JPH1183454A - 格子パターン投影法を用いた３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 格子パターン投影法を用いた３次元形状測定
において、形状とピッチ及び強度レベルが自在に可変で
きる正弦波強度分布を有する格子パターンを作成し、リ
アルタイムで高精度な３次元形状測定装置を実現するこ
と。 【解決手段】 液晶素子に一定のピッチと幅を有するス
トライブ電極をＮ本形成し、３あるいは４の倍数となる
電極数ｎを一つの単位として、ストライブ電極をＮ／ｎ
個のグループに分割する。各グループあたりで１本ずつ
の正弦波格子を作成するとき、ｎを変えることで正弦波
格子の幅とピッチを可変とし、正弦波のバイアス強度と
振幅を変えることで正弦波の強度レベルを可変とする。
液晶素子のスタティック駆動により正弦波強度を有する
格子を作成するとき、正弦波の一周期がｎ分割されたと
きの各領域の強度に対応する実効電圧を、二値強度レベ
ルのパルス信号の位相を変化させることで作成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は格子パターン投影法
を原理とする３次元形状測定装置に関し、特に、物体に
投影する格子パターンを液晶素子で作成するときの構成
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、３次元形状測定のニーズが高ま
り、特に光学的手段を用いた測定器が望まれている。凹
凸の高さ範囲がミクロンメートル（μｍ）領域の場合
は、レーザ光を用いた干渉計が多く用いられている。し
かし、高さがミリメートル（ｍｍ）領域近くになってく
ると、干渉縞が密集して干渉縞の解析が困難になるとい
う問題点が生じ、レーザ干渉計が適用されなくなってく
る。ｍｍ領域以上での３次元形状測定では、レーザ干渉
計と同じく、広がりのある対象物を線あるいは面でとら
えるエリア計測法が測定時間、自動計測化の面から有利
である。エリア計測法の代表的なものは、モアレ縞によ
る等高線計測法、スリット状のレーザ光を走査する光切
断法、白黒の格子模様の直線状の縞を投影する格子パタ
ーン投影法などである。この中でも、格子パターン投影
法は構成が簡素なこと、測定精度が高いことなどから注
目されている。本発明は格子パターン投影法の構成に関
する。

【０００３】図２に格子パターン投影法による従来の３
次元形状測定装置の構成例を示す。投影部２１はハロゲ
ンランプなどの照明用光源と投影光学系から構成され、
白色光がその前面に置かれた格子２２を照射する。格子
２２は一定のピッチと形状の白黒模様をもつ多数の直線
状パターンから構成されており、そのパターンが投影光
学系で拡大され、白黒の格子縞（格子パターン）として
形状が測定される物体２３の表面に投影される。物体２
３の表面には物体２３の凹凸度合いに応じて変形（湾
曲）した変形格子パターン（変形格子縞）２４ができ、
凹凸が小さい場合は格子縞の変形が小さく（直線に近
い）、凹凸が大きいと格子縞の変形が大きくなる。この
変形格子パターン２４を、投影方向とは異なる角度方向
から、ＣＣＤカメラからなる格子縞検出部２５で２次元
画像として検出する。

【０００４】検出された２次元画像は物体２３の凹凸情
報を含んでいる。物体２３の凹凸の大きさは、変形格子
パターン２４が基準となる直線縞からどれだけ離れてい
るかを検出することで評価できる。そこで、パーソナル
コンピュータなどのデータ処理部２６により、２次元画
像の各画素ごとの座標ｐ（ｘ、ｙ）での格子縞の変形を
全画素について解析し、物体２３の３次元座標Ｐ（Ｘ、
Ｙ、Ｚ）を決定する。このときのデータ処理は、投影部
２１、物体２３、格子縞検出部２５の相互の距離と見込
み角度の関係から定まる三角測量法の原理によって行
う。

【０００５】以上の格子パターン投影法を用いた３次元
形状測定装置では、変形格子縞２４は物体２３の凹凸形
状に応じて変形するため、凹凸の程度に応じた形状とピ
ッチをもった格子パターンを物体２３に投影する必要が
ある。凹凸が大きい場合は格子パターンのピッチが大き
く、凹凸が小さいほど格子パターンのピッチは小さいこ
とが望ましい。また、格子パターンの強度分布も後述す
る位相シフト法にとって重要である。そのため、格子２
２の形状とピッチ、及び強度分布特性が３次元形状測定
の高精度化と高信頼化にとって重要である。従来から最
も一般に用いられていた格子２２は、主として、一定の
形状とピッチ（共に固定）をもった白黒の二値強度から
構成していた。そこで、形状、ピッチの異なる格子を数
種類用意しておき、物体２３の凹凸度合いに応じて格子
を選択して使用していた。

【０００６】前述の白黒二値格子を用いる場合よりも高
精度な３次元形状測定のためには、正弦波状に強度が変
化する正弦波格子を用いた位相シフト法が有効である。
これは、レーザ干渉計で用いられている技術であって、
正弦波的な強度分布を有する格子パターンを物体２３に
投影し、正弦波格子の位相をπ／２ピッチ毎にシフトさ
せ、投影された各位置での強度分布を周期的に変化させ
る技術である。このとき、位相が異なる４枚の２次元画
像を検出し、それらの画像の強度分布を解析して凹凸形
状を検出するという方法である。この位相シフト法を格
子パターン投影法に応用した技術は、小松原、吉澤によ
る下記論文、”縞走査を導入した格子パターン投影法：
精密工学会誌５５／１０／１９８９（１８１７−１８２
２）”、及び、”縞走査を導入した格子パターン投影法
（第２報）：精密工学会誌５８／７／１９９２（１１７
３−１１７８）”に詳細に示されている。

【０００７】上記の正弦波格子による位相シフト法にお
いて、正弦波格子の作成には以下の二種類の方法が多く
使われていた。第一は、前述した強度が二値的（白黒）
に変化する格子を利用する方法である。格子２２が二値
強度から構成されていても、ランプで照明された格子２
２が物体２３の面上に作る格子パターンは、回折作用な
どによって、ステップ的に強度が変化するエッジ部付近
で強度がぼける現象がある。このときは、変形格子縞２
４の強度は疑似的な正弦波になる。さらには、格子パタ
ーンに焦点ズレを与えることでも疑似的な正弦波を作成
することができる。この二値強度をもつ格子は、フィル
ムやガラス基板に二値強度格子を直接に印刷する方法、
あるいは液晶素子を用い、透過光強度を電気的にＯＮ／
ＯＦＦ制御して二値格子を作成する方法がとられてい
た。正弦波格子を作成する第二の方法は、正弦波状に強
度が変化するパターンをフィルムやガラス基板に直接に
印刷するものであって、一定のピッチと形状をもった正
弦波格子が作成される。最近では、液晶式ビデオプロジ
ェクターを用いる方法も用いられてきた。これは、マト
リックス型に構成された液晶駆動電極に正弦波が得られ
るような電気信号を印加して正弦波格子を作成するもの
である。

【０００８】正弦波格子の位相シフトは次の方法が用い
られている。フィルムに作られた格子の場合は、モータ
ー、アクチュエータなどの外部移動手段により、格子２
２を所定のピッチ（例えば格子の一周期の１／４の長
さ）毎に機械的に移動し、物体２３の面上の各位置での
格子パターン強度を周期的に変化させることで位相シフ
トを行っていた。液晶素子を用いて格子２２を作成する
場合は、二値強度で格子縞を作成する場合も、液晶ビデ
オプロジェクターで正弦波格子縞を作成する場合も、共
に液晶素子の各画素の強度を電気信号で順次変調させる
ことで位相シフトを行っていた。例えば、格子パターン
の一周期を４分割して、π／２ピッチごとに強度を変化
させて４枚の２次元画像を検出していた。なお、この位
相シフト法は、格子パターンの一周期を３分割すること
で２π／３ピッチごとに位相をシフトさせ、３枚の２次
元画像を検出する方法も用いられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】フィルム、ガラス基板
などに格子２２を作成する場合は、格子パターンの形状
やピッチ、強度分布は固定である。精度のよい３次元形
状測定のためには、物体２３の凹凸に応じた形状、ピッ
チをもつ格子パターンを投影する必要がある。しかし、
フィルムなどに書き込んだ格子では、格子のピッチなど
を可変することができない。そのため、ピッチ、形状な
どが異なる多数の格子を予め何種類か準備しておき、測
定する物体に応じて使い分ける必要があった。そのた
め、操作性が悪く、測定時間が長い、などの使用上の問
題点があった。

【００１０】フィルムなどで作成した正弦波格子の位相
シフトをさせるとき、格子２２をアクチュエータなどを
用いて機械的に移動させる必要がある。１回の形状測定
につき、この移動を２〜３回程度行うために測定時間が
長くなり、リアルタイム的な測定ができなくなるという
問題点がある。特に動きのある物体の場合は測定不能に
なってしまう。また、位相シフトの場合は格子２２を正
確にπ／２ピッチ、あるいは２π／３ピッチで移動させ
る必要がある。特に、格子２２のピッチが短い場合、移
動精度、移動分解能が共に高いアクチュエータが必要と
なる。そのために、装置コストが高くなること、装置が
大きくなることなどの問題点がある。

【００１１】液晶素子で二値強度パターンの格子２２を
作成する場合は、３次元形状の測定精度が低下するとい
う問題がある。回折作用などによってエッジ部付近にボ
ケが生じた効果で疑似的な正弦波格子が作成されたとし
ても、パターン中央部付近の強度は二値的であるため、
正常な正弦波格子に対して高調波成分が発生してしま
う。そのため、位相シフトさせた後の２次元画像のデー
タ処理で形状誤差が発生する。また、焦点ハズレを与え
たときは格子パターンのコントラスト特性が低下し、Ｃ
ＣＤカメラによる画像検出のＳ／Ｎ比が低下する。液晶
ビデオプロジェクターで正弦波パターンを作成した場合
は、マトリックス状の電極構成のため各画素が点状に分
布している。そのため、特に格子パターンのｙ軸方向の
不連続性が強調され、３次元形状を連続的に検出できな
い。さらには、マトリックス駆動では多数の電圧レベル
で液晶駆動信号を作成するため、駆動回路が複雑になる
と共に、精度のよい正弦波が作成できない。以上のこと
から、液晶素子による従来の格子の作成では、測定精度
と信頼性の低下という大きな問題点があった。

【００１２】以上の諸課題を解決するため、本発明は物
体に投影する格子パターンを液晶素子を用いて作成する
とき、格子パターン形状、パターンピッチが自在に変え
られると共に、精度のよい正弦波強度分布をもった格子
を作成する構成に関するもので、装置の構成が簡素で高
精度、汎用性に富んだ３次元形状測定機を実現すること
を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明における格子パターン投影法を用いた３次元
形状測定装置は、液晶素子からなる格子と、格子パター
ンを形成するための液晶ドライバー及び液晶駆動信号作
成部と、前記格子パターンを制御する処理制御部とを備
え、該処理制御部は格子分割設定部と格子強度設定部と
位相シフト設定部とで構成されている。更に、前記液晶
素子に一定のピッチと幅を有するストライブ状の電極を
Ｎ本形成し、３あるいは４の倍数の電極数ｎで前記スト
ライブ状電極をＮ／ｎ個のグループに分割し、各々のグ
ループごとに正弦波状の強度分布を有する格子を１本ず
つ作成し、前記電極数ｎに応じて前記正弦波の一周期を
ｎ等分に分割し、該分割された各々の領域の正弦波の振
幅と、該正弦波のバイアス強度との和の強度に対応する
液晶駆動信号を前記ストライブ電極の各々に印加して正
弦波強度分布を有する格子パターンをＮ／ｎ本発生させ
ると共に、該格子パターンの一周期を３あるいは４分割
した周期を単位とし、前記ストライブ電極に印加する前
記の液晶駆動信号の電圧印加の配列を順次変化させ、前
記格子パターンの位相を２π／３、あるいはπ／２ピッ
チごとにシフトさせる構成とし、前記電極数ｎを変化さ
せることによって測定される物体の表面形状に適する格
子パターンを形成するように構成されている。

【００１４】更に、スタティック型の駆動法により前記
ストライブ電極に印加する前記の液晶駆動信号を作成す
るとき、前記Ｎ本のストライブ電極と対向した共通電極
に印加する一定の周期を有する二値の強度レベルからな
るデューティ比が５０％の基準信号に対して、該基準信
号と同じ周期とデューティ比をもち、二値の強度レベル
を有する信号を作成して前記基準信号との間の位相を変
化させ、前記基準信号の半周期の期間に対して逆の位相
となる期間の割合を前記の正弦波の振幅とバイアス強度
の和の強度に応じて制御し、前記の和の強度に対応した
液晶駆動実効電圧を発生させて正弦波強度分布を有する
格子パターンを作成する構成である。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明は、液晶素子を用いて正弦
波状の強度分布をもつ格子パターンを作成する構成に関
する。一定の幅とピッチを有する多数のストライブ電極
を形成し、３あるいは４の倍数の電極数を一単位として
ストライブ電極をいくつかのグループに分割し、各グル
ープ当たりで１本の正弦波格子を作成する。ただし、上
記の分割という意味は幾何学的な分割ではなく、電気的
な分割である。このとき、正弦波の振幅成分とバイアス
成分、及び格子パターン形状が共に可変な正弦波強度の
格子パターンを作成する。３の倍数の場合、正弦波の一
周期を６、９、１２などに分割し、４の倍数の場合は、
同じく８、１２、１６などに分割する。例えば、ストラ
イブ電極を総数で１００８本形成したとき、１２本の電
極を一単位として１本の正弦波格子を作成する場合、全
体で８４本の格子パターンが作成できる。このようにし
て、正弦波の一周期の分割数を変えることにより、正弦
波格子のピッチ、パターン幅、格子パターンの本数など
を自在に可変する。

【００１６】液晶素子で正弦波格子を作成する場合は、
位相シフトが重要である。正弦波格子を前記の３の倍数
の電極数を一単位として分割する場合は、正弦波の一周
期を３分割することができる。４の倍数の場合は、同じ
く４分割できる。３分割の場合は２π／３ピッチの位相
シフトで、３枚の画像から３次元形状を測定する。４分
割の場合はπ／２ピッチでの位相シフトで、４枚の画像
から３次元形状を測定する。このとき、各ストライブ電
極を駆動する駆動信号の電圧印加の順序を時間的に変化
させることで位相シフトを行う。

【００１７】ストライブ電極に駆動信号を供給して正弦
波格子を作成する場合は、スタティック型の駆動が有利
である。スタティック駆動では、各ストライブ電極を独
立に駆動するため、各電極に任意の駆動電圧を印加で
き、高コントラストの格子パターンが作成できる。ツイ
ストネマチック（ＴＮ）液晶の場合、各電極に印加され
た液晶駆動実効電圧の大きさに応じて液晶分子が変形
し、光透過強度特性（コントラスト）が決まる。そこ
で、ＴＮ液晶を用いて正弦波格子を作成するとき、前述
の電極分割数に応じて分割された各領域での正弦波の振
幅とバイアス強度との和の強度に対応する実効電圧が得
られるように、ストライブ電極に印加する駆動信号を作
成する。このとき、正弦波の振幅とバイアス強度を個別
に設定することで、物体面上に投影した格子パターンの
背景の明暗と共にコントラストを個別に自在に設定す
る。

【００１８】スタティック駆動での正弦波格子の作成で
は、ストライブ電極と対向した位置に設けた共通電極の
駆動信号である、一定の周波数で二値の強度レベルを有
する基準信号に対して、それと同一周波数をもち、二値
強度レベルで位相が異なる信号をストライブ電極に印加
する。このとき、分割された各領域での正弦波強度に応
じて基準信号に対する位相を変化させるが、基準信号と
ストライブ電極駆動信号が逆位相となる期間の長さで液
晶間にかかる実効電圧が決まる。そこで、逆位相の期間
を正弦波強度の大きさに応じて変えることで正弦波格子
を作成する。

【００１９】

【実施例】図１に本発明による格子パターン投影法を用
いた３次元形状測定装置の構成ブロック図を示す。投影
部１１はハロゲンランプなどの照明用光源と投影光学系
から構成され、白色光がその前面に置かれた格子１２を
照射する。格子１２は液晶素子から構成され、液晶素子
の一方のガラス基板は１本の共通電極、対向するガラス
基板は一定のピッチ、形状をもつＮ本のストライブ状
（直線状）の電極パターンから構成される。すなわち、
格子１２はスタテイック型の電極構造である。格子１２
は投影部１１で照明され、格子１２のパターンが拡大さ
れて形状が測定される物体１３に投影される。物体１３
の表面にできた変形格子縞１４は、物体１３の凹凸の度
合いに応じて変形（湾曲）する。この変形格子縞１４を
投影方向とは異なる角度方向に設けたＣＣＤカメラから
なる格子縞検出部１５で２次元画像として検出する。

【００２０】本装置は格子１２の制御を行う処理制御部
１８と変形格子縞１４の２次元画像処理を行うデーター
処理部１６とを備えている。データー処理部１６におけ
る画像検出部１００は、変形格子縞１４の２次元画像の
強度をＡ／Ｄ変換してメモリー回路に記憶する。画像処
理部１０５は、２次元画像を三角測量の原理で画像処理
し、３次元形状を算出する。本発明は液晶素子を用いて
正弦波強度をもつ格子パターン（格子縞）を作成する構
成で、特に、投影する格子パターンの形状、強度レベル
などの作成条件を処理制御部１８に入力することで、自
在な形状と強度をもった格子１２を作成する。処理制御
部１８による格子１２の制御を以下に説明する。格子分
割設定部１１０は正弦波の一周期をｎ等分に分割するた
めの分割条件を設定する。このとき、３あるいは４の倍
数となる数ｎの電極数を一つの単位としてＮ本のストラ
イブ電極をＮ／ｎ個のグループに分割する。このとき、
ｎ本の電極数で１本の正弦波格子を作成するため、全部
でＮ／ｎ本の正弦波格子縞を作成する。

【００２１】格子強度設定部１２０は、正弦波の一周期
がｎ分割されたときの正弦波強度に関するデータを作
成、記憶する。ｎは変数であるため、分割された強度デ
ータは可変となる値である。正弦波の強度はバイアス強
度と振幅によって決まる。バイアス強度とは正弦波の振
幅が０の場合の直流的なオフセット強度で、投影された
格子パターンの背景の明るさを表す。振幅は正弦波の大
きさで、投影された格子パターンの明部と暗部の間のコ
ントラストを表す。そこで、正弦波の一周期をｎ分割し
たとき、分割された各々の領域の正弦波の振幅とバイア
ス強度の和の強度を計算し、ｎ個の強度データを数値配
列情報としてメモリー回路に記憶する。

【００２２】位相シフト設定部１３０は、正弦波格子の
強度分布の位相を設定する。ｎ本の電極数で１本の正弦
波格子を作成する際、ｎが３の倍数の場合は２π／３、
ｎが４の倍数の場合はπ／２のピッチで正弦波強度の位
相をシフトさせる。位相シフトでは正弦波の強度データ
の値そのものは変化せず、各ストライブ電極に印加する
電圧の印加順序を変えるだけでよい。

【００２３】以上で正弦波格子の作成と位相シフトを与
える条件が設定でき、メモリー回路に記憶した正弦波強
度データをもとにして、液晶駆動信号作成部１７で液晶
素子を駆動する信号を作成する。ＴＮ液晶の場合、共通
電極とストライブ電極の間に加わる実効電圧に応じて液
晶の光透過特性が決まる。そこで、処理制御部１８で作
成された正弦波強度データから、正弦波強度に対応した
実効電圧値が得られるような駆動信号を作成する。液晶
素子はスタティック駆動を行うため、液晶駆動信号は二
値の強度レベルをもったパルス信号である。一方の共通
電極に印加する共通信号に対して、ストライブ電極に印
加する信号の位相を変えることで実効電圧を変化させ
る。ここで作成された駆動信号を液晶ドライバー１７５
に印加し、液晶素子から成る格子１２を駆動して正弦波
格子パターンを発生させる。

【００２４】図３にストライブ電極を示して、グループ
分割について説明する。ストライブ電極３１は、一定の
幅をもった電極３２（黒で表示）と隙間部３３（白で表
示）があり、電極３２がＮ本形成されている。電極３２
の幅をｗ、電極間の隙間幅をｔとしたとき、電極ピッチ
はｗ＋ｔである。ここで、３あるいは４の倍数となる数
ｎの電極数を一つの単位としてＮ本のストライブ電極を
Ｎ／ｎ個のグループに分割し、各グループごとに１本の
正弦波格子を作成する。すなわち、ｎ本の電極から正弦
波強度分布をもった格子を１本作成する。ここで、例え
ば、格子分割設定部１１０でｎ＝１２を入力して正弦波
の一周期を１２分割し、格子強度設定部１２０で１２分
割された各領域についての正弦波強度を計算する。

【００２５】この正弦波格子の作成において、電極３２
の幅ｗに対する隙間部３３の幅ｔが重要である。電極３
２の各々には正弦波の強度に対応した電圧が印加される
が、隙間部３３には電圧が印加されない（ただし、横電
界効果で多少の電界は存在する）。本発明による正弦波
格子は離散的な強度をもつため、隙間部３３での強度の
変調を少なくすることが重要である。そのためには、隙
間部３３の幅はできるだけ狭いことが必要である。例え
ば、電極幅ｗを４０μｍとしたとき、隙間幅ｔは５μｍ
以下が望ましい。このように、正弦波格子が離散的な強
度から成り立っていても、白色光で格子１２を照明した
とき、回折効果により隙間部３３での強度の変調が少な
くなり、強度の包絡線が正弦波状になる。この場合は従
来例のように焦点位置ズレを行わせる必要はない。実験
では、ｎ＝１２で十分な精度の正弦波ができることが確
認されている。

【００２６】図４で正弦波の一周期をｎ分割したときの
強度の設定を説明する。正弦波の二周期を示している。
正弦波４１は、直線４２で示す強度が０と、直線４３で
示す飽和強度の間の強度レベルをとり、振幅がａで、強
度０の基準に対するバイアス強度がｂである。バイアス
強度ｂは振幅ａが０の場合の、直流的なオフセット強度
である。飽和強度は明るさが最大となる強度である。強
度が低いときは暗レベル、強度が高いときは明レベルの
格子パターンとなる。したがって、振幅ａとバイアス強
度ｂを個別に設定することにより、格子縞の明暗レベル
（コントラスト）を自在に可変できる。正弦波の一周期
をｎ分割したときの要素４４の強度は、分割された各領
域の面積に相当する積分強度、あるいは各領域の中央部
の高さに相当する平均強度と、バイアス強度との和の強
度で表すことができる。

【００２７】図５に正弦波の一周期を１２分割したとき
の強度の計算例を示す。例として、振幅とバイアス強度
の和の強度を８ｂｉｔのディジタル強度（Ｄ０〜Ｄ２５
５）で表す場合を説明する。強度が０の場合がＤ０で、
飽和強度の場合がＤ２５５である。正弦波の強度幅Ｄ２
５５に対し、振幅がＤ１７０、バイアス強度がＤ６０の
例を示す。図５では強度に応じてグレイレベルの階調を
付けている。また、一周期を１２分割した各々の要素番
号（１〜１２）における強度値を示す。この強度値の配
列を｛ｐ｝で示すと、１番目、２番目の要素がＤ６０、
Ｄ８４であり、１２番目の要素がＤ６０である。以上の
強度計算を図１の格子強度設定部１２０にて行い、この
強度値に応じた液晶駆動信号を作成する。なお、図５に
示した強度値は各領域の面積に対応した積分強度値であ
る。

【００２８】図６に正弦波格子を作成するときの駆動信
号の例を示す。図３に示した電極構造から、各電極の縦
方向は均一な強度であるから、スタティック型の駆動が
有利である。スタティック駆動は、ストライブ電極の各
々を個別に駆動するため、各電極に任意の電圧を印加す
ることができ、高コントラストの駆動が可能である。共
通信号６１は、ストライブ電極を形成するガラス基板と
対向するガラス基板に形成された共通電極を駆動する信
号で、その一周期が２Ｔ、二値の強度レベル０とＶをも
つデューティ比が５０％（ＨレベルとＬレベルの期間が
等しい）の信号である。信号６２と信号６３は、各スト
ライブ電極を駆動する信号で、共通信号６１と同じ周期
と電圧レベルをもち、位相のみが異なる信号である。こ
こで、信号６２は正弦波強度を小さくする信号、信号６
３は正弦波強度を大きくする信号である。信号６４と信
号６５は、液晶の対向する電極間にかかる電圧の大きさ
を表す実効電圧であり、電極間信号６４と６５は、駆動
信号６２と６３に各々対応している。

【００２９】ＴＮ液晶の場合、電極間にかかる電圧（実
効電圧）で光透過強度が決まり、実効電圧が大きいほど
液晶分子の変形が大きくなって明るい状態（光透過が
大）になる。そこで、投影する正弦波の強度に応じた実
効電圧が得られるように液晶駆動信号を構成する必要が
ある。ストライブ電極駆動信号６２と６３において、共
通信号６１の半周期あたりで逆位相となる期間ｔ１、ｔ
２で実効電圧が決まる。信号６２は、図５に示した正弦
波強度がＤ８４（２番目と１１番目の電極）を、信号６
３は同じくＤ２０８（５番目と８番目）を作成するもの
とする。基準信号６１と完全な逆位相となる信号の場合
に最も明るいＤ２５５の強度が得られるため、ｔ１＝８
４Ｔ／２５５、ｔ２＝２０８Ｔ／２５５の関係で逆位相
となる期間を設定すればよい。したがって、メモリー回
路に記憶されている正弦波のディジタル強度に応じて逆
位相期間を設定して実効電圧を決定する。なお、本例で
は共通信号６１とストライブ電極駆動信号６２、６３は
同じ電圧レベルとなる例で示したが、共に二値強度であ
れば、互いの電圧レベルは異なっていてもよい。

【００３０】格子パターン投影法は、物体の凹凸によっ
て変形した変形格子縞の直線からの湾曲の度合いを検出
する。この湾曲の大きさは格子パターンの隣り合った暗
部間の距離から求める。そのため、隣り合った縞と縞の
間の凹凸形状を細かく測定するためには、暗部と暗部の
間の測定点の密度を高くする必要がある。さらには、投
影した照明光の強度ムラや物体に最初から付いている模
様（ノイズとなる）などの影響を取り除く必要がある。
これらの目的のために、正弦波格子の位相シフト（縞走
査）が有効である。すなわち、投影格子縞の周期は固定
しておき、その周期内で各位置での強度分布を１／３、
あるいは１／４周期で変化させる。このために、前述し
たストライブ電極のグループ分割において、ｎが３の倍
数の場合は１／３周期（２π／３ピッチ）、ｎが４の倍
数の場合は１／４周期（π／２ピッチ）の位相シフトを
行う。

【００３１】図７にｎ＝８の場合の１／４周期ごとの位
相シフトの例を示す。正弦波７１は初期位相が０の基準
である。正弦波７２、７３、７４は位相がπ／２、π、
及び３π／２と変わった場合である。位相シフトの場
合、図６で示したストライブ電極駆動信号自体は変える
必要はなく、その電圧印加の順序を変えるだけでよい。
例えば、波形７１において、一周期を４分割した、
、、の領域に印加する駆動信号の配列が｛ａ、
ｂ、ｃ、ｄ｝とする。ただし、ａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞ
れ二つの強度データをもつ。例えば、波形７４において
は配列の順序を変化させて、｛ｂ、ｃ、ｄ、ａ｝の順序
で駆動信号を印加することで位相シフトを行わせる。

【００３２】次に、位相シフトを用いた場合の測定例を
説明する。正弦波状の強度分布をもった格子パターンを
物体に投影した場合、物体上の点ｘにおける変形格子縞
の強度分布Ｉ（ｘ）は下記の式（１）で与えられる。 Ｉ（ｘ）＝Ｂ（ｘ）＋Ａ（ｘ）ｃｏｓ[φ（ｘ）＋α］−−−（１） ここで、Ｂ（ｘ）はバイアス強度、Ａ（ｘ）は振幅、α
は初期位相であり、位相φ（ｘ）が物体の凹凸に応じて
変化する。したがって、位相φ（ｘ）がわかれば図１に
示した光学的配置から３次元形状が決定できる。図７に
示した１／４周期の位相シフトでαを０、π／２、π、
３π／２と変化させ、これに対応する強度分布Ｉ₀ 、Ｉ
₁ 、Ｉ₂ 、Ｉ₃ をもつ４枚の画像を検出する。すると、
位相分布φ（ｘ）は下記の式（２）で計算される。 φ（ｘ）＝ａｒｃｔａｎ［（Ｉ₃ −Ｉ₁ ）／（Ｉ₀ −Ｉ₂ ）］−−−（２） ここで定まる位相φ（ｘ）は０〜２π（あるいは−π〜
π）までの値をもち、縞と縞の間の点ｘにおける凹凸形
状の変化の大きさに対応する。

【００３３】図８に位相シフト法を用いたときの位相検
出例を示す。変形格子縞の２次元画像を検出し、あるｙ
軸のｘ方向に沿った断面の位相の検出例である。図８
（ａ）における曲線８１は、式（２）にしたがって計算
した位相を示し、図８（ｂ）における曲線８２は、前記
位相を連続して接続したものを表している。図８の横軸
はＣＣＤカメラの画素位置、縦軸はｒａｄ単位で表した
位相である。曲線８１の位相分布図から明かなように、
物体の凹凸が激しい場所ではｘ座標の変化に対して位相
の変化が大きい（格子縞が密集）。図８に示した凹凸形
状の単位は位相であるため、空間座標に変換する必要が
ある。このときの変換は投影光学系、格子、及びＣＣＤ
カメラの三者の幾何学的関係から定まる三角測量の原理
による変換式から実行できる。なお、この変換式は，従
来の技術の項で述べた論文「縞走査法を導入した格子パ
ターン投影法」に述べられているので、本明細書では詳
細を省略する。以上述べたごとく、正弦波格子の位相シ
フトを用いることにより、格子縞の間の凹凸情報を高い
空間分解能で検出することができ、３次元形状の測定精
度を高めることができる。

【００３４】

【発明の効果】上記のごとく本発明による３次元形状測
定装置は、液晶素子を用いて正弦波の強度分布を有する
格子を作成する。Ｎ本のストライブ電極を整数ｎで除算
した数のグループに分割し、各グループあたりで１本ず
つの正弦波格子を作成する構成であるため、分割数ｎを
変えることで、正弦波格子の幅とピッチを自在に可変さ
せることができる。その結果、物体の凹凸形状に合わせ
た形状の格子パターンを物体に投影でき、測定の精度、
信頼性が向上する。さらに、本発明では正弦波のバイア
ス強度と振幅を個別に設定するため、正弦波格子の強度
レベルも自在に可変できる。そのため、物体の明るさ、
周囲の明るさに応じた格子パターンを投影でき、検出す
る変形格子縞のコントラストを高めることができ、Ｓ／
Ｎ比のよい２次元画像処理ができる。

【００３５】正弦波の一周期をｎ分割し、各領域での正
弦波強度に対応する実効電圧を液晶に印加するとき、ス
タテイック型の駆動法で液晶を駆動する。これは共通電
極を駆動する基準信号に対して、位相の異なる信号を作
成するだけでよいため、駆動回路の構成が簡素で、精度
のよい正弦波強度が作成できる。正弦波強度の位相シフ
トにおいても、駆動信号の電圧印加の配列順序を変える
だけで位相シフトが実現できるため、機械的な駆動部が
不要である。さらには、格子の作成から２次元画像処理
までをコンピュータ処理で行うため、リアルタイムでの
全自動計測が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成と動作を説明するブロック図であ
る。

【図２】従来の３次元形状測定装置の構成を示す図であ
る。

【図３】本発明のストライブ電極構造を説明する図であ
る。

【図４】正弦波の強度を説明する図である。

【図５】本発明による正弦波の一周期を１２分割したと
きの強度レベルを説明する図である。

【図６】スタティック駆動による液晶駆動信号の例を説
明する図である。

【図７】正弦波の１／４周期での位相シフトを説明する
図である。

【図８】位相シフト法を用いた位相検出の例を説明する
図である。

【符号の説明】

１１ 投影部 １２ 格子 １４ 変形格子縞 １５ 格子縞検出部 １６ データ処理部 １７ 液晶駆動信号作成部 １８ 処理制御部 １１０ 格子分割設定部 １２０ 格子強度設定部 １３０ 位相シフト設定部 １７５ 液晶ドライバー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハロゲンランプなどの白色光源を有する
   投影部と、該投影部と測定される物体の間に設けられ該
   物体の表面に格子パターンを投影するための格子と、前
   記物体の凹凸に応じて変形され該物体の表面に形成され
   る格子縞を検出するＣＣＤカメラからなる格子縞検出部
   と、該格子縞検出部で検出された２次元画像を解析する
   データ処理部とを備え、物体の３次元形状を測定する格
   子パターン投影法を用いた３次元形状測定装置であっ
   て、 一定のピッチと幅を有するストライブ状の電極がＮ本形
   成されている液晶素子からなる格子と、該格子に格子パ
   ターンを発生させる液晶ドライバーと、前記格子パター
   ンを発生させるために前記ストライブ状の電極に印加す
   る液晶駆動信号を作成する液晶駆動信号作成部と、測定
   される物体の表面形状に対応する格子パターンを形成す
   るための正弦波強度データを作成する処理制御部とを備
   え、該処理制御部は前記ストライブ状のＮ本の電極を３
   あるいは４の倍数である電極数ｎで分割しＮ／ｎ個のグ
   ループを形成し各々のグループごとに正弦波状の強度分
   布を有する格子を１本ずつ作成する格子分割設定部と、
   前記電極数ｎに応じて正弦波の一周期をｎ等分に分割し
   該分割された各々の領域の正弦波の振幅と該正弦波のバ
   イアス強度との和である正弦波格子の強度を強度データ
   として記憶する格子強度設定部と、前記ストライブ電極
   の各々に印加して発生させるＮ／ｎ本の正弦波強度分布
   を有する格子パターンの一周期を３あるいは４分割した
   周期を単位とし前記ストライブ電極に印加する前記の液
   晶駆動信号の電圧印加の配列を順次変化させ前記格子パ
   ターンの位相を２π／３あるいはπ／２ピッチごとにシ
   フトさせる位相シフト設定部とから構成され、かつ前記
   処理制御部で形成される正弦波強度データをもとに液晶
   素子からなる格子に正弦波状の強度分布を有する格子パ
   ターンを形成し前記電極数ｎを変化させることによって
   測定される物体の表面形状に適する格子パターンを物体
   の表面に投影し物体の３次元形状を測定することを特徴
   とする格子パターン投影法を用いた３次元形状測定装
   置。
2. 【請求項２】 スタティック型の駆動法により前記スト
   ライブ電極に印加する前記の液晶駆動信号を作成すると
   き、前記Ｎ本のストライブ電極と対向した共通電極に印
   加する一定の周期を有する二値の強度レベルからなるデ
   ューティ比が５０％の基準信号に対して、該基準信号と
   同じ周期とデューティ比をもち、二値の強度レベルを有
   する信号を作成して前記基準信号との間の位相を変化さ
   せ、前記基準信号の半周期の期間に対して逆の位相とな
   る期間の割合を前記の正弦波の振幅とバイアス強度の和
   の強度に応じて制御し、前記の和の強度に対応した液晶
   駆動実効電圧を発生させて正弦波強度分布を有する格子
   パターンを作成することを特徴とする請求項１記載の格
   子パターン投影法を用いた３次元形状測定装置。