JPWO2017183181A1 - 三次元形状測定装置 - Google Patents

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Abstract

三次元形状測定装置１００は、干渉縞を走査し、干渉縞の明暗位置が異なる複数の干渉縞パターン７０のいずれかを被測定物に投影する干渉縞投影器２０と、干渉縞が投影される被測定物を撮像し、複数の撮像条件のそれぞれにて少なくとも三つの異なる干渉縞パターンに対応する複数の干渉縞画像を生成する撮像装置４０と、複数の撮像条件ごとに撮像された複数の干渉縞画像の各画素の画素値に基づいて、いずれの撮像条件の干渉縞画像を用いて被測定物の位相分布画像を算出するかを画素ごとに選択する条件選択部と、条件選択部が画素ごとに選択した撮像条件に対応する複数の干渉縞画像の画素値に基づいて位相分布画像の画素ごとの位相を算出し、被測定物の三次元形状データを演算する形状演算部と、を備える。

Description

本発明は、三次元形状測定装置に関し、特に干渉縞を投影して対象物の形状を測定する装置に関する。
対象物の三次元形状を計測する方法として、対象物にレーザの干渉縞を投影し、干渉縞の投影像を撮像して解析することにより対象物表面の凹凸情報を演算する「縞走査法」といわれる技術が知られている。縞走査法では、干渉縞の走査量と投影像の各点の光強度の変化から各点での凹凸の深さ及び高さが求められる（例えば、特許文献１参照）。また、レーザに起因したスペックルノイズの発生を抑制するためにインコヒーレント光源を用いて干渉縞を発生させる構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平５−８７５４３号公報 特開平７−８７５４３号公報
縞走査法による三次元形状の測定精度を向上させるためには、干渉縞パターンのコントラスト比を高めるとともに、光源に起因したスペックルノイズの影響を小さくすることが好ましい。干渉縞パターンのコントラストを高めるためには可干渉性の高いコヒーレント光を用いればよいが、スペックルノイズの増加につながる。一方、スペックルノイズを抑えるためにインコヒーレント光源を用いると、干渉縞パターンのコントラストが低下してしまう。
本発明はかかる状況においてなされたものであり、干渉縞パターンを用いた三次元計測装置の測定精度を高める技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の三次元形状測定装置は、干渉縞を走査し、干渉縞の明暗位置が異なる複数の干渉縞パターンのいずれかを被測定物に投影する干渉縞投影器と、干渉縞が投影される被測定物を撮像し、複数の撮像条件のそれぞれにて少なくとも三つの異なる干渉縞パターンに対応する複数の干渉縞画像を生成する撮像装置と、複数の撮像条件ごとに撮像された複数の干渉縞画像の各画素の画素値に基づいて、いずれの撮像条件の干渉縞画像を用いて被測定物の位相分布画像を算出するかを画素ごとに選択する条件選択部と、条件選択部が画素ごとに選択した撮像条件に対応する複数の干渉縞画像の画素値に基づいて位相分布画像の画素ごとの位相を算出し、被測定物の三次元形状データを演算する形状演算部と、を備える。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明のある態様によれば、測定精度を高めた三次元計測装置を提供できる。
ある実施例に係る三次元形状測定装置の構成を模式的に示す図である。 制御装置の機能構成を模式的に示すブロック図である。 干渉縞画像の取得例を示す図である。 振幅画像、飽和領域画像および信頼性分布画像の生成例を示す図である。 初期位相画像、位相分布画像および距離画像の生成例を示す図である。 三次元形状測定装置の動作の流れを示すフローチャートである。 別の実施例に係る撮像装置の構成を模式的に示す図である。 図８（ａ），（ｂ）は、別の実施例に係る撮像装置の構成を模式的に示す図である。 図９（ａ），（ｂ）は、変形例に係る撮像装置の構成を模式的に示す図である。 図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）は、別の実施例に係るフィルタの構成を模式的に示す図である。 別の実施例に係る制御装置の機能構成を模式的に示すブロック図である。 別の実施例に係る三次元形状測定装置の構成を模式的に示す図である。 変形例に係る干渉縞投影器の構成を模式的に示す図である。
はじめに、本発明に係るいくつかの実施の形態の概要を説明する。
本発明のある態様の三次元形状測定装置は、干渉縞を走査し、干渉縞の明暗位置が異なる複数の干渉縞パターンのいずれかを被測定物に投影する干渉縞投影器と、干渉縞が投影される被測定物を撮像し、複数の撮像条件のそれぞれにて少なくとも三つの異なる干渉縞パターンに対応する複数の干渉縞画像を生成する撮像装置と、複数の撮像条件ごとに撮像された複数の干渉縞画像の各画素の画素値に基づいて、いずれの撮像条件の干渉縞画像を用いて被測定物の位相分布画像を算出するかを画素ごとに選択する条件選択部と、条件選択部が画素ごとに選択した撮像条件に対応する複数の干渉縞画像の画素値に基づいて位相分布画像の画素ごとの位相を算出し、被測定物の三次元形状データを演算する形状演算部と、を備える。
この態様によると、複数の撮像条件で干渉縞画像を取得するとともに、いずれの撮像条件の画素値を用いるかを画素ごとに選択するため、画素ごとに最適な撮像条件を利用することができる。被測定物に投影される干渉縞パターンの明暗やスペックルノイズの態様は一様ではなく、被測定物の形状、干渉縞投影器および撮像装置と被測定物の配置関係などに応じて場所ごとに変わりうる。その結果、被測定物のある領域について最適となる撮像条件は、被測定物の別の領域においては最適な撮像条件とはならないかもしれない。本実施の形態によれば、場所ごとに最適な撮像条件となる画素値を選択することで、スペックルノイズが発生しやすいコヒーレント光を用いる場合であっても、スペックルノイズの影響が少ない撮像条件を画素ごとに選択できる。これにより、一つの撮像条件のみを用いる場合と比べてスペックルノイズの影響を抑えることができ、被測定物の測定精度を高めることができる。
複数の撮像条件は、撮像装置が備える撮像素子の露光時間、撮像素子への入射光量、撮像素子の画像信号のゲイン、撮像装置に対する干渉縞投影器の位置、および、干渉縞投影器から投影される干渉縞の光強度の少なくとも一つが異なってもよい。
形状演算部は、同じ撮像条件にて撮像された少なくとも三つの異なる干渉縞パターンに対応する複数の干渉縞画像の画素値と、少なくとも三つの異なる干渉縞パターンの位相シフト量とに基づいて位相分布画像の各画素の位相を算出してもよい。
条件選択部は、複数の干渉縞画像の画素値と、撮像装置が備える撮像素子の階調数に応じて定められる基準値とに基づいて、位相分布画像の算出に用いる干渉縞画像の撮像条件を画素ごとに選択してもよい。
条件選択部は、複数の撮像条件間で複数の干渉縞画像の画素値を比較し、画素値が基準値以下かつ最大となる撮像条件を画素ごとに選択してもよい。
条件選択部は、同じ撮像条件にて撮像された少なくとも三つの異なる干渉縞パターンに対応する複数の干渉縞画像の画素値と、少なくとも三つの異なる干渉縞パターンの位相シフト量とに基づいて、干渉縞の走査に起因する複数の干渉縞画像の画素値の変化の振幅を画素ごとに算出し、算出した画素値の変化の振幅に基づいて、位相分布画像の算出に用いる干渉縞画像の撮像条件を画素ごとに選択してもよい。
条件選択部は、複数の撮像条件間で複数の干渉縞画像の画素値を比較し、画素値が基準値以下であり、かつ、算出した画素値の変化の振幅が最大となる撮像条件を画素ごとに選択してもよい。
条件選択部は、複数の撮像条件ごとに複数の干渉縞画像の画素値の信頼性を示す信頼性分布を算出し、算出した信頼性分布を比較して位相分布画像の算出に用いる干渉縞画像の撮像条件を画素ごとに選択してもよい。
撮像装置は、撮像素子と、干渉縞が投影される被測定物を撮像素子に結像させる撮像光学系とを備えてもよい。干渉縞投影器の投影光の波長λ、干渉縞画像の一画素に対応する撮像素子の一画素または複数画素で構成される単位ユニットのピッチｐ、波長λでの撮像光学系の最小ＦナンバーＦ、および、波長λでの撮像装置の横倍率Ｍが、次式（１）を満たしてもよい。
干渉縞投影器は、可干渉光を放射する光源と、光源から放射される光束を分岐する分波器と、分波器により分岐される光束の少なくとも一方の位相を変化させる位相変調器と、を備えてもよい。
干渉縞投影器は、光源から放射される光束の波長を一定に維持する光源制御器と、光源から放射される光束の光量を変調する光変調器とをさらに備えてもよい。
撮像条件を制御する条件制御部をさらに備え、撮像装置は、複数の撮像条件のそれぞれに対応する干渉縞画像を時分割で撮像してもよい。
撮像装置は、複数の撮像素子と、被測定物からの撮像光を複数の撮像素子のそれぞれに向けて分岐させ、複数の撮像素子の撮像条件を互いに異ならせる光路分岐部とを備えてもよい。
撮像装置は、複数の画素が二次元アレイ状に配列された撮像素子を備え、複数の画素のそれぞれは、各画素の露光時間、各画素への入射光量、および、各画素の出力信号のゲインの少なくとも一つが他のいずれかの画素と異なるように構成されてもよい。
撮像装置は、撮像条件の異なる干渉縞画像を同時に撮像してもよい。
干渉縞投影器は、第１位置から被測定物に向けて干渉縞パターンを投影する第１干渉縞投影器であり、第１位置とは異なる第２位置から被測定物に向けて干渉縞パターンを投影する第２干渉縞投影器をさらに備えてもよい。
第１干渉縞投影器による干渉縞投影と、第２干渉縞投影器による干渉縞投影とを切り替える条件制御部を備え、撮像装置は、第１干渉縞投影器による干渉縞投影に基づく干渉縞画像と、第２干渉縞投影器による干渉縞投影に基づく干渉縞画像とを時分割で撮像してもよい。
本発明の別の態様も三次元形状測定装置である。この装置は、干渉縞を走査し、干渉縞の明暗位置が異なる複数の干渉縞パターンのいずれかを被測定物に投影する干渉縞投影器と、階調数が１４ビット以上の撮像素子を備え、干渉縞が投影される被測定物を撮像し、少なくとも三つの異なる干渉縞パターンに対応する複数の干渉縞画像を撮像する撮像装置と、複数の干渉縞画像の各画素の画素値に基づいて被測定物の位相分布画像を算出し、被測定物の三次元形状データを演算する形状演算部と、を備える。
この態様によれば、階調数が１４ビット以上となるダイナミックレンジの広い撮像素子を用いるため、スペックルノイズが発生する場合であっても干渉縞パターンの明暗の差を高精度で撮像できる。これにより、位相分布画像を高精度で算出できる。
干渉縞画像の各画素の画素値の有効性を判定する有効性判定部をさらに備え、形状演算部は、有効性判定部の判定結果に基づいて被測定物の位相分布画像を算出してもよい。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
（第１実施例）
図１は、第１実施例に係る三次元形状測定装置１００の構成を模式的に示す図である。三次元形状測定装置１００は、干渉縞投影器２０と、撮像装置４０と、制御装置５０とを備える。干渉縞投影器２０は、分波器２２と、位相変調器２７と、投影レンズ２８と、光源装置３０と、光ファイバ３８とを含む。三次元形状測定装置１００は、先端部１２、挿入部１４および接続部１６を有する内視鏡スコープ１０に組み込まれており、例えば、先端部１２を被測定物に向けることで管腔内の目的部位の三次元形状を測定するために用いられる。
先端部１２は、干渉縞投影器２０の一部および撮像装置４０を収容する部分であり、金属等の硬質な部材で外面が構成されている。挿入部１４は、可撓性を有する部材で構成され、先端部１２の近傍を屈曲させることにより先端部１２の向きが調整可能である。したがって、内視鏡スコープ１０は軟性鏡として構成され、挿入部１４に比べて先端部１２は可撓性が低い。挿入部１４の内側には、光ファイバ３８、第１配線６１、第２配線６２などが挿通されている。接続部１６は、光源装置３０や制御装置５０に内視鏡スコープ１０を接続するためのプラグなどが設けられる。
干渉縞投影器２０は、被測定物に干渉縞パターン７０を投影する。分波器２２は、シリコン基板や光学ガラス基板上などに形成される光集積回路であり、光源装置３０からのレーザ光を二光束干渉させて干渉縞パターン７０を発生させる。投影レンズ２８は、分波器２２から出力される干渉光の発散角を大きくし、干渉縞パターン７０が被測定物の全体に投影されるようにする。投影レンズ２８は、干渉縞パターン７０の投影軸Ａと撮像装置４０の撮像軸Ｂとが交差するように配置されており、撮像装置４０の撮像範囲の全体に干渉縞パターン７０が投影されるようにしている。投影レンズ２８は、例えば、分波器２２に対して光軸をずらした軸外し光学系となるように配置される。なお変形例においては、分波器２２の出力軸を傾けることにより干渉縞パターン７０の投影軸Ａと撮像装置４０の撮像軸Ｂとが交差するようにしてもよい。
分波器２２は、入力路２３と、分岐部２４と、第１出力路２５と、第２出力路２６とを有する。入力路２３は、光ファイバ３８と結合されている。入力路２３に入力される光は、分岐部２４において第１出力路２５と第２出力路２６に分岐される。分岐部２４の分割比は任意であるが、干渉縞パターン７０のコントラスト比が高まるように１：１で分割されることが好ましい。第１出力路２５と第２出力路２６は、異なる位置から光を出力するように構成され、その位置のずれを利用して干渉縞パターン７０を生成する。
位相変調器２７は、第２出力路２６に設けられる。位相変調器２７は、制御装置５０からの制御信号に基づいて第２出力路２６の少なくとも一部の屈折率を変化させ、第２出力路２６の光路長を変化させる。これにより、第１出力路２５から出力される光と第２出力路２６から出力される光との間に位相差を生じさせ、投影される干渉縞パターン７０の明暗位置を変化させる。位相変調器２７の構成は特に限定されないが、例えば、熱線ヒータや電気光学素子などを用いることができる。位相変調器２７は、第１配線６１を介して制御装置５０と電気的に接続されている。
光源装置３０は、干渉縞パターン７０を生成するための可干渉光を出力する。光源装置３０は、例えば単波長のレーザ光を出力する。光源装置３０は、光源３２と、光源制御器３４と、コリメートレンズ３５と、光変調器３６と、カップリングレンズ３７とを有する。光源装置３０は、光ファイバ３８を介して分波器２２と接続される。
光源３２は、半導体レーザ素子などの固体レーザ光源である。光源３２の出力波長は特に限定されないが、例えば、波長λ＝６３５ｎｍの赤色光を用いることができる。光源制御器３４は、光源３２の駆動電流や動作温度などを制御し、光源３２の出力強度および出力波長が一定となるように制御する。光源制御器３４は、光源３２の出力強度に応じてフィードバック駆動するための受光素子および駆動素子と、光源３２の温度を調整するためのペルチェ素子といった温度調整素子とを有してもよい。光源制御器３４を設けることにより、光源３２の出力波長を安定化させて干渉縞パターン７０の明暗周期の変化を抑制できる。
光源３２からの出力光はコリメートレンズ３５により平行光に変換され、光変調器３６に入力される。光変調器３６は、光源３２から放射される光束の光量を変調する。光変調器３６の構成は特に限られないが、波長板と偏光板の組み合わせや、可変ＮＤ（Neutral Density）フィルタ、液晶シャッターといった光量調整素子を用いることができる。これらの光量調整素子から光源３２への戻り光を防ぐために、光源３２と光量調整素子の間に光アイソレータを設けてもよい。光アイソレータを用いることで、光源３２の動作を安定させ、光源３２の出力波長を一定に保つことができる。光変調器３６を通過した光束は、カップリングレンズ３７を介して光ファイバ３８に入力される。
干渉縞投影器２０は、投影される干渉縞を走査し、干渉縞パターン７０の明暗位置が異なる複数の干渉縞パターンのいずれかが被測定物に投影されるようにする。干渉縞投影器２０は、位相変調器２７により与えられる位相差δを調整することにより、干渉縞パターン７０の明暗位置を調整する。干渉縞投影器２０は、例えば、位相差δの値が０、π／２、π、３π／２となるようにして、４種類の干渉縞パターン７０を投影する。なお、干渉縞投影器２０が投影可能な干渉縞パターン７０の種類は４種類に限られず、３種類であってもよいし、５種類以上であってもよい。例えば、位相差δとして０、π／３、２π／３、π、４π／３、５π／３を用いることにより６種類の干渉縞パターン７０を投影してもよい。
撮像装置４０は、干渉縞パターン７０が投影された被測定物を撮像し、干渉縞画像を生成する。撮像装置４０は、撮像レンズ４２と、撮像素子４４とを含む。撮像レンズ４２は、干渉縞パターン７０が投影された被測定物を撮像素子４４に結像させる。撮像素子４４は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどのイメージセンサであり、撮像した干渉縞画像に基づく画像信号を出力する。撮像素子４４は、露光時間、入射光量およびゲインが調整可能となるように構成されている。撮像素子４４は、第２配線６２を介して制御装置５０と電気的に接続されている。
撮像装置４０は、干渉縞投影器２０の投影光の波長λ、撮像素子４４の一画素または複数画素で構成される単位ユニットのピッチｐ、波長λでの撮像装置４０（撮像レンズ４２）の最小ＦナンバーＦ、および、波長λでの撮像装置４０（撮像レンズ４２）の横倍率Ｍが、下記式（１）を満たすように構成されることが好ましい。
式（１）の左辺は、撮像装置４０の結像性能を示すＰＳＦ（Point Spread Function）であり、撮像装置４０で撮像されるスペックルノイズのスペックル平均径に対応する。スペックル平均径よりも撮像素子４４の単位ユニットのピッチｐの対角線の距離√２ｐが大きくなるようにすることで、干渉縞パターン７０に含まれるスペックルの影響を低減し、干渉縞画像の計測精度を高めることができる。
なお、式（１）に示す撮像素子４４の単位ユニットのピッチｐは、撮像装置４０による撮像結果として得られる干渉縞画像の各画素に対応する画素サイズのことをいう。例えば、撮像素子４４の一画素の受光結果から干渉縞画像の一画素の画素値を決める場合、撮像素子４４の画素サイズが式（１）のピッチｐとなる。一方、撮像素子４４の複数の隣接画素を一つの単位ユニットとみなし、複数の隣接画素の受光結果から干渉縞画像の一つの画素の画素値を決める場合、複数の隣接画素で構成される単位ユニットのサイズが式（１）のピッチｐとなる。
撮像装置４０は、複数の撮像条件および複数の干渉縞パターンに対応する干渉縞画像を時分割で撮像する。撮像装置４０は、少なくとも二以上の異なる撮像条件において干渉縞画像を撮像し、一つの撮像条件について少なくとも三以上の異なる干渉縞パターンに対応する複数の干渉縞画像を撮像する。撮像装置４０は、例えば、３種類の撮像条件に対して４種類の干渉縞パターンの干渉縞画像を異なるタイミングで撮像し、合計で３×４＝１２枚の干渉縞画像を生成する。
図２は、制御装置５０の機能構成を模式的に示すブロック図である。制御装置５０は、条件制御部５２と、画像取得部５４と、条件選択部５６と、形状演算部５８とを含む。本図に示す各ブロックは、ハードウエア的には、コンピュータのＣＰＵ（central processing unit）をはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウエア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、本明細書に触れた当業者には理解されるところである。
条件制御部５２は、被測定物に投影される干渉縞パターン７０に関する位相条件および撮像装置４０が撮像する干渉縞画像に関する撮像条件を制御する。条件制御部５２は、位相変調器２７の動作を制御することにより、被測定物に投影する干渉縞パターン７０の種類を制御する。条件制御部５２は、光源装置３０から出力されるレーザ光の光量、撮像素子４４の露光時間、入射光量およびゲインなどを制御することにより、干渉縞画像の撮像条件（いいかえれば、露光条件）を制御し、撮像装置４０が複数の撮像条件下で干渉縞画像を撮像するようにする。条件制御部５２は、あらかじめ定められた動作パラメータに基づいて光源装置３０や撮像装置４０を動作させてもよいし、撮像装置４０の撮像画像に基づいて光源装置３０や撮像装置４０の動作パラメータを調整してもよい。
画像取得部５４は、撮像装置４０から干渉縞画像を取得する。画像取得部５４は、複数の撮像条件のそれぞれにて撮像される少なくとも三つの異なる干渉縞パターン７０に対応する複数の干渉縞画像を取得する。例えば、３種類の撮像条件に対して４種類の干渉縞パターンを用いる場合、合計で３×４＝１２枚の干渉縞画像を取得する。
図３は、干渉縞画像の取得例を示す図であり、３×４＝１２枚の干渉縞画像の例を示す。本図は、横方向に干渉縞パターンの異なる画像を示し、縦方向に撮像条件の異なる画像を示す。（ａ）は、第１撮像条件の干渉縞画像を示し、相対的に暗い露光条件に相当する。（ｂ）は、第２撮像条件の干渉縞画像を示し、中間的な露光条件に相当する。（ｃ）は、第３撮像条件の干渉縞画像を示し、相対的に明るい露光条件に相当する。図示する例では、露光光量が（ａ）：（ｂ）：（ｃ）＝１：２：４となるように露光条件が調整されている。
条件選択部５６は、画像取得部５４が取得した干渉縞画像の各画素の画素値に基づいて、いずれの撮像条件の干渉縞画像を用いて被測定物の初期位相を算出するかを画素ごとに選択する。言いかえれば、干渉縞画像の画素ごとに最適な撮像条件が決定され、画素ごとにいずれの撮像条件に基づく画素値を採用するかが決定される。例えば、３種類の撮像条件の干渉縞画像を取得した場合、ある画素については第１撮像条件に基づく画素値が採用され、別の画素については第１撮像条件とは異なる第２撮像条件に基づく画素値が採用され、さらに別の画素については第１撮像条件および第２撮像条件とは異なる第３撮像条件に基づく画素値が採用される。
条件選択部５６は、条件選択に用いる基準値として、同じ撮像条件にて撮像された複数の干渉縞パターンに対応する複数の干渉縞画像に基づいて「振幅画像」と「飽和領域画像」を生成する。ここで「振幅画像」とは、干渉縞パターン７０の変化に起因する干渉縞画像の各画素の画素値の変化量を画像化したものである。振幅画像の各画素の画素値ＩＡは、以下の式（２）に基づいて算出できる。
式（２）において、Ｉｉは干渉縞画像の各画素の画素値を示し、δｉは対応する干渉縞パターンの位相差δを示し、添え字ｉは干渉縞パターンの種類に対応する。本実施例では、添え字ｉ＝１，２，３，４であり、δ１＝０，δ２＝π／２，δ３＝π，δ４＝３π／２である。なお、振幅画像の画素値としてＩＡではなく、ＩＡ ２を用いてもよく、後者の場合には式（２）において平方根を取らなくてもよい。
「飽和領域画像」は、干渉縞画像において撮像素子４４の階調数を超えた光量が入射したために画素値が飽和（サチュレーション）している領域を示す画像である。飽和領域画像の各画素の画素値ＩＳは、例えば、以下の式（３）に基づいて算出できる。
式（３）において、Ｉｉは干渉縞画像の各画素の画素値を示し、添え字ｉは干渉縞パターンの種類に対応し、ｎは干渉縞パターンの種類数（例えば４）であり、ａは閾値を決定するための定数であり、ｂは撮像素子４４の階調数である。本実施例において、定数ａ＝０．８〜０．９の値が設定される。撮像素子４４の階調数ｂは、例えば１２である。式（３）より、飽和領域画像の画素値ＩＳは、干渉縞画像の画素値の平均が所定の基準値を超えて飽和しているとみなされる場合に０となり、干渉縞画像の画素値の平均が所定の基準値以下のため飽和していないとみなされる場合に１となる。
なお、飽和領域画像の画素値ＩＳは、別の基準に基づいて算出されてもよい。例えば、複数の干渉縞パターンに対応する複数の干渉縞画像の画素値のうち、少なくとも一つのパターンに対応する画素値が飽和している場合（例えば、Ｉｉ≧２ｂ−１）に画素値ＩＳを０とし、複数のパターンに対応する画素値の全てが飽和していない場合（例えば、Ｉｉ＜２ｂ−１）に画素値ＩＳを１としてもよい。
条件選択部５６は、上述のように生成される振幅画像および飽和領域画像から「信頼性分布画像」を生成する。信頼性分布画像の画素値ＩＴは、振幅画像の各画素の画素値ＩＡと飽和領域画像の各画素の画素値ＩＳの積（ＩＴ＝ＩＡ×ＩＳ）により算出される。したがって、信頼性分布画像の画素値ＩＴは、飽和領域画像にて０となる画素については０となり、飽和領域画像にて１となる画素については振幅画像の画素値ＩＡと等しい。条件選択部５６は、複数の撮像条件ごとに振幅画像、飽和領域画像、信頼性分布画像を生成する。
図４は、振幅画像、飽和領域画像および信頼性分布画像の生成例を示す図である。本図において、（ａ）は第１撮像条件であり、（ｂ）は第２撮像条件であり、（ｃ）は第３撮像条件である。図示されるように、暗い露光条件である（ａ）では、画素値の振幅が全体的に小さいが、飽和画素は見られない。一方、明るい露光条件である（ｃ）では、画像の中央付近に飽和画素が見られ、飽和領域では画素値の振幅が小さい。一方、画素値が飽和していない周辺領域では画素値の振幅が比較的大きい。中間的な露光条件である（ｂ）では、飽和画素が見られず、画像の中央付近では画素値の振幅が比較的大きいが、画像の周辺領域では画素値の振幅が比較的小さい。
本実施例に係る縞走査法では、干渉縞パターンの種類の違いに起因する各画素の明暗の差、つまり、干渉縞画像の画素値の振幅が大きく、かつ、撮像素子４４が飽和しない範囲で適切に干渉縞パターンの明暗を検出できることが好ましい。上述の信頼性分布画像は、飽和している画素について画素値を０とし、飽和していない画素については画素値を干渉縞画像の振幅としている。したがって、信頼性分布画像の各画素の画素値は、干渉縞画像の各画素の有効性を示す指標であるということができ、画素値が大きいほど有効性が高いと言える。そこで、条件選択部５６は、信頼性分布画像の画素値を異なる撮像条件間で比較することにより、いずれの撮像条件に基づく画素値が適切であるかを画素ごとに決定する。条件選択部５６は、３種類の撮像条件に対応する３枚の信頼性分布画像の画素値を比較し、画素値の最も高い撮像条件がいずれであるかを画素ごとに決定する。
形状演算部５８は、被測定物の位相分布画像を算出し、位相分布画像から被測定物の三次元形状データを演算する。形状演算部５８は、同じ撮像条件にて撮像された複数の干渉縞パターンに対応する複数の干渉縞画像の画素値から位相分布画像の画素値（初期位相φ）を算出する。形状演算部５８は、条件選択部５６が画素ごとに決定した撮像条件にて撮像された干渉縞画像の画素値を用いて、各画素の初期位相φを算出する。位相分布画像の初期位相φは、以下の式（４）に基づいて算出できる。
図５は、初期位相画像、位相分布画像および距離画像の生成例を示す図である。本図において、（ａ）は第１撮像条件の干渉縞画像から生成される初期位相画像であり、（ｂ）は第２撮像条件の干渉縞画像から生成される初期位相画像であり、（ｃ）は第３撮像条件の干渉縞画像から生成される初期位相画像である。形状演算部５８は、（ａ）〜（ｃ）に示す３種類の初期位相画像のいずれかの画素値（初期位相φ）を条件選択部５６の決定に基づいて選択することにより（ｄ）に示す位相分布画像を生成する。（ｄ）の位相分布画像の各画素の画素値（初期位相φ）は、条件選択部５６が決定した撮像条件の干渉縞画像から算出された初期位相φに等しい。形状演算部５８は、生成した位相分布画像に対して既知のアルゴリズムを適用することにより、各画素の位置に対応する被測定物表面の深さおよび高さに関する情報を演算し、（ｅ）に示す距離画像を生成する。形状演算部５８は、距離画像の代わりに被測定物の空間座標を演算し、３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）のような立体形状データを生成してもよい。
形状演算部５８は、図５の（ａ）〜（ｃ）に示す３種類の初期位相画像を生成してから（ｄ）に示す位相分布画像を生成してもよいし、（ａ）〜（ｃ）に示す初期位相画像を生成することなく、図３の干渉縞画像から直接的に（ｄ）に示す位相分布画像を生成してもよい。後者の場合、３枚分の初期位相画像の全画素について初期位相φを計算する必要がなく、１枚分の位相分布画像の各画素について初期位相φを計算すればよいため、位相分布画像の生成にかかる演算処理量を少なくできる。
図６は、三次元形状測定装置１００の動作の流れを示すフローチャートである。撮像装置４０は、複数の撮像条件ごとに複数の干渉縞パターンに対応する複数の干渉縞画像を撮像する（Ｓ１０）。条件選択部５６は、複数の撮像条件ごとに干渉縞画像の画素値の振幅を算出し（Ｓ１２）、複数の撮像条件ごとに干渉縞画像の飽和画素を算出する（Ｓ１４）。条件選択部５６は、干渉縞画像の画素値の振幅および飽和画素に基づいて、画素ごとに選択する撮像条件を決定する（Ｓ１６）。形状演算部５８は、条件選択部５６により選択された撮像条件の干渉縞画像の画素値から初期位相を算出して位相分布画像を生成し（Ｓ１８）、算出した初期位相から被測定物の三次元形状データを演算する（Ｓ２０）。
本実施の形態によれば、複数の撮像条件で干渉縞画像を取得するとともに、いずれの撮像条件の画素値を用いるかを画素ごとに選択するため、画素ごとに最適な撮像条件を利用できる。特に、干渉縞画像の画素値の振幅と飽和画素に基づいて干渉縞画像を評価することにより、振幅が最大であり、かつ、飽和していない画素値を画素ごとに選択し、最適な撮像条件にて取得された画素値を組み合わせて位相分布画像を生成できる。したがって、スペックルノイズが発生しやすいコヒーレント光を用いる場合であっても、スペックルノイズの影響が少ない撮像条件を画素ごとに選択できる。これにより、一つの撮像条件のみを用いる場合と比べてスペックルノイズの影響を抑えることができ、被測定物の測定精度を高めることができる。
変形例においては、条件選択部５６が干渉縞画像の画素値の振幅または飽和画素のいずれか一方のみに基づいて画素ごとに選択する撮像条件を決定してもよい。
変形例においては、分波器２２の第２出力路２６のみに位相変調器２７を設けるのではなく、第１出力路２５と第２出力路２６の双方に位相変調器を配置してもよい。
変形例においては、光集積回路を用いた分波器２２の代わりに、複屈折素子やビームスプリッタを用いた分波器を用いてもよい。
（第２実施例）
図７は、第２実施例に係る撮像装置１４０の構成を模式的に示す図である。第２実施例では、上述の撮像装置４０の代わりに複数の撮像素子を有する撮像装置１４０が設けられる点で第１実施例と相違する。以下、第２実施例について、第１実施例との相違点を中心に説明する。
撮像装置１４０は、撮像レンズ１４２と、第１撮像素子１４４ａと、第２撮像素子１４４ｂと、第３撮像素子１４４ｃと、光路分岐部１４６とを含む。光路分岐部１４６は、撮像軸Ｂに沿って撮像レンズ１４２に入射する光を分岐させ、複数の撮像素子１４４ａ，１４４ｂ，１４４ｃのそれぞれに干渉縞パターンの投影像を結像させる。光路分岐部１４６は、例えば、３つのプリズムを接着接合したもので形成される。
光路分岐部１４６は、第１光分岐面１４７と、第２光分岐面１４８とを有する。第１光分岐面１４７は、撮像レンズ１４２を通過した光を第１撮像素子１４４ａおよび第２撮像素子１４４ｂへ向かう光路と、第３撮像素子１４４ｃへ向かう光路とに分岐させる。第２光分岐面１４８は、第１光分岐面１４７を通過した光を第１撮像素子１４４ａへ向かう光路と、第２撮像素子１４４ｂへ向かう光路とに分岐させる。
第１光分岐面１４７は、例えば、第１光分岐面１４７に入射する光を３：４の割合で分岐させるように構成され、第１撮像素子１４４ａおよび第２撮像素子１４４ｂへ向かう光の割合が３、第３撮像素子１４４ｃへ向かう光の割合が４となるようにする。第２光分岐面１４８は、例えば、第２光分岐面１４８に入射する光を１：２の割合で分岐させるように構成され、第１撮像素子１４４ａへ向かう光の割合が１、第２撮像素子１４４ｂへ向かう光の割合が２となるようする。これにより、光路分岐部１４６は、第１撮像素子１４４ａ、第２撮像素子１４４ｂおよび第３撮像素子１４４ｃのそれぞれに入射する光量が１：２：４となるようにし、各撮像素子の撮像条件が異なるようにする。
第１撮像素子１４４ａは、暗い露光条件に対応する第１撮像条件にて干渉縞画像を撮像し、第２撮像素子１４４ｂは、中間的な露光条件に対応する第２撮像条件にて干渉縞画像を撮像し、第３撮像素子１４４ｃは、明るい露光条件に対応する第３撮像条件にて干渉縞画像を撮像する。撮像装置１４０は、第１撮像素子１４４ａ、第２撮像素子１４４ｂ、第３撮像素子１４４ｃのそれぞれが撮像した干渉縞画像を制御装置５０に送信する。
撮像装置１４０は、上述の構成により、異なる撮像条件に対応する干渉縞画像を同時に同じ構図で撮像することができる。つまり、特定の干渉縞パターンが投影された被測定物を１回撮像するだけで、撮像条件の異なる複数の干渉縞画像を撮像できる。したがって、本実施例に係る撮像装置１４０によれば、上述の第１実施例の場合と比べて、複数の撮像条件および複数の干渉縞パターンに対応する全種類（例えば１２枚）の干渉縞画像を取得するのにかかる時間を短縮できる。例えば、被測定物の表面形状が時間経過とともに変化するような場合には、形状変化に起因する測定誤差を低減することができる。
変形例においては、光路分岐部１４６の第１光分岐面１４７および第２光分岐面１４８の分割比を利用して複数の撮像条件を実現するのではなく、他の方法により複数の撮像条件下の同時撮影が実現されてもよい。例えば、光路分岐部１４６により分割されて第１撮像素子１４４ａ、第２撮像素子１４４ｂおよび第３撮像素子１４４ｃに向かう光の光量が１：１：１になるようにする一方で、各撮像素子の手前に透過率の異なるＮＤフィルタを設けることによって、各撮像素子の撮像条件を異ならせてもよい。また、各撮像素子の露光時間やゲインを異ならせることによって各撮像素子の撮像条件を異ならせてもよい。また、光路分岐部１４６の分岐割合、各撮像素子の手前に配置するＮＤフィルタ、各撮像素子の露光時間やゲインといった撮像条件を調整しうる任意の方法を組み合わせることにより各撮像素子の撮像条件が異なるようにしてもよい。
変形例においては、干渉縞投影器２０の光源装置３０として、複数色（例えば、赤色、緑色、青色）を混合させた多色光を出力可能な光源を用いてもよい。撮像装置１４０の光分岐部は、入射する光を波長で分離し、各撮像素子に入射する光の波長が異なるようにしてもよい。例えば、第１撮像素子１４４ａに赤色光、第２撮像素子１４４ｂに緑色光、第３撮像素子１４４ｃに青色光が入射するようにしてもよい。これにより、各撮像素子の撮像条件が異なるようにしてもよい。この場合、画像取得部５４は、複数の撮像素子１４４ａ，１４４ｂ，１４４ｃから取得する画像信号を用いて被測定物のカラー画像を生成してもよい。
（第３実施例）
図８（ａ），（ｂ）は、第３実施例に係る撮像装置２４０の構成を模式的に示す図である。撮像装置２４０は、撮像素子２４４と、フィルタ２４６とを含む。本実施例では、フィルタ２４６の各セル２４７の光の透過率を異ならせることにより、一つの撮像素子２４４を用いて複数の撮像条件に対応する干渉縞画像を同時に取得できるようにする。以下、第３実施例について、上述の実施例との相違点を中心に説明する。
撮像素子２４４は、二次元アレイ状に配列される複数の画素２４５を有する。フィルタ２４６は、各画素２４５に対応して二次元アレイ状に配列される複数のセル２４７を有する。フィルタ２４６は、ＮＤフィルタであり、各画素２４５に入射する光Ｌの透過率が異なるように各セル２４７の透過率が定められている。フィルタ２４６は、図８（ｂ）に示すように、透過率の異なる４種類のセル２４７ａ，２４７ｂ，２４７ｃ，２４７ｄ（総称してセル２４７ともいう）を有し、隣接する４種類のセル２４７ａ〜２４７ｄにより一つの単位ユニット２４８が構成される。フィルタ２４６において、複数の単位ユニット２４８が二次元アレイ状に配列されている。各セル２４７の透過率は、例えば、第１セル２４７ａが１２．５％であり、第２セル２４７ｂが２５％であり、第３セル２４７ｃが５０％であり、第４セル２４７ｄが１００％である。
第１セル２４７ａに対応する画素２４５は、暗い露光条件となる第１撮像条件の干渉縞画像の画素値を生成する。第２セル２４７ｂに対応する画素２４５は、やや暗い露光条件となる第２撮像条件の干渉縞画像の画素値を生成する。第３セル２４７ｃに対応する画素２４５は、やや明るい露光条件となる第３撮像条件の干渉縞画像の画素値を生成する。第４セル２４７ｄに対応する画素２４５は、明るい露光条件となる第４撮像条件の干渉縞画像の画素値を生成する。
画像取得部５４は、撮像素子２４４から取得する画像信号に基づいて、撮像条件の異なる４つの干渉縞画像を生成する。画像取得部５４は、画像信号のうち第１セル２４７ａに対応する画素２４５の画素値から第１撮像条件の干渉縞画像を生成する。同様にして、画像取得部５４は、画像信号のうち第２セル２４７ｂに対応する画素２４５の画素値から第２撮像条件の干渉縞画像を生成し、第３セル２４７ｃに対応する画素２４５の画素値から第３撮像条件の干渉縞画像を生成し、第４セル２４７ｄに対応する画素２４５の画素値から第４撮像条件の干渉縞画像を生成する。
このようにして生成される複数の撮像条件に対応する複数の干渉縞画像は、上述の実施例と同様、撮像条件が互いに異なるものの、各画素の撮像位置が厳密には異なっている。具体的に言えば、第１撮像条件では第１セル２４７ａに対応する画素２４５が用いられるのに対し、第２撮像条件では第１セル２４７ａに隣接する第２セル２４７ｂに対応する画素２４５が用いられる。被測定物の測定精度を高めるためには、撮像条件によって撮像素子２４４の画素２４５の位置が異なったとしても、干渉縞パターンが投影される被測定物を実質的に同じ位置で捉えることができるのが好ましい。つまり、一つの単位ユニット２４８に対応する複数の画素２４５のいずれを用いたとしても、実質的に被測定物の同じ位置を撮像できることが好ましい。この条件は、撮像光学系のＰＳＦを用いて以下の式（５）で表すことができる。
ここで、式（５）の左辺に示すｓは画素２４５のサイズであり、右辺は上記式（１）で示したＰＳＦである。ＰＳＦよりも画素２４５のサイズを小さくすることで、隣接する各画素２４５に入射する光が実質的に同等となる。
また、スペックルノイズの影響を抑えるため、単位ユニット２４８のサイズｐは、上記式（１）を満たすことが好ましい。つまり、単位ユニット２４８の対角線の長さ√２ｐよりもスペックル平均径が小さいことが好ましい。これにより、異なる単位ユニット２４８の間でスペックルの生じやすさの相違を小さくし、単位ユニット２４８に含まれるいずれかの画素２４５に適切な光量（つまり、飽和しない範囲で振幅の大きい光量）が入射する確率を高めことができる。その結果、各画素での初期位相φの検出精度を高めることができる。
変形例においては、単位ユニット２４８が４つの画素２４５に対応するように設けられなくてもよく、例えば、３つの画素２４５に対して一つの単位ユニットが設けられてもよいし、６つや８つの画素２４５に対して一つの単位ユニットが設けられてもよい。また、一つの単位ユニットを複数の隣接画素で構成するのではなく、一つおきや二つおきに配置される複数の画素を一つの単位ユニットに含めるようにしてもよい。
変形例においては、フィルタ２４６の各セル２４７の透過率を異ならせるのではなく、単位ユニット２４８に対応する複数の画素２４５の露光時間やゲインを異ならせることにより、複数の撮像条件に対応する複数の干渉縞画像を同時に取得できるようにしてもよい。
変形例においては、フィルタ２４６としてＮＤフィルタを用いるのではなく、カラーフィルタを用いて特定波長に対する各セル２４７の透過率を異ならせてもよい。例えば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のベイヤ配列を有するカラーフィルタを用いるとともに、各色のフィルタの透過率が段階的に異なる特定波長のレーザ光を用いて干渉縞パターン７０を生成してもよい。
図９（ａ），（ｂ）は、変形例に係る撮像装置２４０の構成を模式的に示す図である。図９（ａ）に示すように、フィルタ２４６は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のベイヤ配列を構成しており、奇数行目にはＲとＧが交互に配列され、偶数行目にはＧとＢが交互に配列されている。図９（ｂ）は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のフィルタの透過率を示すグラフである。図示されるように、λ＝６００ｎｍ付近の波長では、各色のフィルタの透過率がＲ：Ｇ：Ｂ≒４：２：１となっている。このように各色のフィルタの透過率が段階的に異なる波長を用いることで、フィルタ２４６としてカラーフィルタを用いる場合であっても透過率の異なるＮＤフィルタを用いる場合と同様の効果を奏することができる。
なお、特定波長としてλ＝６００ｎｍ付近以外の波長を用いてもよい。例えば、図９（ｂ）に示す特性のカラーフィルタにおいて、λ＝５３０ｎｍ付近の波長において各色のフィルタの透過率がＲ：Ｇ：Ｂ≒１：４：２となることを利用してもよい。その他、λ＝５００ｎｍ付近において各色のフィルタの透過率がＲ：Ｇ：Ｂ≒１：４：８となることを利用してもよい。
（第４実施例）
図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）は、第４実施例に係るフィルタ３４６の構成を模式的に示す図である。本実施例では、図１０（ａ）に示すように、フィルタ３４６が赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のベイヤ配列を構成しており、奇数行目にはＲとＧが交互に配列され、偶数行目にはＧとＢが交互に配列されている。さらにフィルタ３４６は、６つのセル３４７により単位ユニット３４８ａ，３４８ｂ（以下、総称して単位ユニット３４８ともいう）が構成されている。同じ単位ユニット３４８に含まれる緑色（Ｇ）のセルは、透過率がそれぞれ異なっており、これにより異なる撮像条件の干渉縞画像を同時に取得できるようにしている。以下、第４実施例について、上述の実施例との相違点を中心に説明する。
図１０（ｂ）は、第１単位ユニット３４８ａの構成を模式的に示す図である。第１単位ユニット３４８ａは、赤色（Ｒ）の第１セル３４７ａと、緑色（Ｇ）の第２セル３４７ｂと、緑色（Ｇ）の第３セル３４７ｃと、青色（Ｂ）の第４セル３４７ｄと、赤色（Ｒ）の第５セル３４７ｅと、緑色（Ｇ）の第６セル３４７ｆとで構成されている。このうち、緑色（Ｇ）の第２セル３４７ｂおよび緑色（Ｇ）の第３セル３４７ｃには、カラーフィルタとともにＮＤフィルタが設けられている。例えば、第２セル３４７ｂには透過率２５％のＮＤフィルタが設けられ、第３セル２４７ｃには透過率５０％のＮＤフィルタが設けられている。なお、緑色（Ｇ）の第６セル３４７ｆは、透過率が１００％である。
図１０（ｃ）は、第２単位ユニット３４８ｂの構成を模式的に示す図である。第２単位ユニット３４８ｂは、緑色（Ｇ）の第７セル３４７ｇ、青色（Ｂ）の第８セル３４７ｈと、赤色（Ｒ）の第９セル３４７ｉと、緑色（Ｇ）の第１０セル３４７ｊと、緑色（Ｇ）の第１１セル３４７ｋと、青色（Ｂ）の第１２セル３４７ｌと、で構成されている。このうち、緑色（Ｇ）の第７セル３４７ｇおよび緑色（Ｇ）の第１０セル３４７ｊには、カラーフィルタとともにＮＤフィルタが設けられている。例えば、第７セル３４７ｇには透過率２５％のＮＤフィルタが設けられ、第１０セル２４７ｊには透過率５０％のＮＤフィルタが設けられている。なお、緑色（Ｇ）の第１１セル３４７ｋは、透過率が１００％である。
図１０（ａ）に示すように、第１単位ユニット３４８ａおよび第２単位ユニット３４８ｂは、縦方向に交互に配列されている。また、第１単位ユニット３４８ａは横方向に並べられ、第２単位ユニット３４８ｂも同様に横方向に順に並べられている。これにより、２×２のセルの繰り返しによるＲ，Ｇ，Ｂのベイヤ配列を実現するとともに、２×３のセルで構成される単位ユニットの繰り返しにより、３種類の透過率（例えば、２５％，５０％，１００％）の緑色のセルが周期的に配列されるようにしている。
画像取得部５４は、フィルタ３４６が設けられる撮像装置３４０から取得する画像信号に基づいて、被測定物のカラー画像または３つの撮像条件に対応する干渉縞画像を生成する。画像取得部５４は、フィルタ３４６のＲ，Ｇ，Ｂのベイヤ配列に基づいて画像信号を処理することにより、被測定物のカラー画像を生成する。このとき、画像取得部５４は、緑色（Ｇ）のセルの透過率を考慮し、緑色のセルに対応する画素値を補正を施してカラー画像を生成してもよい。例えば、透過率が２５％のセルについて画素値を４倍に補正し、透過率が５０％のセルについて画素値を２倍に補正してもよい。その他、透過率の異なる緑色（Ｇ）のセルの画素値を平均化するなどして、緑色（Ｇ）のセルの各画素に対応する画素値を算出してもよい。
画像取得部５４は、緑色（Ｇ）のセルに対応する画素値を用いて、３つの撮像条件に対応する干渉縞画像を生成する。画像取得部５４は、透過率が２５％である第２セル３４７ｂおよび第７セル３４７ｇに対応するセルの画素値を並べることにより、暗い露光条件となる第１撮像条件の干渉縞画像を生成する。画像取得部５４は、透過率が５０％である第３セル３４７ｃおよび第１０セル３４７ｊに対応するセルの画素値を並べることにより、中間的な露光条件となる第２撮像条件の干渉縞画像を生成する。画像取得部５４は、透過率が１００％である第６セル３４７ｆおよび第１２セル３４７ｌに対応セルの画素値を並べることにより、明るい露光条件となる第３撮像条件の干渉縞画像を生成する。
画像取得部５４により生成されるカラー画像の画素数と、各撮像条件に対応する干渉縞画像の画素数と一致しなくてもよい。画像取得部５４は、撮像装置３４０の撮像素子の画素数と一致するカラー画像を生成する一方、撮像装置３４０の撮像素子の画素数の１／６となる干渉縞画像を生成してもよい。変形例においては、干渉縞画像の画素数と一致するようにカラー画像が生成されてもよい。
干渉縞投影器２０は、赤色（例えば、波長λ＝６３５ｎｍ）のレーザ光ではなく、緑色（例えば、波長λ＝５３２ｎｍ）のレーザ光の干渉縞パターンを投影してもよい。つまり、本実施例では、フィルタ３４６の緑色（Ｇ）セルの透過率が高い波長のレーザ光を利用してもよい。これにより、緑色（Ｇ）セルに対応する画素にて検出される干渉縞パターンのコントラスト比を高め、被測定物の立体形状の計測精度を高めることができる。
変形例においては、一つの単位ユニット３４８を異なる数のセル３４７で構成してもよい。例えば、単位ユニット３４８を２×４＝８個のセル３４７により構成し、単位ユニット３４８に含まれる４つの緑色（Ｇ）のセルのそれぞれの透過率を異ならせることにより、同時に４つの撮像条件に対応する干渉縞画像が取得できるようにしてもよい。
（第５実施例）
上述の実施例では、複数の撮像条件に対応する干渉縞画像に基づいて、いずれの撮像条件に基づいて画素ごとの初期位相を算出するかを決定し、決定した撮像条件の干渉縞画像から各画素の初期位相を算出する場合について示した。本実施例では、一つの撮像条件に対応する干渉縞画像に基づいて各画素の初期位相を算出する点で上述の実施例と相違する。以下、本実施例について、上述の実施例との相違点を中心に説明する。
図１１は、第５実施例に係る制御装置４５０の機能構成を模式的に示すブロック図である。制御装置４５０は、条件制御部４５２と、画像取得部４５４と、有効性判定部４５６と、形状演算部４５８とを含む。本実施例に係る制御装置４５０は、条件選択部５６の代わりに有効性判定部４５６を含む。
条件制御部４５２は、位相変調器２７の動作を制御して複数の干渉縞パターン７０が被測定物に投影されるようにする。また、撮像装置４０が所望の露光条件下にて干渉縞画像を撮像できるように、光源装置３０の光量や撮像素子４４の露光時間、ゲインなどを制御する。条件制御部４５２は、撮像装置４０が撮像する干渉縞画像に飽和画素が含まれない、もしくは、飽和画素の画素数が所定の基準値未満となるように露光条件を制御する。
画像取得部４５４は、撮像装置４０から複数の干渉縞パターンに対応する複数の干渉縞画像を取得する。有効性判定部４５６は、画像取得部４５４が取得した干渉縞画像の各画素の有効性を判定する。有効性判定部４５６は、例えば、上述の実施例に係る条件選択部５６と同様に「振幅画像」と「飽和領域画像」から「信頼性分布画像」を生成し、信頼性分布画像の各画素の画素値に基づいて各画素の有効性を判定する。有効性判定部４５６は、信頼性分布画像の画素値が所定の閾値以上であれば、その画素を有効とし、所定の閾値未満であればその画素を無効と判定する。
形状演算部４５８は、有効性判定部４５６の判定結果に基づいて被測定物の位相分布画像を算出する。形状演算部４５８は、有効性判定部４５６が有効と判定した画素については、複数の干渉縞画像の画素値に基づいて初期位相を算出し、有効性判定部４５６が無効と判定した画素については、エラーを示す値（例えば、ｎｕｌｌ）を位相分布画像の画素値とする。形状演算部４５８は、無効判定された画素の初期位相をその周囲に隣接する画素の初期位相の値から補間して算出してもよい。
本実施例に係る撮像装置４０は、階調数の大きい撮像素子４４を有し、例えば、１４ビット以上の階調数を有する。例えば、撮像素子４４として１４ビットのイメージセンサを用いるとともに、撮像素子４４の各画素が飽和しないように露光条件を調整することにより、１２ビットのイメージセンサを用いて露光量を１／２および１／４にした場合と同等の干渉縞画像を得ることができる。その結果、一つの撮像条件に基づく干渉縞画像を撮像すれば、複数の撮像条件の干渉縞画像を組み合わせて位相分布画像を生成する場合と同等の精度を得ることができる。したがって、本実施例においても高精度の三次元形状測定を実現することができる。
（第６実施例）
図１２は、第６実施例に係る三次元形状測定装置５００の構成を模式的に示す図である。三次元形状測定装置５００は、第１干渉縞投影器５２０ａと、第２干渉縞投影器５２０ｂと、撮像装置５４０と、制御装置５５０とを備える。第１干渉縞投影器５２０ａは、第１分波器５２２ａ、第１投影レンズ５２８ａおよび第１光源装置５３０ａを有する。第２干渉縞投影器５２０ｂは、第２分波器５２２ｂ、第２投影レンズ５２８ｂ、第２光源装置５３０ｂを有する。本実施例では、干渉縞パターン７０を投影するための干渉縞投影器が複数設けられる点で上述の実施例と相違する。以下、本実施例について、上述の実施例との相違点を中心に説明する。
三次元形状測定装置５００は、先端部５１２、挿入部５１４、接続部５１６を有する内視鏡スコープ５１０に組み込まれている。先端部５１２には、第１分波器５２２ａ、第１投影レンズ５２８ａ、第２分波器５２２ｂ、第２投影レンズ５２８ｂ、撮像装置５４０が組み込まれている。挿入部５１４には、第１光ファイバ５３８ａ、第２光ファイバ５３８ｂ、第１配線５６１、第２配線５６２、第３配線５６３が挿通されている。
第１光ファイバ５３８ａは、第１分波器５２２ａと第１光源装置５３０ａを接続し、第２光ファイバ５３８ｂは、第２分波器５２２ｂと第２光源装置５３０ｂを接続する。第１配線５６１は、第１分波器５２２ａと制御装置５５０を接続し、第２配線５６２は、撮像装置５４０と制御装置５５０を接続し、第３配線５６３は、第２分波器５２２ｂと制御装置５５０を接続する。
第１干渉縞投影器５２０ａおよび第２干渉縞投影器５２０ｂは、上述の干渉縞投影器２０と同様に構成されるが、撮像装置５４０に対してそれぞれが異なる位置から干渉縞パターン７０を投影する。第１干渉縞投影器５２０ａは、第１位置から干渉縞パターン７０を投影するように構成され、第２干渉縞投影器５２０ｂは、第１位置とは異なる第２位置から干渉縞パターン７０を投影するように構成される。その結果、第１干渉縞投影器５２０ａの投影軸Ａ１、第２干渉縞投影器５２０ｂの投影軸Ａ２、および、撮像装置５４０の撮像軸Ｂのそれぞれが互いに交差するように配置される。
第１干渉縞投影器５２０ａおよび第２干渉縞投影器５２０ｂは、撮像装置５４０または撮像装置５４０の撮像軸Ｂを挟んで対称となる位置に配置されてもよい。例えば、第１干渉縞投影器５２０ａの投影軸Ａ１、第２干渉縞投影器５２０ｂの投影軸Ａ２および撮像装置５４０の撮像軸Ｂが同一平面内となるように、第１干渉縞投影器５２０ａおよび第２干渉縞投影器５２０ｂが配置されてもよい。第１干渉縞投影器５２０ａおよび第２干渉縞投影器５２０ｂは、干渉縞パターン７０の縞が延びる方向が投影軸Ａ１，Ａ２および撮像軸Ｂを含む平面と直交するように干渉縞パターン７０を生成してもよい。
第１干渉縞投影器５２０ａおよび第２干渉縞投影器５２０ｂは、それぞれ同じ波長のレーザ光を用いて干渉縞パターン７０を生成してもよいし、異なる波長のレーザ光を用いて干渉縞パターン７０を生成してもよい。前者の場合、第１光源装置５３０ａと第２光源装置５３０ｂは、実質的に同じ光源装置であってよい。後者の場合、第１光源装置５３０ａと第２光源装置５３０ｂは、それぞれ異なる波長のレーザ光を出力する光源装置であってもよい。変形例においては、二つの光源装置５３０ａ，５３０ｂを設ける代わりに、第１干渉縞投影器５２０ａと第２干渉縞投影器５２０ｂが一つの光源装置を共用してもよい。
制御装置５５０は、第１干渉縞投影器５２０ａまたは第２干渉縞投影器５２０ｂに干渉縞パターン７０を投影させ、干渉縞パターン７０が投影された被測定物を撮像装置５４０に撮像させる。制御装置５５０は、干渉縞パターン７０の投影に用いる干渉縞投影器５２０ａ，５２０ｂを切り替えることにより干渉縞画像の撮像条件を制御する。制御装置５５０は、第１干渉縞投影器５２０ａに基づく第１干渉縞パターン７０ａが投影された被測定物を撮像装置５４０に撮像させ、第１撮像条件の干渉縞画像を取得する。また制御装置５５０は、第２干渉縞投影器５２０ｂに基づく第２干渉縞パターン７０ｂが投影された被測定物を撮像装置５４０に撮像させ、第２撮像条件の干渉縞画像を取得する。制御装置５５０は、第１撮像条件に係る干渉縞画像および第２撮像条件に係る干渉縞画像が時分割で取得されるようにする。
制御装置５５０は、第１分波器５２２ａの位相条件を制御することにより、第１干渉縞投影器５２０ａに基づく複数種類の第１干渉縞パターン７０ａに対応する干渉縞画像を撮像させる。具体的には、第１分波器５２２ａの位相差δの値が０、π／２、π、３π／２となるようにして４種類の第１干渉縞パターン７０ａを投影させ、それぞれの第１干渉縞パターン７０ａに対応する第１撮像条件の干渉縞画像を取得する。同様に、制御装置５５０は、第２分波器５２２ｂの位相条件を制御することにより、第２干渉縞投影器５２０ｂに基づく複数種類の第２干渉縞パターン７０ｂに対応する干渉縞画像を撮像させる。具体的には、第２分波器５２２ｂの位相差δの値が０、π／２、π、３π／２となるようにして４種類の第２干渉縞パターン７０ｂを投影させ、それぞれの第２干渉縞パターン７０ｂに対応する第２撮像条件の干渉縞画像を取得する。
制御装置５５０は、取得した干渉縞画像に基づいて「信頼性分布画像」を生成する。制御装置５５０は、位相差δの異なる４種類の第１干渉縞パターン７０ａに基づく干渉縞画像から第１撮像条件に係る信頼性分布画像を生成し、位相差δの異なる４種類の第２干渉縞パターン７０ｂに基づく干渉縞画像から第２撮像条件に係る信頼性分布画像を生成する。制御装置５５０は、第１撮像条件および第２撮像条件に係る信頼性分布画像を比較し、いずれの撮像条件に基づく画素値が適切であるかを画素ごとに決定する。制御装置５５０は、画素ごとに決定した撮像条件に対応する複数種類の干渉縞画像から各画素の初期位相φを算出し、被測定物の初期位相画像を生成する。
制御装置５５０は、第１干渉縞パターン７０ａに基づく複数種類の干渉縞画像から算出される初期位相φに対して被測定物の空間座標を演算する場合と、第２干渉縞パターン７０ｂに基づく複数種類の干渉縞画像から算出される初期位相φに対して被測定物の空間座標を演算する場合とで互いに異なる計算方法を用いる。これは、第１干渉縞投影器５２０ａと撮像装置５４０の配置関係と、第２干渉縞投影器５２０ｂと撮像装置５４０の配置関係が異なるためである。制御装置５５０は、干渉縞投影器５２０ａ，５２０ｂと撮像装置５４０の配置関係に対応するアルゴリズムを適用することにより、異なる投影位置からの干渉縞パターンを用いる場合であっても被測定物の空間座標を適切に算出することができる。
本実施例によれば、投影位置の異なる複数の干渉縞パターンを利用し、画素ごとにより適切な投影位置に基づく干渉縞画像を採用することができるため、より精度の高い初期位相画像を生成できる。レーザのスペックルパターンは、干渉縞投影器、撮像装置および被測物の配置関係で決まることから、複数の投影位置を組み合わせることでよりスペックルノイズの少ない計測結果を画素ごとに得ることができる。また、被測定物の立体形状等に起因して干渉縞パターンが投影されない陰となる部分が生じる場合であっても、複数の方向から干渉縞パターンを投影することにより、画素ごとに陰が生じない計測結果を得ることができる。つまり、一方の投影位置からでは干渉縞が投影されない位置の画素について、他方の投影位置から投影した干渉縞の撮像結果を用いることにより補完できる。本実施例では、信頼性分布画像に基づいて各画素の条件を決定するため、スペックルノイズや陰の影響の少ない計測結果を選択し、精度および信頼性の高い初期位相画像を生成できる。
変形例においては、三以上の干渉縞投影器を用いて三以上の投影位置から投影される干渉縞パターンに基づく干渉縞画像を取得できるようにしてもよい。この場合、複数の干渉縞投影器は、撮像装置５４０の投影軸Ｂを囲むように配置されてもよい。三以上の干渉縞投影器は、干渉縞パターンの縞の間隔がそれぞれ同じとなるように構成されてもよいし、異なるように構成されてもよい。
変形例においては、異なる投影位置からの干渉縞パターンに基づく干渉縞画像を時分割で取得するのではなく、同時に取得できるようにしてもよい。例えば、複数の干渉縞投影器のそれぞれが投影する干渉縞パターンの波長を異ならせ、撮像装置において入射する光の波長を分離することにより投影位置の異なる干渉縞パターンに基づく干渉縞画像が同時に撮像されるようにしてもよい。この場合、撮像装置として、上述の第２実施例に係る撮像装置１４０、第３実施例に係る撮像装置２４０などを用いてもよい。
以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
図１３は、変形例に係る干渉縞投影器２０の構成を模式的に図である。本変形例では、投影レンズ２８として平凸レンズの代わりにボールレンズを用いる点で上述の実施例と相違する。投影レンズ２８は、第１出力路２５から出力される光線束を第１焦点２９ａに集光させ、第２出力路２６から出力される光線束を第２焦点２９ｂに集光される。第１焦点２９ａから発散される光線束と第２焦点２９ｂから発散される光線束が重なる領域Ｗにおいて双方の光線束が干渉し、干渉縞パターン７０を生成される。したがって、投影レンズ２８としてボールレンズを用いる場合であっても、上述の実施例と同様の効果を奏することができる。
変形例においては、投影レンズ２８として平凸レンズの代わりに凹レンズを用いてもよいし、少なくとも凹レンズまたは凸レンズを含む複数のレンズの組み合わせにより投影レンズ２８を構成してもよい。
変形例においては、被測定物の空間座標の代わりに被測定物表面の深さおよび高さに関する情報のみを算出してもよい。また、被測定物の空間座標に関する任意の値を利用し、被測定物の空間座標に関する情報を任意の表示態様にて表示させてもよい。
上述の実施例では、三次元形状測定装置が軟性鏡の内視鏡スコープである場合を示した。変形例では、挿入部が可撓性を有しないように構成された硬性鏡の内視鏡スコープであってもよい。また、内視鏡装置は医療用途に用いられるものであってもよいし、工業用途に用いられるものであってもよい。また、本実施例に係る三次元形状測定装置は、内視鏡に組み込まれなくてもよい。
２０…干渉縞投影器、２２…分波器、２７…位相変調器、３０…光源装置、４０…撮像装置、４４…撮像素子、５０…制御装置、５２…条件制御部、５４…画像取得部、５６…条件選択部、５８…形状演算部、７０…干渉縞パターン、１００…三次元形状測定装置。
本発明によれば、測定精度を高めた三次元計測装置を提供できる。

Claims (17)

  1. 干渉縞を走査し、前記干渉縞の明暗位置が異なる複数の干渉縞パターンのいずれかを被測定物に投影する干渉縞投影器と、
    前記干渉縞が投影される被測定物を撮像し、複数の撮像条件のそれぞれにて少なくとも三つの異なる干渉縞パターンに対応する複数の干渉縞画像を生成する撮像装置と、
    前記複数の撮像条件ごとに撮像された前記複数の干渉縞画像の各画素の画素値に基づいて、いずれの撮像条件の干渉縞画像を用いて前記被測定物の位相分布画像を算出するかを画素ごとに選択する条件選択部と、
    前記条件選択部が画素ごとに選択した撮像条件に対応する複数の干渉縞画像の画素値に基づいて前記位相分布画像の画素ごとの位相を算出し、前記被測定物の三次元形状データを演算する形状演算部と、を備えることを特徴とする三次元形状測定装置。
  2. 前記複数の撮像条件は、前記撮像装置が備える撮像素子の露光時間、前記撮像素子への入射光量、前記撮像素子の画像信号のゲイン、前記撮像装置に対する前記干渉縞投影器の位置、および、前記干渉縞投影器から投影される干渉縞の光強度の少なくとも一つが異なることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
  3. 前記形状演算部は、同じ撮像条件にて撮像された少なくとも三つの異なる干渉縞パターンに対応する複数の干渉縞画像の画素値と、前記少なくとも三つの異なる干渉縞パターンの位相シフト量とに基づいて前記位相分布画像の各画素の位相を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状測定装置。
  4. 前記条件選択部は、前記複数の干渉縞画像の画素値と、前記撮像装置が備える撮像素子の階調数に応じて定められる基準値とに基づいて、前記位相分布画像の算出に用いる干渉縞画像の撮像条件を画素ごとに選択することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置。
  5. 前記条件選択部は、前記複数の撮像条件間で前記複数の干渉縞画像の画素値を比較し、前記画素値が前記基準値以下かつ最大となる撮像条件を画素ごとに選択することを特徴とする請求項４に記載の三次元形状測定装置。
  6. 前記条件選択部は、同じ撮像条件にて撮像された少なくとも三つの異なる干渉縞パターンに対応する複数の干渉縞画像の画素値と、前記少なくとも三つの異なる干渉縞パターンの位相シフト量とに基づいて、前記干渉縞の走査に起因する前記複数の干渉縞画像の画素値の変化の振幅を画素ごとに算出し、算出した画素値の変化の振幅に基づいて、前記位相分布画像の算出に用いる干渉縞画像の撮像条件を画素ごとに選択することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置。
  7. 前記条件選択部は、前記複数の撮像条件間で前記複数の干渉縞画像の画素値を比較し、前記画素値が前記基準値以下であり、かつ、前記算出した画素値の変化の振幅が最大となる撮像条件を画素ごとに選択することを特徴とする請求項６に記載の三次元形状測定装置。
  8. 前記条件選択部は、前記複数の撮像条件ごとに前記複数の干渉縞画像の画素値の信頼性を示す信頼性分布を算出し、算出した信頼性分布を比較して前記位相分布画像の算出に用いる干渉縞画像の撮像条件を画素ごとに選択することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置。
  9. 前記撮像装置は、撮像素子と、前記干渉縞が投影される前記被測定物を前記撮像素子に結像させる撮像光学系とを備え、
    前記干渉縞投影器の投影光の波長λ、前記干渉縞画像の一画素に対応する前記撮像素子の一画素または複数画素で構成される単位ユニットのピッチｐ、前記波長λでの前記撮像光学系の最小ＦナンバーＦ、および、前記波長λでの前記撮像装置の横倍率Ｍが、次式（１）を満たすことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置。
  10. 前記干渉縞投影器は、
    可干渉光を放射する光源と、
    前記光源から放射される光束を分岐する分波器と、
    前記分波器により分岐される光束の少なくとも一方の位相を変化させる位相変調器と、を備えることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置。
  11. 前記干渉縞投影器は、前記光源から放射される光束の波長を一定に維持する光源制御器と、前記光源から放射される光束の光量を変調する光変調器とをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の三次元形状測定装置。
  12. 前記撮像条件を制御する条件制御部をさらに備え、前記撮像装置は、前記複数の撮像条件のそれぞれに対応する干渉縞画像を時分割で撮像することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置。
  13. 前記撮像装置は、複数の撮像素子と、前記被測定物からの撮像光を前記複数の撮像素子のそれぞれに向けて分岐させ、前記複数の撮像素子の撮像条件を互いに異ならせる光路分岐部とを備えることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置。
  14. 前記撮像装置は、複数の画素が二次元アレイ状に配列された撮像素子を備え、前記複数の画素のそれぞれは、各画素の露光時間、各画素への入射光量、および、各画素の出力信号のゲインの少なくとも一つが他のいずれかの画素と異なるように構成される請求項１から１３のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置。
  15. 前記撮像装置は、撮像条件の異なる干渉縞画像を同時に撮像することを特徴とする請求項１３または１４に記載の三次元形状測定装置。
  16. 前記干渉縞投影器は、第１位置から前記被測定物に向けて干渉縞パターンを投影する第１干渉縞投影器であり、
    前記第１位置とは異なる第２位置から前記被測定物に向けて干渉縞パターンを投影する第２干渉縞投影器をさらに備えることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置。
  17. 前記第１干渉縞投影器による干渉縞投影と、前記第２干渉縞投影器による干渉縞投影とを切り替える条件制御部を備え、
    前記撮像装置は、前記第１干渉縞投影器による干渉縞投影に基づく干渉縞画像と、前記第２干渉縞投影器による干渉縞投影に基づく干渉縞画像とを時分割で撮像することを特徴とする請求項１６に記載の三次元形状測定装置。
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