２
２から取り込んだ例えば８ビットの階調をもつ各画素毎
の明度画像情報を、まず二値化演算回路４４によって各
画素分について明暗二値化情報に変換し、その後、二値
化画像情報メモリ４５ａ〜４５ｈのいずれかに格納す
る。

【００８５】また、位相シフト型形状演算手段５０に
は、撮像手段２０からの画像情報を取り込んで格納する
位相シフト化画像情報取込メモリ（Ｐ型取込メモリと表
示）５１と、画像情報の明度値から位相シフト法により
被測定物の細部形状を算出する位相シフト型演算回路
（Ｐ型演算回路と表示）５２と、算出された細部形状デ
ータを格納する細部形状データメモリ（細部形状メモリ
と表示）５３とが含まれている。また、形状合成演算手
段６０には、粗形状データと細部形状データを合成して
被測定物Ｍの形状を演算する形状合成処理回路（合成回
路と表示）６１が含まれている。なお、位相シフト化画
像情報取込メモリ５１には、図３に示すように、４つの
位相シフト化画像情報メモリ（Ｐ型画像メモリと表示）
５４ａ〜ｄが含まれており、画像メモリ２２から取り込
んだ例えば８ビットの階調をもつ各画素毎の明度画像情
報を、位相シフト化画像情報メモリ５４ａ〜５４ｄのい
ずれかに格納する。

【００８６】さらに、コントロール部７０には、同期回
路７１とセレクタ７２が含まれている。このうち、同期
回路７１は、ポリゴンミラー５、レーザコントローラ１
３，およびＣＣＤカメラ２１の相互間で撮像等のタイミ
ングを調整する。また、セレクタ７２は、空間コード化
法による計測、位相シフト法による計測を切り替える。

【００８７】さらに、空間コード化法による計測におい
て、セレクタ７２は、レーザコントローラ１３が空間コ
ード型光線制御データメモリ１２から読み込むコードの
選択（切り替え）および空間コード化画像情報取込回路
４１に取り込み二値化した画像情報を格納する二値化画
像情報メモリ４５ａ〜４５ｈの選択を行う。

【００８８】同様に、位相シフト法による計測におい
て、セレクタ７２は、レーザコントローラ１３が位相シ
フト型光線制御データメモリ１５から読み込む制御デー
タの選択（切り替え）および位相シフト型形状演算手段
５０に取り込んだ画像情報を格納する位相シフト化画像
情報メモリ５４ａ〜５４ｄの選択を行う。

【００８９】本実施形態の形状計測装置１００では、レ
ーザ光源２から照射されたレーザ光線を、レンズ系３で
スリット状光線に整形し、ポリゴンミラー５で反射しつ
つ偏向走査して被測定物Ｍ（および基準面Ｌ）に向けて
斜め方向から照射する。

【００９０】ここで、まず、セレクタ７２により空間コ
ード化法による計測が選択された場合について説明す
る。この場合には、セレクタ７２からの指示によりレー
ザコントローラ１３は空間コード型光線制御データメモ
リ１２からデータを読み込み、このデータに従ってレー
ザ光源２の点滅（スイッチング）の制御を行う。

【００９１】この空間コード型光線制御データメモリ１
２には、例えば、図４に示すようなグレイコードに従う
８種のコードが格納されている。そこで、０〜７のメモ
リビットのうちの１つを選択してレーザコントローラ１
２に読み込む。そして、例えば、このコードのデータの
うち「０」を暗（消灯）に、「１」を明（点灯）に対応
させることとして、選択したコードのデータに従って、
例えばクロックパルス等により所定の間隔毎に、０〜２
５５のメモリアドレスの順にレーザ光源２を点滅させ
る。このようにすると、例えば、図４のメモリビット０
のコードが選択された場合、所定の時間間隔で、暗、
明、明、暗、暗、明、明、暗、暗・・というパターンで
レーザ光源２を点滅させることになる。

【００９２】これにより、一定の回転数（角速度）に保
ったポリゴンミラー５によって走査されるスリット状光
線は、読み込まれたコードに従ったストライプ状パター
ンの光線となり、被測定物Ｍの表面にはストライプ状パ
ターンの光学像が形成され、被測定物Ｍの各部分の高さ
はストライプ状パターンの明暗のずれとして観察される
ようになる。上記８種のコードに従った８種の光線を照
射することで、光線が照射される空間は、空間コード化
法により２５６ヶ（＝２⁸ヶ）の一連の空間コード番号
Ｓｃが付された断面略扇状で、この扇状の開き角がいず
れも等しい小空間ＳＳに分割される。したがって、被測
定物Ｍの各表面部分は、各表面部分が属する（含まれ
る）小空間ＳＳに与えられた空間コードの番号で表され
ることになり、撮像した８種の光学像から判定した空間
コード番号Ｓｃから三角測量の原理によって、被測定物
Ｍの各表面部分の形状（高さ）が算出される。なお、小
空間ＳＳの開き角βを互いに等しくするには、光線の偏
向角によらず、所定時間間隔でレーザ光源２を点滅させ
ることで実現できるので、制御が容易である。

【００９３】そこで、これを被測定物Ｍの図中ほぼ真上
からＣＣＤカメラ２１（画素数５１２×２４０ヶ）で撮
像し、その出力である画像情報を画像メモリ２２に格納
する。なお、ＣＣＤカメラ２１からの画像情報は、各画
素毎に明度を８ビットの階調で表わしたデータとなって
いる。

【００９４】ここで、上述のように同期回路７１によ
り、レーザコントローラ１３、ポリゴンミラー５および
ＣＣＤカメラカメラ２１は同期して動作している。即
ち、同期回路７１は、ＣＣＤカメラ２１の１フィールド
分の撮像期間（１／６０秒）中に、スリット状光線が被
測定物Ｍを１または複数回の所定回数走査するように、
ＣＣＤカメラの撮像タイミングやポリゴンミラー５の回
転数および各鏡面の角度を制御している。さらに、所定
パターンの光線を被測定物Ｍに照射するようにレーザコ
ントローラ１３がレーザ光源２を制御するタイミングを
もこれらに同期させている。なお、１フィールド分の撮
像期間内にスリット状光線を複数回走査させる場合に
は、レーザ光源２を各走査毎に同じコードに従ったパタ
ーンで点滅させる。ただし、被測定物Ｍの反射率や外乱
光を考慮して、複数回（例えば５回）の走査のうち、実
際にレーザ光源２を点滅させて走査するのを、このうち
の適数回（例えば２回）だけとし、あとはレーザ光源２
を消灯するようにしてもよい。

【００９５】ついで、セレクタ７２の指示により、空間
コード化画像情報取込回路４１が画像メモリ２２に格納
された画像情報を取り込む。これにより、空間コード型
光線制御データメモリ１２のデータに従ってレーザコン
トローラ１３がレーザ光源２を制御したときに撮像され
た画像情報は、空間コード化画像情報取込回路４１に取
り込まれる。一方、後述する位相シフト型光線制御デー
タメモリ１２５データに従ってレーザコントローラ１３
がレーザ光源２を制御したときに撮像された画像情報
は、位相シフト化画像情報取込メモリ５１に取り込まれ
る。

【００９６】空間コード化画像情報取込回路４１につい
ては、図２にその詳細を示すように、画像メモリ２２か
ら取り込んだ画像情報を、まず二値化演算回路４４によ
って各画素毎に明暗二値化画像情報に変換し、その後、
二値化画像情報メモリ４５ａ〜４５ｈのいずれか（例え
ば４５ａ）に格納する。

【００９７】ついで、セレクタ７２の指示によりレーザ
コントローラ１３が空間コード型光線制御データメモリ
１２から、先回の撮像に使用しなかったメモリアドレス
（例えば、メモリアドレス１）のコードを読み込み、こ
れに従って、上記と同様にレーザ光源２を点滅させる。
ついで、このコードに従ったストライプ状パターンの光
線により形成された被測定物Ｍの光学像を撮像し、上記
と同様に二値化画像情報に変換し、まだ二値化画像情報
が格納されていない二値化画像情報メモリ４５ａ〜４５
ｈのいずれか（例えば４５ｂ）に格納する。これを、図
４に示すメモリコード０〜７に格納された８種のコード
について行う。なお、撮像の順序は、メモリコードの順
になっている必要はない。

【００９８】各二値化画像情報メモリ４５ａ〜４５ｈへ
各コードに従った二値化画像情報がそれぞれ格納された
ら、この８ヶのメモリ４５ａ〜４５ｈに格納された二値
化画像情報を空間コード型演算回路４２に読み込む。そ
の後、公知の空間コード化法と三角測量の原理（後述す
る）を用いて被測定物Ｍの形状（粗形状）を算出する。
算出された粗形状データは、粗形状データメモリ４３に
格納される。

【００９９】ついで、セレクタ７２によって位相シフト
法による計測が選択された場合について説明する。この
場合には、セレクタ７２からの指示によりレーザコント
ローラ１３は位相シフト型光線制御データメモリ１５か
らデータを読み込んでこのデータに従ってレーザ光源２
の制御を行う。

【０１００】位相シフト法により被測定物Ｍの形状を計
測するには、照射する光線の照度分布を正弦波状にする
必要があるが、ＣＣＤカメラ２１では、撮像期間中に各
画素が見込む領域に照射された光線の照射強度の積算値
（積分値）が画像情報として出力されることを利用す
る。即ち、図５(a) に示すように、レーザ光源２（レン
ズ系は省略して記載した）からのスリット状光線をポリ
ゴンミラー５によって走査して基準面Ｌ上に照射したと
き、ＣＣＤカメラ２１のある画素ｐ（図示しない）が出
力する画像情報は、この画素ｐが見込む基準面Ｌ上の小
領域ｓについて、照射強度を撮像期間にわたって積算し
た（積分した）積算照射強度Ｉｓに対応したものとな
る。なお、容易に理解されるように、前述したようにス
リット状光線を所定コードに従って点滅させながら走査
偏向して得られたストライプ状パターンも、ＣＣＤカメ
ラ２１の１フィールド分の撮像期間中の照射強度を積算
したときの分布（積算照射強度分布）がストライプ状パ
ターンとなっているのである。

【０１０１】そこで、以下に示す手法により、ＣＣＤカ
メラ２１のある画素ｐが見込む基準面Ｌ上の小領域ｓに
ついて、積算照射強度Ｉｓを変化させる。まず、その第
１の手法は、図５(a) に示すように、スリット状光線が
小領域ｓ内を図中矢印で示すように右から左へ走査する
期間のうち、スリット状光線が実際に点灯しながら走査
する時間を制御する手法である。具体的には、小領域ｓ
内をスリット状光線が走査している期間内に、一定時間
ｔだけ点灯するパルス状点灯の数（図５(a) では３ヶ）
を増減して点灯している時間を制御するのである。この
手法によれば、図５(b) に示すように、点灯時間ｔのパ
ルス点灯の数が１ヶ、２ヶ、３ヶと増えるのに比例して
積算照射強度Ｉｓも増加する。従って、小領域ｓをスリ
ット状光線が走査する期間内に、点灯時間ｔのパルス状
点灯の数を最大ｍヶにできるとすれば、積算照射強度Ｉ
ｓを（ｍ＋１）段階（本例では４段階）に変化させ得る
ことになる。

【０１０２】その他、図６に示すように、連続して点灯
する時間をｔ、２ｔ、３ｔに制御するＰＷＭ（パルス幅
変調）を用いて積算照射強度Ｉｓを制御しても良い。

【０１０３】また、第２の手法としては、スリット光線
が小領域ｓ内を走査する回数を複数回とし、この複数回
の走査のうち、スリット状光線が実際に点灯しつつ走査
する走査回数を制御する手法である。具体的には、小領
域ｓを複数回（図７では４回）走査するようにポリゴン
ミラーを回転させる。そして、４回の走査のうち、第１
回と第２回の走査のときにスリット状光線を実際に点灯
して走査させ、第３回，第４回のときには消灯して走査
させる。これを点灯の場合を白抜き、消灯の場合を斜線
のハッチングで表現すると図７(a) のようになる。従っ
て、ｎ回走査させるとすれば、このうち点灯しながら走
査する回数を変化させることにより、（ｎ＋１）段階
（図７(b) の場合は５段階）に積算照射強度Ｉｓを変化
させ得ることになる。なお、点灯と消灯を組み合わせる
場合（図７(b) において、Ｉｓ＝１，２，３の場合）に
は、必ずしも図７(b) のように、第１回から連続して所
要回数点灯する必要はなく、例えば、図７(c) のよう
に、第１回と第３回の合計２回点灯して走査させるな
ど、何回目の走査時に点灯させるかは適宜選択すればよ
い。

【０１０４】また、点灯しつつ走査する場合としては、
小領域ｓ内をスリット状光線が走査する期間全体にわた
ってスリット状光線を点灯させる必要はない。即ち、第
１の手法で説明したのと同様に、１回の走査において、
点灯時間ｔのパルス状点灯を所定個数照射することとし
てもよい。

【０１０５】さらに、第３の手法としては、上記第１及
び第２の手法を組み合わせたものを用いることができ
る。即ち、スリット光線が小領域ｓを走査する回数を複
数回とし、この複数回の走査のうち、スリット状光線が
実際に点灯しつつ走査する時間と走査回数とをそれぞれ
調整する手法である。具体的には、小領域ｓを複数回
（図８では４回）走査するようにポリゴンミラーを回転
させる。そして、小領域ｓ内をスリット状光線が１回走
査する期間内に、一定時間ｔだけ点灯するパルスの数
（図８では５ヶ）を増減して点灯している時間を制御
し、さらに、複数回の走査のうち、実際に点灯して走査
する回数をも制御するのである。

【０１０６】図８の例に即して説明する。まず、１フィ
ールド分の撮像時間内に４回走査することができるよう
にポリゴンミラーを調整する。また、小領域ｓ内をスリ
ット状光線が１回走査する期間内に、点灯時間ｔのパル
スを最大５ヶ照射することとする。ここで、第１回の走
査では、スリット状光線が点灯しながら走査することと
し、しかも、この走査において、点灯時間ｔのパルス状
点灯を２回行う。一方、残りの第２，３，４回の走査に
おいては、点灯させなかったとすると、図８(c)のよう
に表すことができ、積算照射強度Ｉｓ＝２とすることが
できる。なお、この図においても、消灯の場合をハッチ
ング、点灯の場合を白抜きとして表現している。また同
様に、第１，２回の走査ではいずれもパルス状点灯を５
回行い、さらに、第３回の走査では、パルス状点灯を３
回行い、第４回の走査では消灯させたとすると、図８
(d)のように表すことができ、Ｉｓ＝１３とできる。

【０１０７】このようにすることで、積算照射強度Ｉｓ
は、Ｉｓ＝０〜２０の２１段階に変化させることができ
る（図８(a)〜(h)参照）。一般に、１回の走査において
最大ｍヶのパルス状点灯を行うことができ、１フィール
ド分の撮像期間内にｎ回走査させるとすると、積算照射
強度Ｉｓは、（ｍ×ｎ＋１）段階に変化させることがで
きるようになる。なお、各回の走査におけるパルス状点
灯の回数の配分には、特に限定はなく、例えば、図８
(d)と同じＩｓ＝１３とするために、図８(i)に示すよう
に、各走査毎に、５回、２回、３回、３回点灯し、合計
１３回分パルス点灯を行うようにしてもよい。即ち、パ
ルス点灯の回数が所定の回数となるように調整すれば足
りる。なお、パルス状点灯の数によりスリット状光線が
照射しながら走査する時間を調整し走査回数と組み合わ
せた例を示したが、上記第１の手法において説明したの
と同様に、ＰＷＭによりパルス状点灯の時間を調整し
て、走査回数と組み合わせても良い。

【０１０８】上記のいずれかの手法により、積算照射強
度Ｉｓを変化させることができる。そこで、このうちの
第３の手法によって、積算照射強度Ｉｓを正弦波状に分
布させる。本実施形態では、１回の走査においてパルス
状点灯を最大４回とし、１フィールド分の撮像期間中に
６回走査する。これにより、積載照射強度Ｉｓを２５
（＝４×６＋１）段階に変化させることができる。

【０１０９】基準面Ｌ上において走査方向に並んだ１０
１ヶの小領域ｓについて２波長分（２周期分）の正弦波
状パターンを持つ積算照射強度分布を与えるとした場
合、図９に示すように各小領域ｓに対応する積算照射強
度Ｉｓを変化させればよい。図９において、横軸は小領
域ｓの番号であり、縦軸は、積算照射強度Ｉｓである。
また、実線は理想的な正弦波の形状であり、この正弦波
の形状に近似した分布とするために、各小領域ｓに照射
されるべき積算照射強度の値をドットで表している。ま
た、小領域ｓの番号１７、３７、５５については、各々
の小領域ｓで照射されるべき積算照射強度Ｉｓおよび上
記第３の手法でその強度Ｉｓを得るためのスリット状光
線の調整の仕方を例示している。即ち、例えば、番号１
７の小領域では、正弦波に近似した分布とするために、
積算照射強度Ｉｓ＝１８とする必要があり、そのために
は、第１〜４回の走査において各々４回のパルス状点灯
を行い、さらに第５回の走査において２回のパルス状点
灯を行い、第６回の走査においては消灯すればよいこと
が示されている。なお、いうまでもないが、積算照射強
度Ｉｓは、０または正の値のみ取りうることから、積算
照射強度Ｉｓは、正確には正弦波ではなく、正弦波を少
なくともその振幅だけ正方向にオフセットさせた波形に
近似した分布としている。

【０１１０】位相シフト型光線制御データメモリ１５に
は、上述の制御をするための制御データが格納されてお
り、この制御データをレーザコントローラ１３が読み込
むことにより、レーザ光源２が制御される。しかも、位
相シフト型光線制御データメモリ１５には、正弦波の位
相がそれぞれ１／４周期分（位相角θ＝０、π／２、
π、３π／２）ずつ異なるように制御する４種のデータ
が格納されており、このうちのいずれかがレーザコント
ローラ１３に読み込まれる。なお、走査回数について
は、同期回路７１がポリゴンミラー５の回転数を制御す
る。

【０１１１】なお、本実施形態においては、後述するよ
うに、空間コード化法によって求めた被測定物Ｍの粗形
状と、位相シフト法によって求めた被測定物Ｍの細部形
状とを容易に合成できるようにするため、上記したスト
ライプ状パターンの光線によって形成される２５６ヶの
小空間ＳＳのそれぞれと、正弦波状パターンの光線の１
周期分とが一致するようにしておく。さらに具体的にい
うと、１／４周期ずつずれた４つの正弦波状パターン
が、Ｉｓ₀＝cosθ、Ｉｓ₁＝cos(θ＋π／２）、Ｉｓ₂＝
cos(θ＋π)、Ｉｓ₃＝cos(θ＋３π／２ )で表されると
き、θ＝π、３π、５π、７π…の位置に、各小空間Ｓ
Ｓ同士の境界が位置するように、正弦波状パターンの位
相と空間コード化法による小空間との関係を決める。こ
れにより、後述するように、位相シフト法によって、
(2) 式を用いて求められる被測定物Ｍの計測点の位相θ
_Mは、−π≦θ_M≦πの範囲で求められる。前記したよう
に、被測定物Ｍの計測点の位相θＭが、実際はπ≦θ_M
≦３π 、あるいは、３π≦θ_M≦５π 、…である場合
には、位相シフト法による位相の算出では、これらのう
ちのπ、３π、５π…分は無視されることになる。しか
し、１つの空間コード番号が与えられる小空間ＳＳと正
弦波パターンの１周期分とが対応するので、このような
場合、例えば、π≦θ_M≦３π の場合は、空間コード番
号が１だけずれる。同様に、３π≦θ_M≦５π の場合
は、空間コード番号が２だけずれる。このことから、上
記のような関係にすることで、正弦波の周期性により、
位相θ_Mのうち無視された分は、空間コード化法により
求めた粗形状の値に対応することになる。

【０１１２】このようにして、スリット状光線を走査し
ながらスリット状光線を点滅させて積算照射強度分布を
正弦波状にすることにより、被測定物Ｍの表面には、１
フィールド分の撮像期間を通して積算すると濃淡縞状パ
ターンの光学像が形成され、被測定物Ｍの各部分の高さ
は濃淡縞状パターンの位相のずれ（ずれ量（変調量））
として観察されるようになる。そして、上記４種のデー
タに従った４種の光学像を撮像することで、後述する位
相シフト法により、各部分に照射された光線の位相が算
出でき、後述する三角測量の原理により、被測定物Ｍの
各部分の形状（高さ）が算出できる。

【０１１３】そこで、空間コード化法による計測の場合
と同様に、この光学像を被測定物Ｍの図中ほぼ真上から
ＣＣＤカメラ２１（画素数５１２×２４０ヶ）で撮像
し、その出力である画像情報を画像メモリ２２に格納す
る。なお、ＣＣＤカメラ２１からの画像情報は、各画素
毎に明度を８ビットの階調（２⁸＝２５６階調）で表わ
したデータとなっている。

【０１１４】なお、空間コード化法による計測の場合と
同様に、同期回路７１の指示により、レーザコントロー
ラ１３、ポリゴンミラー５とともに、ＣＣＤカメラ２１
の撮像は同期して動作している。即ち、同期回路７１
は、ＣＣＤカメラ２１の１フィールド分の撮像期間（１
／６０秒）中に、スリット状光線が被測定物Ｍを１また
は複数回の所定回数（本実施形態では、６回）走査する
ように、ＣＣＤカメラ２１の撮像タイミングやポリゴン
ミラー５の回転数および各鏡面の角度を制御している。
さらに、位相シフト型光線制御データメモリ１５のデー
タに従った所定パターンの光線を被測定物Ｍに照射する
ように、レーザコントローラ１３がレーザ光源２を制御
するタイミングをもこれらに同期させている。

【０１１５】ついで、前記したように、セレクタ７２の
指示により、位相シフト化画像情報取込メモリ５１が画
像メモリ２２に格納された画像情報を取り込む。これに
より、位相シフト型光線制御データメモリ１５のデータ
に従ってレーザコントローラ１３がレーザ光源２を制御
したときに撮像された画像情報は、位相シフト化画像情
報取込メモリ５１に取り込まれる。

【０１１６】位相シフト化画像情報取込メモリ５１につ
いては、図３にその詳細を示すように、画像メモリ２２
から取り込んだ画像情報を、位相シフト化画像情報メモ
リ５４ａ〜５４ｄのいずれか（例えば５４ａ）に格納す
る。

【０１１７】ついで、セレクタ７２の指示によりレーザ
コントローラ１３が位相シフト型光線制御データメモリ
１５から、先回の撮像に使用しなかった（位相の異な
る）制御データを読み込み、これに従って、上記と同様
にレーザ光源２を点滅させる。ついで、この制御データ
に従い位相の異なる正弦波状パターンの光線により形成
された被測定物Ｍの光学像を撮像し、まだ位相シフト化
画像情報が格納されていない位相シフト化画像情報メモ
リ５４ａ〜５４ｄのいずれか（例えば５４ｂ）に格納す
る。これを、位相が１／４周期（位相角でπ／２）ずつ
異なる４種の制御データについて行う。なお、撮像の順
序は、位相角の順になっている必要はない。

【０１１８】各位相シフト化画像情報メモリ５４ａ〜５
４ｄへ各データに従った位相シフト化画像情報がそれぞ
れ格納されたら、この４ヶの位相シフト化画像情報メモ
リ５４ａ〜５４ｄに格納された４フィールド分の位相シ
フト化画像情報を位相シフト型演算回路５２に読み込
み、公知の位相シフト法と三角測量の原理（後述する）
に従って被測定物Ｍの形状（細部形状）を算出する。算
出された細部形状データは、細部形状データメモリ５３
に格納される。なお、上記説明においては、先に空間コ
ード化法による粗形状の計測を行い、その後、位相シフ
ト法による細部形状の計測を行ったように記載したが、
計測の順序はこの逆でも良い。さらには、ストライプ状
パターンの光線を照射して行う８フィールド分の撮像
と、正弦波状パターンの光線を照射して行う４フィール
ド分の撮像とは、それぞれをまとめて行う必要はなく、
合計１２フィールド分の撮像を任意の順序で行うことが
できる。

【０１１９】ついで、粗形状データと細部形状データの
合成について説明する。前記のように空間コード型演算
回路４２によって算出され、粗形状データメモリ４３に
格納された粗形状データと、上述したように位相シフト
型演算回路５２によって算出され、細部形状データメモ
リ５３に格納された細部形状データは、形状合成演算手
段６０の形状合成処理回路６１に取り込まれて処理され
る。図１０は、形状合成処理回路６１で行う合成処理を
説明する説明図である。図１０(a) に示すように、破線
で示した略三角形状を有する被測定物Ｍを計測して得た
粗形状データＤ１は、量子化された階段状データとな
る。空間コード化法による計測では、被測定物Ｍの各部
分が属する空間に付された空間コード番号によってその
部分の高さを算出するからである。なお、図１０(a)に
おいて、左右両裾（両端）部分は、被測定物Ｍがなく基
準面Ｌを計測した部分であるので、高さ＝０の基準位置
Ｏとしている。

【０１２０】一方、図１０(b)に示すように、同じ被測
定物Ｍを計測して得た細部形状データＤ２は、鋸歯状デ
ータとなる。位相シフト法による計測では、正弦波の周
期性により、位相のずれ量が２π、４π・・を越える
と、２π、４π・・の分のずれ量は無視して高さが算出
される、つまり本実施形態に即して言えば、、−π〜π
の範囲で位相が算出されるので、位相がπ、３π、５π
…を越えると、これらの値を越えた分は無視されるから
である。なお、図１０(b)において、左右両端部分は、
図１０(a)と同様に基準面Ｌを計測した部分であるの
で、高さ＝０の基準位置Ｏ’としている。また、本実施
形態では、位相シフト法による位相角θの計測範囲を、
θ＝−π〜πとした。このため、細部形状データＤ２
は、基準位置Ｏ’を中心として、正または負の高さデー
タとなる。

【０１２１】ついで、これらのデータＤ１およびＤ２を
足し合わせて合成する。なお、このとき、粗形状データ
Ｄ１の基準位置Ｏと細部形状データＤ２の基準位置Ｏ’
とを同じ高さに位置させる。すると、データＤ１とＤ２
は、図１０(c)に示すように重ねられるので、各部分
（各画素）について高さデータを足し合わせることによ
り、図１０(d)に示すように基準面Ｌからの被測定物Ｍ
の高さデータＤＭが得られた。図１０(d)からも明らか
なように、本実施形態の形状計測装置によれば、高さの
高い被測定物Ｍであっても計測できる広いダイナミック
レンジを有している上に、データが階段状にならず、分
解能の高い計測が可能である。しかも、各部分における
粗形状データＤ１と細部形状データＤ２とを足し合わせ
ることで足り、被測定物Ｍの形状算出も容易である。

【０１２２】ここで、三角測量による高さ測定および空
間コード化法と位相シフト法による高さ測定の方法につ
いて簡単に説明する。まず、三角測量の原理について、
図１１を参照して説明する。ここでは、基準面Ｌ上に置
かれた被測定物Ｍの図中上面を計測点とし、この高さＺ
を測定するものとする。レーザ光源２から発射された光
線は、ポリゴンミラー５の鏡面５ａで反射して被測定物
Ｍの上面に照射される。これをＣＣＤカメラ２１の対物
レンズ２７を通して受光素子２８上に結像させて撮像す
る。ここで、ＣＣＤカメラ２１の光軸Ｕは、基準面Ｌに
垂直になるように配置されているものとし、基準面Ｌか
ら鏡面５ａの走査中心ＭＲまでの高さをhm、基準点Ａか
らの偏向角をα、基準面ＬからＣＣＤカメラ２１の対物
レンズ２７の主点までの高さをhc、対物レンズ２７の焦
点距離をｆ、基準点ＡからＣＣＤカメラ２１の光軸Ｕま
での基準面Ｌ上の距離をｍ、ＣＣＤカメラ２１の受光素
子２８上の受光した画素位置（被測定物Ｍの上面を見込
む画素位置）をｘとする。

【０１２３】このとき、被測定物Ｍの上面の高さＺは、Ｚ＝｛ｘ・hc−ｆ（ｍ−hm・tanα）｝／（ｘ＋ｆ・tanα） (1) で表すことができる。図１１より明らかなように、hc、
ｆ、ｍ、hmはいずれも被測定物Ｍと無関係な固定値であ
る。従って、ｘとαが判れば、(1)式よりＺが算出でき
る。なお、上記式においては、ｙ方向（図１１における
紙面に垂直な方向）の座標（位置）が現れないが、ＣＣ
Ｄカメラ２１の受光素子２８のｙ方向画素位置から直接
導出されるので、３次元計測が可能となる。

【０１２４】ついで、空間コード化法による高さ計測に
ついて説明する。空間コード化法によれば、図１２に示
すように光線を照射する空間を一連の空間コード番号Ｓ
ｃが付された小空間ＳＳで細分することができる。即
ち、基準面Ｌから高さhmの位置にあるポリゴンミラー５
の鏡面５ａの走査中心を中心とした断面扇状の小空間Ｓ
Ｓに細分でき、各小空間ＳＳには、一連の空間コード番
号Ｓｃ＝０、１，２，・・を付すことができる。そし
て、各空間コード番号Ｓｃの番号とその空間コードが付
された小空間ＳＳの偏向角αとの関係は鏡面５ａの角度
から算出することができる。

【０１２５】ここで、例えば、被測定物Ｍの上面が空間
コード番号Ｓｃ＝４の空間内に位置していた場合には、
この被測定物Ｍの上面には、空間コード番号Ｓｃ＝４に
特有のパターンで光線が照射される。例えば、図４に示
したグレイコードによって８フィールド分の撮像を行っ
た場合を考える。もし、メモリビット０から７のコード
の順に各フィールドを撮像したとすると、被測定物Ｍの
上面は、各フィールド毎に、暗、明、明、暗、暗、暗、
暗、暗(0,1,1,0,0,0,0,0)という順に明暗が現れること
になる（図４の太線枠内参照）。逆に言えば、被測定物
Ｍの上面の明暗を、８フィールド分の画像情報にわたっ
て点検すれば、その明暗の現れ方によって被測定物Ｍの
上面が属する空間コード番号Ｓｃを知ることができる。
従って、偏向角αも知ることができる。また、被測定物
Ｍの上面を見込む画素の位置ｘは明らかであるから、こ
れにより、上記(1)式によって被測定物Ｍの上面の高さ
Ｚを算出することができる。

【０１２６】ついで、位相シフト法による高さ計測につ
いて説明する。位相シフト法による測定においては、前
述のように、積算照射強度Ｉｓの分布が正弦波状となる
ように光線を照射する。しかも、各々１／４周期ずつ位
相の異なる分布を持つ４種の光線を照射するので、これ
を１つの図で表すと図１３のようになる。即ち、図１３
は、位相θ＝０〜４πの範囲における積算照射強度Ｉｓ
の分布を示す。ここで、４種の分布は、それぞれＩｓ₀
＝cosθ、Ｉｓ₁＝cos(θ＋π／２)、Ｉｓ₂＝cos(θ＋
π)、Ｉｓ₄＝cos(θ＋３π／２) で表すことができる。
なお正確には、振幅の値１２（＝２４／２）およびオフ
セットの値１２を考慮すると、Ｉｓ０＝12(１＋cos
θ)、Ｉｓ１＝12(１＋cos(θ＋π／２))、Ｉｓ２＝12
(１＋cos(θ＋π))、Ｉｓ４＝12(１＋cos(θ＋３π／
２))で表されるが、下記するように、(2)式において、
振幅およびオフセットの値はキャンセルされるので、こ
れらを無視して上記のように表しても同様の結果とな
る。このため、上記のように略記する。

【０１２７】ここで、前記三角測量の原理（図１１参
照）で説明した被測定物Ｍの上面に、位相シフト法によ
る４種の分布の光線を照射すると、図１３に示すよう
に、例えば、Ｉｓ₀＝cosθの分布の光線を照射したとき
には、Ｉ₀＝cosθ_Mの積算照射強度が観察される。同様
に、Ｉｓ₁＝cos(θ＋π／２）の分布の光線では、Ｉ₁＝
cos(θ_M＋π／２）の積算照射強度が観察される。ま
た、同様にＩ₂＝cos(θ_M＋π)、Ｉ₃＝cos(θ_M＋３π／
２)の積算照射強度が観察されることになる。ここで、
θ_Mは、被測定物Ｍの上面（計測点）に光線が照射され
るときの位相角である。

【０１２８】逆に言えば、被測定物Ｍの上面（計測点）
の明度を、４フィールド分の画像情報にわたって点検す
れば、その明度の現れ方によって被測定物Ｍの上面に照
射される光線の位相角θ_Mを知ることができる。具体的
な位相角θ_Mの算出方法は、 θ_M＝arctan{(Ｉ₃−Ｉ₁)／(Ｉ₀−Ｉ₂)} (2) で求めることができる。なお、明度から位相角θ_Mを求
めるのには、互いに位相の異なる少なくとも３種の分布
の光線を照射すればよい。一方、本実施形態のように、
互いに１／４周期ずつ異なる４種の分布の光線を用いて
計測する場合には、上記式(2)により、被測定物Ｍの色
調等による反射率の違いや外乱光の影響を除外して位相
角θ_Mが算出できる点で好ましい。

【０１２９】さらに、偏向角αと、位相角θ_Mとの関係
は、予め求めておくことができるので、上記手法により
位相角θ_Mを算出できれば、これに対応する偏向角αを
求めることができる。また、被測定物Ｍの上面を見込む
画素の位置ｘは明らかであるから、これにより、位相シ
フト法によっても上記(1)式によって被測定物Ｍの上面
の高さＺを算出することができる。

【０１３０】このようにして、算出された被測定物Ｍの
形状データＤＭは、その後、演算処理部８０や表示処理
部９０に送られる。これらでは、被測定物Ｍの周囲長や
断面形状等を算出したり、ディスプレイ（図示しない）
によって被測定物Ｍの形状を表示したりする後加工が行
われる。

【０１３１】このように、本実施形態の形状計測装置１
００によれば、空間コード化法と位相シフト法の２種類
の計測を行うことにより、計測許容範囲（ダイナミック
レンジ）が広く、しかも高さの分解能の高い形状計測装
置とすることができた。また、被測定物Ｍの形状（高
さ）に不連続な部分（例えば切り立った壁状部分）があ
ったとしても高さを計測できる。なお、本実施形態にお
いては、光源１として、レーザ光源２からのレーザ光線
を整形して用いた例を示したが、レーザ光源を用いずに
通常の光源からの光線を整形して用いても良い。また、
光線走査手段４として、ポリゴンミラー５を用いた例を
示したが、他の偏向装置、例えば、ガルバノミラー等を
用いても良い。また、ポリゴンミラー５の面数について
も回転数や、走査範囲、走査回数等を考慮して適宜選択
すればよい。さらに、本実施形態においては基準面Ｌ上
に被測定物Ｍを載置してその形状を計測したが、計測に
おいて基準面Ｌが撮像される必要はなく、さらには基準
面Ｌを無くして、仮想基準面からの高さを計測するよう
にしても良い。

【０１３２】また、空間コード化法による粗形状の算出
および位相シフト法による細部形状の算出において、三
角測量の原理の基づき式(1) に従って高さＺを算出する
点は共通である。従って、空間コード型形状演算手段４
０および位相シフト型形状演算手段５０において、さら
に詳しく言えば、空間コード型演算回路４２と位相シフ
ト型演算回路５２において、共通する演算については、
共通する演算回路によって演算を行うようにしても良
い。

【０１３３】ところで、上記式(1)によって高さＺを算
出するには、αからtanαを算出する必要があり、計算
が面倒で時間が掛かる。空間コード化法による粗形状の
算出においては、ある画素が見込む被測定物Ｍの表面の
属する空間コード番号Ｓｃを求め、この空間コード番号
Ｓｃから偏向角αを求め、さらに高さＺを求める。従っ
て、ある画素について、ある空間コードが観察されたと
きの高さＺの値を予め求めておけば、高さＺの算出が容
易になる。そこで、各画素（本実施形態では、５１２×
２４０ヶ）について、各空間コード番号Ｓｃ（本実施形
態では、２５６ヶ）が観察された場合の高さＺについ
て、予め高さデータテーブルとして保持しておき、面倒
な計算を省略して粗形状を算出するようにしても良い。

【０１３４】位相シフト法による細部形状測定において
は、式(2)の計算において、arctanの計算が必要であ
り、(Ｉ₃−Ｉ₁)／(Ｉ₀−Ｉ₂)の値から位相角θ_Mの値を
検索できるように、予め位相角データテーブルを保持し
ておくと良い。また、位相シフト法による細部形状の算
出においては、ある画素が見込む被測定物Ｍの表面の位
相角θ_Mを求め、この位相角θ_Mから偏向角αを求め、さ
らに高さＺを求める。従って、ある画素について、ある
位相角θ_Mが観察されたときの高さＺの値を予め求めて
おけば、高さＺの算出が容易になる。ただし、位相角θ
_Mは上述の空間コード番号Ｓｃと異なり連続値であるの
で、適当な間隔で区切る必要がある。このようにして、
各画素（本実施形態では、５１２×２４０ヶ）につい
て、有限個に区切った各位相角θ_Mが観察された場合の
高さＺについて、予め高さデータテーブルとして保持し
ておき、面倒な計算を省略して細部形状を算出するよう
にしてもよい。

【０１３５】（実施形態２）次に、本発明の第２の実施
形態について、図面と共に説明する。上記実施形態１で
は、空間コード化法によって形成される断面略扇状の小
空間ＳＳの開き角を互いに等しい角度とし、この小空間
ＳＳと正弦波状パターンの１周期分とをそれぞれ対応さ
せた。従って、正弦波状パターンの１周期分で照射され
る小空間も互いに等角度とした。また、求めた空間コー
ド番号Ｓｃから被測定物Ｍの粗形状を、算出した位相θ
_Mから被測定物Ｍの細部形状をそれぞれ求め、これらを
合成して（足し合わせて）被測定物Ｍの形状を求めた。

【０１３６】これに対し、本実施形態では、空間コード
番号が与えられた小空間と１周期分の正弦波状パターン
がなす小空間とを同様に関係付けるものの、基準面のう
ち各小空間に属する（含まれる）基準面上の幅が、いず
れも等間隔となるようにする点で異なる。従って、開き
角度が等しくならず、基準面上の照射される正弦波状パ
ターンの１周期分の幅が、基準面上のいずれの部分でも
等しくされる。また、基準面から光線の照射中心ＭＲま
での高さhcとＣＣＤカメラの対物レンズの主点ＰＬまで
の高さhmとを等しくする。さらに、求めた空間コード番
号から位相シフト法で求めた場合の位相に相当する粗位
相を求め、この粗位相と算出した細部位相とを足し合わ
せた合成位相から被測定物Ｍの形状を求める点でも異な
る。しかし、その他の部分は、上記実施形態１と同様で
あるので、同様な部分の説明は省略し、上記した相違点
を中心に説明する。

【０１３７】まず、本実施形態にかかる形状計測装置２
００について、図１４とともに説明する。形状計測装置
２００は、上記実施形態１の形状計測装置１００と概略
同様な構成を備える。即ち、光線照射手段２１０と、撮
像手段２０と、画像情報演算手段２３０と、コントロー
ル部２７０とを有している。

【０１３８】ここで、光線照射手段２１０は、後述する
ように、光線によって形成される小空間および１周期分
の正弦波状パターンで照射される空間の基準面Ｌ上の間
隔が等しくなるように光線を照射するので、このうち、
スリット状光線を制御する空間コード型光線制御手段２
１１および位相シフト型光線制御手段２１４が、上記実
施形態１の形状計測装置１００と異なる。この空間コー
ド型光線制御手段２１１には、空間コード型光線制御デ
ータメモリ（図１４ではＳ型データメモリと表示）２１
２と、レーザコントローラ２１３が含まれて、また、位
相シフト型光線制御手段１４には、レーザコントローラ
２２１３、および、位相シフト型光線制御データメモリ
（Ｐ型データメモリと表示）１５が含まれている。撮像
手段２０は、前記形状計測装置１００と同様に、ＣＣＤ
カメラ２１と画像メモリ２２とを備える。

【０１３９】画像情報演算手段２３０は、被測定物Ｍの
粗位相θｒを算出する空間コード型位相演算手段２４０
と、被測定物Ｍの精細位相θｐを算出する位相シフト型
位相演算手段２５０と、これらを合成して被測定物Ｍの
形状を算出する合成位相−形状演算手段２６０とを有し
ている。さらに詳しく言えば、空間コード型位相手段２
４０には、撮像手段２０からの画像情報を取り込んで、
各画素毎に明暗の二値化画像情報に変換したうえで格納
する空間コード化画像情報取込回路（Ｓ型取込回路と表
示）２４１と、二値化画像情報から空間コード化法によ
り空間コード番号Ｓｃを知って、各画素毎に被測定物Ｍ
の粗位相θｒを算出する粗位相演算回路２４２と、算出
された粗位相データを格納する粗位相データメモリ（粗
位相メモリと表示）２４３とが含まれている。

【０１４０】ここで、空間コード化画像情報取込回路２
４１は、図１５にその詳細を示すように、二値化演算回
路４４と４個の二値化画像情報メモリ（二値化画像メモ
リと表示）２４５ａ〜２４５ｄとを有している。ここで
は、画像メモリ２２から取り込んだ例えば８ビットの階
調をもつ各画素毎の明度画像情報を、まず二値化演算回
路４４によって各画素分について明暗二値化情報に変換
し、その後、二値化画像情報メモリ２４５ａ〜２４５ｄ
のいずれかに格納する。

【０１４１】また、位相シフト型画像情報演算手段２５
０には、撮像手段２０からの画像情報を取り込んで格納
する位相シフト化画像情報取込メモリ（Ｐ型取込メモリ
と表示）５１と、画像情報の明度値から位相シフト法に
より各画素毎に被測定物Ｍの精細位相θｐを算出する精
細位相演算回路２５２と、算出された精細位相データを
格納する精細位相データメモリ（精細位相メモリと表
示）２５３とが含まれている。なお、位相シフト化画像
情報取込メモリ５１には、図１６に示すように、前記実
施形態１と同様な、４つの位相シフト化画像情報メモリ
（Ｐ型画像メモリと表示）５４ａ〜５４ｄが含まれてお
り、画像メモリ２２から取り込んだ例えば８ビットの階
調をもつ各画素毎の明度画像情報を、位相シフト化画像
情報メモリ５４ａ〜５４ｄのいずれかに格納する。さら
に、合成位相−形状演算手段２６０には、対応する画素
毎に粗位相データと精細位相データとを合成して合成位
相θｃを求める位相合成回路２６１と、この合成位相θ
ｃから被測定物Ｍの形状を演算する形状演算回路２６２
とが含まれている。

【０１４２】さらに、コントロール部２７０には、同期
回路２７１とセレクタ７２が含まれている。このうち、
同期回路２７１は、ポリゴンミラー５、レーザコントロ
ーラ２１３，およびＣＣＤカメラ２１の相互間での撮像
等のタイミングを調整する。また、セレクタ７２は、空
間コード化法による計測、位相シフト法による計測を切
り替える。さらに、空間コード化法による計測におい
て、セレクタ７２は、レーザコントローラ２１３が空間
コード型光線制御データメモリ２１２から読み込むコー
ドの選択（切り替え）および空間コード化画像情報取込
回路２４１に取り込み二値化した画像情報を格納する二
値化画像情報メモリ２４５ａ〜２４５ｄの選択を行う。
同様に、位相シフト法による計測において、セレクタ７
２は、レーザコントローラ２１３が位相シフト型光線制
御データメモリ２１５から読み込む制御データの選択
（切り替え）および位相シフト型形状演算手段５０に取
り込んだ画像情報を格納する位相シフト化画像情報メモ
リ５４ａ〜５４ｄの選択を行う。

【０１４３】ここで、空間コード番号Ｓｃと位相との関
係について説明する。本実施形態においては、実施形態
１と同様に、１つの空間コード番号Ｓｃが与えられる小
空間ＳＳが、それぞれ１周期分の正弦波状パターンの光
線で照射される小空間に一致するようにされている。さ
らに、正弦波状パターンの位相と空間コード化法による
小空間ＳＳとの関係は、４種の正弦波状パターンのうち
の１つをＩｓ₀＝cosθで表したとき、θ＝０，２π，４
π…の位置に各小空間ＳＳ同士の境界ＳＳＷが位置する
ように選択した。

【０１４４】図１７に、この関係を示す。空間コード番
号Ｓｃ＝ｎおよびｎ＋１が与えられた２つの小空間ＳＳ
について、各小空間と１周期分の正弦波状パターン（４
種類）とがそれぞれ対応している。この２つの小空間の
境界において、Ｉｓ０＝cosθ＝１、従って、θ＝０、
２π、４π…の関係となるようにされている。このよう
な関係を有していることから、空間コード番号Ｓｃと正
弦波状パターンの位相θとを関係付けることができる。
例えば、空間コード番号Ｓｃを、一連の０または正の整
数ｎとすれば（Ｓｃ＝０，１，２，３，…，ｎ，…）、
空間コード番号ｎは、θｒ＝２ｎπの式によって、位相
θ（粗位相θｒ）に換算することができる。一方、各々
の小空間ＳＳ内で、位相シフト法によって、前記(2)式
に従い、θｐ＝０〜２πの範囲で位相（精細位相θｐ）
を求めることができる。

【０１４５】従って、空間コード化法によって求めた空
間コード番号Ｓｃを粗位相θｒに換算したことで、位相
シフト法で求めた精細位相θｐと足し合わせるだけで、
両方法の結果を合成することができ、合成位相θｃ（＝
θｒ＋θｐ＝２ｎπ＋θｐ）を得ることができる。この
合成位相θｃは、ｎ＝０、θｐ＝０においてθｃ＝０と
なるので、関係式が簡単である。しかも、粗位相θｒ
は、位相シフト法において正弦波の周期性によって無視
された２π、４π…の分の位相に相当するものとなる。
このため、上記実施形態１で説明したように、予め偏向
角αと合成位相θｃとの関係を求めておけば、前記した
三角測量の原理に基づいて、前記(1)式によって、被測
定物Ｍの高さＺが求められる。このようにした場合、通
常の位相シフト法では無視される２π、４π…の分の位
相が、粗位相θｒによって補われるので、算出した高さ
データは鋸歯状になるなどの位相連結問題は生じない。
従って、算出した高さデータを順につなぎ合わせる補正
を行う必要もなく、各画素毎に求めた空間コード番号Ｓ
ｃ及び精細位相θｐから、直ちに高さＺを求めることが
できる。

【０１４６】次に、光線を基準面Ｌ（および被測定物
Ｍ）に照射するにあたり、空間コード化法によって形成
される各小空間および、正弦波状パターンの１周期分の
光線がなす各小空間の開き角を等しくした場合（例え
ば、上記実施形態１の場合、図１８参照）と、上記各小
空間に属する基準面Ｌ上の幅が、いずれも等間隔になる
ようにした場合（図１９参照）、さらに、基準面Ｌから
照射中心ＭＲまでの高さhmとＣＣＤカメラ２１の対物レ
ンズの主点ＰＬまでの高さhcを等しくした場合（図２０
参照）との違いについて説明する。

【０１４７】まず、各小空間の開き角を等しくした場
合、つまり上記実施形態１に相当する場合について説明
する。図１８に示すように、照射中心ＭＲを中心として
扇状に拡がり、一連の空間コード番号Ｓｃ（Ｓｃ＝０，
１，２，…）が夫々与えられた小空間ＳＳは、その開き
角βが各々同じにされている。一方、主点ＰＬから放射
状に拡がる線は、ＣＣＤカメラ２１の各画素（図示しな
い）が見込む光軸（画素光軸）ＰＸＬを示す。被測定物
Ｍが無いとした場合、各画素は、これらの画素光軸ＰＸ
Ｌと基準面Ｌとの交点ａ０〜ｉ０に照射されるストライ
プパターンを感知することになる。従って、例えば、交
点ｃ０に対応する画素から、空間コード番号Ｓｃ＝２を
知るというように、各画素からは、それに対応する交点
ａ０〜ｉ０が含まれる小空間ＳＳに応じた空間コード番
号Ｓｃを知ることができる。なお、交点ａ０〜ｉ０は等
間隔に並ぶ。これらに対応する画素（図示しない）が、
等間隔に並んで形成されているからである。

【０１４８】ここで、一定の高さを有する被測定物Ｍを
基準面Ｌ上に置いた場合を想定する。すると、各画素光
軸ＰＸＬのうちのいくつかは、この被測定物Ｍの上面と
の交点（例えば、ｃ１〜ｇ１）を形成する。つまり、こ
れらに対応する画素は、被測定物Ｍの上面を見込むこと
になる。例えば、もともと基準面Ｌのうち交点ｃ０を見
込んでいた画素（図示しない）は、被測定物Ｍの上面の
うち交点ｃ１を見込むことになる。これにより、画素が
感知する空間コード番号Ｓｃは、Ｓｃ＝２からＳｃ＝３
に変化する。従って、空間コード番号Ｓｃが本来の値か
ら変化したことから、被測定物Ｍの存在を検知でき、そ
の高さ（量子化された値ではあるが）を算出することが
できる。同様に、交点ｅ０を見込む画素が感知する空間
コード番号Ｓｃは、被測定物Ｍの存在により、Ｓｃ＝３
からＳｃ＝４に変化する。

【０１４９】しかし、交点ｄ０を見込む画素が感知する
空間コード番号Ｓｃは、被測定物Ｍが有ってもなくて
も、Ｓｃ＝３のまま変化しない。従って、この画素で
は、被測定物Ｍの存在を検知できない、また、被測定物
の高さを算出できない。このことから、上記のように、
同じ開き角βをもつ小空間ＳＳを構成するように光線を
照射した場合には、同じ高さの被測定物Ｍであっても、
その被測定物Ｍの置かれた基準面Ｌ上の位置の違いによ
って、被測定物Ｍを検出できたりできなかったり、ある
いはその高さを算出できたりできなかったりすること、
つまり、基準面Ｌ上の位置によって分解能が異なること
が判る。開き角βを等しくした場合には、小空間ＳＳ同
士の境界ＳＳＷと画素光軸ＰＸＬとの交点のうち隣接す
るもの同士を順に結ぶ線ＣＬが、基準面Ｌと平行になら
ないためである。なお、１周期分の正弦波状パターンの
光線で照射される小空間ＳＳについて考察する場合にも
同様であるから、位相シフト法によって被測定物Ｍの高
さを計測する場合にも、同様に分解能が位置によって変
化することが判る。

【０１５０】ついで、各小空間に属する基準面Ｌ上の幅
が、いずれも等間隔になるようにした場合について説明
する。図１９に示すように、各小空間ＳＳに属する基準
面Ｌ上の幅ｗ、つまり、小空間ＳＳ同士の境界ＳＳＷと
基準面Ｌとの交点相互の間隔ｗがいずれも等しくなるよ
うに光線を照射する。但し、本図では、基準面Ｌから照
射中心ＭＲまでの高さhmと、基準面Ｌから主点ＰＬまで
の高さhcとが異なる場合、具体的には、hc＜hmの場合に
ついて例示している。この場合にも、図１９から判るよ
うに、小空間ＳＳ同士の境界ＳＳＷと画素光軸ＰＸＬと
の交点のうち隣接するもの同士を結ぶ線ＣＬが、基準面
Ｌと平行にならない。従って、例えば、破線で示すよう
な被測定物Ｍを基準面Ｌ上に置いた場合、場所により各
画素で空間コード番号の変化を検知できるときとできな
いときとがあることが判る。つまり、基準面Ｌ上の位置
によって分解能が変化する。

【０１５１】最後に、各小空間に属する基準面Ｌ上の幅
が、いずれも等間隔になるようにし、かつ、hc＝hmとし
た場合について説明する。図２０に示すように、hc＝hm
とした上で、各小空間ＳＳに属する基準面Ｌ上の幅ｗが
いずれも等しくなるように光線を照射する。この場合に
は、図２０から判るように、小空間ＳＳ同士の境界ＳＳ
Ｗと画素光軸ＰＸＬとの交点のうち隣接するもの同士を
結ぶ線ＣＬが、基準面Ｌと平行になる。従って、例え
ば、図２０に示すように、一定の高さを有する被測定物
Ｍを基準面Ｌ上に置いた場合、交点ｃ１〜ｇ１のいずれ
も、その属する小空間ＳＳの空間コード番号Ｓｃが、被
測定物Ｍがない場合（交点ｃ０〜ｇ０の場合）に比べ
て、１だけ多い数になる。従って、場所によらず各画素
で空間コード番号の変化を検知でき、被測定物Ｍの高さ
が測定できる。つまり、基準面Ｌ上の位置によって分解
能が変化しない。このため、被測定物Ｍを基準面Ｌのど
の位置に置いたとしても、同様な測定結果が得られるこ
とになる。

【０１５２】なお、１周期分の正弦波状パターンの光線
で照射される小空間ＳＳについて考察する場合にも同様
であるから、このようにすれば位相シフト法によって被
測定物Ｍの高さを計測する場合にも、同様に分解能が位
置によって変化しない。そこで、本実施形態では、この
条件に基づいて形状計測を行うようにする。このため、
偏向角αが大きくなるにつれて各小空間ＳＳの開き角β
（図２０ではβ０〜β８）が次第に小さくするようにさ
れる（β０＞β１＞…＞β８）。つまり、偏向角αと各
小空間ＳＳとの関係を考慮して、同期回路２７１および
レーザコントローラ２１３によって、レーザ光源２の点
滅間隔やポリゴンミラー５回転等を制御することで、上
記条件を実現する。あるいは、十分に速く点滅させうる
レーザ光源を用いて、最も開き角βの小さい小空間でも
十分な回数点滅できるようにした上で、各小空間内で点
滅する回数を制御するようにしても良い。

【０１５３】まず、セレクタ７２により空間コード化法
による計測が選択された場合について説明する。実施形
態１と同様に、セレクタ７２からの指示によりレーザコ
ントローラ１３は空間コード型光線制御データメモリ２
１２からデータを読み込み、このデータに従ってレーザ
光源２の点滅（スイッチング）の制御を行う。この点は
実施形態１と同様である。但し、本実施形態では、この
空間コード型光線制御データメモリ２１２には、４ビッ
トのグレイコードを用い（図２１参照）、実施形態１の
場合（図４参照）よりも小空間ＳＳの数を少なくし、ま
ず、０〜３のメモリビットのうちの１つを選択してレー
ザコントローラ１２に読み込む。そして、選択したコー
ドのデータに従って、０〜１５のメモリアドレスの順に
レーザ光源２を点滅させる。上記４ビットのグレイコー
ドに従った４種の光線を照射することで、光線が照射さ
れる空間は、空間コード化法により１６ヶ（＝２⁴ヶ）
の一連の空間コード番号が付された断面略扇状の小空間
ＳＳに分割される。

【０１５４】本実施形態では、被測定物Ｍを図１４に示
すように、実施形態１と同様、ＣＣＤカメラ２１で撮像
し、画像情報を画像メモリ２２に格納する。同期回路２
７１は、１フィールド分の撮像期間中に、スリット状光
線が被測定物Ｍを６回走査するように、ＣＣＤカメラ２
１の撮像タイミングやポリゴンミラー５の回転数、各鏡
面の角度、さらにレーザコントローラ２１３がレーザ光
源２を制御するタイミングを制御している。

【０１５５】空間コード化法により被測定物Ｍの形状を
計測するには、空間コード型光線制御データメモリ１２
のデータに従ってレーザ光線を照射したときに撮像され
た画像情報を、セレクタ７２の指示により、画像メモリ
２２から空間コード化画像情報取込回路２４１に取り込
む。空間コード化画像情報取込回路２４１については、
上記において既に図１５を参照して説明したように、画
像メモリ２２から取り込んだ画像情報を、まず二値化演
算回路４４によって各画素毎に明暗二値化画像情報に変
換し、その後、二値化画像情報メモリ２４５ａ〜２４５
ｄのいずれか（例えば２４５ａ）に格納する。ついで、
セレクタ７２の指示によりレーザコントローラ２１３が
空間コード型光線制御データメモリ２１２から、先回の
撮像に使用しなかったメモリアドレスのコードを読み込
み、これに従ってレーザ光源２を点滅させる。このコー
ドに従ったストライプ状パターンの光線により形成され
た被測定物Ｍの光学像を撮像し、上記と同様に二値化画
像情報に変換し、まだ二値化画像情報が格納されていな
い二値化画像情報メモリ２４５ａ〜２４５ｄのいずれか
（例えば２４５ｂ）に格納する。これを、メモリコード
０〜３に格納された４種のコードについて行う。

【０１５６】各二値化画像情報メモリ２４５ａ〜２４５
ｄへ各コードに従った二値化画像情報がそれぞれ格納さ
れたら、この４ヶのメモリ２４５ａ〜２４５ｄに格納さ
れた二値化画像情報を空間コード型位相演算回路２４２
に読み込む。その後、空間コード化法により、各画素毎
にその画素が見込む領域の属する小空間ＳＳの空間コー
ド番号Ｓｃを算出する。さらに空間コード番号Ｓｃは粗
位相θｒ（＝２ｎπ）に換算され、この粗位相データ
は、粗位相データメモリ２４３に格納される。

【０１５７】ついで、セレクタ７２によって位相シフト
法による計測が選択された場合について説明する。この
場合には、セレクタ７２からの指示によりレーザコント
ローラ２１３は位相シフト型光線制御データメモリ２１
５からデータを読み込んでこのデータに従ってレーザ光
源２の制御を行う。位相シフト型光線制御データメモリ
２１５データに従ってレーザコントローラ１３がレーザ
光源２を制御したときに撮像された画像情報は、位相シ
フト化画像情報取込メモリ５１に取り込まれる。

【０１５８】本実施形態でも、照射する光線の照度分布
を正弦波状にするのに、上記実施形態１と同様に、第３
の手法により積算照射強度Ｉｓを変化させるが、前記し
たように６回の走査した上で、パルス状点灯を最大３回
とすることで、１９（＝３×６＋１）段階に変化させ
る。また、基準面Ｌ上において走査方向に並んだ３２ヶ
の小領域ｓについて１周期分の正弦波状パターンを持つ
積算照射強度分布を与えるようにした。なお、前記実施
形態では、各小空間ＳＳの開き角βを等しくしたので、
基準面Ｌ上の小領域ｓの走査方向の幅は、偏向角αが大
きいほど小領域ｓの幅も広くなり、等間隔でなかった
が、本実施形態では、基準面Ｌが各小空間ＳＳを横切る
幅が等しくされているので、各小領域ｓの幅も等しくさ
れる。

【０１５９】このようにして、実施形態１と同様に、４
種の濃淡縞状パターンの光学像をそれぞれ撮像すること
で、位相シフト法により、前記(2)式で各部分に照射さ
れた光線の位相θ_M（精細位相θｐ）が算出でき、算出
された精細位相データは、精細位相データメモリ２５３
に格納される。このようにして求めた粗位相θｒおよび
精細位相θｐは、位相合成回路２６１において、各画素
毎に合成される。具体的には、対応する粗位相θｒと精
細位相θｐとを足し合わせて、合成位相θｃ（＝θｒ＋
θｐ＝２ｎπ＋θｐ）とする。さらに、形状演算回路２
６２において、合成位相θｃに対応する偏向角αと画素
の位置ｘとから、(1)式に基づいて、各画素毎に高さＺ
を算出する。従って、被測定物Ｍの各部の高さ、即ち、
形状が算出できる。以降は、実施形態１と同様に、演算
処理部８０及び表示処理部９０によって、断面形状を算
出したりワイヤーフレーム処理などを施し、ディスプレ
イなどに被測定物の形状を表示させる等の処理を行うこ
とができる。本実施形態では、空間コード番号Ｓｃを粗
位相θｒに換算するので、(1)式による高さの計算を各
画素について１度行えば良く、計算が容易となる。しか
も、被測定物Ｍの位置によらず分解能を一定とすること
ができるので、被測定物Ｍの各部の形状を均一な分解能
で、しかも高分解能で計測することができる。

【０１６０】（実施形態３）ついで、本発明の第３の実
施の形態について、図面と共に説明する。本実施形態
は、上記実施形態２と概略同様であるが、被測定物の高
さの計算方法が異なるので異なる点を中心に説明し、同
様な部分は省略あるいは簡略に説明する。上記実施形態
２と同様に、本実施形態では、１つの空間コードが与え
られる小空間ＳＳと１周期分の正弦波状パターンとを対
応させ、基準面のうち各小空間ＳＳに属する基準面上の
幅がいずれも等間隔になるようにし、しかも、基準面Ｌ
から光線の照射中心ＭＲまでの高さhcとＣＣＤカメラの
対物レンズの主点ＰＬまでの高さhmとを等しくした。こ
れにより、実施形態２において説明したように（図２０
参照）、分解能が基準面Ｌ上のいずれの位置でも一定に
なる。このことから、上記実施形態２では用いなかった
が、以下の示すように、高さＺの計算をさらに容易にす
ることができる。

【０１６１】基準面Ｌ上に被測定物Ｍを載置し、その上
面の測定点ＭＳの高さＺを測定する場合を考える。図２
２（ａ）に示すように、基準面Ｌから光線の照射中心Ｍ
Ｒまでの高さhcとＣＣＤカメラの対物レンズの主点ＰＬ
までの高さhmとを等しくし、図示しないが、小空間ＳＳ
に属する基準面上の幅がいずれも等間隔になるように、
光線を照射するようにする。ここで、ＣＣＤカメラ２１
の光軸Ｕと基準面Ｌとの交点をＬ０とし、光線ＬＧＴが
計測点ＭＳに照射されているとする。ここで、計測点Ｍ
Ｓを照射する光線ＬＧＴと基準面Ｌとの交点をＭＬ０、
ＭＳを見込む受光素子２８上の画素の位置をｘ_M、ＭＬ
０を見込む画素の位置をｘ_L、ｘ_Mとｘ_Lとの間隔をｘ０
とする。この場合、計測点ＭＳは、ＣＣＤカメラ２１の
光軸Ｕからずれた位置にある。しかし、上記したよう
に、基準面Ｌ上のどの位置でも分解能が同じであるか
ら、仮想的に被測定物Ｍを移動させた被測定物Ｍ１の上
面Ｍ１Ｓの高さを計測しても同じである。従って、図２
２（ｂ）に示すように、計測点ＭＳ１が光軸Ｕ上に位置
するようにした場合について考察することにする。ここ
で、計測点ＭＳ１を照射する光線ＬＧＴ１と基準面Ｌと
の交点をＭＬ１、Ｌ０とＭＬ１との間隔をｍ１、Ｌ０お
よびＭＳ１を見込む受光素子２８上の画素の位置をｘ_L
０、ＭＬ１を見込む画素の位置をｘ_L１、ｘ_L０とｘ_L１
との間隔をｘ１とする。すると、２つの三角形△ＰＬ−
ＭＲ−ＭＳ１と△Ｌ０−ＭＬ１−ＭＳ１とは、相似形と
なるので（△ＰＬ−ＭＲ−ＭＳ１ △Ｌ０−ＭＬ１−Ｍ
Ｓ１）、（hm−Ｚ）／ｍ＝Ｚ／ｍ１ (3) となる。一方、２つの三角形△ＰＬ−ｘＬ０−ｘＬ１と
△ＰＬ−Ｌ０−ＭＬ１も相似形であるので（△ＰＬ−ｘ
Ｌ０−ｘＬ１ △ＰＬ−Ｌ０−ＭＬ１）、ｘ１／ｆ＝ｍ１／hm (4) となる。この２式(3)(4)から、Ｚ＝ｘ１・hm²／（ｆ・ｍ＋ｘ１・hm） (5）となる。ここで、hm、ｍ、ｆは既知であるので、ｘ１が
判れば、tanαの計算を含む前記(1)式を用いなくても、
(5)式によって高さＺを求めることができることが判
る。

【０１６２】受光素子２８の位置ｘ_Mにある画素は、被
測定物Ｍを置いたために、本来（被測定物がなかったと
した場合）、位置ｘ_Lにある画素が受光する空間コード
番号Ｓｃや位相θ_Mの光を受光する。同じく、位置ｘ_L０
にある画素は、被測定物Ｍ１により、本来、位置ｘ_L１
の画素で受光するはずの空間コード番号Ｓｃや位相θ_M
の光を受光する。従って、ｘ_L０の位置にある画素が、
高さＺの被測定物Ｍ１によって、本来、距離ｘ１だけず
れた画素で受けるはずの空間コード番号Ｓｃや位相θ_M
の光を受光したとすれば、空間コード番号Ｓｃや位相θ
_Mのずれ量から、ｘ１を求めることができ、上記(5)式に
よって、高さＺと求めることができることになる。

【０１６３】ここで、上記したように、各小空間ＳＳに
属する基準面Ｌ上の幅を等間隔としている。また、受光
素子２８上の画素が等間隔に並んでいるため、各画素が
基準面Ｌを見込む幅も等間隔になる。そこで、例えば、
受光素子２８の受光領域の幅Ｗ(mm)にＶヶの単位受光素
子（画素）が並んでいるとし、１つの空間コード番号を
与える小空間ＳＳに属する基準面Ｌ上の領域を、各々Ｐ
ヶの画素が見込むとする。位置ｘ_L０にある画素が、本
来受光して検知する空間コード番号から、ＮＣヶずれた
空間コード番号（これは、間隔ｘ１だけ離れた位置ｘＬ
１にある画素が検知するはずであった）を検知したとす
ると、ｘ１は、ｘ１＝ＮＣ・Ｐ・Ｗ／Ｖ (6) によって求めることができる。一方、間隔ｘ０は、被測
定物Ｍが置かれた基準面Ｌ上の位置で異なる値となる
が、前記したように、分解能は位置に依存しない。つま
り、空間コード番号Ｓｃのずれ量は、高さＺにのみ依存
するので、空間コード番号Ｓｃのずれ量も、基準面Ｌ上
のいずれの位置にあっても同じになる。つまり、高さＺ
の被測定物を基準面上のどの位置に置いても、空間コー
ド番号Ｓｃのずれ量は同じ値になる。従って、位置ｘ_M
における画素が、本来受光するはずであった光と実際に
受けた光との間の空間コード番号Ｓｃの空間コード番号
ずれ量（以下、単に番号ずれ量ともいう）ＮＣを用い
て、上記(6)式からｘ１を求めることができ、(5)式に
(6)式を代入して、Ｚ＝ＮＣ・Ｐ・Ｗ・hm²／（Ｖ・ｆ・ｍ＋ＮＣ・Ｐ・Ｗ・hm） (7) により、高さＺ（粗形状）を求めることができる。この
ためには、被測定物Ｍを無くして基準面Ｌを照射した場
合に、演算されるはずの基準空間コード番号Ｓｃｂを各
画素毎に基準として記憶しておき、これに対して、実際
に得られた空間コード番号Ｓｃとの番号ずれ量ＮＣを算
出すればよい。

【０１６４】同様に、位相θ_Mについても、高さＺが等
しければ、基準面Ｌ上の位置に拘わらず、位相のずれ量
は同じになる。従って、１周期分（２π(rad)＝３６０
(deg)）の正弦波状パターンをＰヶの画素で見込み、位
置ｘ_L０にある画素が、本来受光する位相に対してＮＰ
(deg)ずれた位相の光線を受光したとすると、ｘ１＝ＮＰ・Ｐ・Ｗ／（３６０・Ｖ） (8) となる。この(8)式を(5)式に代入して、Ｚ＝ＮＰ・Ｐ・Ｗ・hm²／（３６０・Ｖ・ｆ・ｍ＋ＮＰ・Ｐ・Ｗ・hm） (9) により、高さＺ（細部形状）を求めることができる。こ
のためには、被測定物Ｍを無くして基準面Ｌを照射した
場合に、演算されるはずの基準位相θ_Mｂを各画素毎に
基準として記憶しておき、これに対して、実際に得られ
た位相θ_Mとの位相ずれ量ＮＰを算出すればよい。この
ようにすれば、上記(7)式および(8)式でそれぞれ求めた
２つの高さＺから、これらを足し合わせることで、tan
の計算などをすること無しに、容易に被測定物Ｍの形状
を求めることができる。

【０１６５】本実施形態にかかる形状計測装置３００を
図２３に示す。この形状計測装置３００は、上記実施形
態２の形状計測装置２００（図１４参照）と概略同様の
構成を有するが、画像情報演算手段３３０が異なる。こ
の画像情報演算手段３３０は、被測定物Ｍの粗形状を算
出する空間コード型形状演算手段３４０と、被測定物Ｍ
の細部形状を算出する位相シフト型形状演算手段３５
０、および前記実施形態１と同じく粗形状と細部形状と
を合成して被測定物Ｍの形状を算出する形状合成演算手
段６０とを有している。

【０１６６】さらに詳しく言えば、空間コード型形状演
算手段３４０には、実施形態２と同様な空間コード化画
像情報取込回路（Ｓ型取込回路と表示）２４１と、空間
コード番号ずれ量演算回路（番号ずれ量演算回路と表
示）３４２と、粗形状演算回路３４４と、実施形態１と
同様な粗形状データメモリ（粗形状メモリと表示）４３
とが含まれている。

【０１６７】ここで、空間コード化画像情報取込回路２
４１は、撮像手段２０から画像情報を取り込んで明暗の
二値化画像情報に変換したうえで格納する。空間コード
番号ずれ量演算回路３４２は、各画素毎に二値化画像情
報から空間コード番号Ｓｃを演算し、さらに基準空間コ
ード番号Ｓｃｂとの空間コード番号ずれ量ＮＣを算出す
る。粗形状演算回路３４４は、番号ずれ量ＮＣから被測
定物Ｍの粗形状を算出する。粗形状データメモリ４３
は、算出された粗形状データを格納する。なお、図２４
に示すように、空間コード番号ずれ量演算回路３４２
は、基準空間コード番号Ｓｃｂを記憶している基準空間
コード番号メモリ３４６と、二値化画像情報から空間コ
ード番号Ｓｃを演算し、さらに、各画素について基準空
間コード番号Ｓｃｂとの番号ずれ量ＮＣを算出する番号
・番号ずれ量演算回路３４５とを有する。また、実施形
態２と同様に、空間コード化画像情報取込回路２４１に
は、二値化演算回路４４と４個の二値化画像情報メモリ
（二値化画像メモリと表示）２４５ａ〜２４５ｄとを有
している。

【０１６８】また、位相シフト型形状演算手段３５０に
は、実施形態１，２と同様の位相シフト化画像情報取込
メモリ（Ｐ型取込メモリと表示）５１と、位相ずれ量演
算回路３５２と、細部形状演算回路３５４と、実施形態
１と同様な細部形状データメモリ（細部形状メモリと表
示）５３とが含まれている。ここで、位相シフト化画像
情報取込メモリ５１は、撮像手段２０からの画像情報を
取り込んで格納する。位相ずれ量演算回路３５２は、各
画素毎に画像情報から位相θ_Mを演算し、さらに基準位
相θ_Mｂとの位相ずれ量ＮＰを算出する。細部形状演算
回路３５４は、位相ずれ量ＮＰから被測定物Ｍの細部形
状を算出する。細部形状データメモリ５３は、算出され
た細部形状データを格納する。なお、図２５に示すよう
に、位相ずれ量演算回路３５２は、基準位相θ_Mｂを記
憶している基準位相メモリ３５６と、画像情報から位相
θ_Mを演算し、さらに、各画素について基準位相θ_Mｂと
の位相ずれ量ＮＰを算出する位相・位相ずれ量演算回路
３５５とを有する。

【０１６９】このような形状計測装置３００によれば、
空間コード化法及び位相シフト法によって各画素毎に空
間コード番号Ｓｃや位相θ_Mを得て、番号ずれ量ＮＣや
位相ずれ量ＮＰから、複雑で時間の掛かるtanの計算を
無くして、容易に粗形状および細部形状を得、さらに、
足し合わせることで容易に、しかも広いダイナミックレ
ンジで、高分解能で被測定物の形状を得ることができ
る。なお、本実施形態においては、上記実施形態１、２
と同様に、各画素毎に粗形状データと細部形状データを
足し合わせれば足り、位相シフト法において生じる高さ
データの不連続解消のための補正作業が不要であること
は、もちろんである。また、上記実施形態２と同様に、
被測定物Ｍを基準面Ｌ上のいずれの位置に置いても、均
一な分解能が得られることも言うまでもない。したがっ
て、被測定物Ｍの各部の形状を均一な分解能で、しかも
高分解能で計測することができる。また、本実施形態で
は、基準空間コード番号Ｓｃｂおよび基準位相θ_Mｂを
予めメモリ３４６，３５６に記憶させておいたが、被測
定物Ｍの計測の前、または後に基準面Ｌに光線を照射し
て、この画像情報から基準空間コード番号Ｓｃｂや基準
位相θ_Mｂを得るようにしても良い。

【０１７０】（実施形態４）さらに、第４の実施の形態
を図面と共に説明する。本実施形態は、上記実施形態３
と概略同様であり、空間コード番号ずれ量ＮＣおよび位
相ずれ量ＮＰを用いて、被測定物の形状を演算するが、
１つの空間コード番号を与えられる小空間と正弦波状パ
ターンのとの関係、および、被測定物の高さの計算方法
が異なるので異なる点を中心に説明し、同様な部分は省
略あるいは簡略に説明する実施形態１〜３においては、
いずれも、１つの空間コード番号Ｓｃが与えられる小空
間ＳＳと、１周期分の正弦波状パターンで照射される小
空間とが一致する関係とされていた。これに対し、本実
施形態では、図２６に示すように、１つの空間コード番
号Ｓｃが与えられる小空間ＳＳは、１／２周期分の正弦
波状パターンで照射される小空間と一致する関係とされ
ている。このようにしても、位相連結問題を解決し、空
間コード化法による計測結果と位相シフト法による計測
結果とを、容易に合成することができる。

【０１７１】さらに、本実施形態では、正弦波状パター
ンの位相と空間コード化法による小空間ＳＳとの関係
は、４種の正弦波状パターンのうちの１つをＩｓ₀＝cos
θで表したとき、θ＝−π／２、π／２，３π／２、５
π／２，…の位置に各小空間ＳＳ同士の境界ＳＳＷが位
置するように選択した。このようにすると、前記(2)式
で算出される位相θ_Mが、−π／２〜π／２の範囲で計
算される。前記(2)式では、位相θ_Mを算出するのにarct
anの計算を伴う。関数tanθは、tanθ＝tan(θ＋π)で
あるから、そのグラフを考えれば容易に判るように、１
周期分の範囲であるθ＝−π〜π（あるいは０〜２π）
の範囲において、同じ値となる位相が２つずつ存在す
る。従って、arctanの計算のみでは、−π〜πの範囲に
ある２つの位相のうち、実際の値がどちらであるかを判
別することができない。従って、上記実施形態１〜３の
ように、実際に(2)式で位相θ_Mを算出するには、arctan
の計算とは別に、Ｉ３−Ｉ１およびＩ０−Ｉ２の正負を
判別して、位相θ_Mが第１〜第４象限のうちのどの象限
に有るかを判別する必要がある。これに対して、本実施
形態のように、位相θ_Mが、θ_M＝−π／２〜π／２の範
囲で計算されるようにすると、この範囲では、位相θ_M
が一義的に定まるので、上記のようにして、位相θ_Mの
属する象限を判断する必要がない。従って、さらに容易
に位相θ_Mを求めることができる。

【０１７２】空間コード番号Ｓｃと正弦波状パターンの
位相θとを上記のような関係にすることにより、空間コ
ード番号Ｓｃは位相に換算することができ、図２６に示
すように、空間コード番号Ｓｃ＝０，１，２…ｎ，ｎ＋
１，…としたとき、空間コード番号ｎは、θｒ＝ｎπの
式によって、位相θ（粗位相θｒ）に換算することがで
きる。一方、各々の小空間ＳＳ内で、位相シフト法によ
って、前記(2)式に従い、θ＝−π／２〜π／２の範囲
で位相θ_M（精細位相θｐ）を求めることができる。従
って、実施形態２と同様に、空間コード化法によって求
めた空間コード番号Ｓｃを粗位相θｒに換算したこと
で、位相シフト法で求めた精細位相θｐと足し合わせる
だけで、両方法の結果を合成することができ、合成位相
θｃ（＝θｒ＋θｐ＝ｎπ＋θｐ）を得ることもでき
る。この合成位相θｃは、ｎ＝０、θｐ＝０で、θｃ＝
０となるので、関係式が簡単である。

【０１７３】ところで、実施形態３においては、合成位
相θｃや粗位相θｒ、精細位相θｐから直接(1)式によ
って高さＺを求めないで、基準空間コード番号Ｓｃｂや
基準位相θｂを用いて番号ずれ量ＮＣおよび位相ずれ量
ＮＰを求め、(7)および(9)式により、簡易に粗形状及び
細部形状を求め、これを足し合わせて被測定物の形状を
求めた。そこで、本実施形態でも、合成位相θｃや粗位
相θｒ、精細位相θｐから、番号ずれ量ＮＣおよび位相
ずれ量ＮＰを求める手法をとる。ただし、実施形態３と
異なり、番号ずれ量ＮＣを換算して換算位相ずれ量ＮＤ
とし、これと位相ずれ量ＮＰとを足し合わせて合成位相
ずれ量ＮＰＤ（＝ＮＤ＋ＮＰ）を求め、(9)式にこの合
成位相ずれ量ＮＰＤを適用して形状を求める。つまり、
前記(9)式のＮＰをＮＰＤに代えて、Ｚ＝ＮＰＤ・Ｐ・Ｗ・hm²／（３６０・Ｖ・ｆ・ｍ＋ＮＰＤ・Ｐ・Ｗ・hm） (10) により求める。これにより、簡易な(10)式により、容易
に被測定物の形状を求めることができる。しかも、実施
形態３に比べても、番号ずれ量ＮＣから粗形状を求める
必要がないので、計算が容易になる。なお、図２６から
容易に判るように、空間コード番号Ｓｃの値がｎからｎ
＋１に変化したとき、粗位相θｒの値はｎπから(ｎ＋
１)πに変化するのであるから、番号ずれ量ＮＣを換算
位相ずれ量ＮＤに換算するには、ＮＤ＝π・ＮＣとすれ
ばよい。従って、ＮＰＤ＝ＮＤ＋ＮＰ＝π・ＮＣ＋ＮＰ
であるので、上記(10)式は、下記のようになる。

【０１７４】

【数１】

【０１７５】ついで、本実施形態にかかる形状計測装置
４００を図２７に示す。この形状計測装置４００は、上
記実施形態３の形状計測装置３００（図２３参照）と概
略同様の構成を有するが、画像情報演算手段４３０が異
なる。この画像情報演算手段４３０は、被測定物Ｍの番
号ずれ量ＮＣを算出する空間コード型ずれ量演算手段４
４０と、被測定物Ｍの位相ずれ量ＮＰを算出する位相シ
フト型ずれ量演算手段３５０、および番号ずれ量ＮＣと
位相ずれ量ＮＰとを合成して被測定物Ｍの形状を算出す
る形状演算手段４６０とを有している。

【０１７６】さらに詳しく言えば、空間コード型ずれ量
演算手段４４０には、実施形態２、３と同様な空間コー
ド化画像情報取込回路（Ｓ型取込回路と表示）２４１
と、実施形態３と同様な空間コード番号ずれ量演算回路
（番号ずれ量演算回路と表示）３４２と、番号ずれ量デ
ータメモリ（番号ずれ量メモリと表示）４４３とが含ま
れている。ここで、空間コード化画像情報取込回路２４
１は、撮像手段２０から画像情報を取り込んで明暗の二
値化画像情報に変換したうえで格納する。空間コード番
号ずれ量演算回路３４２は、各画素毎に二値化画像情報
から空間コード番号Ｓｃを演算し、さらに基準空間コー
ド番号Ｓｃｂとの空間コード番号ずれ量ＮＣを算出す
る。番号ずれ量データメモリ４４３は、算出された番号
ずれ量データを格納する。なお、図２８に示すように、
実施形態３と同様、空間コード番号ずれ量演算回路３４
２は、基準空間コードメモリ３４６と番号・番号ずれ量
演算回路３４５とを有する。また、実施形態２、３と同
様に、空間コード化画像情報取込回路２４１には、二値
化演算回路４４と４個の二値化画像情報メモリ（二値化
画像メモリと表示）２４５ａ〜２４５ｄとを有してい
る。

【０１７７】また、位相シフト型ずれ量演算手段４５０
には、実施形態１〜３と同様の位相シフト化画像情報取
込メモリ（Ｐ型取込メモリと表示）５１と、実施形態３
と同様な位相ずれ量演算回路３５２と、位相ずれ量デー
タメモリ（位相ずれ量メモリと表示）４５３とが含まれ
ている。ここで、位相シフト化画像情報取込メモリ５１
は、撮像手段２０からの画像情報を取り込んで格納す
る。位相ずれ量演算回路３５２は、各画素毎に画像情報
から位相θ_Mを演算し、さらに基準位相θ_Mｂとの位相ず
れ量ＮＰを算出する。位相ずれ量データメモリ４５３
は、算出された位相ずれ量データを格納する。なお、図
２９に示すように、実施形態３と同様、位相ずれ量演算
回路３５２は、基準位相メモリ３５６と位相・位相ずれ
量演算回路３５５とを有する。

【０１７８】また、形状合成演算手段４６０は、各画素
毎に、番号ずれ量ＮＣを換算位相ずれ量ＮＤに換算し、
これを位相ずれ量ＮＰと足し合わせて合成位相ずれ量Ｎ
ＰＤを求めるずれ量合成回路４６１と、上記(10)式に基
づき、被測定物の形状を求める形状演算回路４６２とを
有する。なお、上記では、形状合成演算手段４６０を２
つの回路（ずれ量合成回路４６１と形状演算回路４６
２）で構成したが、前記(11)式を用いて、番号ずれ量Ｎ
Ｃと位相ずれ量ＮＰとから、一挙に被測定物の形状を求
めるようにしても良い。

【０１７９】このような形状計測装置４００によれば、
各画素毎に空間コード番号Ｓｃや位相θ_Mを得て、番号
ずれ量ＮＣや位相ずれ量ＮＰを算出し、複雑で時間の掛
かるtanの計算することなく、容易に被測定物の形状を
得ることができる。さらに、番号ずれ量ＮＣを換算位相
ずれ量ＮＤに換算するので、実施形態３に比べても容易
に、しかも広いダイナミックレンジで、高分解能で被測
定物の形状を得ることができる。なお、本実施形態にお
いては、上記実施形態１〜３と同様に、位相シフト法に
おいて生じる高さデータの不連続解消のための補正作業
が不要である。また、上記実施形態２、３と同様に、被
測定物Ｍを基準面Ｌ上のいずれの位置に置いても均一な
分解能が得られるので、被測定物Ｍの各部の形状を均一
な分解能で、しかも高分解能でく計測することができ
る。また、上記実施形態１〜４においては、積算照射強
度Ｉｓを正弦波状に分布させるのに３つ挙げた手法のう
ち、第３の手法によってが、第１、第２の手法によって
も良い。

【０１８０】（実施形態５）上記実施形態１〜４におい
ては、空間コード化法による計測と位相シフト法により
計測の両方を行ったものについて説明した。本実施形態
では、位相シフト法による計測で被測定物Ｍの形状を計
測するものを示す。図３０は本発明の実施形態５にかか
る形状計測装置５００の説明図である。本実施形態の形
状計測装置５００は、実施形態１において説明した形状
計測装置とほぼ同じ構成を有する。ただし、空間コード
化法による計測を行わず、また、粗形状とデータと細部
形状データとの合成も行わないので、空間コード型光線
制御データメモリ１２や空間コード型形状演算手段４
０、形状合成演算手段６０、セレクタ７２が除かれてい
る。また、後述するように形状演算において若干異なる
処理を行うため、位相シフト型演算回路（Ｐ型演算回路
と表示）５５２、形状データメモリ（形状メモリと表
示）５５３となっている。即ち、形状計測装置５００
は、基準面Ｌに載置された被測定物Ｍに光線を照射する
光線照射手段１０と、光線を照射されてできる光学像を
撮像する撮像手段２０と、撮像された画像情報から被測
定物Ｍの高さや形状を算出する位相シフト型形状演算手
段５５０と、コントロール部７０とを有している。

【０１８１】また、位相シフト型画像情報演算手段５５
０には、撮像手段２０からの画像情報を取り込んで格納
する位相シフト化画像情報取込メモリ（Ｐ型取込メモリ
と表示）５１と、画像情報の明度値から位相シフト法に
より被測定物の細部形状を算出し、さらに、不連続なデ
ータをつないで被測定物の形状を算出する位相シフト型
演算回路５５２と、算出された形状データを格納する形
状データメモリ５５３とが含まれている。さらに、コン
トロール部７０には、同期回路７１が含まれている。

【０１８２】本実施形態の形状計測装置５００の各部の
動作は、実施形態１の形状計測装置１００における各部
とほぼ同じであるので、同じ部分の説明は省略し、これ
と異なる部分のみ以下に説明する。

【０１８３】各位相シフト化画像情報取込メモリ５１内
に位相シフト化画像情報がそれぞれ格納されたら、この
メモリ５１に格納された４フィールド分の位相シフト化
画像情報を位相シフト型演算回路５５２に読み込み、ま
ず実施例１と同様に位相シフト法と三角測量の原理に従
って被測定物Ｍの形状（細部形状）を算出する。算出さ
れた細部形状データＤ２は、実施形態１において説明し
たように、位相がπおよび−πとなる点で不連続になる
（図３１(a)参照）。そこで、図３１(a)に示すように、
算出された細部形状データＤ２のうち、不連続点Ｊ１〜
Ｊ６およびＫ１〜Ｋ６を、被測定物Ｍが滑らかな連続的
形状であると仮定して、同じ高さと見なして補正する。
即ち、それぞれ対応する点（例えばＪ１とＫ１、Ｊ２と
Ｋ２・・）を同じ高さとしてデータＤ２をつなぎあわせ
る。これにより、図３１(b) に示すように、被測定物Ｍ
の形状データＤＭを得ることができる。

【０１８４】本実施形態によれば、被測定物Ｍの形状
（高さ）に不連続な部分がある場合に補正が困難となる
が、空間コード化法による測定が不要である点で、計測
が簡易になり、高い分解能の計測が可能である。なお、
本実施形態において、積算照射強度Ｉｓを正弦波状パタ
ーンとするのに、実施形態１と同様に１フレーム分の撮
像期間内に、６回走査を行い、さらに、各々最大４回の
パルス状点灯を行って、２５（＝４×６＋１）段階に積
算照射強度Ｉｓを変化させたが、その他、実施形態１に
おいて説明した第１，第２の手法に従って、積算照射強
度Ｉｓを他段階に変化させるようにしても良い。

【０１８５】（実施形態６）ついで、本発明の第６の実
施の形態について、図面と共に説明する。本実施形態に
おいては、上記実施形態２と同様に、基準面Ｌのうち、
１周期分の正弦波状パターンの光線にそれぞれ照射され
る小空間ＳＳに属する幅を、いずれも等間隔にした（図
２０参照）。つまり、基準面Ｌ上に照射された光線のパ
ターンを見たとき、基準面Ｌ上のいずれの部分でも波長
が一定となるように光線を照射した。このようにした場
合、前記したように、基準面Ｌ上のいずれの位置に被測
定物を置いても、分解能が一定に保たれる。このように
するため、図３２に示す本実施形態の形状計測装置６０
０は、実施形態５の形状計測装置５００とほぼ同様な構
成を有するが、実施形態２と同様に、位相シフト型光線
制御手段６１４（レーザコントローラ６１３および位相
シフト型光線制御データメモリ６１４）やコントロール
部６７０の同期回路６７１が、形状計測装置５００のそ
れと異なっている。また、位相シフト型画像情報演算手
段６５０において、位相シフト型演算回路（Ｐ型演算回
路と表示）６５２では、位相シフト法によって前記(2)
式から位相θ_Mを求め、三角測量の原理から(1)式に従っ
て高さＺを求め、実施形態５と同様に、不連続点を補正
する。このようにして求めた高さデータ（形状データ）
は、上記したように、位置に拘わらず分解能が一定にな
るので、被測定物Ｍの各部の形状を均一な分解能で、し
かも高分解能で計測することができる。

【０１８６】なお、本実施形態では求めた位相θ_Mか
ら、直接(1)式を用いて高さＺと算出したが、前記実施
形態３，４と同様に、被測定物Ｍを無くして基準面Ｌを
照射した場合に、演算されるはずの位相θ_Mｂを各画素
毎に基準位相として記憶しておき、これに対して、実際
に得られた位相θ_Mとの位相ずれ量ＮＰを算出し、位相
ずれ量ＮＰから、上記(9)式によって高さＺを算出して
も良い。このようにすれば、複雑なtanの計算をするこ
と無しに、容易に高さＺを算出することができる。

【０１８７】以上において、本発明を実施形態１〜６に
即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更
して適用できることはいうまでもない。例えば、上記実
施形態では、１つの空間コード番号が与えられる小空間
が、１周期または１／２周期分の正弦波状パターンの光
線で照射される小空間と一致する関係としたが、１周期
以下の他の値と対応するようにしても良く、例えば、１
／４周期などと対応させるようにしても良い。また、上
記実施形態では、レーザ光源を用いたが、十分な光量を
確保できるならば、他の光源を用いても良い。また、上
記実施形態２〜５においても、実施形態１で説明したの
と同様に、各画素について、空間コード番号や番号ずれ
量、あるいは位相や位相ずれ量を求めたら、予め作成し
ておいたデータテーブルを用いて、粗形状や細部形状、
あるいは被測定物の形状を求めるようにしても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１にかかる形状計測装置の説明図であ
る。

【図２】空間コード化画像情報取込回路の内容を説明す
るための説明図である。

【図３】位相シフト化画像情報取込メモリの内容を説明
するための説明図である。

【図４】空間コード型光線制御データメモリのデータ内
容を説明するための説明図である。

【図５】積算照射強度を変化させる第１の手法を説明す
るための説明図である。

【図６】積算照射強度を変化させる第１の手法の変形例
を説明するための説明図である。

【図７】積算照射強度を変化させる第２の手法を説明す
るための説明図である。

【図８】積算照射強度を変化させる第３の手法を説明す
るための説明図である。

【図９】第３の手法によって積算照射強度を正弦波状に
分布させた例である。

【図１０】粗形状データと細部形状データとを合成する
様子を説明する説明図である。

【図１１】三角測量による高さ計測を説明する説明図で
ある。

【図１２】空間コード化法における偏向角の求め方を説
明する説明図である。

【図１３】位相シフト法により位相を求める方法を説明
するための説明図である。

【図１４】実施形態２にかかる形状計測装置の説明図で
ある。

【図１５】実施形態２にかかる空間コード化画像情報取
込回路の内容を説明するための説明図である。

【図１６】実施形態２にかかる位相シフト化画像情報取
込メモリの内容を説明するための説明図である。

【図１７】空間コード番号と正弦波状パターンとの関
係、空間コード番号から求めた粗位相θｒ、正弦波状パ
ターンから求めた精細位相θｐおよび合成位相θｃの関
係を示す説明図である。

【図１８】光線によって形成される小空間の開き角が等
しくなるように照射した場合の分解能を説明する説明図
である。

【図１９】光線によって形成される小空間のうち、基準
面上の間隔を等しくして照射した場合の分解能を説明す
る説明図である。

【図２０】光線によって形成される小空間のうち、基準
面上の間隔を等しく、かつ基準面から照射中心までの高
さhmと対物レンズの主点hcを等しくして照射した場合の
分解能を説明する説明図である。

【図２１】実施形態２にかかる空間コード型光線制御デ
ータメモリのデータ内容を説明するための説明図であ
る。

【図２２】図２０に示す場合において、高さＺを簡略に
求める計算式の導出を説明する説明図であり、（ａ）は
被測定物を移動させる前、（ｂ）は被測定物を仮想的に
移動させた状態を示す説明図である。

【図２３】実施形態３にかかる形状計測装置の説明図で
ある。

【図２４】実施形態３にかかる空間コード型形状演算手
段の内容を説明するための説明図である。

【図２５】実施形態３にかかる位相シフト型形状演算手
段の内容を説明するための説明図である。

【図２６】実施形態４にかかる形状計測装置において、
空間コード番号と正弦波状パターンとの関係、空間コー
ド番号から求めた粗位相θｒ、正弦波状パターンから求
めた精細位相θｐおよび合成位相θｃの関係を示す説明
図である。

【図２７】実施形態４にかかる形状計測装置の説明図で
ある。

【図２８】実施形態４にかかる空間コード型形状演算手
段の内容を説明するための説明図である。

【図２９】実施形態４にかかる位相シフト型形状演算手
段の内容を説明するための説明図である。

【図３０】実施形態５にかかる形状計測装置の説明図で
ある。

【図３１】細部形状データの補正方法を説明する説明図
である。

【図３２】実施形態６にかかる形状計測装置の説明図で
ある。

【図３３】空間コード化法を用いた従来の形状計測装置
の構成を示す図である。

【図３４】位相シフト法を用いた従来の形状計測装置の
構成を示す図である。

【図３５】被測定物を空間コード化法および位相シフト
法で形状を計測したときの形状データの説明図である。

【符合の説明】

１光源２レーザ光源４光線走査手
段１０，２１０光線照射手
段１１，２１１空間コード
型光線制御手段１４，２１４，６１４位相シフト
型光線制御手段２０撮像手段２１ＣＣＤカメ
ラ３０，２３０，４３０画像情報演
算手段４０，２４０，３４０，４４０空間コード
型形状演算手段５０，２５０，３５０，４５０，５５０，６５０位相
シフト型形状演算手段６０，２６０，４６０形状合成演
算手段７０，２７０，６７０コントロー
ル部１００，２００，３００，４００，５００，６００形
状計測装置Ｍ被測定物Ｌ基準面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者柴田進愛知県小牧市大字北外山字早崎3005番地シーケーディ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１フィールドまたは１フレーム分の撮像
期間内に照射される光線の積算照射強度分布が、所定コ
ードに従うストライプ状パターンの光線、および、正弦
波状パターンの光線を、順次、被測定物に照射する光線
照射手段と、上記光線により上記被測定物の表面に生じる光学像を積
分型撮像部材によって撮像する撮像手段と、該撮像手段から出力される複数フィールドまたは複数フ
レームの画像情報を演算処理することにより上記被測定
物の形状を算出する画像情報演算手段と、を有し、該画像情報演算手段は、上記被測定物に上記所定コードに従ったストライプ状パ
ターンの光線を照射して得られた空間コード化画像情報
と、上記被測定物に上記正弦波状パターンの光線を照射
して得られた位相シフト化画像情報とから、被測定物の
形状を算出する形状計測装置。
【請求項２】請求項１に記載の形状計測装置であっ
て、前記ストライプ状パターンの光線と前記正弦波状パター
ンの光線とは、０＜Ｊ≦１としたとき、上記ストライプ状パターンの光
線により１つの空間コード番号が与えられる小空間が、
それぞれ、Ｊ周期分の前記正弦波状パターンの光線によ
って照射される小空間に一致する関係とされていること
を特徴とする形状計測装置。
【請求項３】請求項２に記載の形状計測装置であっ
て、前記Ｊを、１または１／２としたことを特徴とする形状
計測装置。
【請求項４】請求項２または請求項３に記載の形状計
測装置において、前記１つの空間コード番号が与えられ、かつ前記Ｊ周期
分の正弦波状パターンの光線によって照射される各小空
間は、略扇状断面の開き角が、いずれも等角度にされて
いることを特徴とする形状計測装置。
【請求項５】請求項２または請求項３に記載の形状計
測装置において、前記積分型撮像部材の光軸と直交する基準面から、前記
光線の照射中心までの高さと、上記基準面から上記積分
型撮像部材の対物レンズの主点までの高さとが等しくさ
れ、しかも、前記１つの空間コード番号が与えられ、かつ前
記Ｊ周期分の正弦波状パターンの光線によって照射され
る各小空間は、上記基準面のうち、上記各小空間に属す
る上記基準面上の幅が、いずれも等間隔にされているこ
とを特徴とする形状計測装置。
【請求項６】請求項５に記載の形状計測装置におい
て、前記画像情報演算手段は、前記被測定物に前記所定コードに従ったストライプ状パ
ターンの光線を照射して得られた空間コード化画像情報
と、上記被測定物を無くして前記基準面に上記ストライ
プ状パターンの光線を照射したとした場合に各画素が観
察する基準空間コード番号とから、各画素毎に空間コー
ド番号ずれ量を算出する空間コード番号ずれ量演算手段
と、上記被測定物に前記正弦波状パターンの光線を照射して
得られた位相シフト化画像情報と、上記被測定物を無く
して前記基準面に上記正弦波状パターンの光線を照射し
たとした場合に各画素が観察する基準位相とから、各画
素毎に位相ずれ量を算出する位相ずれ量演算手段と、上記空間コード番号ずれ量と上記位相ずれ量とから前記
被測定物の形状を算出する形状演算手段と、を有する形
状計測装置。
【請求項７】請求項６に記載の形状計測装置におい
て、前記形状演算手段は、前記空間コード番号ずれ量と前記位相ずれ量とを、各画
素についてそれぞれ合成して得た合成位相ずれ量から被
測定物の形状を算出する合成位相ずれ量−形状演算手段
と、を有する形状計測装置。
【請求項８】請求項６に記載の形状計測装置におい
て、前記形状演算手段は、前記空間コード番号ずれ量から前記被測定物の粗形状を
算出する空間コード番号ずれ量−粗形状演算手段と、前記位相ずれ量から前記被測定物の細部形状を算出する
位相ずれ量−細部形状演算手段と、上記粗形状と細部形状とを合成して被測定物の形状を算
出する形状合成手段と、を有する形状計測装置。
【請求項９】請求項２〜請求項５のいずれかに記載の
形状計測装置において、前記画像情報演算手段は、前記空間コード化画像情報から各画素毎に前記正弦波状
パターンの光線の位相に相当する粗位相を算出する粗位
相演算手段と、前記位相シフト化画像情報から各画素に精細位相を算出
する精細位相演算手段と、上記粗位相と上記精細位相とを各画素についてそれぞれ
合成して、各画素毎の合成位相を算出する合成位相演算
手段と、上記合成位相から前記被測定物の形状を算出する合成位
相−形状演算手段と、を有する形状計測装置。
【請求項１０】請求項２〜請求項５のいずれかに記載
の形状計測装置において、前記画像情報演算手段は、前記被測定物に上記所定コードに従ったストライプ状パ
ターンの光線を照射して得られた空間コード化画像情報
から被測定物の粗形状を算出する空間コード型形状演算
手段と、前記被測定物に上記正弦波状パターンの光線を照射して
得られた位相シフト化画像情報から被測定物の細部形状
を算出する位相シフト型形状演算手段と、上記空間コード型形状演算手段により算出された粗形状
と上記位相シフト型形状演算手段により算出された細部
形状とを合成して被測定物の形状を算出する形状合成演
算手段と、を有する形状計測装置。
【請求項１１】請求項１〜請求項１０のいずれかに記
載の形状計測装置において、前記光線照射手段が、スリット状光線を発生する光源と、このスリット状光線を被測定物の表面に照射しつつ偏向
走査させるスリット状光線走査手段と、１フィールドまたは１フレーム分の撮像期間内に照射さ
れる上記スリット状光線の積算照射強度が、所定コード
に従うストライプ状に分布するように上記スリット状光
線を制御する空間コード型光線制御手段と、１フィールドまたは１フレーム分の撮像期間内に照射さ
れる上記スリット状光線の積算照射強度が、正弦波状に
分布するように上記スリット状光線を制御する位相シフ
ト型光線制御手段と、を有することを特徴とする形状計
測装置。
【請求項１２】請求項１１に記載の形状計測装置にお
いて、前記位相シフト型光線制御手段は、基準面上の小
領域内を前記スリット状光線が点灯しつつ走査する時間
を制御して、該小領域における積算照射強度を調整する
ことを特徴とする形状計測装置。
【請求項１３】請求項１１に記載の形状計測装置にお
いて、前記スリット状光線走査手段は、１フィールドま
たは１フレーム分の撮像期間内に前記スリット状光線を
複数回走査させ、前記位相シフト型光線制御手段は、基
準面上の小領域内を前記スリット状光線が点灯しつつ走
査する回数を制御して、該小領域における積算照射強度
を調整することを特徴とする形状計測装置。
【請求項１４】請求項１１に記載の形状計測装置にお
いて、前記スリット状光線走査手段は、１フィールドま
たは１フレーム分の撮像期間中に前記スリット状光線を
複数回走査させ、前記位相シフト型光線制御手段は、基
準面上の小領域内を前記スリット状光線が点灯しつつ走
査する時間及び回数をそれぞれ制御して、該小領域にお
ける積算照射強度を調整することを特徴とする形状計測
装置。
【請求項１５】スリット状光線を発生する光源と、このスリット状光線を被測定物の表面に照射しつつ偏向
走査させるスリット状光線走査手段と、１フィールドまたは１フレーム分の撮像期間内に照射さ
れる上記スリット状光線の積算照射強度が正弦波状に分
布するように上記スリット状光線を制御する位相シフト
型光線制御手段と、上記スリット状光線により上記被測定物の表面に生じる
光学像を積分型撮像部材によって撮像する撮像手段と、上記位相シフト型光線制御手段によって制御された上記
スリット状光線を上記被測定物に照射して得られた位相
シフト化画像情報から上記被測定物の形状を算出する位
相シフト型形状演算手段と、を有する形状計測装置。
【請求項１６】請求項１５に記載の形状計測装置にお
いて、前記積分型撮像部材の光軸と直交する基準面から、前記
光線の照射中心までの高さと、上記基準面から上記積分
型撮像部材の対物レンズの主点までの高さとが等しくさ
れ、前記位相シフト型光線制御手段は、上記基準面に照
射された前記スリット状光線の積算照射強度分布が、上
記基準面上において、一定波長の正弦波パターンとなる
ように上記スリット状光線を制御することを特徴とする
形状計測装置。