スキャナ装置および物体の三次元形状測定装置
【課題】コヒーレント光源を用いて線状パターンの投影を行いつつ、投影面でのスペックルの発生を抑制する
【解決手段】レーザビームＬ５０を、光ビーム走査装置６０によって反射させ、ホログラム記録媒体４５に照射する。ホログラム記録媒体４５には、走査基点Ｂに収束する参照光を用いて線状散乱体の像３５がホログラムとして記録されている。光ビーム走査装置６０は、レーザビームＬ５０を走査基点Ｂで屈曲させてホログラム記録媒体４５に照射する。このとき、レーザビームの屈曲態様を時間的に変化させ、屈曲されたレーザビームＬ６０のホログラム記録媒体４５に対する照射位置を時間的に変化させる。ホログラム記録媒体４５からの回折光Ｌ４５は、ステージ２１０の受光面Ｒ上に線状散乱体の再生像３５を生成する。受光面Ｒに物体を載置すると、ホログラム再生光により線状パターンが投影されるので、その投影像を撮影して物体の三次元形状測定を行う。
【解決手段】レーザビームＬ５０を、光ビーム走査装置６０によって反射させ、ホログラム記録媒体４５に照射する。ホログラム記録媒体４５には、走査基点Ｂに収束する参照光を用いて線状散乱体の像３５がホログラムとして記録されている。光ビーム走査装置６０は、レーザビームＬ５０を走査基点Ｂで屈曲させてホログラム記録媒体４５に照射する。このとき、レーザビームの屈曲態様を時間的に変化させ、屈曲されたレーザビームＬ６０のホログラム記録媒体４５に対する照射位置を時間的に変化させる。ホログラム記録媒体４５からの回折光Ｌ４５は、ステージ２１０の受光面Ｒ上に線状散乱体の再生像３５を生成する。受光面Ｒに物体を載置すると、ホログラム再生光により線状パターンが投影されるので、その投影像を撮影して物体の三次元形状測定を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体に対して光の線状パターンを投影し、これを走査するスキャナ装置に関する。また、物体に光の線状パターンを投影した状態を撮影し、得られた画像を解析することにより三次元形状データを作成する物体の三次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の三次元形状を測定する装置は、一般に、三次元スキャナと呼ばれており、様々な原理に基づく装置が知られている。たとえば、下記の特許文献１には、被測定対象となる物体と接触子との間の接触状態をセンサで検出し、物体表面の三次元位置を測定することにより形状測定を行う三次元スキャナが開示されている。また、特許文献２には、光源から物体の各部に光ビームを照射し、反射光の強度に基づいて光源から各部までの距離を測定することにより形状測定を行う三次元スキャナが開示されている。
【０００３】
一方、ＣＣＤカメラなどで撮影した物体の二次元画像を解析することにより、三次元形状を演算によって求める方法も提案されている。たとえば、特許文献３には、物体に所定のパターン光を投影した状態を２台のカメラで異なる方向から撮影し、ステレオ法を用いた解析により、三次元形状の測定を行う装置が開示されている。特に、物体に光の線状パターンを投影した状態を撮影し、得られた二次元画像を解析することにより、当該物体の三次元形状を測定する方法は、一般に光切断法と呼ばれている。
【０００４】
最近はコンピュータによる画像解析技術が向上してきたため、この光切断法を用いて形状測定を行う装置も商業ベースの量産型装置として実用化されており、また、様々な工夫も提案されている。たとえば、特許文献４には、物体の周囲にスリット投光器を配置し、スリットを透過した光により線状パターンの投影を行う三次元形状測定装置が開示されており、特許文献５には、投光器と撮像装置の配置を工夫することにより、測定精度を向上させることが可能な三次元形状測定装置が開示されている。更に、特許文献６には、多数の線を有する縞模様からなる線状パターンを物体に投影し、撮影画像上の縞模様を解析することにより、三次元形状測定を行う装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１２９４２号公報
【特許文献２】特開平７−９１９３０号公報
【特許文献３】特開平７−９１９２７号公報
【特許文献４】特開２００１−２５５１２５号公報
【特許文献５】特開２０１０−１４５０５号公報
【特許文献６】特開２００３−５０１１２号公報
【特許文献７】特開平６−２０８０８９号公報
【特許文献８】特開２００４−１４４９３６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Speckle Phenomena in Optics, Joseph W. Goodman, Roberts & Co., 2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、物体に１本もしくは複数の線からなる線状パターンを投影し、その撮影画像を解析することによって三次元形状を測定する場合、できるだけ高い精度をもった線状パターンを投影する必要がある。従来は、レンズなどの光学系を用いて光を集光して線状パターンを形成したり、光源からの光をスリットに通して線状パターンを形成したりする方法を採っているが、形成される線状パターンの精度は必ずしも十分ではない。たとえば、スリットで成形する方法を採れば、構造は単純になるが、スリット内面での反射や回折が生じるため、線状パターンの輪郭が不鮮明になりやすい。
【０００８】
また、撮影画像上で線状パターンを抽出するために、物体表面に形成する線状パターンは、できるだけ高い輝度をもったパターンであることが望ましい。そのためには、高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプを光源として用いる必要があるが、このような特殊光源は寿命が比較的短く、頻繁にランプ交換を行う必要がある。
【０００９】
このような問題に対処することができる理想的な光源は、レーザ光源などのコヒーレント光源である。たとえば、産業上で広く利用されている半導体レーザは、高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプに比べて極めて長寿命でありながら、高輝度の照明が可能である。しかも指向性に優れているため、光学系やスリットによる成形を行わなくても、鮮明な輪郭をもった線状パターンを投影することができる。
【００１０】
ただ、レーザなどのコヒーレント光源を用いた照明には、スペックルの発生という新たな問題が生じる。スペックル（speckle）は、レーザ光などのコヒーレント光を拡散面に照射したときに現れる斑点状の模様であり、物体表面にレーザ光を投影すると斑点状の輝度ムラとして観察される。したがって、レーザ光源を用いて物体に線状パターンを投影すると、物体表面上の線状パターンにスペックルが発生し、輝度ムラが生じることになる。
【００１１】
たとえば、レーザポインタでスクリーン上の１点を指示した場合、レーザ光のスポットがスクリーン上でギラギラと光って見える。これは、スクリーン上にスペックルノイズが生じているためである。コヒーレント光を用いるとスペックルが発生する理由は、スクリーンなどの拡散反射面の各部で反射したコヒーレント光が、その極めて高い可干渉性ゆえに、互いに干渉し合うためとされている。たとえば、上記非特許文献１には、スペックル発生についての詳細な理論的考察がなされている。
【００１２】
レーザポインタのような用途であれば、観察者には、微小なスポットが見えるだけなので、大きな問題は生じない。しかしながら、三次元形状の測定に用いる線状パターンに、このようなスペックルに基づく輝度ムラが含まれていると、撮影画像上で線状パターンの輪郭形状を正確に抽出することができなくなり、正しい形状解析を行うことができない。
【００１３】
もちろん、このようなスペックルノイズを低減させるための具体的な方法もいくつか提案されている。たとえば、上記特許文献７には、レーザ光を散乱板に照射し、そこから得られる散乱光を照明に利用するとともに、散乱板をモータによって回転駆動することにより、スペックルを低減する技術が開示されている。また、特許文献８には、レーザ光源を散乱板に照射してから照明として利用し、この散乱板を振動させることによりスペックルを低減する技術が開示されている。しかしながら、散乱板を回転させたり、振動させたりするには、大掛かりな機械的駆動機構が必要であり、装置全体が大型化するとともに、消費電力も増加する。
【００１４】
そこで本発明は、コヒーレント光源を用いて物体に対する線状パターンの投影を行う機能をもち、かつ、物体表面でのスペックルの発生を抑制することが可能なスキャナ装置および物体の三次元形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
(1) 本発明の第１の態様は、物体を光の線状パターンで走査し、当該物体の表面情報を取り込むスキャナ装置において、
物体に光の線状パターンを投影する照明ユニットと、
線状パターンの物体に対する投影位置を時間的に変化させるパターン走査機構と、
線状パターンが投影された物体を所定方向から撮影し、物体の表面情報を取り込む撮影ユニットと、
を設け、
照明ユニットが、
コヒーレントな光ビームを発生させるコヒーレント光源と、
線状パターンに対応する形状をもった散乱体の像が記録されたホログラム記録媒体と、
光ビームをホログラム記録媒体に照射し、かつ、光ビームのホログラム記録媒体に対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置と、
を有し、
ホログラム記録媒体には、所定光路に沿って照射される参照光を用いて散乱体の像がホログラムとして記録されており、
コヒーレント光源は、散乱体の像を再生することが可能な波長をもった光ビームを発生させ、
光ビーム走査装置は、ホログラム記録媒体に対する光ビームの照射方向が参照光の光路に沿った方向になるように、光ビームの走査を行い、
ホログラム記録媒体から得られるホログラムの再生光により線状パターンが投影されるようにしたものである。
【００１６】
(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係るスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体に、１本もしくは互いに平行な複数本の線状散乱体の像が記録されており、ホログラムの再生光により１本もしくは互いに平行な複数本の線を有する線状パターンが投影されるようにしたものである。
【００１７】
(3) 本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係るスキャナ装置において、
パターン走査機構が、
物体を載置する載置ステージと、
載置ステージを、線状パターンの構成要素となる線に直交する方向に移動させる搬送装置と、
を有するようにしたものである。
【００１８】
(4) 本発明の第４の態様は、上述した第２の態様に係るスキャナ装置において、
パターン走査機構が、
物体を載置する載置ステージと、
照明ユニットを載置ステージに対して、線状パターンの構成要素となる線に直交する方向に移動させる搬送装置と、
を有するようにしたものである。
【００１９】
(5) 本発明の第５の態様は、上述した第２の態様に係るスキャナ装置において、
パターン走査機構が、
照明ユニットから得られるホログラムの再生光の向きを変える光学系を有し、再生光によって投影される線状パターンを、その構成要素となる線に直交する方向に走査するようにしたものである。
【００２０】
(6) 本発明の第６の態様は、上述した第１の態様に係るスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体が複数の分割領域に分割されており、個々の分割領域には、それぞれ１本もしくは複数本の線状散乱体の像が記録されており、個々の分割領域から得られるホログラムの再生光により、それぞれ１本もしくは複数本の線を有する線状パターンが投影され、かつ、１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンと、別な１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンとが、空間上の異なる位置に形成されるようにしたものである。
【００２１】
(7) 本発明の第７の態様は、上述した第６の態様に係るスキャナ装置において、
光ビーム走査装置が、第１番目の分割領域、第２番目の分割領域、第３番目の分割領域、... 、というように、所定の順番で光ビームの走査を行い、第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域を走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に第ｉ番目の線状パターンが投影されるようにし、光ビーム走査装置が、パターン走査機構の役割を兼ねるようにしたものである。
【００２２】
(8) 本発明の第８の態様は、上述した第６または第７の態様に係るスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体が、横方向に細長い複数の分割領域が縦方向に並んで配置されるように分割されており、個々の分割領域の長手方向と個々の分割領域から得られる再生像の長手方向とが平行になるようにホログラムの記録が行われているようにしたものである。
【００２３】
(9) 本発明の第９の態様は、上述した第１〜第８の態様に係るスキャナ装置において、
光ビーム走査装置が、光ビームを所定の走査基点で屈曲させ、屈曲された光ビームをホログラム記録媒体に照射し、かつ、光ビームの屈曲態様を時間的に変化させることにより、屈曲された光ビームのホログラム記録媒体に対する照射位置を時間的に変化させ、
ホログラム記録媒体には、特定の収束点に収束する参照光または特定の収束点から発散する参照光を用いて散乱体の像がホログラムとして記録されており、
光ビーム走査装置が、収束点を走査基点として光ビームの走査を行うようにしたものである。
【００２４】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述した第９の態様に係るスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体に、収束点を頂点とした円錐の側面に沿って三次元的に収束もしくは発散する参照光を用いて散乱体の像が記録されているようにしたものである。
【００２５】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述した第９の態様に係るスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体に、収束点を含む平面に沿って二次元的に収束もしくは発散する参照光を用いて散乱体の像が記録されているようにしたものである。
【００２６】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述した第１〜第８の態様に係るスキャナ装置において、
光ビーム走査装置が、光ビームを平行移動させながらホログラム記録媒体に照射することにより、光ビームのホログラム記録媒体に対する照射位置を時間的に変化させ、
ホログラム記録媒体には、平行光束からなる参照光を用いて散乱体の像がホログラムとして記録されており、
光ビーム走査装置が、参照光に平行になる方向から光ビームをホログラム記録媒体に照射して、光ビームの走査を行うようにしたものである。
【００２７】
(13) 本発明の第１３の態様は、物体に光の線状パターンを投影し、当該物体の表面情報を取り込む物体の表面情報取得方法において、
線状パターンを構成するための散乱体の像をホログラムとして記録用媒体上に記録することによりホログラム記録媒体を作成する準備段階と、
ホログラム記録媒体から得られるホログラムの再生光の照射を受ける位置に物体を配置した状態で、ホログラム記録媒体上にコヒーレントな光ビームを照射し、かつ、照射位置が時間的に変化するように光ビームをホログラム記録媒体上で走査し、物体上に線状パターンを投影する投影段階と、
線状パターンが投影された物体を所定方向から撮影し、物体の表面情報を取り込む撮影段階と、
を行い、
準備段階では、コヒーレントな照明光を散乱体に照射し、散乱体から得られる散乱光を物体光として用い、所定光路に沿って記録用媒体に照射され、照明光と同一波長のコヒーレントな光を参照光として用い、物体光と参照光とによって形成される干渉縞を記録用媒体に記録することによりホログラム記録媒体を作成し、
投影段階では、散乱体の像を再生することが可能な波長をもった光ビームが、参照光の光路に沿った光路を通ってホログラム記録媒体上の照射位置へ向かうように走査を行うようにしたものである。
【００２８】
(14) 本発明の第１４の態様は、物体を光の線状パターンで走査し、当該物体の表面情報を取り込むスキャナ装置において、
物体に光の線状パターンを投影する照明ユニットと、
線状パターンの物体に対する投影位置を時間的に変化させるパターン走査機構と、
線状パターンが投影された物体を所定方向から撮影し、物体の表面情報を取り込む撮影ユニットと、
を設け、
照明ユニットが、
コヒーレントな光ビームを発生させるコヒーレント光源と、
多数の個別レンズの集合体からなるマイクロレンズアレイと、
光ビームをマイクロレンズアレイに照射し、かつ、光ビームのマイクロレンズアレイに対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置と、
を有し、
マイクロレンズアレイを構成する個別レンズは、それぞれが、光ビーム走査装置から照射された光を屈折させ、物体の近傍面に線状の照射領域を形成する機能を有し、かつ、いずれの個別レンズによって形成される照射領域も、上記近傍面上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されているようにしたものである。
【００２９】
(15) 本発明の第１５の態様は、物体を光の線状パターンで走査し、当該物体の表面情報を取り込むスキャナ装置において、
物体に光の線状パターンを投影する照明ユニットと、
線状パターンの物体に対する投影位置を時間的に変化させるパターン走査機構と、
線状パターンが投影された物体を所定方向から撮影し、物体の表面情報を取り込む撮影ユニットと、
を設け、
照明ユニットが、
コヒーレントな光ビームを発生させるコヒーレント光源と、
光ビームの向きもしくは位置またはその双方を制御することにより、ビーム走査を行う光ビーム走査装置と、
入射した光ビームを拡散して射出する光拡散素子と、
を有し、
光ビーム走査装置は、コヒーレント光源が発生した光ビームを、光拡散素子に向けて射出し、かつ、光ビームの光拡散素子に対する入射位置が時間的に変化するように走査し、
光拡散素子は、入射した光ビームを拡散させて物体の近傍面上に線状の照射領域を形成する機能を有し、かつ、光ビームの入射位置にかかわらず、形成される照射領域が、上記近傍面上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されているようにしたものである。
【００３０】
(16) 本発明の第１６の態様は、物体の三次元形状測定装置において、
物体に光の線状パターンを投影する照明ユニットと、
線状パターンが投影された物体を所定方向から撮影する撮影ユニットと、
撮影ユニットによる撮影画像上の線状パターンを解析することにより、物体の三次元形状データを作成する形状解析ユニットと、
を設け、
照明ユニットが、
コヒーレントな光ビームを発生させるコヒーレント光源と、
線状パターンに対応する形状をもった散乱体の像が記録されたホログラム記録媒体と、
光ビームをホログラム記録媒体に照射し、かつ、光ビームのホログラム記録媒体に対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置と、
を有し、
ホログラム記録媒体には、所定光路に沿って照射される参照光を用いて散乱体の像がホログラムとして記録されており、
コヒーレント光源は、散乱体の像を再生することが可能な波長をもった光ビームを発生させ、
光ビーム走査装置は、ホログラム記録媒体に対する光ビームの照射方向が参照光の光路に沿った方向になるように、光ビームの走査を行い、
ホログラム記録媒体から得られるホログラムの再生光により線状パターンが投影されるようにしたものである。
【００３１】
(17) 本発明の第１７の態様は、上述した第１６の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体に、１本もしくは複数本の線状散乱体の像が記録されており、ホログラムの再生光により１本もしくは複数本の線を有する線状パターンが投影されるようにしたものである。
【００３２】
(18) 本発明の第１８の態様は、上述した第１６の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体が複数の分割領域に分割されており、個々の分割領域には、それぞれ１本もしくは複数本の線状散乱体の像が記録されており、個々の分割領域から得られるホログラムの再生光により、それぞれ１本もしくは複数本の線を有する線状パターンが投影され、かつ、１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンと、別な１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンとが、空間上の異なる位置に形成されるようにしたものである。
【００３３】
(19) 本発明の第１９の態様は、上述した第１８の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
光ビーム走査装置が、第１番目の分割領域、第２番目の分割領域、第３番目の分割領域、... 、というように、所定の順番で光ビームの走査を行い、第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域を走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に第ｉ番目の線状パターンが投影されるようにし、物体に対する線状パターンの投影位置を時間的に変化させるようにしたものである。
【００３４】
(20) 本発明の第２０の態様は、上述した第１８または第１９の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体が、横方向に細長い複数の分割領域が縦方向に並んで配置されるように分割されており、個々の分割領域の長手方向と個々の分割領域から得られる再生像の長手方向とが平行になるようにホログラムの記録が行われているようにしたものである。
【００３５】
(21) 本発明の第２１の態様は、上述した第１６の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体に、横方向に伸びる線状散乱体を互いに平行になるように縦方向に複数並べた横方向格子状散乱体の像が記録されており、ホログラムの再生光により、互いに平行な複数の線を有する線状パターンが投影されるようにしたものである。
【００３６】
(22) 本発明の第２２の態様は、上述した第１６の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体に、横方向に伸びる線状散乱体を互いに平行になるように縦方向に複数並べた横方向格子状散乱体の像と、縦方向に伸びる線状散乱体を互いに平行になるように横方向に複数並べた縦方向格子状散乱体の像と、が重畳して記録されており、ホログラムの再生光により、網目格子状の線状パターンが投影されるようにしたものである。
【００３７】
(23) 本発明の第２３の態様は、上述した第１６の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体に、網目格子状散乱体の像が記録されており、ホログラムの再生光により、網目格子状の線状パターンが投影されるようにしたものである。
【００３８】
(24) 本発明の第２４の態様は、上述した第１６〜第２３の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
物体を載置する載置ステージと、
照明ユニットと載置ステージとについて、一方を他方に対して移動させる搬送装置と、
を更に設けるようにしたものである。
【００３９】
(25) 本発明の第２５の態様は、上述した第１６〜第２３の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
照明ユニットから得られるホログラムの再生光の向きを変える光学系を更に設け、再生光によって投影される線状パターンを走査するようにしたものである。
【００４０】
(26) 本発明の第２６の態様は、上述した第１６〜第２５の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
撮影ユニットが、それぞれ異なる方向から物体を撮影する複数台のカメラを有し、
形状解析ユニットが、複数台のカメラによって撮影された撮影画像上の線状パターンを解析することにより、物体の三次元形状データを作成するようにしたものである。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、コヒーレント光源を用いて物体に対する線状パターンの投影を行う機能をもち、かつ、物体表面でのスペックルの発生を抑制することが可能なスキャナ装置および物体の三次元形状測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る物体の三次元形状測定装置による測定原理を示す斜視図である。
【図２】図１に示す測定装置で撮影された撮影画像について行う画像解析の基本原理を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る物体の三次元形状測定装置の基本構成を示すブロック図である。
【図４】図３に示す照明ユニット１００内のホログラム記録媒体に像が記録されている線状散乱体３０の斜視図である。
【図５】本発明に係るスキャナ装置に組み込まれているホログラム記録媒体を作成するプロセスを示す光学系の配置図である。
【図６】図５に示すプロセスにおける参照光Ｌ２３の断面Ｓ１とホログラム感光媒体４０との位置関係を示す平面図である。
【図７】図５に示すプロセスにおける参照光Ｌ２３の別な断面Ｓ２とホログラム感光媒体４０との位置関係を示す平面図である。
【図８】図５に示す光学系における散乱体３０およびホログラム感光媒体４０の周囲の部分拡大図である。
【図９】図５に示すプロセスで作成されたホログラム記録媒体４５を用いて、散乱体の像３５を再生するプロセスを示す図である。
【図１０】図５に示すプロセスで作成されたホログラム記録媒体４５に対して、１本の光ビームのみを照射して散乱体の像３５を再生するプロセスを示す図である。
【図１１】図５に示すプロセスで作成されたホログラム記録媒体４５に対して、１本の光ビームのみを照射して散乱体の像３５を再生するプロセスを示す別な図である。
【図１２】図１０および図１１に示す再生プロセスにおける光ビームの照射位置を示す平面図である。
【図１３】本発明の基本的実施形態に係るスキャナ装置に用いる照明ユニット１００の構成を示す側面図である。
【図１４】図１３に示す照明ユニット１００を用いて、載置ステージ２１０を照明している状態を示す側面図である。
【図１５】図１３に示す照明ユニット１００を用いて物体Ｍ上に線状パターンＵを投影した状態を示す側面図である。
【図１６】図１３に示す照明ユニット１００におけるホログラム記録媒体４５上の光ビームの走査態様の第１の例を示す平面図である。
【図１７】図１３に示す照明ユニット１００におけるホログラム記録媒体４５上の光ビームの走査態様の第２の例を示す平面図である。
【図１８】図１３に示す照明ユニット１００におけるホログラム記録媒体４５上の光ビームの走査態様の第３の例を示す平面図である。
【図１９】図１３に示す照明ユニット１００におけるホログラム記録媒体４５上の光ビームの走査態様の第４の例を示す平面図である。
【図２０】帯状のホログラム記録媒体８５を用いた場合の光ビームの走査態様を示す平面図である。
【図２１】図２０に示す帯状のホログラム記録媒体８５を作成するプロセスを示す光学系の配置図である。
【図２２】本発明に係るスキャナ装置の構成要素であるホログラム記録媒体を、ＣＧＨの手法で作成する原理を示す側面図である。
【図２３】図２２に示されている仮想の散乱体３０′の正面図である。
【図２４】本発明によりスペックルの低減効果が得られた実験結果を示す表である。
【図２５】本発明に係るスキャナ装置の変形例に用いるホログラム記録媒体８８を示す平面図である。
【図２６】図２５に示すホログラム記録媒体８８上の光ビームの走査態様を示す平面図である。
【図２７】図２５に示すホログラム記録媒体８８の再生像によって、載置ステージ２１０上の受光面Ｒに形成される線状パターンＵを示す平面図である。
【図２８】本発明の変形例に係るスキャナ装置に用いるホログラム記録媒体に記録する第１の散乱体３０Ａの形状を示す平面図である。
【図２９】本発明の変形例に係るスキャナ装置に用いるホログラム記録媒体に記録する第２の散乱体３０Ｂの形状を示す平面図である。
【図３０】本発明の変形例に係るスキャナ装置に用いるホログラム記録媒体に記録する第３の散乱体３０Ｃの形状を示す平面図である。
【図３１】収束参照光を用いて反射型のホログラム記録媒体を作成するプロセスを示す側面図である。
【図３２】図３１に示す方法で作成された反射型のホログラム記録媒体４５の再生プロセスを示す側面図である。
【図３３】収束参照光を用いて透過型のホログラム記録媒体を作成するプロセスを示す側面図である。
【図３４】図３３に示す方法で作成された透過型のホログラム記録媒体４５の再生プロセスを示す側面図である。
【図３５】発散参照光を用いてホログラム記録媒体を作成する場合の準備プロセスを示す側面図である。
【図３６】図３５の準備プロセスで作成された準備用ホログラム記録媒体９５の再生プロセスを示す側面図である。
【図３７】発散参照光を用いて反射型のホログラム記録媒体を作成するプロセスを示す側面図である。
【図３８】発散参照光を用いて透過型のホログラム記録媒体を作成するプロセスを示す側面図である。
【図３９】発散参照光を用いてホログラム記録媒体を作成する場合の別な準備プロセスを示す側面図である。
【図４０】図３９の準備プロセスで作成された準備用ホログラム記録媒体９５の再生プロセスを示す側面図である。
【図４１】本発明の変形例に係るスキャナ装置の構成要素であるホログラム記録媒体を作成するプロセスを示す光学系の配置図である。
【図４２】本発明の変形例に係るスキャナ装置に用いる照明ユニット１１０の基本構成を示す側面図である。
【図４３】本発明の別な変形例に係るスキャナ装置に用いる照明ユニット１２０の基本構成を示す側面図である。
【図４４】図４３に示す照明ユニット１２０の動作原理を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００４４】
＜＜＜ §１．本発明に係る三次元形状測定装置の基本構成 ＞＞＞
本発明は、コヒーレント光源を用いたスキャナ装置およびこれを利用した物体の三次元形状測定装置に係るものである。そこで、ここでは、本発明に係る三次元形状測定装置の基本構成を説明する。
【００４５】
図１は、本発明に係る物体の三次元形状測定装置による測定原理を示す斜視図である。ここでは、照明ユニット１００からの照明を用いて、半球状の物体Ｍの三次元形状を測定する例が示されている。図示のとおり、物体Ｍは載置ステージ２１０の上面に置かれており、この載置ステージ２１０を図の白矢印で示す方向に移動させると、物体Ｍも同方向に移動する。一方、物体Ｍの上方には照明ユニット１００が配置されており、物体Ｍに対して線状パターンＵを投影する。この線状パターンＵは、図では、便宜上、黒い太線で示しているが、実際には、載置ステージ２１０上に形成される帯状の照明領域である。
【００４６】
また、載置ステージ２１０の上方には、３台のカメラ３０１，３０２，３０３が配置されており、線状パターンＵが投影された物体Ｍをそれぞれ異なる方向から撮影できる。３台のカメラ３０１，３０２，３０３は、載置ステージ２１０に取り付けられており、載置ステージ２１０の移動に伴って移動する。載置ステージ２１０を、図に白矢印で示す方向（通常は、線状パターンＵに直交する方向）に所定のステップで移動させながら、３台のカメラ３０１，３０２，３０３で物体Ｍを撮影すれば、線状パターンＵを物体Ｍの表面の様々な位置に投影した状態の撮影画像が得られる。
【００４７】
図２は、こうして得られた多数の撮影画像を解析して、物体Ｍの三次元形状に関する情報を得る処理の基本原理を示すブロック図である。図２の左に示す画像Ｇ（３０１，ｉ）は第１のカメラ３０１による撮影画像であり、中央に示す画像Ｇ（３０２，ｉ）は第２のカメラ３０２による撮影画像であり、右に示す画像Ｇ（３０３，ｉ）は第３のカメラ３０３による撮影画像である。ここで、ｉは、載置ステージ２１０を移動させたステップ数を示すパラメータであり、たとえば、画像Ｇ（３０１，ｉ）は、第ｉ番目の移動ステップにおける第１のカメラ３１０の撮影画像を意味している。
【００４８】
ステップ数ｉが共通の３枚の撮影画像は、同一の被写体（物体Ｍと線状パターンＵ）についての撮影画像であるが、撮影方向がそれぞれ異なるため、画像上に現れる線状パターンＵの位置や形状は互いに異なる。そこで、３台のカメラ３０１，３０２，３０３の物体Ｍに対する幾何学的な配置情報を考慮しながら、各撮影画像に現れる線状パターンＵを解析することにより、物体Ｍの三次元形状データＴを得ることができる。
【００４９】
図３は、本発明に係る物体の三次元形状測定装置の基本構成を示すブロック図である。図示のとおり、この測定装置は、照明ユニット１００，パターン走査機構２００，撮影ユニット３００，形状解析ユニット４００を備えている。照明ユニット１００は、図１に例示するように、物体Ｍに光の線状パターンＵを投影する機能を果たす。
【００５０】
パターン走査機構２００は、線状パターンＵの物体Ｍに対する投影位置を時間的に変化させる機能を有し、図示の基本的な実施形態の場合、載置ステージ２１０と搬送装置２２０によって構成されている。載置ステージ２１０は、図１に示すように、上に物体Ｍを載置するための構造体であり、搬送装置２２０は、この載置ステージ２１０を、図の白矢印に示す方向に移動させる装置である。この搬送装置２２０は、たとえば、ベルトコンベアなどで構成することができる。載置ステージ２１０を移動させる方向は、線状パターンＵの構成要素となる線に平行な方向でなければ、任意の方向でよいが、実用上は、物体Ｍに対する効率的な走査を行うために、線状パターンＵの構成要素となる線に直交する方向に移動させるのが好ましい。図１に示す実施形態では、そのような向きへの移動が可能になるように、照明ユニット１００の位置や向きが調整されている。
【００５１】
一方、撮影ユニット３００は、線状パターンＵが投影された物体Ｍを所定方向から撮影し、物体Ｍの表面情報を取り込む機能を果たす。図１に示す例は、３台のカメラ３０１，３０２，３０３（ＣＣＤカメラなど）を撮影ユニット３００として用いた例であるが、用いるカメラの台数は３台に限定されるわけではなく、物体Ｍの形状や必要な三次元形状データの内容などに応じて必要な台数を用意すればよい。場合によっては１台のカメラだけで足りることもあるが、一般的には、複数台のカメラを用意し、それぞれ異なる方向から物体Ｍを撮影できる構成を採るのが好ましい。
【００５２】
また、形状解析ユニット４００は、図２に示すとおり、撮影ユニット３００（３台のカメラ３０１〜３０３）によって撮影された撮影画像Ｇ上の線状パターンＵを解析することにより、物体Ｍの三次元形状データＴを作成する処理を行う。すなわち、形状解析ユニット４００は、撮影ユニット３００から与えられる撮影画像Ｇをデジタルデータとして取り込み、撮影ユニット３００に関する幾何学的情報（３台のカメラ３０１〜３０３の位置、向き、撮影の光学的な条件）を参照して所定のアルゴリズムに基づく演算を行い、物体Ｍの三次元形状データＴを求める機能を有している。
【００５３】
実際には、この形状解析ユニット４００は、コンピュータに専用の形状解析用プログラムを組み込むことによって構成される。このような形状解析の具体的な方法については、前述したとおり、光切断法として様々なアルゴリズムが知られており（たとえば、Model-based Analysis and Evaluation of Point Sets from Optical 3D Laser Scanners、Shaker Verlag GmbH, Germany (2007年12月17日刊行）：ISBN-13: 978-3832267759 には、三次元形状測定の基礎原理から、具体的なレーザスキャンの方法まで、詳細な記載がなされている）、また、本発明の特徴には直接関係しない部分であるため、ここでは詳しい説明は省略する。
【００５４】
結局、図３に示す測定装置において、照明ユニット１００，パターン走査機構２００，撮影ユニット３００の部分は、物体Ｍを光の線状パターンＵで走査し、当該物体Ｍの表面情報を取り込むスキャナ装置としての役割を果たす。図３に示す測定装置は、このようなスキャナ装置によって得られる物体Ｍの表面情報を解析して、三次元形状データＴを作成する形状解析ユニット４００を更に付加した装置ということができる。
【００５５】
なお、線状パターンＵを走査する必要がない三次元形状測定装置の場合は、パターン走査機構２００を省略することができる。たとえば、図１に示すように、半球状の物体Ｍを被測定対象として、その頂点を通る円周の形状のみを測定すれば足りる用途に用いる場合、図示のように物体Ｍの頂点を通る線状パターンＵを投影した状態の撮影画像が得られれば十分なので、パターン走査機構２００を省略しても支障はない。また、後に＜５−４＞で述べる変形例の場合も、パターン走査機構２００を省略できる。
【００５６】
以上、図１〜図３を参照して、本発明に係るスキャナ装置および三次元形状測定装置の基本構成を説明したが、本発明の本質的な特徴は、これらの構成要素のうち、照明ユニット１００の部分にある。照明ユニット１００は、物体Ｍに線状パターンＵを投影するための構成要素である。ここで、線状パターンＵは、形状解析ユニット４００における画像解析において重要な指標を与える要素になるため、できるだけ鮮明な一様パターンであり、かつ、できるだけ輝度の高いパターンであることが望ましい。
【００５７】
すなわち、形状解析ユニット４００における画像解析では、まず、図２に示すような各撮影画像Ｇから、線状パターンＵの領域を認識し、これを抽出する必要がある。幾何学的な解析は、こうして抽出された線状パターンＵに対して行われる。このため、線状パターンＵが不鮮明であったり、輝度が低かったりすると、撮影画像Ｇ上において、線状パターンＵの領域と他の領域との識別が困難になり、正しい領域抽出を行うことができない。
【００５８】
そこで、従来装置では、レンズなどの光学系を用いて光を集光して線状パターンＵを形成したり、光源からの光をスリットに通して線状パターンＵを形成したりする方法を採り、必要に応じて、高圧水銀ランプなどの高輝度光源を利用する工夫を行っていた。しかしながら、既に述べたとおり、このような方法では、必ずしも十分な線状パターンＵを形成することができず、また、高輝度光源の寿命が比較的短いという問題も発生する。
【００５９】
これに対して、レーザ光源などのコヒーレント光源を用いて照明ユニット１００を構成すれば、上記問題を解決することができる。コヒーレント光源は、指向性に優れた光を発生することができるため、たとえば、載置ステージ２１０上をレーザビームで直線状に走査すれば、輪郭が極めて鮮明な線状パターンＵを形成することができる。また、コヒーレント光源は、高輝度の光を発生させることができるため、撮影画像Ｇ上において、線状パターンＵの領域と他の領域との識別が容易になる。しかも、コヒーレント光源は、単色性に優れているため、撮影画像Ｇ上において、色を基準として個々の画素をふるい分けることにより、線状パターンＵの領域のみを抽出することが可能になる。また、半導体レーザなどのコヒーレント光源は、高圧水銀ランプなどに比べて極めて長寿命であり、しかも小型化を図ることができる利点もある。
【００６０】
このような観点に関する限り、コヒーレント光源は、スキャナ装置や三次元形状測定装置に組み込む照明ユニット用の光源として、理想的な光源と言うことができる。しかしながら、既に述べたとおり、コヒーレント光源を用いた照明には、スペックルの発生という新たな問題が生じる。
【００６１】
実際、図１に示す構成において、照明ユニット１００内にレーザ光源を組み込み、載置ステージ２１０上でレーザビームを走査して線状パターンＵを投影した場合、得られる線状パターンＵにはギラギラしたスペックルが出現する。したがって、このような線状パターンＵを用いて撮影ユニット３００による撮影を行うと、得られる撮影画像上の線状パターンＵの部分には、斑点状の輝度ムラが生じてしまい、何らかの画像処理を施さないと、線状パターンＵの領域のみを正確に抽出することができなくなる。
【００６２】
もちろん、スペックルノイズを低減させるための工夫として、前掲公報には、レーザ光を散乱板に当て、この散乱板を回転させたり、振動させたりする方法が開示されているが、この方法では、大掛かりな機械的駆動機構が必要であり、装置全体が大型化するとともに、消費電力も増加するという問題がある点は、既に述べたとおりである。
【００６３】
本願発明者は、レーザ光源のようなコヒーレント光源を採用しつつ、特有の工夫を施すことにより、スペックルを効果的に低減させるユニークな方法の着想を得た。本発明に係る照明ユニット１００は、このような着想に基づく特徴を有している。
【００６４】
本願発明者の最初の着想は、図１に示す構成において、線状パターンＵを、細長い散乱体のホログラム再生像によって形成する、というアイデアである。たとえば、図４に示すような線状散乱体３０を用意する。この散乱体３０は、入射した照明光を表面もしくは内部で一様に散乱させる性質をもった物体であれば、どのようなものでもかまわない。ホログラムは、コヒーレント光を用いて、任意の物体の再生像を任意の空間上に再生する技術であり、物体の三次元像を媒体上に記録する技術である。
【００６５】
そこで、まず、準備段階として、図４に示すような線状散乱体３０を用意し、その三次元像をホログラムとして記録媒体に記録しておく。そして、照明ユニット１００の内部には、このような記録が行われたホログラム記録媒体とその再生に必要な構成要素を組み込んでおき、投影段階では、線状散乱体３０の再生像によって線状パターンＵを形成する。たとえば、図１に示す例の場合、照明ユニット１００から図の下方に照射されている照明光は、図４に示す線状散乱体３０の再生光ということになる。
【００６６】
ここで、再生像の形成位置が、載置ステージ２１０の上面になるように調整しておけば、載置ステージ２１０の上面には、線状散乱体３０の再生像として、線状パターンＵが形成されることになり、物体Ｍ上に投影される線状パターンＵは、この再生像を形成するための再生光によって生じたパターンということになる。このようにコヒーレント光によって生じた線状パターンＵは、高い輝度をもち、単色性に優れ、その輪郭も鮮明なものになる。しかも、散乱体３０の再生像によってパターンが形成されるため、全体的に一様な輝度をもったパターンが得られる。
【００６７】
ただ、ホログラム再生像を得るためにコヒーレント光を用いているため、何らかの工夫を施さないとスペックルの発生は免れない。そこで、本願発明者は、スペックルを低減するための更なる工夫についての着想を得た。その基本概念は、ホログラムを再生する際に、ホログラム記録媒体をコヒーレントな光ビーム（再生用照明光）で走査し、再生に寄与する媒体上の領域が、時間とともに変化するようにする、というものである。このような方法で再生像を得ると、ホログラム記録媒体から照射される再生光の向きが時間的に変化するため、スペックルの発生要因が時間的に分散し、結果的に、スペックルの発生を抑制する効果が得られる。以下、このような工夫について詳述する。
【００６８】
＜＜＜ §２．本発明に用いるホログラム記録媒体 ＞＞＞
はじめに、本発明の基本的実施形態に係るスキャナ装置（あるいは物体の三次元形状測定装置）に組み込まれる照明ユニット１００について、その構成要素として用いるホログラム記録媒体の特徴を説明する。図５は、このホログラム記録媒体を作成するプロセスを示す光学系の配置図である。この光学系により、散乱体の像が記録されたホログラム記録媒体が作成される。
【００６９】
図の右上に示されているコヒーレント光源１０は、コヒーレントな光ビームＬ１０を生成する光源であり、実際には、断面が円形をした単色レーザ光を発生するレーザ光源が用いられている。このレーザ光源で生成されたコヒーレントな光ビームＬ１０は、ビームスプリッタ２０で２本のビームに分けられる。すなわち、光ビームＬ１０の一部は、そのままビームスプリッタ２０を透過して図の下方へと導かれ、残りの一部は、ビームスプリッタ２０で反射して光ビームＬ２０として図の左方へと導かれる。
【００７０】
ビームスプリッタ２０を透過した光ビームＬ１０は、散乱体の物体光Ｌobj を発生させる役割を果たす。すなわち、図の下方へと進んだ光ビームＬ１０は、反射鏡１１で反射して光ビームＬ１１となり、更に、ビームエキスパンダー１２によって径が広げられ、平行光束Ｌ１２を構成し、散乱体３０の右側の面の全領域に照射される。
【００７１】
散乱体３０は、図４の斜視図に示されているような細長い線状散乱体である。この線状散乱体３０の形状は、載置ステージ２１０上に形成する線状パターンＵに対応する形状にしておけばよい。以下の図では、図示の便宜上、図４に示す線状散乱体３０の形状をデフォルメして（全長を縮めて）示してある。
【００７２】
この散乱体３０としては、一般に光学的拡散板と呼ばれている、照射された光を散乱する性質をもった板状材料を用いればよい。ここに示す実施例の場合、内部に光を散乱するための微小粒子（光の散乱体）が練り込まれた透過型散乱体（たとえば、オパールガラス板）を用いている。したがって、図示のとおり、散乱体３０の右側の面に照射された平行光束Ｌ１２は、散乱体３０を透過して、左側の面から散乱光Ｌ３０として射出する。この散乱光Ｌ３０は、散乱体３０の物体光Ｌobj を構成する。
【００７３】
一方、ビームスプリッタ２０で反射した光ビームＬ２０は、参照光Ｌref を発生させる役割を果たす。すなわち、ビームスプリッタ２０から図の左方へと進んだ光ビームＬ２０は、反射鏡２１で反射して光ビームＬ２１となり、更に、ビームエキスパンダー２２によって径が広げられ、平行光束Ｌ２２を構成し、点Ｃを焦点とする凸レンズ２３で屈折された後にホログラム感光媒体４０に照射される。なお、平行光束Ｌ２２は、必ずしも厳密な平行光線の集合でなくても、ほぼ平行な光線の集合であれば、実用上は問題ない。ホログラム感光媒体４０は、ホログラム像を記録するために用いる感光性の媒体である。このホログラム感光媒体４０への照射光Ｌ２３は、参照光Ｌref を構成する。
【００７４】
結局、ホログラム感光媒体４０には、散乱体３０の物体光Ｌobj と、参照光Ｌref とが照射されることになる。ここで、物体光Ｌobj および参照光Ｌref は、いずれもコヒーレント光源１０（レーザ光源）で生成された同一波長λをもったコヒーレント光であるから、ホログラム感光媒体４０には、両者の干渉縞が記録されることになる。別言すれば、ホログラム感光媒体４０には、散乱体３０の像がホログラムとして記録される。
【００７５】
図６は、図５に示す参照光Ｌ２３（Ｌref ）の断面Ｓ１とホログラム感光媒体４０との位置関係を示す平面図である。ビームエキスパンダー２２によって径が広げられた平行光束Ｌ２２は円形断面を有しているため、凸レンズ２３で集光された参照光Ｌref は、レンズの焦点Ｃを頂点とする円錐状に収束する。ただ、図５に示す例では、ホログラム感光媒体４０が、この円錐の中心軸に対して斜めに配置されているため、参照光Ｌ２３（Ｌref ）をホログラム感光媒体４０の表面で切断した断面Ｓ１は、図６に示すように楕円になる。
【００７６】
このように、図６に示す例では、参照光Ｌref は、ホログラム感光媒体４０の全領域のうち、図にハッチングを示す領域内にのみ照射されるので、散乱体３０のホログラムは、このハッチングを施した領域内にのみ記録されることになる。もちろん、ビームエキスパンダー２２によって径がより大きな平行光束Ｌ２２を生成し、径がより大きな凸レンズ２３を用いれば、図７に示す例のように、参照光Ｌref の断面Ｓ２内に、ホログラム感光媒体４０がそっくり含まれるようにすることもできる。この場合、図にハッチングを施したように、ホログラム感光媒体４０の全面に散乱体３０のホログラムが記録される。本発明に用いるホログラム記録媒体を作成する上では、図６，図７のいずれの形態で記録を行ってもかまわない。
【００７７】
続いて、散乱体３０の像が、ホログラム感光媒体４０上に記録される光学的なプロセスを、より詳しく見てみよう。図８は、図５に示す光学系における散乱体３０およびホログラム感光媒体４０の周囲の部分拡大図である。上述したように、参照光Ｌref は、円形断面を有する平行光束Ｌ２２を、焦点Ｃをもつ凸レンズ２３で集光したものであり、焦点Ｃを頂点とする円錐状に収束する。そこで、以下、この焦点Ｃを収束点と呼ぶことにする。ホログラム感光媒体４０に照射される参照光Ｌ２３（Ｌref ）は、図示のとおり、この収束点Ｃに収束する光ということになる。
【００７８】
一方、散乱体３０から発せられる光（物体光Ｌobj ）は散乱光であるから、様々な方向に向かうことになる。たとえば、図示のように、散乱体３０の左側面の上端に物体点Ｑ１を考えると、この物体点Ｑ１からは、四方八方に散乱光が射出される。同様に、任意の物体点Ｑ２やＱ３からも、四方八方に散乱光が射出される。したがって、ホログラム感光媒体４０内の任意の点Ｐ１に着目すると、物体点Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３からの物体光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３と収束点Ｃへ向かう参照光Ｌref との干渉縞の情報が記録されることになる。もちろん、実際には、散乱体３０上の物体点は、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３だけではないので、散乱体３０上のすべての物体点からの情報が、同様に、参照光Ｌref との干渉縞の情報として記録される。別言すれば、図示の点Ｐ１には、散乱体３０の全情報が記録されることになる。また、全く同様に、図示の点Ｐ２にも、散乱体３０の全情報が記録される。このように、ホログラム感光媒体４０内のいずれの部分にも、散乱体３０の全情報が記録されることになる。これがホログラムの本質である。
【００７９】
さて、このような方法で、散乱体３０の情報が記録されたホログラム感光媒体４０を、以下、ホログラム記録媒体４５と呼ぶことにする。このホログラム記録媒体４５を再生して、散乱体３０のホログラム再生像を得るためには、記録時に用いた光と同一波長のコヒーレント光を、記録時の参照光Ｌref に応じた方向から、再生用照明光として照射すればよい。
【００８０】
図９は、図８に示すプロセスで作成されたホログラム記録媒体４５を用いて、散乱体の像３５を再生するプロセスを示す図である。図示のとおり、ホログラム記録媒体４５に対して、下方から再生用照明光Ｌrep が照射されている。この再生用照明光Ｌrep は、収束点Ｃに位置する点光源から球面波として発散するコヒーレント光であり、その一部分は、図示のように円錐状に広がりながらホログラム記録媒体４５を照射する光になる。また、この再生用照明光Ｌrep の波長は、ホログラム記録媒体４５の記録時の波長（すなわち、図５に示すコヒーレント光源１０が発生するコヒーレント光の波長）に等しい。
【００８１】
ここで、図９に示すホログラム記録媒体４５と収束点Ｃとの位置関係は、図８に示すホログラム感光媒体４０と収束点Ｃとの位置関係と全く同じである。したがって、図９に示す再生用照明光Ｌrep は、図８に示す参照光Ｌref の光路を逆進する光に対応する。このような条件を満たす再生用照明光Ｌrep をホログラム記録媒体４５に照射すると、その回折光Ｌ４５（Ｌdif ）によって、散乱体３０のホログラム再生像３５（図では、破線で示す）が得られる。図９に示すホログラム記録媒体４５と再生像３５との位置関係は、図８に示すホログラム感光媒体４０と散乱体３０との位置関係と全く同じである。
【００８２】
このように、任意の物体の像をホログラムとして記録し、これを再生する技術は、古くから実用化されている公知の技術である。ただ、一般的な用途に利用するホログラム記録媒体を作成する場合、参照光Ｌref として平行光束が用いられる。平行光束からなる参照光Ｌref を用いて記録したホログラムは、再生時にも、平行光束からなる再生用照明光Ｌrepを利用すればよいので、利便性に優れている。
【００８３】
これに対して、図８に示すように、収束点Ｃに収束する光を参照光Ｌref として利用すると、再生時には、図９に示すように、収束点Ｃから発散する光を再生用照明光Ｌrep として用いる必要がある。実際、図９に示すような再生用照明光Ｌrep を得るためには、特定の位置にレンズなどの光学系を配置する必要がある。また、再生時のホログラム記録媒体４５と収束点Ｃとの位置関係が、記録時のホログラム感光媒体４０と収束点Ｃとの位置関係に一致していないと、正確な再生像３５が得られなくなるので、再生時の照明条件が限定されてしまう（平行光束を用いて再生する場合であれば、照明条件は照射角度だけが満足されていればよい）。
【００８４】
このような理由から、収束点Ｃに収束する参照光Ｌrefを用いて作成したホログラム記録媒体は、一般的な用途には不向きである。それにもかかわらず、ここに示す実施形態において、収束点Ｃに収束する光を参照光Ｌref として用いる理由は、再生時に行う光ビーム走査を容易にするためである。すなわち、図９では、説明の便宜上、収束点Ｃから発散する再生用照明光Ｌrep を用いて散乱体３０の再生像３５を生成する方法を示したが、本発明では、実際には、図示のように円錐状に広がる再生用照明光Ｌrep を用いた再生は行わない。その代わりに、光ビームを走査するという方法を採る。以下、この方法を詳しく説明する。
【００８５】
図１０は、図８に示すプロセスで作成されたホログラム記録媒体４５に対して、１本の光ビームのみを照射して散乱体３０の像３５を再生するプロセスを示す図である。すなわち、この例では、収束点Ｃから媒体内の１点Ｐ１に向かう１本の光ビームＬ６１のみが再生用照明光Ｌrep として与えられる。もちろん、光ビームＬ６１は、記録時の光と同じ波長をもったコヒーレント光である。既に図８を参照して説明したとおり、ホログラム記録媒体４５内の任意の点Ｐ１には、散乱体３０全体の情報が記録されている。したがって、図１０の点Ｐ１の位置に対して、記録時に用いた参照光Ｌref に対応した条件で再生用照明光Ｌrep を照射すれば、この点Ｐ１の近傍に記録されている干渉縞のみを用いて、散乱体３０の再生像３５を生成することが可能である。図１０には、点Ｐ１からの回折光Ｌ４５（Ｌdif ）によって、再生像３５が再生された状態が示されている。
【００８６】
一方、図１１は、収束点Ｃから媒体内の別な点Ｐ２に向かう１本の光ビームＬ６２のみを再生用照明光Ｌrep として与えた例である。この場合も、点Ｐ２には、散乱体３０全体の情報が記録されているので、点Ｐ２の位置に対して、記録時に用いた参照光Ｌref に対応した条件で再生用照明光Ｌrep を照射すれば、この点Ｐ２の近傍に記録されている干渉縞のみを用いて、散乱体３０の再生像３５を生成することが可能である。図１１には、点Ｐ２からの回折光Ｌ４５（Ｌdif ）によって、再生像３５が再生された状態が示されている。図１０に示す再生像３５も、図１１に示す再生像３５も、同じ散乱体３０を原画像とするものであるから、理論的には、同じ位置に生成される同じ再生像ということになる。
【００８７】
図１２は、図１０および図１１に示す再生プロセスにおける光ビームの照射位置を示す平面図である。図１２の点Ｐ１は、図１０の点Ｐ１に対応し、図１２の点Ｐ２は、図１１の点Ｐ２に対応する。Ａ１，Ａ２は、それぞれ再生用照明光Ｌrep の断面を示している。断面Ａ１，Ａ２の形状および大きさは、光ビームＬ６１，Ｌ６２の断面の形状および大きさに依存する。また、ホログラム記録媒体４５上の照射位置にも依存する。ここでは、便宜上、円形の断面Ａ１，Ａ２を示しているが、実際には、円形断面をもつ光ビームＬ６１，Ｌ６２を用いた場合、断面形状は照射位置に応じて扁平した楕円になる。
【００８８】
このように、図１２に示す点Ｐ１近傍と、点Ｐ２近傍では、それぞれ記録されている干渉縞の内容は全く異なるものであるが、いずれの点に再生用照明光Ｌrep となる光ビームを照射した場合でも、同じ位置に同じ再生像３５が得られることになる。これは、再生用照明光Ｌrep が収束点Ｃから各点Ｐ１，Ｐ２に向かう光ビームであるため、いずれの点についても、図８に示す記録時の参照光Ｌref の向きに応じた向きの再生用照明光Ｌrep が与えられるためである。
【００８９】
図１２には、２つの点Ｐ１，Ｐ２のみを例示したが、もちろん、ホログラム記録媒体４５上の任意の点についても同様のことが言える。したがって、ホログラム記録媒体４５上の任意の点に光ビームを照射した場合、当該光ビームが収束点Ｃからの光である限り、同一位置に同一の再生像３５が得られることになる。もっとも、図６に示すように、ホログラム感光媒体４０の一部分の領域（図にハッチングを施して示す領域）にのみホログラムを記録した場合、再生像３５が得られるのは、当該領域内の点に光ビームを照射した場合に限られる。
【００９０】
結局、ここで述べたホログラム記録媒体４５は、特定の収束点Ｃに収束する参照光Ｌref を用いて散乱体３０の像がホログラムとして記録されている媒体であり、この収束点Ｃを通る光ビームを再生用照明光Ｌrep として任意の位置に照射すると、散乱体３０の再生像３５が生成される、という特徴を有している。したがって、再生用照明光Ｌrep として、収束点Ｃを通る光ビームを、ホログラム記録媒体４５上で走査すると、個々の照射箇所から得られる回折光Ｌdif によって、同一の再生像３５が同一位置に再生されることになる。
【００９１】
＜＜＜ §３．本発明の基本的実施形態に係る照明ユニット ＞＞＞
本発明の特徴は、スキャナ装置あるいは物体の三次元形状測定装置に、スペックル抑制機能をもった特有の照明ユニットを採用した点にある。そこで、ここでは、本発明の基本的実施形態に係る照明ユニット１００の構成を、図１３の側面図を参照しながら説明する。図示のとおり、この照明ユニット１００は、ホログラム記録媒体４５、コヒーレント光源５０、光ビーム走査装置６０によって構成されている。
【００９２】
ここで、ホログラム記録媒体４５は、§２で述べた特徴を有する媒体であり、散乱体３０の像３５が記録されている。また、コヒーレント光源５０は、ホログラム記録媒体４５を作成する際に用いた光（物体光Ｌobj および参照光Ｌref ）の波長と同一波長をもつコヒーレントな光ビームＬ５０を発生させる光源である。
【００９３】
一方、光ビーム走査装置６０は、コヒーレント光源５０が発生した光ビームＬ５０を、所定の走査基点Ｂで屈曲させてホログラム記録媒体４５に照射し、かつ、光ビームＬ５０の屈曲態様を時間的に変化させることにより、屈曲された光ビームＬ６０のホログラム記録媒体４５に対する照射位置が時間的に変化するように走査する装置である。このような装置は、一般に、走査型ミラーデバイスとして公知の装置である。図には、説明の便宜上、時刻ｔ１における屈曲態様を一点鎖線で示し、時刻ｔ２における屈曲態様を二点鎖線で示している。すなわち、時刻ｔ１では、光ビームＬ５０は走査基点Ｂで屈曲し、光ビームＬ６０（ｔ１）としてホログラム記録媒体４５の点Ｐ（ｔ１）に照射されるが、時刻ｔ２では、光ビームＬ５０は、走査基点Ｂで屈曲し光ビームＬ６０（ｔ２）としてホログラム記録媒体４５の点Ｐ（ｔ２）に照射される。
【００９４】
図には、便宜上、時刻ｔ１，ｔ２の２つの時点における屈曲態様しか示されていないが、実際には、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームの屈曲方向は滑らかに変化し、光ビームＬ６０のホログラム記録媒体４５に対する照射位置は、図の点Ｐ（ｔ１）〜Ｐ（ｔ２）へと徐々に移動してゆくことになる。すなわち、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームＬ６０の照射位置は、ホログラム記録媒体４５上において点Ｐ（ｔ１）〜Ｐ（ｔ２）へと走査されることになる。
【００９５】
ここで、走査基点Ｂの位置を、図８に示す収束点Ｃの位置に一致させておけば（別言すれば、図１３におけるホログラム記録媒体４５と走査基点Ｂとの位置関係が、図８におけるホログラム感光媒体４０と収束点Ｃとの位置関係に等しくなるようにしておけば）、ホログラム記録媒体４５の各照射位置において、光ビームＬ６０は、図８に示す参照光Ｌref に応じた向き（図８に示す参照光Ｌref の光路を逆進する向き）に照射されることになる。したがって、光ビームＬ６０は、ホログラム記録媒体４５の各照射位置において、そこに記録されているホログラムを再生するための正しい再生用照明光Ｌrep として機能する。
【００９６】
たとえば、時刻ｔ１では、点Ｐ（ｔ１）からの回折光Ｌ４５（ｔ１）によって、散乱体３０の再生像３５が生成され、時刻ｔ２では、点Ｐ（ｔ２）からの回折光Ｌ４５（ｔ２）によって、散乱体３０の再生像３５が生成される。もちろん、時刻ｔ１〜ｔ２の期間においても、光ビームＬ６０が照射された個々の位置からの回折光によって、同様に散乱体３０の再生像３５が生成される。すなわち、光ビームＬ６０が、走査基点Ｂからホログラム記録媒体４５へ向かう光である限り、ホログラム記録媒体４５上のどの位置に光ビームＬ６０が照射されたとしても、照射位置からの回折光によって、同一の再生像３５が同一位置に生成されることになる。
【００９７】
このような現象が起こるのは、図８に示すとおり、ホログラム記録媒体４５には、特定の収束点Ｃに収束する参照光Ｌ２３を用いて散乱体３０の像がホログラムとして記録されており、光ビーム走査装置６０が、この収束点Ｃを走査基点Ｂとして光ビームＬ６０の走査を行うためである。もちろん、光ビーム走査装置６０による走査を停止して、光ビームＬ６０の照射位置をホログラム記録媒体４５上の１点に固定したとしても、同じ再生像３５が同一位置に生成され続けることに変わりはない。それにもかかわらず、光ビームＬ６０を走査するのは、スペックルノイズを抑制するために他ならない。
【００９８】
図１４は、図１３に示す照明ユニット１００を用いて、載置ステージ２１０を照明している状態を示す側面図である。ここでは、図示の便宜上、右端に配置された載置ステージ２１０を左方から照明する状態が示されているが、図１に示す三次元形状測定装置に用いる場合、照明ユニット１００は、下方に配置された載置ステージ２１０を上方から照明することになる。
【００９９】
既に述べたとおり、照明ユニット１００は、ホログラム記録媒体４５から得られる散乱体の像３５の再生光を照明光として用いる装置である。ここでは、載置ステージ２１０の左側の面（図１に示す構成の場合は上面）を照明ユニット１００によって照明するために、図示のように、散乱体の再生像３５の左側面に載置ステージ２１０の左側面が一致するような位置に、載置ステージ２１０を配置した場合を考えてみる。この場合、載置ステージ２１０の左側面が受光面Ｒとなり、ホログラム記録媒体４５からの回折光は、この受光面Ｒに照射されることになる。
【０１００】
そこで、この受光面Ｒ上に任意の着目点Ｑを設定し、この着目点Ｑに到達する回折光がどのようなものかを考えてみる。まず、時刻ｔ１では、コヒーレント光源５０から出た光ビームＬ５０は、図に一点鎖線で示すように走査基点Ｂで屈曲し、光ビームＬ６０（ｔ１）として点Ｐ（ｔ１）に照射される。そして、点Ｐ（ｔ１）からの回折光Ｌ４５（ｔ１）が着目点Ｑに到達する。一方、時刻ｔ２では、コヒーレント光源５０から出た光ビームＬ５０は、図に二点鎖線で示すように走査基点Ｂで屈曲し、光ビームＬ６０（ｔ２）として点Ｐ（ｔ２）に照射される。そして、点Ｐ（ｔ２）からの回折光Ｌ４５（ｔ２）が着目点Ｑに到達する。
【０１０１】
結局、このような回折光によって、着目点Ｑの位置には、常に、散乱体３０の着目点Ｑの位置に対応する再生像が生成されることになるが、着目点Ｑに対する回折光の入射角は、時刻ｔ１と時刻ｔ２とで異なる。別言すれば、光ビームＬ６０を走査した場合、受光面Ｒ上に形成される再生像３５に変わりはないものの、受光面Ｒ上の個々の点に到達する回折光の入射角度は時間とともに変化することになる。このような入射角度の時間変化は、スペックルを低減させる上で大きな貢献を果たす。
【０１０２】
前述したとおり、コヒーレント光を用いるとスペックルが発生する理由は、受光面Ｒの各部で反射したコヒーレント光が、その極めて高い可干渉性ゆえに、互いに干渉し合うためである。ところが、本発明では、光ビームＬ６０の走査により、受光面Ｒ（もしくは物体Ｍの表面）の各部への回折光の入射角度が時間的に変動するため、干渉の態様も時間的に変動し、多重度をもつことになる。このため、スペックルの発生要因は、時間的に分散し、線状パターンＵに生じる輝度ムラを低減させることができる。これが図１４に示す照明ユニット１００のもつ有利な特徴である。
【０１０３】
本発明に係るスキャナ装置および物体の三次元形状測定装置は、このような特徴をもつ照明ユニット１００を用いて、物体Ｍに対する線状パターンＵの投影を行う。図１５は、図１３に示す照明ユニット１００を用いて物体Ｍ上に線状パターンＵを投影した状態を示す側面図である。線状パターンＵは、本来は厚みのないパターンであるが、ここでは、説明の便宜上、黒い太線で示している。
【０１０４】
図示の例の場合、物体Ｍを載せるための載置ステージ２１０の上面を構成する受光面Ｒに、ホログラム再生像３５が形成された状態が示されている。したがって、線状パターンＵのうち、受光面Ｒ上に形成されている部分は、ホログラム再生像３５そのものになるが、物体Ｍの上面に形成されている部分は、ホログラム再生光が物体Ｍの表面で遮られて散乱した領域からなるパターンということになる。したがって、前者に比べて後者は、輪郭部分が若干ボケて不鮮明になるが、物体Ｍの高さに比べて、照明ユニット１００と受光面Ｒとの距離が十分に大きければ、実用上、問題は生じない。
【０１０５】
同様の理由により、ホログラム再生像３５の形成位置は、必ずしも載置ステージ２１０の上面の位置に正確に一致させる必要はなく、たとえば、ホログラム再生像３５が物体Ｍの上端位置に形成されるようにしてもかまわない。上述したように、物体Ｍの高さに比べて、照明ユニット１００と受光面Ｒとの距離が十分に大きくなるように設定しておけば、物体Ｍの近傍面上にホログラム再生像３５が形成されるようにすれば、実用上、問題は生じない。
【０１０６】
かくして、本発明に係る照明ユニット１００を用いれば、コヒーレント光を用いることにより、単色性をもった高輝度の線状パターンＵを物体Ｍ上に投影しつつ、スペックルの低減を図ることができる。しかも、光ビーム走査装置６０は、比較的小型の装置で実現することができるので、散乱体を回転させたり、振動させたりする従来装置に比べて、照明ユニット１００を小型化することが可能であり、消費電力も低く抑えることができる。
【０１０７】
＜＜＜ §４．照明ユニット各部の詳細な説明 ＞＞＞
図１３に示す照明ユニット１００は、§３で述べたとおり、ホログラム記録媒体４５、コヒーレント光源５０、光ビーム走査装置６０によって構成されている。ここでは、これら各構成要素について、より詳細な説明を行う。
【０１０８】
＜４−１＞ コヒーレント光源
まず、コヒーレント光源５０としては、ホログラム記録媒体４５を作成する際に用いた光（物体光Ｌobj および参照光Ｌref ）の波長と同一波長をもつコヒーレントな光ビームＬ５０を発生させる光源を用いればよい。もっとも、コヒーレント光源５０が発生させる光ビームＬ５０の波長は、ホログラム記録媒体４５を作成する際に用いた光の波長と完全に同一である必要はなく、近似する波長であれば、ホログラムの再生像を得ることができる。要するに、本発明に用いるコヒーレント光源５０は、散乱体の像３５を再生することが可能な波長をもったコヒーレントな光ビームＬ５０を発生させる光源であればよい。
【０１０９】
実際には、図５に示すコヒーレント光源１０と同一の光源を、そのままコヒーレント光源５０として利用することができる。ここに示す実施形態の場合、波長λ＝５３２ｎｍ（緑色）のレーザ光を射出することが可能なＤＰＳＳ（Diode Pumped Solid State）レーザ装置をコヒーレント光源５０として用いた。ＤＰＳＳレーザは、小型でありながら比較的高出力の所望の波長のレーザ光を得ることができるため、本発明に係るスキャナ装置や物体の三次元形状測定装置への利用に適したコヒーレント光源である。
【０１１０】
このＤＰＳＳレーザ装置は、一般的な半導体レーザに比べてコヒーレント長が長いため、スペックルが発生しやすく、従来は、照明の用途には不適当と考えられていた。すなわち、従来は、スペックルを低減させるためには、レーザ光の発振波長に幅をもたせ、できるだけコヒーレント長を短くする努力が払われてきた。これに対して、本発明では、コヒーレント長が長い光源を用いたとしても、前述した原理により、スペックルの発生を効果的に抑制することができるので、光源としてＤＰＳＳレーザ装置を用いたとしても、実用上、スペックルの発生は問題にならなくなる。このような点において、本発明を利用すれば、光源の選択範囲をより広げる効果が得られる。
【０１１１】
＜４−２＞ 光ビーム走査装置
光ビーム走査装置６０は、ホログラム記録媒体４５上で、光ビームを走査する機能をもった装置である。ここでは、この光ビーム走査装置６０によるビーム走査の具体的な方法を述べておく。図１６は、図１３に示す照明ユニット１００におけるホログラム記録媒体４５上の光ビームの走査態様の第１の例を示す平面図である。この例では、ホログラム記録媒体４５として、横幅Ｄａ＝１２ｍｍ、縦幅Ｄｂ＝１０ｍｍの媒体を用い、この媒体上を走査する光ビームＬ６０として、直径１ｍｍの円形断面をもったレーザビームを用いている。図示のとおり、ＣＲＴにおける電子線の走査と同様に、光ビームＬ６０の照射位置を、第１行目の開始領域Ａ１Ｓから終了領域Ａ１Ｅまで水平方向に走査し、続いて、第２行目の開始領域Ａ２Ｓから終了領域Ａ２Ｅまで水平方向に走査し、... 、最後に、第ｎ行目の開始領域ＡｎＳから終了領域ＡｎＥまで水平方向に走査し、再び、第１行目の開始領域Ａ１Ｓへ戻って、同様の作業を繰り返す方法が採られている。
【０１１２】
この図１６に示す走査方法では、ホログラム記録媒体４５の全面が光ビームによる走査を受けることになるが、本発明では、必ずしもホログラム記録媒体４５の全面を漏れなく走査する必要はない。たとえば、図１７は、図１６に示す走査方法における奇数行目の走査のみを行い、偶数行目の走査を省略した例である。このように、１行おきに走査を行うと、ホログラム記録媒体４５の一部の領域に記録されているホログラム情報は、像の再生に全く寄与しないことになるが、それでも特に問題が生じることはない。図１８は、更に極端な走査方法を示す例であり、縦幅Ｄｂの中央位置において、開始領域Ａ１Ｓから終了領域Ａ１Ｅまで水平方向に１行だけ走査する作業を繰り返し行うものである。
【０１１３】
もちろん、走査方向の設定も自由であり、１行目の走査を左から右へ行った後、２行目の走査を右から左へ行うようにしてもよい。また、走査方向は必ずしも直線に限定されるものではなく、ホログラム記録媒体４５上で円を描くような走査を行うことも可能である。
【０１１４】
なお、図６に示す例のように、ホログラム感光媒体４０の一部の領域（ハッチングを施した領域）にのみ参照光Ｌref を照射して記録を行った場合は、他の領域（外側の白い領域）にはホログラムが記録されていない。このような場合、外側の白い領域まで走査を行うと再生像３５が得られないため、照明が一時的に暗くなってしまう。したがって、実用上は、ホログラムが記録されている領域内のみを走査するようにするのが好ましい。
【０１１５】
既に述べたとおり、ホログラム記録媒体４５上における光ビームの走査は、光ビーム走査装置６０によって行われる。この光ビーム走査装置６０は、コヒーレント光源５０からの光ビームＬ５０を、走査基点Ｂ（ホログラム記録時の収束点Ｃ）で屈曲させてホログラム記録媒体４５に照射する機能を有する。しかも、その屈曲態様（屈曲の方向と屈曲角度の大きさ）を時間的に変化させることにより、屈曲された光ビームＬ６０のホログラム記録媒体４５に対する照射位置が時間的に変化するように走査する。このような機能をもった装置は、走査型ミラーデバイスとして種々の光学系で利用されている。
【０１１６】
たとえば、図１３に示す例では、光ビーム走査装置６０として、便宜上、単なる反射鏡の図が描かれているが、実際には、この反射鏡を２軸方向に回動させる駆動機構が備わっている。すなわち、図示の反射鏡の反射面の中心位置に走査基点Ｂを設定し、この走査基点Ｂを通り、反射面上で互いに直交するＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、この反射鏡をＶ軸（図の紙面に垂直な軸）まわりに回動させる機構と、Ｗ軸（図に破線で示す軸）まわりに回動させる機構とが備わっている。
【０１１７】
このように、Ｖ軸およびＷ軸まわりに独立して回動可能な反射鏡を用いれば、反射した光ビームＬ６０を、ホログラム記録媒体４５上で水平方向および垂直方向に走査することが可能である。たとえば、上述の機構において、反射光をＶ軸まわりに回動すれば、図１６に示すホログラム記録媒体４５上で光ビームＬ６０の照射位置を水平方向に走査することができ、Ｗ軸まわりに回動すれば、垂直方向に走査することができる。
【０１１８】
要するに、光ビーム走査装置６０が、走査基点Ｂを含む平面上で揺動運動を行うように光ビームＬ６０を屈曲させる機能を有していれば、ホログラム記録媒体４５上で光ビームＬ６０の照射位置を一次元方向に走査することができる。図１８に示す例のように、光ビームを水平方向にのみ走査を行う運用をとるのであれば、光ビーム走査装置６０は、ホログラム記録媒体４５上での光ビームの照射位置を一次元方向に走査する機能を有していれば足りる。
【０１１９】
これに対して、ホログラム記録媒体４５上で光ビームＬ６０の照射位置を二次元方向に走査する運用をとるのであれば、光ビーム走査装置６０に、走査基点Ｂを含む第１の平面上で揺動運動を行うように光ビームＬ６０を屈曲させる機能と（図１３において、Ｖ軸まわりに反射鏡を回動させれば、光ビームＬ６０は、紙面に含まれる平面上で揺動運動を行う）、走査基点Ｂを含み第１の平面と直交する第２の平面上で揺動運動を行うように光ビームＬ６０を屈曲させる機能と（図１３において、Ｗ軸まわりに反射鏡を回動させれば、光ビームＬ６０は、紙面に垂直な平面上で揺動運動を行う）、をもたせておけばよい。
【０１２０】
光ビームの照射位置を一次元方向に走査するための走査型ミラーデバイスとしては、ポリゴンミラーが広く利用されている。また、二次元方向に走査するための走査型ミラーデバイスとしては、ポリゴンミラーを２組組み合わせたものを用いることもできるし、ジンバルミラー、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラーなどのデバイスが知られている。更に、通常のミラーデバイス以外でも、全反射プリズム、屈折プリズム、電気光学結晶（ＫＴＮ結晶など）等も、光ビーム走査装置６０として利用可能である。
【０１２１】
なお、光ビームＬ６０の径が、ホログラム記録媒体４５の寸法に近くなると、スペックルを抑制する効果が損なわれることがあるので留意する必要がある。図１６〜図１８に示す例の場合、上述したとおり、ホログラム記録媒体４５の横幅はＤａ＝１２ｍｍ、縦幅はＤｂ＝１０ｍｍであり、光ビームＬ６０は直径１ｍｍの円形断面をもったレーザビームである。このような寸法条件であれば、スペックルを抑制する効果が十分に得られる。これは、ホログラム記録媒体４５上のいずれの領域も、光ビームＬ６０の照射を一時的に受けるだけであり、同一領域から継続して回折光が出ることはないためである。
【０１２２】
ところが、たとえば、図１９に示す例のように、ホログラム記録媒体４５の寸法に近い径をもった光ビームを照射した場合、継続して回折光を出し続ける領域（図のハッチング部分）が形成されることになる。すなわち、光ビームＬ６０の照射位置を、第１行目の開始領域Ａ１Ｓから終了領域Ａ１Ｅまで水平方向に走査したとしても、図にハッチングを施した領域ａ１は、常に光ビームの照射を受けることになる。同様に、第ｎ行目の開始領域ＡｎＳから終了領域ＡｎＥまで水平方向に走査したとしても、領域ａ２は、常に光ビームの照射を受けることになる。また、垂直方向の走査を考えると、各行の開始領域に関しては領域ａ３が、各行の終了領域に関しては領域ａ４が、それぞれ重複した領域となるので、走査する行を変えても、常に光ビームの照射を受けることになる。
【０１２３】
結局、これらハッチングを施した領域については、光ビーム走査の恩恵を受けることができず、継続して回折光が出ることになる。その結果、そのような領域から発せられた回折光は、照明対象物の受光面Ｒ上に同一角度で入射し続けることになり、スペックル発生の要因となる。したがって、光ビームＬ６０の径は、ホログラム記録媒体４５の寸法に近いほど大きくすべきではない。
【０１２４】
このような弊害は、走査ピッチを光ビームＬ６０の径より小さく設定した場合にも生じる。たとえば、図１６は、縦方向の走査ピッチを光ビームＬ６０の径に等しく設定した例であり、図１７は、縦方向の走査ピッチを光ビームＬ６０の径の２倍に設定した例である。このように、縦方向（副走査方向）の走査ピッチを光ビームの径以上に設定しておけば、第ｉ行目の走査領域と第（ｉ＋１）行目の走査領域とが重複することはないが、走査ピッチが光ビームの径未満になると、重複領域が発生し、上述したようにスペックル発生の要因になる可能性がある。
【０１２５】
また、撮影ユニット３００の撮影時間（ＣＣＤカメラの露光時間）に比べて遅い走査速度も、スペックル発生の要因になる。たとえば、１行の走査に１時間を要するような遅い速度で走査したとしても、撮影ユニット３００の撮影時間の尺度からは、走査を行っていないのと同じであり、撮影画像上にはスペックルが現れることになる。光ビームを走査することによりスペックルが低減するのは、前述したとおり、受光面Ｒ（もしくは物体Ｍの表面）の各部に照射される光の入射角度が時間的に多重化されるためである。したがって、ビーム走査によるスペックル低減の効果を十分に得るためには、スペックルを生じさせる原因となる同一の干渉条件が維持される時間が、撮影ユニット３００の撮影時間よりも短くなるようにし、１枚の画像を撮影するための露光時間の間に、スペックルを発生させる条件が時間的に変化するようにすればよい。
【０１２６】
＜４−３＞ ホログラム記録媒体
ホログラム記録媒体４５については、既に§２において、詳細な製造プロセスを述べたとおりである。すなわち、本発明に用いるホログラム記録媒体４５は、特定の収束点Ｃに収束する参照光を用いて散乱体３０の像がホログラムとして記録されている、という特徴を有している媒体であればよい。そこで、ここでは、本発明に利用するのに適した具体的なホログラム記録媒体の形態を述べておく。
【０１２７】
ホログラムには、いくつかの物理的な形態がある。本願発明者は、本発明に利用するには、体積型ホログラムが最も好ましいと考えている。特に、フォトポリマーを用いた体積型ホログラムを用いるのが最適である。
【０１２８】
一般に、キャッシュカードや金券などに偽造防止用シールとして利用されているホログラムは、表面レリーフ（エンボス）型ホログラムと呼ばれており、表面の凹凸構造によってホログラム干渉縞の記録が行われる。もちろん、本発明を実施する上では、散乱体３０の像を、表面レリーフ型ホログラムとして記録しているホログラム記録媒体４５（一般に、ホログラフィック・ディフーザーと呼ばれている）を利用することも可能である。しかしながら、この表面レリーフ型ホログラムの場合、表面の凹凸構造による散乱が、新たなスペックル生成要因となる可能性があるため、スペックルを低減させる、という観点からは好ましくない。また、表面レリーフ型ホログラムでは、多次回折光が発生するため、回折効率が低くなり、更に、回折性能（回折角をどこまで大きくできるかという性能）にも限界がある。
【０１２９】
これに対して、体積型ホログラムでは、媒体内部の屈折率分布としてホログラム干渉縞の記録が行われるため、表面の凹凸構造による散乱による影響を受けることはない。また、一般に、回折効率や回折性能も表面レリーフ型ホログラムより優れている。したがって、本発明を実施する際には、散乱体３０の像を、体積型ホログラムとして記録している媒体をホログラム記録媒体４５として利用するのが最適である。
【０１３０】
ただ、体積型ホログラムでも、銀塩材料を含む感光媒体を利用して記録するタイプのものは、銀塩粒子による散乱が新たなスペックル生成要因となる可能性があるため、避けた方が好ましい。このような理由から、本願発明者は、本発明に利用するホログラム記録媒体４５としては、フォトポリマーを用いた体積型ホログラムが最適であると考えている。このようなフォトポリマーを用いた体積型ホログラムの具体的な化学組成は、たとえば、特許第２８４９０２１号公報に例示されている。
【０１３１】
もっとも、量産性という点では、体積型ホログラムよりも表面レリーフ型ホログラムの方が優れている。表面レリーフ型ホログラムは、表面に凹凸構造をもった原版を作成し、この原版を用いたプレス加工により、媒体の量産を行うことができる。したがって、製造コストを低減させる必要がある場合には、表面レリーフ型ホログラムを利用すればよい。
【０１３２】
また、ホログラムの物理的な形態としては、平面上に濃淡パターンとして干渉縞を記録した振幅変調型ホログラムも広く普及している。しかしながら、この振幅変調型ホログラムは、回折効率が低く、濃いパターン部分で光の吸収が行われてしまうため、本発明に利用した場合、十分な照明効率を確保することができない。ただ、その製造工程では、平面上に濃淡パターンを印刷する簡便な方法を採ることができるため、製造コストの点ではメリットが得られる。したがって、用途によっては、振幅変調型ホログラムを本発明に採用することも可能である。
【０１３３】
なお、図５に示す記録方法では、いわゆるフレネルタイプのホログラム記録媒体が作成されることになるが、散乱体３０をレンズを通して記録することにより得られるフーリエ変換タイプのホログラム記録媒体を作成してもかまわない。この場合、必要に応じて、回折光Ｌ４５の光路上にレンズを設けて集光するようにし、照明効率を向上させるようにしてもよいが、レンズなしでも照明ユニット１００としての機能を十分に果たすことができる。
【０１３４】
＜＜＜ §５．本発明に用いる照明ユニットの変形例 ＞＞＞
これまで、本発明に係るスキャナ装置および物体の三次元形状測定装置を、基本的な実施形態について説明した。この基本的な実施形態の特徴は、図１３に示すような、固有の特徴を有する照明ユニット１００を用いて、物体Ｍに対する照明を行う点にある。
【０１３５】
すなわち、照明ユニット１００を利用して照明を行う場合、まず、線状パターンＵを構成するための散乱体３０の像３５をホログラムとして記録用媒体４０上に記録することによりホログラム記録媒体４５を作成する準備段階を行い、この準備段階で作成したホログラム記録媒体４５を用いて照明ユニット１００を構成する。そして、ホログラム記録媒体４５から得られるホログラムの再生光の照射を受ける位置に物体Ｍを配置した状態で、ホログラム記録媒体４５上にコヒーレントな光ビームＬ６０を照射し、かつ、照射位置が時間的に変化するように光ビームＬ６０をホログラム記録媒体４５上で走査し、物体Ｍ上に線状パターンＵを投影する投影段階と、この線状パターンＵが投影された物体Ｍを所定方向から撮影し、物体Ｍの表面情報を取り込む撮影段階と、を行い、物体Ｍの表面情報を取得すればよい。
【０１３６】
この場合、準備段階では、図５に示すように、コヒーレントな照明光Ｌ１２を散乱体３０に照射し、散乱体３０から得られる散乱光Ｌ３０を物体光Ｌobj として用いる。また、所定光路に沿って記録用媒体４０に照射され、照明光Ｌ１２と同一波長のコヒーレントな光Ｌ２３を参照光Ｌref として用いる。そして、物体光Ｌobj と参照光Ｌref とによって形成される干渉縞を記録用媒体４０に記録することによりホログラム記録媒体４５を作成する。また、投影段階では、図１３に示すように、参照光Ｌref と同一波長（もしくは、ホログラムの再生が可能な近似波長）の光ビームＬ６０が、参照光Ｌref の光路に沿った光路を通ってホログラム記録媒体４５上の照射位置へ向かうように走査を行い（別言すれば、参照光Ｌref と光学的に共役になる方向から光ビームＬ６０を与え）、ホログラム記録媒体４５から得られる、散乱体３０の像３５の再生光を照明光として投影することになる。
【０１３７】
ここでは、上述した基本的な実施形態に係るスキャナ装置および物体の三次元形状測定装置に組み込まれる照明ユニット１００について、いくつかの変形例を述べておく。
【０１３８】
＜５−１＞ 一次元走査を前提としたホログラム記録媒体
図５に示すホログラム記録媒体の作成プロセスでは、平行光束Ｌ２２を凸レンズ２３（収束点Ｃの位置に焦点を有するレンズ）で集光して参照光Ｌref として媒体４０に照射している。すなわち、収束点Ｃを頂点とした円錐（理論的には、互いに半径の異なる円錐が無限に存在する）の側面に沿って、収束点Ｃに三次元的に収束する参照光Ｌref を用いて散乱体３０の像が記録されることになる。
【０１３９】
このように三次元的に収束する参照光Ｌref を用いているのは、図１３に示す照明ユニット１００において、走査基点Ｂから三次元的に発散する光路をとるように、光ビームＬ６０を三次元的に走査すること（反射鏡のＶ軸まわりの回動とＷ軸まわりの回動とを組み合わせてビームを走査すること）を前提としているためである。そして、光ビームＬ６０を三次元的に走査する理由は、ホログラム記録媒体４５上における光ビームの照射位置を二次元的に走査するため（図１６において、横方向の走査と縦方向の走査とを行うため）である。
【０１４０】
ただ、ホログラム記録媒体４５上における光ビームの照射位置の走査は、必ずしも二次元的に行う必要はない。たとえば、図１８には、光ビームを水平方向にのみ走査する例が示されている。このように、光ビームの照射位置を一次元的に走査することを前提とすれば、ホログラム記録媒体も、そのような前提で作成しておく方が合理的である。具体的には、一次元的な走査が前提であれば、図１８に示すようなホログラム記録媒体４５を作成する代わりに、図２０に示すような帯状のホログラム記録媒体８５を作成すれば足りる。
【０１４１】
このホログラム記録媒体８５を用いた場合、光ビーム走査装置６０による走査は、左端の起点領域Ａ１Ｓから右端の終点領域Ａ１Ｅに至る１行分の走査を繰り返せばよい。この場合、左から右へと向かう１行分の走査を繰り返してもよいし、左から右へ走査したら、今度は右から左へ走査する、というような往復運動を行ってもかまわない。用いる光ビームＬ６０が直径１ｍｍの円形断面をもったレーザビームである場合、図２０に示すホログラム記録媒体８５の縦幅は、Ｄｂ＝１ｍｍとすれば十分である。したがって、図１８に示すホログラム記録媒体４５を用いる場合に比べて省スペース化を図ることができ、装置全体を小型化することが可能になる。
【０１４２】
このような一次元走査を前提としたホログラム記録媒体８５は、図５に示す光学系を用いて作成することも可能であるが、その代わりに、図２１に示す光学系を用いて作成することも可能である。この図２１に示す光学系は、図５に示す光学系における凸レンズ２３をシリンドリカルレンズ２４に置き換え、矩形状の平面をもったホログラム感光媒体４０を、細長い帯状の平面をもったホログラム感光媒体８０に置き換えたものであり、その他の構成要素に変わりはない。ホログラム感光媒体８０の横幅Ｄａは、ホログラム感光媒体４０の横幅と同じであるが、その縦幅Ｄｂ（図２１において、紙面に垂直方向の幅）は、光ビームの直径程度（前述の例の場合、１ｍｍ程度）である。
【０１４３】
シリンドリカルレンズ２４は、図２１の紙面に垂直な中心軸を有する円柱の表面を有するレンズであり、図２１において、収束点Ｃを通り紙面に垂直な集光軸を定義した場合に、平行光束Ｌ２２を当該集光軸に集光する機能を果たす。ただ、シリンドリカルレンズの性質上、光の屈折は、紙面に平行な平面内においてのみ生じ、紙面に垂直な方向への屈折は生じない。別言すれば、収束点Ｃを含み、シリンドリカルレンズの円柱の中心軸に直交する平面（図２１の紙面）に着目すれば、当該平面に沿って二次元的に収束する光Ｌ２４が、参照光Ｌref として与えられることになる。
【０１４４】
このように、本願において「光が収束点Ｃに収束する」と言った場合、図５の光学系に示す凸レンズ２３による三次元的な収束のみならず、図２１の光学系に示すシリンドリカルレンズ２４による二次元的な収束も意味するものである。そして、図２０に例示するような一次元走査を前提としたホログラム記録媒体８５を作成する場合は、図２１の光学系に示すように、収束点Ｃを通る所定の集光軸（図の例の場合、収束点Ｃを通り紙面に垂直な軸）に平行な中心軸をもつ円柱面を有するシリンドリカルレンズ２４を用いて、ほぼ平行なコヒーレント光の光束Ｌ２２を当該集光軸上に集光し、収束点Ｃに二次元的に収束する光Ｌ２４を参照光Ｌref として用いて、散乱体３０のホログラム像を記録すればよい。
【０１４５】
＜５−２＞ ＣＧＨからなるホログラム記録媒体
これまで述べたホログラム記録媒体の作成プロセスは、ホログラム感光媒体に実際に光を照射し、そこに生じる干渉縞を感光媒体の化学変化によって固定する、という純然たる光学的な方法をとるものである。これに対して、最近では、このような光学的なプロセスをコンピュータ上でシミュレーションし、演算によって干渉縞の情報を計算し、その結果を何らかの物理的な方法で媒体上に固定する、という手法が確立している。このような手法で作成されたホログラムは、一般に計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）と呼ばれている。
【０１４６】
本発明に用いるホログラム記録媒体に記録されているホログラムは、このような計算機合成ホログラムであってもかまわない。すなわち、§２で述べた光学的なプロセスでホログラム記録媒体を作成する代わりに、仮想の散乱体からの仮想物体光と仮想の参照光とを用いたシミュレーション演算を実行し、仮想の記録面上に生じる干渉縞の情報を求め、この情報を物理的な方法で媒体上に記録して計算機合成ホログラムを作成すればよい。
【０１４７】
図２２は、本発明に係る照明ユニットの構成要素であるホログラム記録媒体を、ＣＧＨの手法で作成する原理を示す側面図であり、図８に示す光学的な現象を、コンピュータ上でシミュレートする方法を示すものである。ここで、図２２に示す仮想の散乱体３０′は、図８に示す実在の散乱体３０に対応し、図２２に示す仮想の記録面４０′は、図８に示す実在のホログラム感光媒体４０に対応する。図示の物体光Ｌobj は、仮想の散乱体３０′から発せられる仮想の光であり、図示の参照光Ｌref は、この物体光Ｌobj と同一波長の仮想の光である。参照光Ｌref が、収束点Ｃに収束する光である点は、これまで述べた方法と全く同じである。記録面４０′上の各点では、この仮想の物体光Ｌobj と参照光Ｌref との干渉縞の情報が演算される。
【０１４８】
なお、仮想の散乱体３０′としては、たとえば、ポリゴンなどで表現された微細な三次元形状モデルを用いることも可能であるが、ここでは、平面上に多数の点光源Ｄを格子状に配列した単純なモデルを用いている。図２３は、図２２に示されている仮想の散乱体３０′の正面図であり、小さな白丸は、それぞれ点光源Ｄを示している。図示のとおり、多数の点光源Ｄが、横方向ピッチＰａ，縦方向ピッチＰｂで格子状に配列されている。ピッチＰａ，Ｐｂは、散乱体の表面粗さを定めるパラメータとなる。
【０１４９】
本願発明者は、点光源ＤのピッチＰａ，Ｐｂをそれぞれ１０μｍ程度の寸法に設定して記録面４０′上に生じる干渉縞の情報を演算し、その結果に基づいて、実在の媒体表面に凹凸パターンを形成し、表面レリーフ型のＣＧＨを作成した。そして、このＣＧＨをホログラム記録媒体４５として用いた照明ユニット１００を構成したところ、スペックルを抑制した良好な照明環境が得られた。
【０１５０】
図２４は、本発明によりスペックルの低減効果が得られた実験結果を示す表である。一般に、受光面Ｒ上に生じたスペックルの程度を示すパラメータとして、スペックルコントラスト（単位％）という数値を用いる方法が提案されている。このスペックルコントラストは、本来は均一の輝度分布をとるべき条件において、実際に生じる輝度のばらつきの標準偏差を、輝度の平均値で除した値として定義される量である。このスペックルコントラストの値が大きければ大きいほど、受光面上のスペックル発生程度が大きいことを意味し、観察者に対して、斑点状の輝度ムラ模様がより顕著に提示されていることになる。
【０１５１】
図２４の表は、図１３に示す照明ユニット１００もしくはこれに対比するための従来の照明ユニットを利用して、載置ステージ２１０を照明する４通りの測定系について、載置ステージ２１０の上面についてのスペックルコントラストを測定した結果を示すものである。測定例１〜３は、いずれも、緑色のレーザ光を射出することが可能な同一のＤＰＳＳレーザ装置を照明ユニット１００内のコヒーレント光源５０として用いた結果である。なお、測定例２，３で用いるホログラム記録媒体の拡散角（ホログラム記録媒体上の点から再生像３５を望む最大角度）は、いずれの場合も２０°に設定されている。
【０１５２】
まず、測定例１として示す測定結果は、図１３に示す照明ユニット１００を用いる代わりに、コヒーレント光源５０からの光ビームＬ５０をビームエキスパンダーで広げて平行光束とし、この平行光束（レーザ平行光）をそのまま載置ステージ２１０に照射する測定系を用いて得られた結果である。この場合、表に示すとおり、スペックルコントラスト２０．１％という結果が得られた。これは、載置ステージ２１０を肉眼観察した場合に、斑点状の輝度ムラ模様がかなり顕著に観察できる状態であり、実用的な三次元形状測定には不適当なレベルである。
【０１５３】
一方、測定例２および３として示す測定結果は、いずれも図１３に示す照明ユニット１００を利用して照明を行った結果である。ここで、測定例２は、ホログラム記録媒体４５として、光学的な方法で作成された体積型ホログラムを利用した結果であり、測定例３は、ホログラム記録媒体４５として、上述した表面レリーフ型ＣＧＨを利用した結果である。いずれも４％に満たないスペックルコントラストが得られており、これは肉眼観察した場合に、輝度ムラ模様がほとんど観察できない極めて良好な状態である（一般に、スペックルコントラスト値が５％以下であれば、観察者に不快感が生じないとされている）。したがって、ホログラム記録媒体４５として、光学的な方法で作成された体積型ホログラムを利用した場合も、表面レリーフ型ＣＧＨを利用した場合も、実用的に十分な三次元形状測定装置を構成することができる。測定例２の結果（３．０％）が、測定例３の結果（３．７％）よりも良好になった理由は、原画像となる実在の散乱体３０の解像度が、仮想の散乱体３０′（図２３に示す点光源の集合体）の解像度よりも高いためと考えられる。
【０１５４】
最後の測定例４として示す測定結果は、照明ユニット１００を用いる代わりに、緑色のＬＥＤ光源からの光をそのまま載置ステージ２１０に照射する測定系を用いて得られた結果である。そもそもＬＥＤ光源は、コヒーレント光源ではないので、スペックルの発生という問題を考慮する必要はなく、表に示すとおり、スペックルコントラスト４．０％という良好な結果が得られた。非コヒーレント光を用いた測定例４の結果が、コヒーレント光を用いた測定例２，３の結果に劣る理由は、ＬＥＤ光源が発する光自体に輝度ムラが生じていたためと考えられる。
【０１５５】
＜５−３＞ 線状パターンＵの走査形態
図３に示す基本的な実施形態に係る物体の三次元形状測定装置には、パターン走査機構２００が設けられている。ここに示すパターン走査機構２００は、物体Ｍを載置する載置ステージ２１０と、この載置ステージ２１０を、線状パターンＵの構成要素となる線に直交する方向に移動させる搬送装置２２０と、によって構成されている。すなわち、図１において、載置ステージ２１０を白矢印の方向に移動させることにより、線状パターンＵによる物体Ｍに対する走査が行われる。
【０１５６】
ただ、パターン走査機構２００の構成は、上例の構成に限定されるものではない。たとえば、搬送装置２２０は、照明ユニット１００と載置ステージ２１０とについて、一方を他方に対して移動させる機能を有していればよい。したがって、載置ステージ２１０を移動させる代わりに、照明ユニット１００を載置ステージ２１０に対して、線状パターンＵの構成要素となる線に直交する方向に移動させるようにしてもよい。
【０１５７】
また、パターン走査機構２００は、必ずしも上例のような機械式走査を行う機構を採用する必要はなく、光学式走査を行う機構を採用してもよい。たとえば、照明ユニット１００から得られるホログラムの再生光の向きを変える光学系（たとえば、ポリゴンミラー）によってパターン走査機構２００を構成すれば、再生光によって投影される線状パターンＵを、その構成要素となる線に直交する方向に光学的に走査することができる。
【０１５８】
物体Ｍに投影される線状パターンＵを走査する別な方法は、予め、ホログラム記録媒体を複数の分割領域に分割しておき、個々の分割領域に、それぞれ異なる位置に線状パターンＵの再生像を生成する異なるホログラムを記録しておく方法である。すなわち、物体Ｍ上に投影される線状パターンＵは、ホログラム記録媒体から得られるホログラムの再生光により形成されるので、予め、それぞれ異なる位置に再生像を生成する複数のホログラムを記録しておき、これを順番に再生してゆけば、実質的に、これまで述べてきたパターン走査機構２００が行う走査と同等の走査が行われることになる。
【０１５９】
図２５は、このような変形例に用いるホログラム記録媒体８８を示す平面図である。図示のとおり、ホログラム記録媒体８８は、複数ｎ個の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎに分割されており、個々の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎには、それぞれ図４に示す線状散乱体３０の像が記録されている。
【０１６０】
既に＜５−１＞で述べたとおり、光ビームによる一次元走査を前提とする場合、図２１に示すシリンドリカルレンズ２４を用いた記録方法で、細長い帯状の平面をもったホログラム感光媒体８０への記録を行い、図２０に示すような縦幅Ｄｂをもった細長いホログラム記録媒体８５を作成することができる。図２５に示すホログラム記録媒体８８は、いわば、図２０に示す帯状のホログラム記録媒体８５をｎ組だけ縦に並べたものに相当する。実際、個々の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎに記録されているホログラムの干渉縞は、図２０に示す帯状のホログラム記録媒体８５に記録されている干渉縞と同じものになる。
【０１６１】
これまで述べてきた基本的実施形態で用いたホログラム記録媒体４５と比べると、図２５に示すホログラム記録媒体８８は、再生像３５の位置に相違が生じる。すなわち、前者について再生を行う場合、図１６に示すように、媒体上のどの位置に光ビームを照射しても、再生像３５が生成される位置は同じである。これは、ホログラム記録媒体４５には、全面に同一の線状散乱体３０の像が記録されているためである。これに対して、後者について再生を行う場合、光ビームを照射する分割領域に応じて、再生像３５が生成される位置が異なる。これは、各分割領域にそれぞれ別個独立した線状散乱体３０の像が記録されているためである。
【０１６２】
図２６は、図２５に示すホログラム記録媒体８８上の光ビームの走査態様を示す平面図である。たとえば、第１の分割領域８８−１について再生を行う場合、この分割領域８８−１内の開始領域Ａ１Ｓから終了領域Ａ１Ｅまで水平方向に走査を行うことになるが、このとき生成される再生像は、図２７に示す第１の線状パターンＵ１を形成する。また、第２の分割領域８８−２について再生を行う場合、この分割領域８８−２内の開始領域Ａ２Ｓから終了領域Ａ２Ｅまで水平方向に走査を行うことになるが、このとき生成される再生像は、図２７に示す第２の線状パターンＵ２を形成する。以下同様であり、最後に、第ｎの分割領域８８−ｎについて再生を行う場合、この分割領域８８−ｎ内の開始領域ＡｎＳから終了領域ＡｎＥまで水平方向に走査を行うことになるが、このとき生成される再生像は、図２７に示す第ｎの線状パターンＵｎを形成する。
【０１６３】
結局、個々の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎから得られるホログラムの再生光により、それぞれ１本の線からなる線状パターンＵ１，Ｕ２，Ｕ３，... ，Ｕｎが投影されることになる。別言すれば、任意の１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンと、別な任意の１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンとが、空間上の異なる位置に形成されるようになっている。
【０１６４】
したがって、図２６に示すように、ホログラム記録媒体８８の全分割領域を光ビームで走査すると、載置ステージ２１０上には、図２７に示すように、ｎ本の線状パターンＵ１，Ｕ２，Ｕ３，... ，Ｕｎからなる統合線状パターンＵが形成されることになるが、実際には、この統合線状パターンＵは同時に現れるパターンではなく、１行ずつ順番に現れるパターンになる。
【０１６５】
そこで、図１３に示す照明ユニット１００において、ホログラム記録媒体４５の代わりに、図２５に示すホログラム記録媒体８８を用い、光ビーム走査装置６０によって、図２６に示すように、第１番目の分割領域８８−１、第２番目の分割領域８８−２、第３番目の分割領域８８−３、... 、というように、所定の順番で光ビームの走査を行うことにする。
【０１６６】
そうすると、光ビームが第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域８８−ｉを走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に第ｉ番目の線状パターンＵｉが投影されることになる。すなわち、第１番目の分割領域８８−１を走査しているときには、図２７に示す第１番目の線状パターンＵ１が現れ、第２番目の分割領域８８−２を走査しているときには、図２７に示す第２番目の線状パターンＵ２が現れ、... というように、１本の線からなる線状パターンＵｉが順番に現れることになる。これは、物体Ｍ上を線状パターンＵｉで走査していることと同じである。
【０１６７】
なお、上例では、個々の分割領域に、それぞれ１本の線状散乱体３０の像を記録しているが、個々の分割領域に、それぞれ複数本の線状散乱体３０の像を記録するようにしてもかまわない。この場合、光ビームが第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域８８−ｉを走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に複数本の線からなる線状パターンＵｉが投影されることになる。
【０１６８】
このように、図２５に示すホログラム記録媒体８８を用い、光ビーム走査装置６０によって、図２６に示すような走査を行うようにすれば、光ビーム走査装置６０が、これまで述べてきた基本的実施形態におけるパターン走査機構２００の役割を兼ねることになる。したがって、パターン走査機構２００を別途設ける必要はなくなる。
【０１６９】
なお、ホログラム記録媒体８８に形成するｎ個の分割領域は、理論上は、それぞれ任意の形状をもった領域でかまわない。ただ、図４に示すような細長い線状散乱体３０の像を記録するためには、実用上、図２５に示す例のように、横方向に細長い複数の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎが、縦方向に並んで配置されるような分割を行い、個々の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎの長手方向と個々の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎから得られる再生像３５の長手方向とが平行になるようにホログラムの記録を行うようにするのが好ましい。これは、ホログラム記録媒体上に記録される干渉縞の回折能力（入射光をどの程度大きな角度まで屈曲させられるかを示す能力）には限界があるため、細長い記録領域に細長い現画像を長手方向を一致させて記録した方が効率的であるためである。
【０１７０】
＜５−４＞ 線状パターンＵの形状
上記＜５−３＞では、物体Ｍ上に投影する線状パターンを走査することを前提とした実施形態を述べたが、本発明に係る物体の三次元形状測定装置では、必ずしも線状パターンの走査が必要になるわけではない（もちろん、スペックルを低減させるために光ビームの走査は必要である。本発明において、ホログラム記録媒体上での光ビームの走査と、物体Ｍ上での線状パターンの走査とは、全く別な走査である）。
【０１７１】
そもそも、これまで述べた実施形態において、線状パターンを走査する理由は、線状パターンが１本の線からなるパターンであるという前提で、物体Ｍの全体形状を測定するためである。たとえば、図１に示す例の場合、線状パターンＵの走査を行わないと、半球状の物体Ｍの頂点を通る円周に沿った部分の形状測定しか行うことができない。線状パターンＵを物体Ｍに対して、図の白矢印方向に走査することにより、はじめて物体Ｍの全体形状の測定が可能になる。
【０１７２】
しかしながら、線状パターンは、必ずしも１本の線からなるパターンである必要はない。すなわち、ホログラム記録媒体に、もともと複数の線からなる原画像を記録しておけば、ホログラム再生像も、複数の線からなる線状パターンになるので、物体Ｍ上には複数の線からなる縞模様をした線状パターンが一度に投影されることになる。よって、線状パターンを物体Ｍ上で走査しなくても、物体Ｍの全体形状の測定が可能になる。
【０１７３】
図２８は、このような変形例に用いるホログラム記録媒体に記録する散乱体３０Ａの形状を示す平面図である。これまで述べてきた基本的な実施形態では、図４に示す１本の細長い線状散乱体３０をホログラムとして記録し、その再生像を線状パターンＵとして利用しているが、ホログラムとして記録する散乱体は、必ずしも１本の線状散乱体である必要はなく、複数本の線状散乱体であってもかまわない。
【０１７４】
図２８に示す散乱体３０Ａは、互いに平行な複数ｎ本の線状散乱体３０Ａ−１，３０Ａ−２，３０Ａ−３，... ，３０Ａ−ｎによって構成される横方向格子状散乱体と呼ぶべき集合的な散乱体である。このような散乱体３０Ａをホログラムとして記録しているホログラム記録媒体を用いて再生を行えば、ホログラムの再生光により互いに平行な複数ｎ本の線Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，... ，Ｕｎを有する線状パターンＵを投影することができる。すなわち、図２７に示すような縞模様をした線状パターンＵを、物体Ｍ上に投影することができ、撮影ユニット３００によって、このような縞模様が表面に投影された物体Ｍを撮影することができる。形状解析ユニット４００は、撮影画像上において、物体Ｍ上に投影された縞模様の形状を解析することにより、物体Ｍの全体形状を示す三次元形状データＴを作成する。
【０１７５】
もちろん、図２７に示す縞模様の代わりに、縦横の縞模様が交差した網目格子模様の線状パターンを投影することも可能である。具体的には、ホログラム記録媒体に、図２８に示すように、横方向に伸びるｎ本の線状散乱体３０Ａ−１，３０Ａ−２，３０Ａ−３，，... ，３０Ａ−ｎを互いに平行になるように縦方向に並べた横方向格子状散乱体３０Ａの像と、図２９に示すように、縦方向に伸びるｍ本の線状散乱体３０Ｂ−１，３０Ｂ−２，３０Ｂ−３，，... ，３０Ｂ−ｍを互いに平行になるように横方向に並べた縦方向格子状散乱体３０Ｂの像と、を重畳して記録しておけばよい。
【０１７６】
このように散乱体３０Ａ，３０Ｂをホログラムとして重畳記録しているホログラム記録媒体を用いて再生を行えば、ホログラムの再生光により縦縞と横縞とを重ねた網目格子模様の線状パターンを投影することができる。撮影ユニット３００は、このような網目格子模様が表面に投影された物体Ｍを撮影することができるので、形状解析ユニット４００は、撮影画像上において、物体Ｍ上に投影された網目格子模様の形状を解析することにより、物体Ｍの全体形状を示す三次元形状データＴを作成できる。
【０１７７】
横方向格子状散乱体３０Ａと縦方向格子状散乱体３０Ｂとをホログラムとして重畳記録するには、図５に示すような光学系を用いて、同一のホログラム感光媒体４０に対して、ホログラムを記録するプロセスを２回繰り返して行えばよい。すなわち、１回目には、図２８に示す横方向格子状散乱体３０Ａを記録するプロセスを行い、２回目には、図２９に示す縦方向格子状散乱体３０Ｂを記録するプロセスを行えばよい。あるいは、横方向格子状散乱体３０Ａを記録した層と、縦方向格子状散乱体３０Ｂを記録した層とを別個に作成し、両者を貼り合わせるようにしてもよい。
【０１７８】
網目格子模様の線状パターンを投影する別な方法として、予め、図３０に示すような網目格子状散乱体３０Ｃを用意しておき、ホログラム記録媒体に、この網目格子状散乱体３０Ｃの像を記録するようにしてもよい。この場合も、ホログラムの再生光により、網目格子状の線状パターンが投影されることになる。
【０１７９】
このように、本発明において物体Ｍに投影する線状パターンＵは、必ずしも図１に示すような１本の線からなるパターンである必要はなく、図２７に示すような複数の線からなる縞状のパターンであってもよいし、このような縞状パターンを縦横に重ねて得られる網目格子状のパターンであってもかまわない。そして、縞状パターンや網目格子状パターンを物体Ｍ上に投影するようにすれば、パターン走査機構２００を用いることなしに、物体Ｍの全体形状の測定が可能になる。
【０１８０】
もちろん、必要に応じて、更にパターン走査機構２００を設け、縞状パターンや網目格子状パターンを、物体Ｍ上で走査するようにしてもかまわない。たとえば、図２７に示すような縞模様からなる線状パターンＵを投影した状態において、この線状パターンＵ全体を図の下方に走査して、パターンＵｎの下に走査後の新たなパターンＵ１が来るようにすれば、より広い領域をカバーする線状パターンの投影が可能になる。
【０１８１】
あるいは、図２７に示すｎ本の線を有する線状パターンＵから、偶数番目のパターンＵ２，Ｕ４，Ｕ６，... を間引き、奇数番目のパターンＵ１，Ｕ３，Ｕ５，... のみからなる線状パターンＵを再生するホログラム記録媒体を用意しておき、パターン走査機構２００による走査を行うことにより、間引いた偶数番目のパターンＵ２，Ｕ４，Ｕ６，... の位置に奇数番目のパターンＵ１，Ｕ３，Ｕ５，... を移動させることにより、結果的に、ｎ本の線を有する線状パターンＵの投影を行うようなことも可能である。
【０１８２】
このように、本発明において用いる線状パターンＵは、線の成分を含むパターンであれば、どのようなパターンであってもかまわない。形状解析ユニット４００は、物体Ｍ上に投影された線の成分を解析することにより、三次元形状データＴを作成することができる。
【０１８３】
したがって、ホログラム記録媒体に記録する散乱体も、図４に示すような線状散乱体３０に限定されるものではなく、線状パターンＵとして利用可能な形状であれば、どのような形状の散乱体を用いてもかまわない。図２８に示す散乱体３０Ａ，図２９に示す散乱体３０Ｂ，図３０に示す散乱体３０Ｃは、このような散乱体の一例である。結局、本発明では、線の成分を有する線状パターンＵに対応する形状をもった散乱体の像をホログラム記録媒体に記録しておけばよい。
【０１８４】
なお、図２８〜図３０に示すような形状をもった散乱体３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、図４に示す線状散乱体３０を複数組み合わせて作成することも可能であるが、実用上は、１枚の散乱板（たとえば、オパールガラス板のように、一般に光学的拡散板と呼ばれている板）の上面に、一部の領域の光を遮蔽するマスクを重ねたものを、散乱体の原画像として用いるようにすればよい。
【０１８５】
たとえば、図２８に示す散乱体３０Ａの像を記録するのであれば、図示の線状散乱体３０Ａ−１，３０Ａ−２，３０Ａ−３，... ，３０Ａ−ｎに対応する領域のみ光が透過し、それ以外の領域の光を遮蔽するマスクを用意し、１枚の透光性散乱板の上面に、このマスクを被せた物を、図５に示す散乱体３０として用い、ホログラムの記録を行えばよい。図２９に示す散乱体３０Ｂや図３０に示す散乱体３０Ｃの像を記録する場合も同様である。また、図４に示す線状散乱体３０の像を記録する場合も、１枚の透光性散乱板の上面に、細長いスリット領域のみ光が透過するマスクを重ねて記録を行えばよい。
【０１８６】
＜５−５＞ ホログラム記録媒体作成の幾何学的バリエーション
§２では、図５を参照して、ホログラム感光媒体４０に散乱体３０のホログラム像を記録する方法を説明した。この方法は、収束点Ｃに収束する参照光を用いて反射型のホログラム記録媒体を作成する方法であり、必要な構成要素の幾何学的な配置は、図３１の側面図に示すとおりである。
【０１８７】
図３１に示す例の場合、凸レンズ２３によって、収束点Ｃに向かう収束参照光Ｌref が生成され、媒体４０は、凸レンズ２３と収束点Ｃとの間に配置される。また、媒体４０は図示のとおり斜めに配置され、その下面側に、散乱体３０からの物体光Ｌobj が照射される。このような方法で作成されたホログラム記録媒体は、反射型の媒体となる。すなわち、再生時には、図３２に示すように、再生用照明光Ｌrep として機能する光ビームが媒体４５の下面側に照射され、点Ｐからの反射回折光Ｌdif によって再生像３５が生成されることになる。
【０１８８】
このように、これまで説明した例は、ホログラム記録媒体４５に記録されているホログラムが、反射型ホログラムであり、光ビームの反射回折光を照明光として用いる例である。これに対して、ホログラム記録媒体４５に記録されているホログラムを、透過型ホログラムとし、光ビームの透過回折光を照明光として用いるようにしてもかまわない。
【０１８９】
図３３は、このような透過型ホログラムを作成する場合の幾何学的な配置を示す側面図である。図３１に示す配置との相違点は、媒体４０の向きである。図３１に示す反射型ホログラムの作成方法では、参照光Ｌref を媒体の上面から照射し、物体光Ｌobj を媒体の下面から照射している。このように、参照光と物体光とを逆側の面に照射すると反射型のホログラムが記録できる。これに対して、図３３に示す方法では、参照光Ｌref および物体光Ｌobj の双方が媒体４０の上面に照射されている。このように、参照光と物体光とを同じ側から照射すると透過型のホログラムが記録できる。すなわち、再生時には、図３４に示すように、再生用照明光Ｌrep として機能する光ビームが媒体４５の下面側に照射され、点Ｐからの透過回折光Ｌdif によって再生像３５が生成されることになる。
【０１９０】
また、これまで述べてきた例は、いずれも収束点Ｃに収束する参照光を用いて反射型もしくは透過型のホログラム記録媒体を作成する方法であるが、その代わりに、収束点Ｃから発散する参照光を用いて反射型もしくは透過型のホログラム記録媒体を作成することも可能である。ただ、そのためには、予め、準備用ホログラム記録媒体を作成しておく必要がある。以下、この方法を行うためのプロセスを順に説明しよう。
【０１９１】
まず、図３５に示すように、準備用ホログラム感光媒体９０と散乱体３０とを配置し、媒体９０に対して、図示のとおり、斜め右上から平行な参照光Ｌref を照射する。そして、散乱体３０からの物体光Ｌobj と参照光Ｌref とによって生じる干渉縞を媒体９０に記録する。このように、記録時に、物体光と参照光とを同じ側から照射すると、透過型のホログラムが記録される。ここでは、このような記録が行われた媒体９０を、準備用ホログラム記録媒体９５と呼ぶことにする。
【０１９２】
図３６は、この準備用ホログラム記録媒体９５の再生プロセスを示す側面図である。図示のとおり、媒体９５に対して、斜め左下から平行な再生用照明光Ｌrep を照射すると、透過回折光Ｌdif によって、図の右方に再生像３５が生成される。ここで、再生用照明光Ｌrep の方向は、その延長線が図３５に示す参照光Ｌref の方向に一致する方向であり、再生像３５の生成位置は、図３５に示す散乱体３０の配置位置に一致する。
【０１９３】
続いて、準備用ホログラム記録媒体９５による再生像３５を実物の散乱体３０の代用として、ホログラム感光媒体４０へ散乱体３０の像を記録するプロセスを行う。すなわち、図３７に示すように、準備用ホログラム記録媒体９５の右方にホログラム感光媒体４０を配置し、媒体９５に対して、斜め左下から平行な再生用照明光Ｌrep を照射して、図の右方に再生像３５を生成する。この場合、媒体９５から右方へと射出する光は、再生像３５を再生するための透過回折光Ｌdif であると同時に、媒体４０に対しては、物体光Ｌobj としての機能を果たす。
【０１９４】
一方、図の下方から、媒体４０に対して、発散参照光Ｌref を照射する。この発散参照光Ｌref は、収束点Ｃから発散する光（収束点Ｃに点光源が存在する場合に、この点光源から発せられる光）であり、媒体４０に対しては、円錐状に広がる光線束が照射されることになる。図示の例では、収束点Ｃの位置に焦点をもつ凸レンズ２５によって、平行光束Ｌ１０を収束点Ｃに集光して点光源を生成することにより、発散参照光Ｌref を発生させている。凸レンズ２５として、たとえば、直径１ｍｍ程度のマイクロレンズを用いれば、レーザ光源から発せられる断面径１ｍｍ程度のレーザビームを、そのまま平行光束Ｌ１０として利用して、発散参照光Ｌref を発生させることができる。
【０１９５】
この図３７に示す方法では、物体光Ｌobj は媒体４０の上面に照射され、参照光Ｌref は媒体４０の下面に照射される。このように、参照光と物体光とを逆側の面に照射すると反射型のホログラムが記録できる。したがって、図３７に示す方法で作成されたホログラム記録媒体４５は、実質的に、図３１に示す方法で作成されたホログラム記録媒体４５と同じ反射型ホログラムになる。したがって、再生時には、図３２に示す幾何学的配置をとればよい。
【０１９６】
これに対して、図３８は、発散参照光Ｌref を用いて透過型ホログラムを作成する例を示す側面図である。図３７に示す配置との相違点は、媒体４０の向きである。図３７に示す反射型ホログラムの作成方法では、物体光Ｌobj を媒体の上面から照射し、参照光Ｌref を媒体の下面から照射している。これに対して、図３８に示す方法では、物体光Ｌobj および参照光Ｌref の双方が媒体４０の下面に照射されている。このように、参照光と物体光とを同じ側から照射すると透過型のホログラムが記録できる。この図３８に示す方法で作成されたホログラム記録媒体４５は、実質的に、図３３に示す方法で作成されたホログラム記録媒体４５と同じ透過型ホログラムになる。したがって、再生時には、図３４に示す幾何学的配置をとればよい。
【０１９７】
なお、図３７および図３８に示す記録プロセスでは、準備用ホログラム記録媒体９５として、図３５に示す方法で作成された透過型ホログラムを用いたが、準備用ホログラム記録媒体９５として、図３９に示す方法で作成された反射型ホログラムを用いることも可能である。図３９に示す方法では、準備用ホログラム感光媒体９０の左側から参照光Ｌref を照射し、右側から物体光Ｌobj を照射しているため、作成された準備用ホログラム記録媒体９５は反射型ホログラムになる。
【０１９８】
この反射型の準備用ホログラム記録媒体９５を用いて再生を行う場合は、図４０に示すように、媒体９５の右側から再生用照明光Ｌrep を照射し、得られる反射回折光Ｌdif によって再生像３５を生成することになる。したがって、図３７，図３８に示すプロセスでは、再生用照明光Ｌrep を左側から照射する代わりに、右側から照射することになる。
【０１９９】
＜５−６＞ 光ビームの平行移動走査
これまで述べた実施形態では、照明ユニット１００内の光ビーム走査装置６０が、光ビームを所定の走査基点Ｂで屈曲させ、この屈曲態様（屈曲の方向と屈曲角度の大きさ）を時間的に変化させることにより、屈曲された光ビームを走査する方式をとっていたが、光ビーム走査装置６０の走査方法は、光ビームを走査基点Ｂで屈曲させる方法に限定されるものではない。
【０２００】
たとえば、光ビームを平行移動させるような走査方法を採ることも可能である。ただ、その場合は、ホログラム記録媒体４５に対する散乱体３０の記録方法も変更する必要がある。すなわち、図４１に示す例のように、ホログラム感光媒体４０に対して、平行光束からなる参照光Ｌref を照射し、散乱体３０からの物体光Ｌobj との干渉縞の情報を記録するようにする。別言すれば、こうして作成されたホログラム記録媒体４６には、平行光束からなる参照光Ｌref を用いて散乱体３０の像３５がホログラムとして記録されていることになる。
【０２０１】
図４２は、図４１に示す方法で作成されたホログラム記録媒体４６を用いた照明ユニット１１０の側面図である。図示のとおり、この照明ユニット１１０は、ホログラム記録媒体４６、コヒーレント光源５０、光ビーム走査装置６５によって構成されている。
【０２０２】
ここで、ホログラム記録媒体４６は、図４１に示す方法で作成された媒体であり、平行光束からなる参照光Ｌref を利用して、散乱体３０の像３５がホログラムとして記録されている。また、コヒーレント光源５０は、ホログラム記録媒体４６を作成する際に用いた光（物体光Ｌobj および参照光Ｌref ）の波長と同一波長（もしくは、ホログラムの再生が可能な近似波長）をもつコヒーレントな光ビームＬ５０を発生させる光源である。
【０２０３】
一方、光ビーム走査装置６５は、コヒーレント光源５０が発生した光ビームＬ５０をホログラム記録媒体４６に照射する機能を有するが、このとき、図４１に示す作成プロセスで用いた参照光Ｌref に平行になる方向から光ビームＬ６５がホログラム記録媒体４６に照射されるように走査を行う。より具体的には、光ビームＬ６５を平行移動させながらホログラム記録媒体４６に照射することにより、光ビームＬ６５のホログラム記録媒体４６に対する照射位置が時間的に変化するように走査する。
【０２０４】
このような走査を行う光ビーム走査装置６５は、たとえば、可動反射鏡６６と、この可動反射鏡６６を駆動する駆動機構とによって構成することができる。すなわち、図４２に示すように、コヒーレント光源５０が発生した光ビームＬ５０を受光可能な位置に可動反射鏡６６を配置し、この可動反射鏡６６を光ビームＬ５０の光軸に沿って摺動させる駆動機構を設けておけばよい。なお、実用上は、ＭＥＭＳを利用したマイクロミラーデバイスにより、上記機能と同等の機能をもった光ビーム走査装置６５を構成することができる。あるいは、図１３に示す光ビーム走査装置６０によって走査基点Ｂの位置で屈曲された光ビームＬ６０を、走査基点Ｂに焦点をもつ凸レンズに通すことによっても、平行に移動する光ビームを生成することができる。
【０２０５】
図４２に示す例の場合、可動反射鏡６６で反射した光ビームＬ６５の照射を受けたホログラム記録媒体４６は、記録された干渉縞に基づく回折光を発生し、この回折光によって、散乱体３０の再生像３５が生成される。照明ユニット１１０は、こうして得られる再生像３５の再生光を照明光として利用した照明を行うことになる。
【０２０６】
図４２では、説明の便宜上、時刻ｔ１における光ビームの位置を一点鎖線で示し、時刻ｔ２における光ビームの位置を二点鎖線で示している。すなわち、時刻ｔ１では、光ビームＬ５０は、可動反射鏡６６（ｔ１）の位置で反射し、光ビームＬ６５（ｔ１）としてホログラム記録媒体４６の点Ｐ（ｔ１）に照射されるが、時刻ｔ２では、光ビームＬ５０は、可動反射鏡６６（ｔ２）の位置で反射し（図示の可動反射鏡６６（ｔ２）は、可動反射鏡６６（ｔ１）が移動したものである）、光ビームＬ６５（ｔ２）としてホログラム記録媒体４６の点Ｐ（ｔ２）に照射される。
【０２０７】
図には、便宜上、時刻ｔ１，ｔ２の２つの時点における走査態様しか示されていないが、実際には、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームＬ６５は図の左右に平行移動し、光ビームＬ６５のホログラム記録媒体４６に対する照射位置は、図の点Ｐ（ｔ１）〜Ｐ（ｔ２）へと徐々に移動してゆくことになる。すなわち、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームＬ６５の照射位置は、ホログラム記録媒体４６上において点Ｐ（ｔ１）〜Ｐ（ｔ２）へと走査されることになる。ここでは、光ビームＬ６５を一次元方向（図の左右方向）に平行移動する例を述べたが、もちろん、光ビーム６５を図の紙面に垂直な方向にも平行移動させる機構（たとえば、ＸＹステージ上に反射鏡を配置した機構）を設けておけば、二次元方向に平行移動させることが可能になる。
【０２０８】
ここで、光ビームＬ６５は、図４１に示す作成プロセスで用いた参照光Ｌref に常に平行になるように走査されるので、光ビームＬ６５は、ホログラム記録媒体４６の各照射位置において、そこに記録されているホログラムを再生するための正しい再生用照明光Ｌrep として機能する。
【０２０９】
たとえば、時刻ｔ１では、点Ｐ（ｔ１）からの回折光Ｌ４６（ｔ１）によって、散乱体３０の再生像３５が生成され、時刻ｔ２では、点Ｐ（ｔ２）からの回折光Ｌ４６（ｔ２）によって、散乱体３０の再生像３５が生成される。もちろん、時刻ｔ１〜ｔ２の期間においても、光ビームＬ６５が照射された個々の位置からの回折光によって、同様に散乱体３０の再生像３５が生成される。すなわち、光ビームＬ６５が平行移動走査を受ける限り、ホログラム記録媒体４６上のどの位置に光ビームＬ６５が照射されたとしても、照射位置からの回折光によって、同一の再生像３５が同一位置に生成されることになる。
【０２１０】
結局、この図４２に示す照明ユニット１１０は、図１３に示す照明ユニット１００と同様に、ホログラム再生光によって線状パターンＵを投影する機能を有している。要するに、本発明では、ホログラム記録媒体に、所定光路に沿って照射される参照光を用いて散乱体の像をホログラムとして記録しておき、光ビーム走査装置によって、このホログラム記録媒体に対する光ビームの照射方向が参照光の光路に沿った方向（光学的に共役な方向）になるように、光ビームの走査を行うようにすればよい。
【０２１１】
＜５−７＞ マイクロレンズアレイの利用
これまで述べた実施形態は、散乱体のホログラム像が記録されたホログラム記録媒体を用意し、このホログラム記録媒体に対して、コヒーレント光を走査し、得られる回折光を照明光として利用するものであった。ここでは、このホログラム記録媒体の代わりに、マイクロレンズアレイを利用した変形例を述べる。
【０２１２】
図４３は、このマイクロレンズアレイを利用した変形例の側面図である。この変形例に係る照明ユニット１２０は、マイクロレンズアレイ４８、コヒーレント光源５０、光ビーム走査装置６０によって構成されている。コヒーレント光源５０は、これまで述べてきた実施形態と同様に、コヒーレントな光ビームＬ５０を発生させる光源であり、具体的には、レーザ光源を用いることができる。
【０２１３】
また、光ビーム走査装置６０は、これまで述べてきた実施形態と同様に、コヒーレント光源５０が発生した光ビームＬ５０の走査を行う装置である。より具体的には、光ビームを走査基点Ｂで屈曲させてマイクロレンズアレイ４８に照射する機能を有し、しかも、光ビームＬ５０の屈曲態様を時間的に変化させることにより、光ビームＬ６０のマイクロレンズアレイ４８に対する照射位置が時間的に変化するように走査する。
【０２１４】
一方、マイクロレンズアレイ４８は、多数の個別レンズの集合体からなる光学素子である。このマイクロレンズアレイ４８を構成する個別レンズは、それぞれが、走査基点Ｂから入射した光を屈折させ、所定位置に配置される物体Ｍの近傍面Ｒ（図示の例の場合、物体Ｍが載せられる載置ステージ２１０の上面（図の左面））に照射領域Ｉを形成する機能を有している。
【０２１５】
この照射領域Ｉは、これまで述べてきた実施形態における線状パターンＵを形成する領域であり、ここに示す実施例の場合、図において上下方向に細長い線状の照射領域になる。すなわち、図の紙面に垂直方向の幅が、投影される線状パターンＵの幅になる（あるいは、図の紙面に垂直方向が、投影される線状パターンＵの長手方向となるようにしてもかまわない）。
【０２１６】
ここで重要な点は、いずれの個別レンズによって形成される照射領域Ｉも、当該近傍面Ｒ上において同一の共通領域となるように構成されている点である。別言すれば、いずれの個別レンズを通った光も、近傍面Ｒ上の同一位置に同一の照射領域Ｉを形成することになる。このような機能をもったマイクロレンズアレイとしては、たとえば、「フライアイレンズ」と呼ばれるものが市販されている。
【０２１７】
図４４は、図４３に示す照明ユニット１００の動作原理を示す側面図である。ここでも、説明の便宜上、光ビームＬ６０の時刻ｔ１における屈曲態様を一点鎖線で示し、時刻ｔ２における屈曲態様を二点鎖線で示している。すなわち、時刻ｔ１では、光ビームＬ５０は走査基点Ｂで屈曲し、光ビームＬ６０（ｔ１）としてマイクロレンズアレイ４８の下方に位置する個別レンズ４８−１に入射する。この個別レンズ４８−１は、走査基点Ｂから入射した光ビームについては、これを広げて、物体Ｍの近傍面Ｒ（この例では、載置ステージ２１０の上面）の二次元照射領域Ｉに照射する機能を有する。したがって、当該近傍面Ｒには、図示のように縦方向に細長い照射領域Ｉが形成され、当該照射領域Ｉが線状パターンＵを構成する。
【０２１８】
また、時刻ｔ２では、光ビームＬ５０は走査基点Ｂで屈曲し、光ビームＬ６０（ｔ２）としてマイクロレンズアレイ４８の上方に位置する個別レンズ４８−２に入射する。この個別レンズ４８−２は、走査基点Ｂから入射した光ビームについては、これを広げて、近傍面Ｒ上の二次元照射領域Ｉに照射する機能を有する。したがって、時刻ｔ２においても、近傍面Ｒには、図示のように照射領域Ｉ（線状パターンＵ）が形成される。
【０２１９】
図には、便宜上、時刻ｔ１，ｔ２の２つの時点における動作状態しか示されていないが、実際には、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームの屈曲方向は滑らかに変化し、光ビームＬ６０のマイクロレンズアレイ４８に対する照射位置は、図の下方から上方へと徐々に移動してゆくことになる。すなわち、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームＬ６０の照射位置は、マイクロレンズアレイ４８上で上下に走査されることになる。もちろん、マイクロレンズアレイ４８として、多数の個別レンズが二次元的に配置されたものを用いた場合は、光ビーム走査装置６０によって、この二次元配列上で光ビームが走査されるようにすればよい。
【０２２０】
上述したマイクロレンズアレイ４８の性質から、光ビームＬ６０がどの個別レンズに入射したとしても、近傍面Ｒ上に形成される二次元照射領域Ｉ（線状パターンＵ）は共通になる。すなわち、光ビームの走査状態にかかわらず、近傍面Ｒには、常に同一の照射領域Ｉ（線状パターンＵ）が形成されることになる。したがって、この照射領域Ｉ内に物体Ｍを配置すれば、その表面には常に線状パターンＵが投影された状態になる。もちろん、必要に応じて、パターン走査機構２００を設けておけば、線状パターンＵを物体Ｍ上で走査することもできる。
【０２２１】
結局、ここに示す照明ユニット１２０の場合、光ビーム走査装置６０は、光ビームＬ６０をマイクロレンズアレイ４８に照射し、かつ、光ビームＬ６０のマイクロレンズアレイ４８に対する照射位置が時間的に変化するように走査する機能をもっている。一方、マイクロレンズアレイ４８を構成する個別レンズは、それぞれが、光ビーム走査装置６０から照射された光を屈折させ、物体Ｍの近傍面Ｒ上に線状の照射領域Ｉを形成する機能を有しており、かつ、いずれの個別レンズによって形成される照射領域Ｉも、この近傍面Ｒ上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されている。このため、この線状の照射領域Ｉを、これまで述べてきた実施形態における線状パターンＵとして利用することができる。
【０２２２】
この照明ユニット１２０の場合も、これまで述べてきた基本的実施形態に係る照明ユニット１００と同様に、近傍面Ｒの各部に照射される光の入射角度は、時間的に多重化されることになり、また、光ビームＬ６０を走査しているため、スペックルの発生が抑制される。
【０２２３】
＜５−８＞ 光拡散素子の利用
これまで、基本的な実施形態として、散乱体３０のホログラム像が記録されたホログラム記録媒体を用いて照明ユニットを構成した例を説明し、上記＜５−７＞では、ホログラム記録媒体の代わりにマイクロレンズアレイを用いて照明ユニットを構成した例を説明した。これらの照明ユニットにおいて、ホログラム記録媒体やマイクロレンズアレイは、結局のところ、入射した光ビームを拡散して所定面上に線状の照射領域を形成する機能を有する光拡散素子の役割を果たしていることになる。しかも、当該光拡散素子は、光ビームの入射位置にかかわらず、形成される照射領域が、物体Ｍの近傍面上において同一の共通領域となる、という特徴を有している。
【０２２４】
したがって、本発明に係る照明ユニットを構成するには、必ずしも上述したホログラム記録媒体やマイクロレンズアレイを用いる必要はなく、一般的に、上記特徴を有する光拡散素子を用いて構成することができる。
【０２２５】
要するに、本発明に係る装置に用いられる照明ユニットは、本質的には、コヒーレントな光ビームを発生させるコヒーレント光源と、この光ビームの向きもしくは位置またはその双方を制御することにより、ビーム走査を行う光ビーム走査装置と、入射した光ビームを拡散して射出する光拡散素子と、を用いることによって構成することができる。
【０２２６】
ここで、光ビーム走査装置は、コヒーレント光源が発生した光ビームを、光拡散素子に向けて射出し、かつ、当該光ビームの光拡散素子に対する入射位置が時間的に変化するように走査する機能を有していればよい。また、光拡散素子は、入射した光ビームを拡散して物体の近傍に位置する特定の近傍面上に線状の照射領域を投影する機能を有し、かつ、光ビームの入射位置にかかわらず、形成される照射領域が、当該近傍面上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されていればよい。
【産業上の利用可能性】
【０２２７】
本発明に係るスキャナ装置は、物体に対して光学的なスキャンを行う用途に広く利用することができる。上記実施例では、このスキャナ装置を、物体の三次元形状測定装置に利用した例を述べたが、このスキャナ装置の用途は、必ずしも三次元形状測定装置に限定されるものではない。たとえば、紙面などの二次元物体上の情報をスキャンする用途にも利用可能である。
【０２２８】
一方、本発明に係る物体の三次元形状測定装置は、様々な物体の三次元形状を非接触で測定することができるため、あらゆる物体を対象として、加工を施す分野や検査する分野など、産業上、広く利用することができる。
【符号の説明】
【０２２９】
１０：コヒーレント光源
１１：反射鏡
１２：ビームエキスパンダー
２０：ビームスプリッタ
２１：反射鏡
２２：ビームエキスパンダー
２３：凸レンズ
２４：シリンドリカルレンズ
２５：凸レンズ
３０：線状散乱体
３０Ａ，３０Ｂ：散乱体
３０Ａ−１〜３０Ａ−ｎ：線状散乱体
３０Ｂ−１〜３０Ｂ−ｍ：線状散乱体
３０Ｃ：網目格子状散乱体
３０′：仮想の散乱板
３５：散乱板の像
４０：ホログラム感光媒体
４０′：仮想の記録面
４５，４６：ホログラム記録媒体
４８：マイクロレンズアレイ
４８−１，４８−２：個別レンズ
５０：コヒーレント光源
６０，６５：光ビーム走査装置
６６：可動反射鏡
８０：ホログラム感光媒体
８５：ホログラム記録媒体
８８：ホログラム記録媒体
８８−１〜８８−ｎ：ホログラム記録媒体の分割領域
９０：準備用ホログラム感光媒体
９５：準備用ホログラム記録媒体
１００，１１０，１２０：照明ユニット
２００：パターン走査機構
２１０：載置ステージ
２２０：搬送装置
３００：撮影ユニット
３０１，３０２，３０３：カメラ
４００：形状解析ユニット
Ａ１，Ａ２：再生用照明光の断面
Ａ１Ｓ，Ａ１Ｅ，Ａ２Ｓ，Ａ２Ｅ，Ａ３Ｓ，Ａ３Ｅ，ＡｎＳ，ＡｎＥ：再生用照明光の断面
ａ１〜ａ４：領域
Ｂ：走査基点
Ｃ：収束点
Ｄ：点光源
Ｄａ：ホログラム記録媒体の横幅
Ｄｂ：ホログラム記録媒体の縦幅
Ｇ：画像
Ｇ（３０１，ｉ）：画像
Ｇ（３０２，ｉ）：画像
Ｇ（３０３，ｉ）：画像
Ｉ：照射領域
Ｌ１０：光ビーム
Ｌ１１：光ビーム
Ｌ１２：平行光束
Ｌ２０：光ビーム
Ｌ２１：光ビーム
Ｌ２２：平行光束
Ｌ２３：参照光
Ｌ２４：参照光
Ｌ３０：散乱光
Ｌ３１〜Ｌ３３：物体光
Ｌ４５，Ｌ４６：回折光
Ｌ５０：光ビーム
Ｌ６０，Ｌ６１，Ｌ６２，Ｌ６５：光ビーム
Ｌdif ：回折光
Ｌobj ：物体光
Ｌref ：参照光
Ｌrep ：再生用照明光
Ｍ：物体
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２：照射点
Ｐａ，Ｐｂ：点光源Ｄのピッチ
Ｑ：着目点
Ｑ１〜Ｑ３：物体点
Ｒ：受光面
Ｓ１，Ｓ２：参照光の断面
Ｔ：三次元形状データ
ｔ１，ｔ２：時刻
Ｕ，Ｕ１〜Ｕｎ：線状パターン
Ｖ，Ｗ：回動軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体に対して光の線状パターンを投影し、これを走査するスキャナ装置に関する。また、物体に光の線状パターンを投影した状態を撮影し、得られた画像を解析することにより三次元形状データを作成する物体の三次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の三次元形状を測定する装置は、一般に、三次元スキャナと呼ばれており、様々な原理に基づく装置が知られている。たとえば、下記の特許文献１には、被測定対象となる物体と接触子との間の接触状態をセンサで検出し、物体表面の三次元位置を測定することにより形状測定を行う三次元スキャナが開示されている。また、特許文献２には、光源から物体の各部に光ビームを照射し、反射光の強度に基づいて光源から各部までの距離を測定することにより形状測定を行う三次元スキャナが開示されている。
【０００３】
一方、ＣＣＤカメラなどで撮影した物体の二次元画像を解析することにより、三次元形状を演算によって求める方法も提案されている。たとえば、特許文献３には、物体に所定のパターン光を投影した状態を２台のカメラで異なる方向から撮影し、ステレオ法を用いた解析により、三次元形状の測定を行う装置が開示されている。特に、物体に光の線状パターンを投影した状態を撮影し、得られた二次元画像を解析することにより、当該物体の三次元形状を測定する方法は、一般に光切断法と呼ばれている。
【０００４】
最近はコンピュータによる画像解析技術が向上してきたため、この光切断法を用いて形状測定を行う装置も商業ベースの量産型装置として実用化されており、また、様々な工夫も提案されている。たとえば、特許文献４には、物体の周囲にスリット投光器を配置し、スリットを透過した光により線状パターンの投影を行う三次元形状測定装置が開示されており、特許文献５には、投光器と撮像装置の配置を工夫することにより、測定精度を向上させることが可能な三次元形状測定装置が開示されている。更に、特許文献６には、多数の線を有する縞模様からなる線状パターンを物体に投影し、撮影画像上の縞模様を解析することにより、三次元形状測定を行う装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１２９４２号公報
【特許文献２】特開平７−９１９３０号公報
【特許文献３】特開平７−９１９２７号公報
【特許文献４】特開２００１−２５５１２５号公報
【特許文献５】特開２０１０−１４５０５号公報
【特許文献６】特開２００３−５０１１２号公報
【特許文献７】特開平６−２０８０８９号公報
【特許文献８】特開２００４−１４４９３６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Speckle Phenomena in Optics, Joseph W. Goodman, Roberts & Co., 2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、物体に１本もしくは複数の線からなる線状パターンを投影し、その撮影画像を解析することによって三次元形状を測定する場合、できるだけ高い精度をもった線状パターンを投影する必要がある。従来は、レンズなどの光学系を用いて光を集光して線状パターンを形成したり、光源からの光をスリットに通して線状パターンを形成したりする方法を採っているが、形成される線状パターンの精度は必ずしも十分ではない。たとえば、スリットで成形する方法を採れば、構造は単純になるが、スリット内面での反射や回折が生じるため、線状パターンの輪郭が不鮮明になりやすい。
【０００８】
また、撮影画像上で線状パターンを抽出するために、物体表面に形成する線状パターンは、できるだけ高い輝度をもったパターンであることが望ましい。そのためには、高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプを光源として用いる必要があるが、このような特殊光源は寿命が比較的短く、頻繁にランプ交換を行う必要がある。
【０００９】
このような問題に対処することができる理想的な光源は、レーザ光源などのコヒーレント光源である。たとえば、産業上で広く利用されている半導体レーザは、高圧水銀ランプなどの高輝度放電ランプに比べて極めて長寿命でありながら、高輝度の照明が可能である。しかも指向性に優れているため、光学系やスリットによる成形を行わなくても、鮮明な輪郭をもった線状パターンを投影することができる。
【００１０】
ただ、レーザなどのコヒーレント光源を用いた照明には、スペックルの発生という新たな問題が生じる。スペックル（speckle）は、レーザ光などのコヒーレント光を拡散面に照射したときに現れる斑点状の模様であり、物体表面にレーザ光を投影すると斑点状の輝度ムラとして観察される。したがって、レーザ光源を用いて物体に線状パターンを投影すると、物体表面上の線状パターンにスペックルが発生し、輝度ムラが生じることになる。
【００１１】
たとえば、レーザポインタでスクリーン上の１点を指示した場合、レーザ光のスポットがスクリーン上でギラギラと光って見える。これは、スクリーン上にスペックルノイズが生じているためである。コヒーレント光を用いるとスペックルが発生する理由は、スクリーンなどの拡散反射面の各部で反射したコヒーレント光が、その極めて高い可干渉性ゆえに、互いに干渉し合うためとされている。たとえば、上記非特許文献１には、スペックル発生についての詳細な理論的考察がなされている。
【００１２】
レーザポインタのような用途であれば、観察者には、微小なスポットが見えるだけなので、大きな問題は生じない。しかしながら、三次元形状の測定に用いる線状パターンに、このようなスペックルに基づく輝度ムラが含まれていると、撮影画像上で線状パターンの輪郭形状を正確に抽出することができなくなり、正しい形状解析を行うことができない。
【００１３】
もちろん、このようなスペックルノイズを低減させるための具体的な方法もいくつか提案されている。たとえば、上記特許文献７には、レーザ光を散乱板に照射し、そこから得られる散乱光を照明に利用するとともに、散乱板をモータによって回転駆動することにより、スペックルを低減する技術が開示されている。また、特許文献８には、レーザ光源を散乱板に照射してから照明として利用し、この散乱板を振動させることによりスペックルを低減する技術が開示されている。しかしながら、散乱板を回転させたり、振動させたりするには、大掛かりな機械的駆動機構が必要であり、装置全体が大型化するとともに、消費電力も増加する。
【００１４】
そこで本発明は、コヒーレント光源を用いて物体に対する線状パターンの投影を行う機能をもち、かつ、物体表面でのスペックルの発生を抑制することが可能なスキャナ装置および物体の三次元形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
(1) 本発明の第１の態様は、物体を光の線状パターンで走査し、当該物体の表面情報を取り込むスキャナ装置において、
物体に光の線状パターンを投影する照明ユニットと、
線状パターンの物体に対する投影位置を時間的に変化させるパターン走査機構と、
線状パターンが投影された物体を所定方向から撮影し、物体の表面情報を取り込む撮影ユニットと、
を設け、
照明ユニットが、
コヒーレントな光ビームを発生させるコヒーレント光源と、
線状パターンに対応する形状をもった散乱体の像が記録されたホログラム記録媒体と、
光ビームをホログラム記録媒体に照射し、かつ、光ビームのホログラム記録媒体に対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置と、
を有し、
ホログラム記録媒体には、所定光路に沿って照射される参照光を用いて散乱体の像がホログラムとして記録されており、
コヒーレント光源は、散乱体の像を再生することが可能な波長をもった光ビームを発生させ、
光ビーム走査装置は、ホログラム記録媒体に対する光ビームの照射方向が参照光の光路に沿った方向になるように、光ビームの走査を行い、
ホログラム記録媒体から得られるホログラムの再生光により線状パターンが投影されるようにしたものである。
【００１６】
(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係るスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体に、１本もしくは互いに平行な複数本の線状散乱体の像が記録されており、ホログラムの再生光により１本もしくは互いに平行な複数本の線を有する線状パターンが投影されるようにしたものである。
【００１７】
(3) 本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係るスキャナ装置において、
パターン走査機構が、
物体を載置する載置ステージと、
載置ステージを、線状パターンの構成要素となる線に直交する方向に移動させる搬送装置と、
を有するようにしたものである。
【００１８】
(4) 本発明の第４の態様は、上述した第２の態様に係るスキャナ装置において、
パターン走査機構が、
物体を載置する載置ステージと、
照明ユニットを載置ステージに対して、線状パターンの構成要素となる線に直交する方向に移動させる搬送装置と、
を有するようにしたものである。
【００１９】
(5) 本発明の第５の態様は、上述した第２の態様に係るスキャナ装置において、
パターン走査機構が、
照明ユニットから得られるホログラムの再生光の向きを変える光学系を有し、再生光によって投影される線状パターンを、その構成要素となる線に直交する方向に走査するようにしたものである。
【００２０】
(6) 本発明の第６の態様は、上述した第１の態様に係るスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体が複数の分割領域に分割されており、個々の分割領域には、それぞれ１本もしくは複数本の線状散乱体の像が記録されており、個々の分割領域から得られるホログラムの再生光により、それぞれ１本もしくは複数本の線を有する線状パターンが投影され、かつ、１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンと、別な１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンとが、空間上の異なる位置に形成されるようにしたものである。
【００２１】
(7) 本発明の第７の態様は、上述した第６の態様に係るスキャナ装置において、
光ビーム走査装置が、第１番目の分割領域、第２番目の分割領域、第３番目の分割領域、... 、というように、所定の順番で光ビームの走査を行い、第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域を走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に第ｉ番目の線状パターンが投影されるようにし、光ビーム走査装置が、パターン走査機構の役割を兼ねるようにしたものである。
【００２２】
(8) 本発明の第８の態様は、上述した第６または第７の態様に係るスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体が、横方向に細長い複数の分割領域が縦方向に並んで配置されるように分割されており、個々の分割領域の長手方向と個々の分割領域から得られる再生像の長手方向とが平行になるようにホログラムの記録が行われているようにしたものである。
【００２３】
(9) 本発明の第９の態様は、上述した第１〜第８の態様に係るスキャナ装置において、
光ビーム走査装置が、光ビームを所定の走査基点で屈曲させ、屈曲された光ビームをホログラム記録媒体に照射し、かつ、光ビームの屈曲態様を時間的に変化させることにより、屈曲された光ビームのホログラム記録媒体に対する照射位置を時間的に変化させ、
ホログラム記録媒体には、特定の収束点に収束する参照光または特定の収束点から発散する参照光を用いて散乱体の像がホログラムとして記録されており、
光ビーム走査装置が、収束点を走査基点として光ビームの走査を行うようにしたものである。
【００２４】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述した第９の態様に係るスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体に、収束点を頂点とした円錐の側面に沿って三次元的に収束もしくは発散する参照光を用いて散乱体の像が記録されているようにしたものである。
【００２５】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述した第９の態様に係るスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体に、収束点を含む平面に沿って二次元的に収束もしくは発散する参照光を用いて散乱体の像が記録されているようにしたものである。
【００２６】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述した第１〜第８の態様に係るスキャナ装置において、
光ビーム走査装置が、光ビームを平行移動させながらホログラム記録媒体に照射することにより、光ビームのホログラム記録媒体に対する照射位置を時間的に変化させ、
ホログラム記録媒体には、平行光束からなる参照光を用いて散乱体の像がホログラムとして記録されており、
光ビーム走査装置が、参照光に平行になる方向から光ビームをホログラム記録媒体に照射して、光ビームの走査を行うようにしたものである。
【００２７】
(13) 本発明の第１３の態様は、物体に光の線状パターンを投影し、当該物体の表面情報を取り込む物体の表面情報取得方法において、
線状パターンを構成するための散乱体の像をホログラムとして記録用媒体上に記録することによりホログラム記録媒体を作成する準備段階と、
ホログラム記録媒体から得られるホログラムの再生光の照射を受ける位置に物体を配置した状態で、ホログラム記録媒体上にコヒーレントな光ビームを照射し、かつ、照射位置が時間的に変化するように光ビームをホログラム記録媒体上で走査し、物体上に線状パターンを投影する投影段階と、
線状パターンが投影された物体を所定方向から撮影し、物体の表面情報を取り込む撮影段階と、
を行い、
準備段階では、コヒーレントな照明光を散乱体に照射し、散乱体から得られる散乱光を物体光として用い、所定光路に沿って記録用媒体に照射され、照明光と同一波長のコヒーレントな光を参照光として用い、物体光と参照光とによって形成される干渉縞を記録用媒体に記録することによりホログラム記録媒体を作成し、
投影段階では、散乱体の像を再生することが可能な波長をもった光ビームが、参照光の光路に沿った光路を通ってホログラム記録媒体上の照射位置へ向かうように走査を行うようにしたものである。
【００２８】
(14) 本発明の第１４の態様は、物体を光の線状パターンで走査し、当該物体の表面情報を取り込むスキャナ装置において、
物体に光の線状パターンを投影する照明ユニットと、
線状パターンの物体に対する投影位置を時間的に変化させるパターン走査機構と、
線状パターンが投影された物体を所定方向から撮影し、物体の表面情報を取り込む撮影ユニットと、
を設け、
照明ユニットが、
コヒーレントな光ビームを発生させるコヒーレント光源と、
多数の個別レンズの集合体からなるマイクロレンズアレイと、
光ビームをマイクロレンズアレイに照射し、かつ、光ビームのマイクロレンズアレイに対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置と、
を有し、
マイクロレンズアレイを構成する個別レンズは、それぞれが、光ビーム走査装置から照射された光を屈折させ、物体の近傍面に線状の照射領域を形成する機能を有し、かつ、いずれの個別レンズによって形成される照射領域も、上記近傍面上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されているようにしたものである。
【００２９】
(15) 本発明の第１５の態様は、物体を光の線状パターンで走査し、当該物体の表面情報を取り込むスキャナ装置において、
物体に光の線状パターンを投影する照明ユニットと、
線状パターンの物体に対する投影位置を時間的に変化させるパターン走査機構と、
線状パターンが投影された物体を所定方向から撮影し、物体の表面情報を取り込む撮影ユニットと、
を設け、
照明ユニットが、
コヒーレントな光ビームを発生させるコヒーレント光源と、
光ビームの向きもしくは位置またはその双方を制御することにより、ビーム走査を行う光ビーム走査装置と、
入射した光ビームを拡散して射出する光拡散素子と、
を有し、
光ビーム走査装置は、コヒーレント光源が発生した光ビームを、光拡散素子に向けて射出し、かつ、光ビームの光拡散素子に対する入射位置が時間的に変化するように走査し、
光拡散素子は、入射した光ビームを拡散させて物体の近傍面上に線状の照射領域を形成する機能を有し、かつ、光ビームの入射位置にかかわらず、形成される照射領域が、上記近傍面上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されているようにしたものである。
【００３０】
(16) 本発明の第１６の態様は、物体の三次元形状測定装置において、
物体に光の線状パターンを投影する照明ユニットと、
線状パターンが投影された物体を所定方向から撮影する撮影ユニットと、
撮影ユニットによる撮影画像上の線状パターンを解析することにより、物体の三次元形状データを作成する形状解析ユニットと、
を設け、
照明ユニットが、
コヒーレントな光ビームを発生させるコヒーレント光源と、
線状パターンに対応する形状をもった散乱体の像が記録されたホログラム記録媒体と、
光ビームをホログラム記録媒体に照射し、かつ、光ビームのホログラム記録媒体に対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置と、
を有し、
ホログラム記録媒体には、所定光路に沿って照射される参照光を用いて散乱体の像がホログラムとして記録されており、
コヒーレント光源は、散乱体の像を再生することが可能な波長をもった光ビームを発生させ、
光ビーム走査装置は、ホログラム記録媒体に対する光ビームの照射方向が参照光の光路に沿った方向になるように、光ビームの走査を行い、
ホログラム記録媒体から得られるホログラムの再生光により線状パターンが投影されるようにしたものである。
【００３１】
(17) 本発明の第１７の態様は、上述した第１６の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体に、１本もしくは複数本の線状散乱体の像が記録されており、ホログラムの再生光により１本もしくは複数本の線を有する線状パターンが投影されるようにしたものである。
【００３２】
(18) 本発明の第１８の態様は、上述した第１６の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体が複数の分割領域に分割されており、個々の分割領域には、それぞれ１本もしくは複数本の線状散乱体の像が記録されており、個々の分割領域から得られるホログラムの再生光により、それぞれ１本もしくは複数本の線を有する線状パターンが投影され、かつ、１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンと、別な１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンとが、空間上の異なる位置に形成されるようにしたものである。
【００３３】
(19) 本発明の第１９の態様は、上述した第１８の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
光ビーム走査装置が、第１番目の分割領域、第２番目の分割領域、第３番目の分割領域、... 、というように、所定の順番で光ビームの走査を行い、第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域を走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に第ｉ番目の線状パターンが投影されるようにし、物体に対する線状パターンの投影位置を時間的に変化させるようにしたものである。
【００３４】
(20) 本発明の第２０の態様は、上述した第１８または第１９の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体が、横方向に細長い複数の分割領域が縦方向に並んで配置されるように分割されており、個々の分割領域の長手方向と個々の分割領域から得られる再生像の長手方向とが平行になるようにホログラムの記録が行われているようにしたものである。
【００３５】
(21) 本発明の第２１の態様は、上述した第１６の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体に、横方向に伸びる線状散乱体を互いに平行になるように縦方向に複数並べた横方向格子状散乱体の像が記録されており、ホログラムの再生光により、互いに平行な複数の線を有する線状パターンが投影されるようにしたものである。
【００３６】
(22) 本発明の第２２の態様は、上述した第１６の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体に、横方向に伸びる線状散乱体を互いに平行になるように縦方向に複数並べた横方向格子状散乱体の像と、縦方向に伸びる線状散乱体を互いに平行になるように横方向に複数並べた縦方向格子状散乱体の像と、が重畳して記録されており、ホログラムの再生光により、網目格子状の線状パターンが投影されるようにしたものである。
【００３７】
(23) 本発明の第２３の態様は、上述した第１６の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
ホログラム記録媒体に、網目格子状散乱体の像が記録されており、ホログラムの再生光により、網目格子状の線状パターンが投影されるようにしたものである。
【００３８】
(24) 本発明の第２４の態様は、上述した第１６〜第２３の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
物体を載置する載置ステージと、
照明ユニットと載置ステージとについて、一方を他方に対して移動させる搬送装置と、
を更に設けるようにしたものである。
【００３９】
(25) 本発明の第２５の態様は、上述した第１６〜第２３の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
照明ユニットから得られるホログラムの再生光の向きを変える光学系を更に設け、再生光によって投影される線状パターンを走査するようにしたものである。
【００４０】
(26) 本発明の第２６の態様は、上述した第１６〜第２５の態様に係る物体の三次元形状測定装置において、
撮影ユニットが、それぞれ異なる方向から物体を撮影する複数台のカメラを有し、
形状解析ユニットが、複数台のカメラによって撮影された撮影画像上の線状パターンを解析することにより、物体の三次元形状データを作成するようにしたものである。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、コヒーレント光源を用いて物体に対する線状パターンの投影を行う機能をもち、かつ、物体表面でのスペックルの発生を抑制することが可能なスキャナ装置および物体の三次元形状測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る物体の三次元形状測定装置による測定原理を示す斜視図である。
【図２】図１に示す測定装置で撮影された撮影画像について行う画像解析の基本原理を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る物体の三次元形状測定装置の基本構成を示すブロック図である。
【図４】図３に示す照明ユニット１００内のホログラム記録媒体に像が記録されている線状散乱体３０の斜視図である。
【図５】本発明に係るスキャナ装置に組み込まれているホログラム記録媒体を作成するプロセスを示す光学系の配置図である。
【図６】図５に示すプロセスにおける参照光Ｌ２３の断面Ｓ１とホログラム感光媒体４０との位置関係を示す平面図である。
【図７】図５に示すプロセスにおける参照光Ｌ２３の別な断面Ｓ２とホログラム感光媒体４０との位置関係を示す平面図である。
【図８】図５に示す光学系における散乱体３０およびホログラム感光媒体４０の周囲の部分拡大図である。
【図９】図５に示すプロセスで作成されたホログラム記録媒体４５を用いて、散乱体の像３５を再生するプロセスを示す図である。
【図１０】図５に示すプロセスで作成されたホログラム記録媒体４５に対して、１本の光ビームのみを照射して散乱体の像３５を再生するプロセスを示す図である。
【図１１】図５に示すプロセスで作成されたホログラム記録媒体４５に対して、１本の光ビームのみを照射して散乱体の像３５を再生するプロセスを示す別な図である。
【図１２】図１０および図１１に示す再生プロセスにおける光ビームの照射位置を示す平面図である。
【図１３】本発明の基本的実施形態に係るスキャナ装置に用いる照明ユニット１００の構成を示す側面図である。
【図１４】図１３に示す照明ユニット１００を用いて、載置ステージ２１０を照明している状態を示す側面図である。
【図１５】図１３に示す照明ユニット１００を用いて物体Ｍ上に線状パターンＵを投影した状態を示す側面図である。
【図１６】図１３に示す照明ユニット１００におけるホログラム記録媒体４５上の光ビームの走査態様の第１の例を示す平面図である。
【図１７】図１３に示す照明ユニット１００におけるホログラム記録媒体４５上の光ビームの走査態様の第２の例を示す平面図である。
【図１８】図１３に示す照明ユニット１００におけるホログラム記録媒体４５上の光ビームの走査態様の第３の例を示す平面図である。
【図１９】図１３に示す照明ユニット１００におけるホログラム記録媒体４５上の光ビームの走査態様の第４の例を示す平面図である。
【図２０】帯状のホログラム記録媒体８５を用いた場合の光ビームの走査態様を示す平面図である。
【図２１】図２０に示す帯状のホログラム記録媒体８５を作成するプロセスを示す光学系の配置図である。
【図２２】本発明に係るスキャナ装置の構成要素であるホログラム記録媒体を、ＣＧＨの手法で作成する原理を示す側面図である。
【図２３】図２２に示されている仮想の散乱体３０′の正面図である。
【図２４】本発明によりスペックルの低減効果が得られた実験結果を示す表である。
【図２５】本発明に係るスキャナ装置の変形例に用いるホログラム記録媒体８８を示す平面図である。
【図２６】図２５に示すホログラム記録媒体８８上の光ビームの走査態様を示す平面図である。
【図２７】図２５に示すホログラム記録媒体８８の再生像によって、載置ステージ２１０上の受光面Ｒに形成される線状パターンＵを示す平面図である。
【図２８】本発明の変形例に係るスキャナ装置に用いるホログラム記録媒体に記録する第１の散乱体３０Ａの形状を示す平面図である。
【図２９】本発明の変形例に係るスキャナ装置に用いるホログラム記録媒体に記録する第２の散乱体３０Ｂの形状を示す平面図である。
【図３０】本発明の変形例に係るスキャナ装置に用いるホログラム記録媒体に記録する第３の散乱体３０Ｃの形状を示す平面図である。
【図３１】収束参照光を用いて反射型のホログラム記録媒体を作成するプロセスを示す側面図である。
【図３２】図３１に示す方法で作成された反射型のホログラム記録媒体４５の再生プロセスを示す側面図である。
【図３３】収束参照光を用いて透過型のホログラム記録媒体を作成するプロセスを示す側面図である。
【図３４】図３３に示す方法で作成された透過型のホログラム記録媒体４５の再生プロセスを示す側面図である。
【図３５】発散参照光を用いてホログラム記録媒体を作成する場合の準備プロセスを示す側面図である。
【図３６】図３５の準備プロセスで作成された準備用ホログラム記録媒体９５の再生プロセスを示す側面図である。
【図３７】発散参照光を用いて反射型のホログラム記録媒体を作成するプロセスを示す側面図である。
【図３８】発散参照光を用いて透過型のホログラム記録媒体を作成するプロセスを示す側面図である。
【図３９】発散参照光を用いてホログラム記録媒体を作成する場合の別な準備プロセスを示す側面図である。
【図４０】図３９の準備プロセスで作成された準備用ホログラム記録媒体９５の再生プロセスを示す側面図である。
【図４１】本発明の変形例に係るスキャナ装置の構成要素であるホログラム記録媒体を作成するプロセスを示す光学系の配置図である。
【図４２】本発明の変形例に係るスキャナ装置に用いる照明ユニット１１０の基本構成を示す側面図である。
【図４３】本発明の別な変形例に係るスキャナ装置に用いる照明ユニット１２０の基本構成を示す側面図である。
【図４４】図４３に示す照明ユニット１２０の動作原理を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００４４】
＜＜＜ §１．本発明に係る三次元形状測定装置の基本構成 ＞＞＞
本発明は、コヒーレント光源を用いたスキャナ装置およびこれを利用した物体の三次元形状測定装置に係るものである。そこで、ここでは、本発明に係る三次元形状測定装置の基本構成を説明する。
【００４５】
図１は、本発明に係る物体の三次元形状測定装置による測定原理を示す斜視図である。ここでは、照明ユニット１００からの照明を用いて、半球状の物体Ｍの三次元形状を測定する例が示されている。図示のとおり、物体Ｍは載置ステージ２１０の上面に置かれており、この載置ステージ２１０を図の白矢印で示す方向に移動させると、物体Ｍも同方向に移動する。一方、物体Ｍの上方には照明ユニット１００が配置されており、物体Ｍに対して線状パターンＵを投影する。この線状パターンＵは、図では、便宜上、黒い太線で示しているが、実際には、載置ステージ２１０上に形成される帯状の照明領域である。
【００４６】
また、載置ステージ２１０の上方には、３台のカメラ３０１，３０２，３０３が配置されており、線状パターンＵが投影された物体Ｍをそれぞれ異なる方向から撮影できる。３台のカメラ３０１，３０２，３０３は、載置ステージ２１０に取り付けられており、載置ステージ２１０の移動に伴って移動する。載置ステージ２１０を、図に白矢印で示す方向（通常は、線状パターンＵに直交する方向）に所定のステップで移動させながら、３台のカメラ３０１，３０２，３０３で物体Ｍを撮影すれば、線状パターンＵを物体Ｍの表面の様々な位置に投影した状態の撮影画像が得られる。
【００４７】
図２は、こうして得られた多数の撮影画像を解析して、物体Ｍの三次元形状に関する情報を得る処理の基本原理を示すブロック図である。図２の左に示す画像Ｇ（３０１，ｉ）は第１のカメラ３０１による撮影画像であり、中央に示す画像Ｇ（３０２，ｉ）は第２のカメラ３０２による撮影画像であり、右に示す画像Ｇ（３０３，ｉ）は第３のカメラ３０３による撮影画像である。ここで、ｉは、載置ステージ２１０を移動させたステップ数を示すパラメータであり、たとえば、画像Ｇ（３０１，ｉ）は、第ｉ番目の移動ステップにおける第１のカメラ３１０の撮影画像を意味している。
【００４８】
ステップ数ｉが共通の３枚の撮影画像は、同一の被写体（物体Ｍと線状パターンＵ）についての撮影画像であるが、撮影方向がそれぞれ異なるため、画像上に現れる線状パターンＵの位置や形状は互いに異なる。そこで、３台のカメラ３０１，３０２，３０３の物体Ｍに対する幾何学的な配置情報を考慮しながら、各撮影画像に現れる線状パターンＵを解析することにより、物体Ｍの三次元形状データＴを得ることができる。
【００４９】
図３は、本発明に係る物体の三次元形状測定装置の基本構成を示すブロック図である。図示のとおり、この測定装置は、照明ユニット１００，パターン走査機構２００，撮影ユニット３００，形状解析ユニット４００を備えている。照明ユニット１００は、図１に例示するように、物体Ｍに光の線状パターンＵを投影する機能を果たす。
【００５０】
パターン走査機構２００は、線状パターンＵの物体Ｍに対する投影位置を時間的に変化させる機能を有し、図示の基本的な実施形態の場合、載置ステージ２１０と搬送装置２２０によって構成されている。載置ステージ２１０は、図１に示すように、上に物体Ｍを載置するための構造体であり、搬送装置２２０は、この載置ステージ２１０を、図の白矢印に示す方向に移動させる装置である。この搬送装置２２０は、たとえば、ベルトコンベアなどで構成することができる。載置ステージ２１０を移動させる方向は、線状パターンＵの構成要素となる線に平行な方向でなければ、任意の方向でよいが、実用上は、物体Ｍに対する効率的な走査を行うために、線状パターンＵの構成要素となる線に直交する方向に移動させるのが好ましい。図１に示す実施形態では、そのような向きへの移動が可能になるように、照明ユニット１００の位置や向きが調整されている。
【００５１】
一方、撮影ユニット３００は、線状パターンＵが投影された物体Ｍを所定方向から撮影し、物体Ｍの表面情報を取り込む機能を果たす。図１に示す例は、３台のカメラ３０１，３０２，３０３（ＣＣＤカメラなど）を撮影ユニット３００として用いた例であるが、用いるカメラの台数は３台に限定されるわけではなく、物体Ｍの形状や必要な三次元形状データの内容などに応じて必要な台数を用意すればよい。場合によっては１台のカメラだけで足りることもあるが、一般的には、複数台のカメラを用意し、それぞれ異なる方向から物体Ｍを撮影できる構成を採るのが好ましい。
【００５２】
また、形状解析ユニット４００は、図２に示すとおり、撮影ユニット３００（３台のカメラ３０１〜３０３）によって撮影された撮影画像Ｇ上の線状パターンＵを解析することにより、物体Ｍの三次元形状データＴを作成する処理を行う。すなわち、形状解析ユニット４００は、撮影ユニット３００から与えられる撮影画像Ｇをデジタルデータとして取り込み、撮影ユニット３００に関する幾何学的情報（３台のカメラ３０１〜３０３の位置、向き、撮影の光学的な条件）を参照して所定のアルゴリズムに基づく演算を行い、物体Ｍの三次元形状データＴを求める機能を有している。
【００５３】
実際には、この形状解析ユニット４００は、コンピュータに専用の形状解析用プログラムを組み込むことによって構成される。このような形状解析の具体的な方法については、前述したとおり、光切断法として様々なアルゴリズムが知られており（たとえば、Model-based Analysis and Evaluation of Point Sets from Optical 3D Laser Scanners、Shaker Verlag GmbH, Germany (2007年12月17日刊行）：ISBN-13: 978-3832267759 には、三次元形状測定の基礎原理から、具体的なレーザスキャンの方法まで、詳細な記載がなされている）、また、本発明の特徴には直接関係しない部分であるため、ここでは詳しい説明は省略する。
【００５４】
結局、図３に示す測定装置において、照明ユニット１００，パターン走査機構２００，撮影ユニット３００の部分は、物体Ｍを光の線状パターンＵで走査し、当該物体Ｍの表面情報を取り込むスキャナ装置としての役割を果たす。図３に示す測定装置は、このようなスキャナ装置によって得られる物体Ｍの表面情報を解析して、三次元形状データＴを作成する形状解析ユニット４００を更に付加した装置ということができる。
【００５５】
なお、線状パターンＵを走査する必要がない三次元形状測定装置の場合は、パターン走査機構２００を省略することができる。たとえば、図１に示すように、半球状の物体Ｍを被測定対象として、その頂点を通る円周の形状のみを測定すれば足りる用途に用いる場合、図示のように物体Ｍの頂点を通る線状パターンＵを投影した状態の撮影画像が得られれば十分なので、パターン走査機構２００を省略しても支障はない。また、後に＜５−４＞で述べる変形例の場合も、パターン走査機構２００を省略できる。
【００５６】
以上、図１〜図３を参照して、本発明に係るスキャナ装置および三次元形状測定装置の基本構成を説明したが、本発明の本質的な特徴は、これらの構成要素のうち、照明ユニット１００の部分にある。照明ユニット１００は、物体Ｍに線状パターンＵを投影するための構成要素である。ここで、線状パターンＵは、形状解析ユニット４００における画像解析において重要な指標を与える要素になるため、できるだけ鮮明な一様パターンであり、かつ、できるだけ輝度の高いパターンであることが望ましい。
【００５７】
すなわち、形状解析ユニット４００における画像解析では、まず、図２に示すような各撮影画像Ｇから、線状パターンＵの領域を認識し、これを抽出する必要がある。幾何学的な解析は、こうして抽出された線状パターンＵに対して行われる。このため、線状パターンＵが不鮮明であったり、輝度が低かったりすると、撮影画像Ｇ上において、線状パターンＵの領域と他の領域との識別が困難になり、正しい領域抽出を行うことができない。
【００５８】
そこで、従来装置では、レンズなどの光学系を用いて光を集光して線状パターンＵを形成したり、光源からの光をスリットに通して線状パターンＵを形成したりする方法を採り、必要に応じて、高圧水銀ランプなどの高輝度光源を利用する工夫を行っていた。しかしながら、既に述べたとおり、このような方法では、必ずしも十分な線状パターンＵを形成することができず、また、高輝度光源の寿命が比較的短いという問題も発生する。
【００５９】
これに対して、レーザ光源などのコヒーレント光源を用いて照明ユニット１００を構成すれば、上記問題を解決することができる。コヒーレント光源は、指向性に優れた光を発生することができるため、たとえば、載置ステージ２１０上をレーザビームで直線状に走査すれば、輪郭が極めて鮮明な線状パターンＵを形成することができる。また、コヒーレント光源は、高輝度の光を発生させることができるため、撮影画像Ｇ上において、線状パターンＵの領域と他の領域との識別が容易になる。しかも、コヒーレント光源は、単色性に優れているため、撮影画像Ｇ上において、色を基準として個々の画素をふるい分けることにより、線状パターンＵの領域のみを抽出することが可能になる。また、半導体レーザなどのコヒーレント光源は、高圧水銀ランプなどに比べて極めて長寿命であり、しかも小型化を図ることができる利点もある。
【００６０】
このような観点に関する限り、コヒーレント光源は、スキャナ装置や三次元形状測定装置に組み込む照明ユニット用の光源として、理想的な光源と言うことができる。しかしながら、既に述べたとおり、コヒーレント光源を用いた照明には、スペックルの発生という新たな問題が生じる。
【００６１】
実際、図１に示す構成において、照明ユニット１００内にレーザ光源を組み込み、載置ステージ２１０上でレーザビームを走査して線状パターンＵを投影した場合、得られる線状パターンＵにはギラギラしたスペックルが出現する。したがって、このような線状パターンＵを用いて撮影ユニット３００による撮影を行うと、得られる撮影画像上の線状パターンＵの部分には、斑点状の輝度ムラが生じてしまい、何らかの画像処理を施さないと、線状パターンＵの領域のみを正確に抽出することができなくなる。
【００６２】
もちろん、スペックルノイズを低減させるための工夫として、前掲公報には、レーザ光を散乱板に当て、この散乱板を回転させたり、振動させたりする方法が開示されているが、この方法では、大掛かりな機械的駆動機構が必要であり、装置全体が大型化するとともに、消費電力も増加するという問題がある点は、既に述べたとおりである。
【００６３】
本願発明者は、レーザ光源のようなコヒーレント光源を採用しつつ、特有の工夫を施すことにより、スペックルを効果的に低減させるユニークな方法の着想を得た。本発明に係る照明ユニット１００は、このような着想に基づく特徴を有している。
【００６４】
本願発明者の最初の着想は、図１に示す構成において、線状パターンＵを、細長い散乱体のホログラム再生像によって形成する、というアイデアである。たとえば、図４に示すような線状散乱体３０を用意する。この散乱体３０は、入射した照明光を表面もしくは内部で一様に散乱させる性質をもった物体であれば、どのようなものでもかまわない。ホログラムは、コヒーレント光を用いて、任意の物体の再生像を任意の空間上に再生する技術であり、物体の三次元像を媒体上に記録する技術である。
【００６５】
そこで、まず、準備段階として、図４に示すような線状散乱体３０を用意し、その三次元像をホログラムとして記録媒体に記録しておく。そして、照明ユニット１００の内部には、このような記録が行われたホログラム記録媒体とその再生に必要な構成要素を組み込んでおき、投影段階では、線状散乱体３０の再生像によって線状パターンＵを形成する。たとえば、図１に示す例の場合、照明ユニット１００から図の下方に照射されている照明光は、図４に示す線状散乱体３０の再生光ということになる。
【００６６】
ここで、再生像の形成位置が、載置ステージ２１０の上面になるように調整しておけば、載置ステージ２１０の上面には、線状散乱体３０の再生像として、線状パターンＵが形成されることになり、物体Ｍ上に投影される線状パターンＵは、この再生像を形成するための再生光によって生じたパターンということになる。このようにコヒーレント光によって生じた線状パターンＵは、高い輝度をもち、単色性に優れ、その輪郭も鮮明なものになる。しかも、散乱体３０の再生像によってパターンが形成されるため、全体的に一様な輝度をもったパターンが得られる。
【００６７】
ただ、ホログラム再生像を得るためにコヒーレント光を用いているため、何らかの工夫を施さないとスペックルの発生は免れない。そこで、本願発明者は、スペックルを低減するための更なる工夫についての着想を得た。その基本概念は、ホログラムを再生する際に、ホログラム記録媒体をコヒーレントな光ビーム（再生用照明光）で走査し、再生に寄与する媒体上の領域が、時間とともに変化するようにする、というものである。このような方法で再生像を得ると、ホログラム記録媒体から照射される再生光の向きが時間的に変化するため、スペックルの発生要因が時間的に分散し、結果的に、スペックルの発生を抑制する効果が得られる。以下、このような工夫について詳述する。
【００６８】
＜＜＜ §２．本発明に用いるホログラム記録媒体 ＞＞＞
はじめに、本発明の基本的実施形態に係るスキャナ装置（あるいは物体の三次元形状測定装置）に組み込まれる照明ユニット１００について、その構成要素として用いるホログラム記録媒体の特徴を説明する。図５は、このホログラム記録媒体を作成するプロセスを示す光学系の配置図である。この光学系により、散乱体の像が記録されたホログラム記録媒体が作成される。
【００６９】
図の右上に示されているコヒーレント光源１０は、コヒーレントな光ビームＬ１０を生成する光源であり、実際には、断面が円形をした単色レーザ光を発生するレーザ光源が用いられている。このレーザ光源で生成されたコヒーレントな光ビームＬ１０は、ビームスプリッタ２０で２本のビームに分けられる。すなわち、光ビームＬ１０の一部は、そのままビームスプリッタ２０を透過して図の下方へと導かれ、残りの一部は、ビームスプリッタ２０で反射して光ビームＬ２０として図の左方へと導かれる。
【００７０】
ビームスプリッタ２０を透過した光ビームＬ１０は、散乱体の物体光Ｌobj を発生させる役割を果たす。すなわち、図の下方へと進んだ光ビームＬ１０は、反射鏡１１で反射して光ビームＬ１１となり、更に、ビームエキスパンダー１２によって径が広げられ、平行光束Ｌ１２を構成し、散乱体３０の右側の面の全領域に照射される。
【００７１】
散乱体３０は、図４の斜視図に示されているような細長い線状散乱体である。この線状散乱体３０の形状は、載置ステージ２１０上に形成する線状パターンＵに対応する形状にしておけばよい。以下の図では、図示の便宜上、図４に示す線状散乱体３０の形状をデフォルメして（全長を縮めて）示してある。
【００７２】
この散乱体３０としては、一般に光学的拡散板と呼ばれている、照射された光を散乱する性質をもった板状材料を用いればよい。ここに示す実施例の場合、内部に光を散乱するための微小粒子（光の散乱体）が練り込まれた透過型散乱体（たとえば、オパールガラス板）を用いている。したがって、図示のとおり、散乱体３０の右側の面に照射された平行光束Ｌ１２は、散乱体３０を透過して、左側の面から散乱光Ｌ３０として射出する。この散乱光Ｌ３０は、散乱体３０の物体光Ｌobj を構成する。
【００７３】
一方、ビームスプリッタ２０で反射した光ビームＬ２０は、参照光Ｌref を発生させる役割を果たす。すなわち、ビームスプリッタ２０から図の左方へと進んだ光ビームＬ２０は、反射鏡２１で反射して光ビームＬ２１となり、更に、ビームエキスパンダー２２によって径が広げられ、平行光束Ｌ２２を構成し、点Ｃを焦点とする凸レンズ２３で屈折された後にホログラム感光媒体４０に照射される。なお、平行光束Ｌ２２は、必ずしも厳密な平行光線の集合でなくても、ほぼ平行な光線の集合であれば、実用上は問題ない。ホログラム感光媒体４０は、ホログラム像を記録するために用いる感光性の媒体である。このホログラム感光媒体４０への照射光Ｌ２３は、参照光Ｌref を構成する。
【００７４】
結局、ホログラム感光媒体４０には、散乱体３０の物体光Ｌobj と、参照光Ｌref とが照射されることになる。ここで、物体光Ｌobj および参照光Ｌref は、いずれもコヒーレント光源１０（レーザ光源）で生成された同一波長λをもったコヒーレント光であるから、ホログラム感光媒体４０には、両者の干渉縞が記録されることになる。別言すれば、ホログラム感光媒体４０には、散乱体３０の像がホログラムとして記録される。
【００７５】
図６は、図５に示す参照光Ｌ２３（Ｌref ）の断面Ｓ１とホログラム感光媒体４０との位置関係を示す平面図である。ビームエキスパンダー２２によって径が広げられた平行光束Ｌ２２は円形断面を有しているため、凸レンズ２３で集光された参照光Ｌref は、レンズの焦点Ｃを頂点とする円錐状に収束する。ただ、図５に示す例では、ホログラム感光媒体４０が、この円錐の中心軸に対して斜めに配置されているため、参照光Ｌ２３（Ｌref ）をホログラム感光媒体４０の表面で切断した断面Ｓ１は、図６に示すように楕円になる。
【００７６】
このように、図６に示す例では、参照光Ｌref は、ホログラム感光媒体４０の全領域のうち、図にハッチングを示す領域内にのみ照射されるので、散乱体３０のホログラムは、このハッチングを施した領域内にのみ記録されることになる。もちろん、ビームエキスパンダー２２によって径がより大きな平行光束Ｌ２２を生成し、径がより大きな凸レンズ２３を用いれば、図７に示す例のように、参照光Ｌref の断面Ｓ２内に、ホログラム感光媒体４０がそっくり含まれるようにすることもできる。この場合、図にハッチングを施したように、ホログラム感光媒体４０の全面に散乱体３０のホログラムが記録される。本発明に用いるホログラム記録媒体を作成する上では、図６，図７のいずれの形態で記録を行ってもかまわない。
【００７７】
続いて、散乱体３０の像が、ホログラム感光媒体４０上に記録される光学的なプロセスを、より詳しく見てみよう。図８は、図５に示す光学系における散乱体３０およびホログラム感光媒体４０の周囲の部分拡大図である。上述したように、参照光Ｌref は、円形断面を有する平行光束Ｌ２２を、焦点Ｃをもつ凸レンズ２３で集光したものであり、焦点Ｃを頂点とする円錐状に収束する。そこで、以下、この焦点Ｃを収束点と呼ぶことにする。ホログラム感光媒体４０に照射される参照光Ｌ２３（Ｌref ）は、図示のとおり、この収束点Ｃに収束する光ということになる。
【００７８】
一方、散乱体３０から発せられる光（物体光Ｌobj ）は散乱光であるから、様々な方向に向かうことになる。たとえば、図示のように、散乱体３０の左側面の上端に物体点Ｑ１を考えると、この物体点Ｑ１からは、四方八方に散乱光が射出される。同様に、任意の物体点Ｑ２やＱ３からも、四方八方に散乱光が射出される。したがって、ホログラム感光媒体４０内の任意の点Ｐ１に着目すると、物体点Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３からの物体光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３と収束点Ｃへ向かう参照光Ｌref との干渉縞の情報が記録されることになる。もちろん、実際には、散乱体３０上の物体点は、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３だけではないので、散乱体３０上のすべての物体点からの情報が、同様に、参照光Ｌref との干渉縞の情報として記録される。別言すれば、図示の点Ｐ１には、散乱体３０の全情報が記録されることになる。また、全く同様に、図示の点Ｐ２にも、散乱体３０の全情報が記録される。このように、ホログラム感光媒体４０内のいずれの部分にも、散乱体３０の全情報が記録されることになる。これがホログラムの本質である。
【００７９】
さて、このような方法で、散乱体３０の情報が記録されたホログラム感光媒体４０を、以下、ホログラム記録媒体４５と呼ぶことにする。このホログラム記録媒体４５を再生して、散乱体３０のホログラム再生像を得るためには、記録時に用いた光と同一波長のコヒーレント光を、記録時の参照光Ｌref に応じた方向から、再生用照明光として照射すればよい。
【００８０】
図９は、図８に示すプロセスで作成されたホログラム記録媒体４５を用いて、散乱体の像３５を再生するプロセスを示す図である。図示のとおり、ホログラム記録媒体４５に対して、下方から再生用照明光Ｌrep が照射されている。この再生用照明光Ｌrep は、収束点Ｃに位置する点光源から球面波として発散するコヒーレント光であり、その一部分は、図示のように円錐状に広がりながらホログラム記録媒体４５を照射する光になる。また、この再生用照明光Ｌrep の波長は、ホログラム記録媒体４５の記録時の波長（すなわち、図５に示すコヒーレント光源１０が発生するコヒーレント光の波長）に等しい。
【００８１】
ここで、図９に示すホログラム記録媒体４５と収束点Ｃとの位置関係は、図８に示すホログラム感光媒体４０と収束点Ｃとの位置関係と全く同じである。したがって、図９に示す再生用照明光Ｌrep は、図８に示す参照光Ｌref の光路を逆進する光に対応する。このような条件を満たす再生用照明光Ｌrep をホログラム記録媒体４５に照射すると、その回折光Ｌ４５（Ｌdif ）によって、散乱体３０のホログラム再生像３５（図では、破線で示す）が得られる。図９に示すホログラム記録媒体４５と再生像３５との位置関係は、図８に示すホログラム感光媒体４０と散乱体３０との位置関係と全く同じである。
【００８２】
このように、任意の物体の像をホログラムとして記録し、これを再生する技術は、古くから実用化されている公知の技術である。ただ、一般的な用途に利用するホログラム記録媒体を作成する場合、参照光Ｌref として平行光束が用いられる。平行光束からなる参照光Ｌref を用いて記録したホログラムは、再生時にも、平行光束からなる再生用照明光Ｌrepを利用すればよいので、利便性に優れている。
【００８３】
これに対して、図８に示すように、収束点Ｃに収束する光を参照光Ｌref として利用すると、再生時には、図９に示すように、収束点Ｃから発散する光を再生用照明光Ｌrep として用いる必要がある。実際、図９に示すような再生用照明光Ｌrep を得るためには、特定の位置にレンズなどの光学系を配置する必要がある。また、再生時のホログラム記録媒体４５と収束点Ｃとの位置関係が、記録時のホログラム感光媒体４０と収束点Ｃとの位置関係に一致していないと、正確な再生像３５が得られなくなるので、再生時の照明条件が限定されてしまう（平行光束を用いて再生する場合であれば、照明条件は照射角度だけが満足されていればよい）。
【００８４】
このような理由から、収束点Ｃに収束する参照光Ｌrefを用いて作成したホログラム記録媒体は、一般的な用途には不向きである。それにもかかわらず、ここに示す実施形態において、収束点Ｃに収束する光を参照光Ｌref として用いる理由は、再生時に行う光ビーム走査を容易にするためである。すなわち、図９では、説明の便宜上、収束点Ｃから発散する再生用照明光Ｌrep を用いて散乱体３０の再生像３５を生成する方法を示したが、本発明では、実際には、図示のように円錐状に広がる再生用照明光Ｌrep を用いた再生は行わない。その代わりに、光ビームを走査するという方法を採る。以下、この方法を詳しく説明する。
【００８５】
図１０は、図８に示すプロセスで作成されたホログラム記録媒体４５に対して、１本の光ビームのみを照射して散乱体３０の像３５を再生するプロセスを示す図である。すなわち、この例では、収束点Ｃから媒体内の１点Ｐ１に向かう１本の光ビームＬ６１のみが再生用照明光Ｌrep として与えられる。もちろん、光ビームＬ６１は、記録時の光と同じ波長をもったコヒーレント光である。既に図８を参照して説明したとおり、ホログラム記録媒体４５内の任意の点Ｐ１には、散乱体３０全体の情報が記録されている。したがって、図１０の点Ｐ１の位置に対して、記録時に用いた参照光Ｌref に対応した条件で再生用照明光Ｌrep を照射すれば、この点Ｐ１の近傍に記録されている干渉縞のみを用いて、散乱体３０の再生像３５を生成することが可能である。図１０には、点Ｐ１からの回折光Ｌ４５（Ｌdif ）によって、再生像３５が再生された状態が示されている。
【００８６】
一方、図１１は、収束点Ｃから媒体内の別な点Ｐ２に向かう１本の光ビームＬ６２のみを再生用照明光Ｌrep として与えた例である。この場合も、点Ｐ２には、散乱体３０全体の情報が記録されているので、点Ｐ２の位置に対して、記録時に用いた参照光Ｌref に対応した条件で再生用照明光Ｌrep を照射すれば、この点Ｐ２の近傍に記録されている干渉縞のみを用いて、散乱体３０の再生像３５を生成することが可能である。図１１には、点Ｐ２からの回折光Ｌ４５（Ｌdif ）によって、再生像３５が再生された状態が示されている。図１０に示す再生像３５も、図１１に示す再生像３５も、同じ散乱体３０を原画像とするものであるから、理論的には、同じ位置に生成される同じ再生像ということになる。
【００８７】
図１２は、図１０および図１１に示す再生プロセスにおける光ビームの照射位置を示す平面図である。図１２の点Ｐ１は、図１０の点Ｐ１に対応し、図１２の点Ｐ２は、図１１の点Ｐ２に対応する。Ａ１，Ａ２は、それぞれ再生用照明光Ｌrep の断面を示している。断面Ａ１，Ａ２の形状および大きさは、光ビームＬ６１，Ｌ６２の断面の形状および大きさに依存する。また、ホログラム記録媒体４５上の照射位置にも依存する。ここでは、便宜上、円形の断面Ａ１，Ａ２を示しているが、実際には、円形断面をもつ光ビームＬ６１，Ｌ６２を用いた場合、断面形状は照射位置に応じて扁平した楕円になる。
【００８８】
このように、図１２に示す点Ｐ１近傍と、点Ｐ２近傍では、それぞれ記録されている干渉縞の内容は全く異なるものであるが、いずれの点に再生用照明光Ｌrep となる光ビームを照射した場合でも、同じ位置に同じ再生像３５が得られることになる。これは、再生用照明光Ｌrep が収束点Ｃから各点Ｐ１，Ｐ２に向かう光ビームであるため、いずれの点についても、図８に示す記録時の参照光Ｌref の向きに応じた向きの再生用照明光Ｌrep が与えられるためである。
【００８９】
図１２には、２つの点Ｐ１，Ｐ２のみを例示したが、もちろん、ホログラム記録媒体４５上の任意の点についても同様のことが言える。したがって、ホログラム記録媒体４５上の任意の点に光ビームを照射した場合、当該光ビームが収束点Ｃからの光である限り、同一位置に同一の再生像３５が得られることになる。もっとも、図６に示すように、ホログラム感光媒体４０の一部分の領域（図にハッチングを施して示す領域）にのみホログラムを記録した場合、再生像３５が得られるのは、当該領域内の点に光ビームを照射した場合に限られる。
【００９０】
結局、ここで述べたホログラム記録媒体４５は、特定の収束点Ｃに収束する参照光Ｌref を用いて散乱体３０の像がホログラムとして記録されている媒体であり、この収束点Ｃを通る光ビームを再生用照明光Ｌrep として任意の位置に照射すると、散乱体３０の再生像３５が生成される、という特徴を有している。したがって、再生用照明光Ｌrep として、収束点Ｃを通る光ビームを、ホログラム記録媒体４５上で走査すると、個々の照射箇所から得られる回折光Ｌdif によって、同一の再生像３５が同一位置に再生されることになる。
【００９１】
＜＜＜ §３．本発明の基本的実施形態に係る照明ユニット ＞＞＞
本発明の特徴は、スキャナ装置あるいは物体の三次元形状測定装置に、スペックル抑制機能をもった特有の照明ユニットを採用した点にある。そこで、ここでは、本発明の基本的実施形態に係る照明ユニット１００の構成を、図１３の側面図を参照しながら説明する。図示のとおり、この照明ユニット１００は、ホログラム記録媒体４５、コヒーレント光源５０、光ビーム走査装置６０によって構成されている。
【００９２】
ここで、ホログラム記録媒体４５は、§２で述べた特徴を有する媒体であり、散乱体３０の像３５が記録されている。また、コヒーレント光源５０は、ホログラム記録媒体４５を作成する際に用いた光（物体光Ｌobj および参照光Ｌref ）の波長と同一波長をもつコヒーレントな光ビームＬ５０を発生させる光源である。
【００９３】
一方、光ビーム走査装置６０は、コヒーレント光源５０が発生した光ビームＬ５０を、所定の走査基点Ｂで屈曲させてホログラム記録媒体４５に照射し、かつ、光ビームＬ５０の屈曲態様を時間的に変化させることにより、屈曲された光ビームＬ６０のホログラム記録媒体４５に対する照射位置が時間的に変化するように走査する装置である。このような装置は、一般に、走査型ミラーデバイスとして公知の装置である。図には、説明の便宜上、時刻ｔ１における屈曲態様を一点鎖線で示し、時刻ｔ２における屈曲態様を二点鎖線で示している。すなわち、時刻ｔ１では、光ビームＬ５０は走査基点Ｂで屈曲し、光ビームＬ６０（ｔ１）としてホログラム記録媒体４５の点Ｐ（ｔ１）に照射されるが、時刻ｔ２では、光ビームＬ５０は、走査基点Ｂで屈曲し光ビームＬ６０（ｔ２）としてホログラム記録媒体４５の点Ｐ（ｔ２）に照射される。
【００９４】
図には、便宜上、時刻ｔ１，ｔ２の２つの時点における屈曲態様しか示されていないが、実際には、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームの屈曲方向は滑らかに変化し、光ビームＬ６０のホログラム記録媒体４５に対する照射位置は、図の点Ｐ（ｔ１）〜Ｐ（ｔ２）へと徐々に移動してゆくことになる。すなわち、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームＬ６０の照射位置は、ホログラム記録媒体４５上において点Ｐ（ｔ１）〜Ｐ（ｔ２）へと走査されることになる。
【００９５】
ここで、走査基点Ｂの位置を、図８に示す収束点Ｃの位置に一致させておけば（別言すれば、図１３におけるホログラム記録媒体４５と走査基点Ｂとの位置関係が、図８におけるホログラム感光媒体４０と収束点Ｃとの位置関係に等しくなるようにしておけば）、ホログラム記録媒体４５の各照射位置において、光ビームＬ６０は、図８に示す参照光Ｌref に応じた向き（図８に示す参照光Ｌref の光路を逆進する向き）に照射されることになる。したがって、光ビームＬ６０は、ホログラム記録媒体４５の各照射位置において、そこに記録されているホログラムを再生するための正しい再生用照明光Ｌrep として機能する。
【００９６】
たとえば、時刻ｔ１では、点Ｐ（ｔ１）からの回折光Ｌ４５（ｔ１）によって、散乱体３０の再生像３５が生成され、時刻ｔ２では、点Ｐ（ｔ２）からの回折光Ｌ４５（ｔ２）によって、散乱体３０の再生像３５が生成される。もちろん、時刻ｔ１〜ｔ２の期間においても、光ビームＬ６０が照射された個々の位置からの回折光によって、同様に散乱体３０の再生像３５が生成される。すなわち、光ビームＬ６０が、走査基点Ｂからホログラム記録媒体４５へ向かう光である限り、ホログラム記録媒体４５上のどの位置に光ビームＬ６０が照射されたとしても、照射位置からの回折光によって、同一の再生像３５が同一位置に生成されることになる。
【００９７】
このような現象が起こるのは、図８に示すとおり、ホログラム記録媒体４５には、特定の収束点Ｃに収束する参照光Ｌ２３を用いて散乱体３０の像がホログラムとして記録されており、光ビーム走査装置６０が、この収束点Ｃを走査基点Ｂとして光ビームＬ６０の走査を行うためである。もちろん、光ビーム走査装置６０による走査を停止して、光ビームＬ６０の照射位置をホログラム記録媒体４５上の１点に固定したとしても、同じ再生像３５が同一位置に生成され続けることに変わりはない。それにもかかわらず、光ビームＬ６０を走査するのは、スペックルノイズを抑制するために他ならない。
【００９８】
図１４は、図１３に示す照明ユニット１００を用いて、載置ステージ２１０を照明している状態を示す側面図である。ここでは、図示の便宜上、右端に配置された載置ステージ２１０を左方から照明する状態が示されているが、図１に示す三次元形状測定装置に用いる場合、照明ユニット１００は、下方に配置された載置ステージ２１０を上方から照明することになる。
【００９９】
既に述べたとおり、照明ユニット１００は、ホログラム記録媒体４５から得られる散乱体の像３５の再生光を照明光として用いる装置である。ここでは、載置ステージ２１０の左側の面（図１に示す構成の場合は上面）を照明ユニット１００によって照明するために、図示のように、散乱体の再生像３５の左側面に載置ステージ２１０の左側面が一致するような位置に、載置ステージ２１０を配置した場合を考えてみる。この場合、載置ステージ２１０の左側面が受光面Ｒとなり、ホログラム記録媒体４５からの回折光は、この受光面Ｒに照射されることになる。
【０１００】
そこで、この受光面Ｒ上に任意の着目点Ｑを設定し、この着目点Ｑに到達する回折光がどのようなものかを考えてみる。まず、時刻ｔ１では、コヒーレント光源５０から出た光ビームＬ５０は、図に一点鎖線で示すように走査基点Ｂで屈曲し、光ビームＬ６０（ｔ１）として点Ｐ（ｔ１）に照射される。そして、点Ｐ（ｔ１）からの回折光Ｌ４５（ｔ１）が着目点Ｑに到達する。一方、時刻ｔ２では、コヒーレント光源５０から出た光ビームＬ５０は、図に二点鎖線で示すように走査基点Ｂで屈曲し、光ビームＬ６０（ｔ２）として点Ｐ（ｔ２）に照射される。そして、点Ｐ（ｔ２）からの回折光Ｌ４５（ｔ２）が着目点Ｑに到達する。
【０１０１】
結局、このような回折光によって、着目点Ｑの位置には、常に、散乱体３０の着目点Ｑの位置に対応する再生像が生成されることになるが、着目点Ｑに対する回折光の入射角は、時刻ｔ１と時刻ｔ２とで異なる。別言すれば、光ビームＬ６０を走査した場合、受光面Ｒ上に形成される再生像３５に変わりはないものの、受光面Ｒ上の個々の点に到達する回折光の入射角度は時間とともに変化することになる。このような入射角度の時間変化は、スペックルを低減させる上で大きな貢献を果たす。
【０１０２】
前述したとおり、コヒーレント光を用いるとスペックルが発生する理由は、受光面Ｒの各部で反射したコヒーレント光が、その極めて高い可干渉性ゆえに、互いに干渉し合うためである。ところが、本発明では、光ビームＬ６０の走査により、受光面Ｒ（もしくは物体Ｍの表面）の各部への回折光の入射角度が時間的に変動するため、干渉の態様も時間的に変動し、多重度をもつことになる。このため、スペックルの発生要因は、時間的に分散し、線状パターンＵに生じる輝度ムラを低減させることができる。これが図１４に示す照明ユニット１００のもつ有利な特徴である。
【０１０３】
本発明に係るスキャナ装置および物体の三次元形状測定装置は、このような特徴をもつ照明ユニット１００を用いて、物体Ｍに対する線状パターンＵの投影を行う。図１５は、図１３に示す照明ユニット１００を用いて物体Ｍ上に線状パターンＵを投影した状態を示す側面図である。線状パターンＵは、本来は厚みのないパターンであるが、ここでは、説明の便宜上、黒い太線で示している。
【０１０４】
図示の例の場合、物体Ｍを載せるための載置ステージ２１０の上面を構成する受光面Ｒに、ホログラム再生像３５が形成された状態が示されている。したがって、線状パターンＵのうち、受光面Ｒ上に形成されている部分は、ホログラム再生像３５そのものになるが、物体Ｍの上面に形成されている部分は、ホログラム再生光が物体Ｍの表面で遮られて散乱した領域からなるパターンということになる。したがって、前者に比べて後者は、輪郭部分が若干ボケて不鮮明になるが、物体Ｍの高さに比べて、照明ユニット１００と受光面Ｒとの距離が十分に大きければ、実用上、問題は生じない。
【０１０５】
同様の理由により、ホログラム再生像３５の形成位置は、必ずしも載置ステージ２１０の上面の位置に正確に一致させる必要はなく、たとえば、ホログラム再生像３５が物体Ｍの上端位置に形成されるようにしてもかまわない。上述したように、物体Ｍの高さに比べて、照明ユニット１００と受光面Ｒとの距離が十分に大きくなるように設定しておけば、物体Ｍの近傍面上にホログラム再生像３５が形成されるようにすれば、実用上、問題は生じない。
【０１０６】
かくして、本発明に係る照明ユニット１００を用いれば、コヒーレント光を用いることにより、単色性をもった高輝度の線状パターンＵを物体Ｍ上に投影しつつ、スペックルの低減を図ることができる。しかも、光ビーム走査装置６０は、比較的小型の装置で実現することができるので、散乱体を回転させたり、振動させたりする従来装置に比べて、照明ユニット１００を小型化することが可能であり、消費電力も低く抑えることができる。
【０１０７】
＜＜＜ §４．照明ユニット各部の詳細な説明 ＞＞＞
図１３に示す照明ユニット１００は、§３で述べたとおり、ホログラム記録媒体４５、コヒーレント光源５０、光ビーム走査装置６０によって構成されている。ここでは、これら各構成要素について、より詳細な説明を行う。
【０１０８】
＜４−１＞ コヒーレント光源
まず、コヒーレント光源５０としては、ホログラム記録媒体４５を作成する際に用いた光（物体光Ｌobj および参照光Ｌref ）の波長と同一波長をもつコヒーレントな光ビームＬ５０を発生させる光源を用いればよい。もっとも、コヒーレント光源５０が発生させる光ビームＬ５０の波長は、ホログラム記録媒体４５を作成する際に用いた光の波長と完全に同一である必要はなく、近似する波長であれば、ホログラムの再生像を得ることができる。要するに、本発明に用いるコヒーレント光源５０は、散乱体の像３５を再生することが可能な波長をもったコヒーレントな光ビームＬ５０を発生させる光源であればよい。
【０１０９】
実際には、図５に示すコヒーレント光源１０と同一の光源を、そのままコヒーレント光源５０として利用することができる。ここに示す実施形態の場合、波長λ＝５３２ｎｍ（緑色）のレーザ光を射出することが可能なＤＰＳＳ（Diode Pumped Solid State）レーザ装置をコヒーレント光源５０として用いた。ＤＰＳＳレーザは、小型でありながら比較的高出力の所望の波長のレーザ光を得ることができるため、本発明に係るスキャナ装置や物体の三次元形状測定装置への利用に適したコヒーレント光源である。
【０１１０】
このＤＰＳＳレーザ装置は、一般的な半導体レーザに比べてコヒーレント長が長いため、スペックルが発生しやすく、従来は、照明の用途には不適当と考えられていた。すなわち、従来は、スペックルを低減させるためには、レーザ光の発振波長に幅をもたせ、できるだけコヒーレント長を短くする努力が払われてきた。これに対して、本発明では、コヒーレント長が長い光源を用いたとしても、前述した原理により、スペックルの発生を効果的に抑制することができるので、光源としてＤＰＳＳレーザ装置を用いたとしても、実用上、スペックルの発生は問題にならなくなる。このような点において、本発明を利用すれば、光源の選択範囲をより広げる効果が得られる。
【０１１１】
＜４−２＞ 光ビーム走査装置
光ビーム走査装置６０は、ホログラム記録媒体４５上で、光ビームを走査する機能をもった装置である。ここでは、この光ビーム走査装置６０によるビーム走査の具体的な方法を述べておく。図１６は、図１３に示す照明ユニット１００におけるホログラム記録媒体４５上の光ビームの走査態様の第１の例を示す平面図である。この例では、ホログラム記録媒体４５として、横幅Ｄａ＝１２ｍｍ、縦幅Ｄｂ＝１０ｍｍの媒体を用い、この媒体上を走査する光ビームＬ６０として、直径１ｍｍの円形断面をもったレーザビームを用いている。図示のとおり、ＣＲＴにおける電子線の走査と同様に、光ビームＬ６０の照射位置を、第１行目の開始領域Ａ１Ｓから終了領域Ａ１Ｅまで水平方向に走査し、続いて、第２行目の開始領域Ａ２Ｓから終了領域Ａ２Ｅまで水平方向に走査し、... 、最後に、第ｎ行目の開始領域ＡｎＳから終了領域ＡｎＥまで水平方向に走査し、再び、第１行目の開始領域Ａ１Ｓへ戻って、同様の作業を繰り返す方法が採られている。
【０１１２】
この図１６に示す走査方法では、ホログラム記録媒体４５の全面が光ビームによる走査を受けることになるが、本発明では、必ずしもホログラム記録媒体４５の全面を漏れなく走査する必要はない。たとえば、図１７は、図１６に示す走査方法における奇数行目の走査のみを行い、偶数行目の走査を省略した例である。このように、１行おきに走査を行うと、ホログラム記録媒体４５の一部の領域に記録されているホログラム情報は、像の再生に全く寄与しないことになるが、それでも特に問題が生じることはない。図１８は、更に極端な走査方法を示す例であり、縦幅Ｄｂの中央位置において、開始領域Ａ１Ｓから終了領域Ａ１Ｅまで水平方向に１行だけ走査する作業を繰り返し行うものである。
【０１１３】
もちろん、走査方向の設定も自由であり、１行目の走査を左から右へ行った後、２行目の走査を右から左へ行うようにしてもよい。また、走査方向は必ずしも直線に限定されるものではなく、ホログラム記録媒体４５上で円を描くような走査を行うことも可能である。
【０１１４】
なお、図６に示す例のように、ホログラム感光媒体４０の一部の領域（ハッチングを施した領域）にのみ参照光Ｌref を照射して記録を行った場合は、他の領域（外側の白い領域）にはホログラムが記録されていない。このような場合、外側の白い領域まで走査を行うと再生像３５が得られないため、照明が一時的に暗くなってしまう。したがって、実用上は、ホログラムが記録されている領域内のみを走査するようにするのが好ましい。
【０１１５】
既に述べたとおり、ホログラム記録媒体４５上における光ビームの走査は、光ビーム走査装置６０によって行われる。この光ビーム走査装置６０は、コヒーレント光源５０からの光ビームＬ５０を、走査基点Ｂ（ホログラム記録時の収束点Ｃ）で屈曲させてホログラム記録媒体４５に照射する機能を有する。しかも、その屈曲態様（屈曲の方向と屈曲角度の大きさ）を時間的に変化させることにより、屈曲された光ビームＬ６０のホログラム記録媒体４５に対する照射位置が時間的に変化するように走査する。このような機能をもった装置は、走査型ミラーデバイスとして種々の光学系で利用されている。
【０１１６】
たとえば、図１３に示す例では、光ビーム走査装置６０として、便宜上、単なる反射鏡の図が描かれているが、実際には、この反射鏡を２軸方向に回動させる駆動機構が備わっている。すなわち、図示の反射鏡の反射面の中心位置に走査基点Ｂを設定し、この走査基点Ｂを通り、反射面上で互いに直交するＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、この反射鏡をＶ軸（図の紙面に垂直な軸）まわりに回動させる機構と、Ｗ軸（図に破線で示す軸）まわりに回動させる機構とが備わっている。
【０１１７】
このように、Ｖ軸およびＷ軸まわりに独立して回動可能な反射鏡を用いれば、反射した光ビームＬ６０を、ホログラム記録媒体４５上で水平方向および垂直方向に走査することが可能である。たとえば、上述の機構において、反射光をＶ軸まわりに回動すれば、図１６に示すホログラム記録媒体４５上で光ビームＬ６０の照射位置を水平方向に走査することができ、Ｗ軸まわりに回動すれば、垂直方向に走査することができる。
【０１１８】
要するに、光ビーム走査装置６０が、走査基点Ｂを含む平面上で揺動運動を行うように光ビームＬ６０を屈曲させる機能を有していれば、ホログラム記録媒体４５上で光ビームＬ６０の照射位置を一次元方向に走査することができる。図１８に示す例のように、光ビームを水平方向にのみ走査を行う運用をとるのであれば、光ビーム走査装置６０は、ホログラム記録媒体４５上での光ビームの照射位置を一次元方向に走査する機能を有していれば足りる。
【０１１９】
これに対して、ホログラム記録媒体４５上で光ビームＬ６０の照射位置を二次元方向に走査する運用をとるのであれば、光ビーム走査装置６０に、走査基点Ｂを含む第１の平面上で揺動運動を行うように光ビームＬ６０を屈曲させる機能と（図１３において、Ｖ軸まわりに反射鏡を回動させれば、光ビームＬ６０は、紙面に含まれる平面上で揺動運動を行う）、走査基点Ｂを含み第１の平面と直交する第２の平面上で揺動運動を行うように光ビームＬ６０を屈曲させる機能と（図１３において、Ｗ軸まわりに反射鏡を回動させれば、光ビームＬ６０は、紙面に垂直な平面上で揺動運動を行う）、をもたせておけばよい。
【０１２０】
光ビームの照射位置を一次元方向に走査するための走査型ミラーデバイスとしては、ポリゴンミラーが広く利用されている。また、二次元方向に走査するための走査型ミラーデバイスとしては、ポリゴンミラーを２組組み合わせたものを用いることもできるし、ジンバルミラー、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラーなどのデバイスが知られている。更に、通常のミラーデバイス以外でも、全反射プリズム、屈折プリズム、電気光学結晶（ＫＴＮ結晶など）等も、光ビーム走査装置６０として利用可能である。
【０１２１】
なお、光ビームＬ６０の径が、ホログラム記録媒体４５の寸法に近くなると、スペックルを抑制する効果が損なわれることがあるので留意する必要がある。図１６〜図１８に示す例の場合、上述したとおり、ホログラム記録媒体４５の横幅はＤａ＝１２ｍｍ、縦幅はＤｂ＝１０ｍｍであり、光ビームＬ６０は直径１ｍｍの円形断面をもったレーザビームである。このような寸法条件であれば、スペックルを抑制する効果が十分に得られる。これは、ホログラム記録媒体４５上のいずれの領域も、光ビームＬ６０の照射を一時的に受けるだけであり、同一領域から継続して回折光が出ることはないためである。
【０１２２】
ところが、たとえば、図１９に示す例のように、ホログラム記録媒体４５の寸法に近い径をもった光ビームを照射した場合、継続して回折光を出し続ける領域（図のハッチング部分）が形成されることになる。すなわち、光ビームＬ６０の照射位置を、第１行目の開始領域Ａ１Ｓから終了領域Ａ１Ｅまで水平方向に走査したとしても、図にハッチングを施した領域ａ１は、常に光ビームの照射を受けることになる。同様に、第ｎ行目の開始領域ＡｎＳから終了領域ＡｎＥまで水平方向に走査したとしても、領域ａ２は、常に光ビームの照射を受けることになる。また、垂直方向の走査を考えると、各行の開始領域に関しては領域ａ３が、各行の終了領域に関しては領域ａ４が、それぞれ重複した領域となるので、走査する行を変えても、常に光ビームの照射を受けることになる。
【０１２３】
結局、これらハッチングを施した領域については、光ビーム走査の恩恵を受けることができず、継続して回折光が出ることになる。その結果、そのような領域から発せられた回折光は、照明対象物の受光面Ｒ上に同一角度で入射し続けることになり、スペックル発生の要因となる。したがって、光ビームＬ６０の径は、ホログラム記録媒体４５の寸法に近いほど大きくすべきではない。
【０１２４】
このような弊害は、走査ピッチを光ビームＬ６０の径より小さく設定した場合にも生じる。たとえば、図１６は、縦方向の走査ピッチを光ビームＬ６０の径に等しく設定した例であり、図１７は、縦方向の走査ピッチを光ビームＬ６０の径の２倍に設定した例である。このように、縦方向（副走査方向）の走査ピッチを光ビームの径以上に設定しておけば、第ｉ行目の走査領域と第（ｉ＋１）行目の走査領域とが重複することはないが、走査ピッチが光ビームの径未満になると、重複領域が発生し、上述したようにスペックル発生の要因になる可能性がある。
【０１２５】
また、撮影ユニット３００の撮影時間（ＣＣＤカメラの露光時間）に比べて遅い走査速度も、スペックル発生の要因になる。たとえば、１行の走査に１時間を要するような遅い速度で走査したとしても、撮影ユニット３００の撮影時間の尺度からは、走査を行っていないのと同じであり、撮影画像上にはスペックルが現れることになる。光ビームを走査することによりスペックルが低減するのは、前述したとおり、受光面Ｒ（もしくは物体Ｍの表面）の各部に照射される光の入射角度が時間的に多重化されるためである。したがって、ビーム走査によるスペックル低減の効果を十分に得るためには、スペックルを生じさせる原因となる同一の干渉条件が維持される時間が、撮影ユニット３００の撮影時間よりも短くなるようにし、１枚の画像を撮影するための露光時間の間に、スペックルを発生させる条件が時間的に変化するようにすればよい。
【０１２６】
＜４−３＞ ホログラム記録媒体
ホログラム記録媒体４５については、既に§２において、詳細な製造プロセスを述べたとおりである。すなわち、本発明に用いるホログラム記録媒体４５は、特定の収束点Ｃに収束する参照光を用いて散乱体３０の像がホログラムとして記録されている、という特徴を有している媒体であればよい。そこで、ここでは、本発明に利用するのに適した具体的なホログラム記録媒体の形態を述べておく。
【０１２７】
ホログラムには、いくつかの物理的な形態がある。本願発明者は、本発明に利用するには、体積型ホログラムが最も好ましいと考えている。特に、フォトポリマーを用いた体積型ホログラムを用いるのが最適である。
【０１２８】
一般に、キャッシュカードや金券などに偽造防止用シールとして利用されているホログラムは、表面レリーフ（エンボス）型ホログラムと呼ばれており、表面の凹凸構造によってホログラム干渉縞の記録が行われる。もちろん、本発明を実施する上では、散乱体３０の像を、表面レリーフ型ホログラムとして記録しているホログラム記録媒体４５（一般に、ホログラフィック・ディフーザーと呼ばれている）を利用することも可能である。しかしながら、この表面レリーフ型ホログラムの場合、表面の凹凸構造による散乱が、新たなスペックル生成要因となる可能性があるため、スペックルを低減させる、という観点からは好ましくない。また、表面レリーフ型ホログラムでは、多次回折光が発生するため、回折効率が低くなり、更に、回折性能（回折角をどこまで大きくできるかという性能）にも限界がある。
【０１２９】
これに対して、体積型ホログラムでは、媒体内部の屈折率分布としてホログラム干渉縞の記録が行われるため、表面の凹凸構造による散乱による影響を受けることはない。また、一般に、回折効率や回折性能も表面レリーフ型ホログラムより優れている。したがって、本発明を実施する際には、散乱体３０の像を、体積型ホログラムとして記録している媒体をホログラム記録媒体４５として利用するのが最適である。
【０１３０】
ただ、体積型ホログラムでも、銀塩材料を含む感光媒体を利用して記録するタイプのものは、銀塩粒子による散乱が新たなスペックル生成要因となる可能性があるため、避けた方が好ましい。このような理由から、本願発明者は、本発明に利用するホログラム記録媒体４５としては、フォトポリマーを用いた体積型ホログラムが最適であると考えている。このようなフォトポリマーを用いた体積型ホログラムの具体的な化学組成は、たとえば、特許第２８４９０２１号公報に例示されている。
【０１３１】
もっとも、量産性という点では、体積型ホログラムよりも表面レリーフ型ホログラムの方が優れている。表面レリーフ型ホログラムは、表面に凹凸構造をもった原版を作成し、この原版を用いたプレス加工により、媒体の量産を行うことができる。したがって、製造コストを低減させる必要がある場合には、表面レリーフ型ホログラムを利用すればよい。
【０１３２】
また、ホログラムの物理的な形態としては、平面上に濃淡パターンとして干渉縞を記録した振幅変調型ホログラムも広く普及している。しかしながら、この振幅変調型ホログラムは、回折効率が低く、濃いパターン部分で光の吸収が行われてしまうため、本発明に利用した場合、十分な照明効率を確保することができない。ただ、その製造工程では、平面上に濃淡パターンを印刷する簡便な方法を採ることができるため、製造コストの点ではメリットが得られる。したがって、用途によっては、振幅変調型ホログラムを本発明に採用することも可能である。
【０１３３】
なお、図５に示す記録方法では、いわゆるフレネルタイプのホログラム記録媒体が作成されることになるが、散乱体３０をレンズを通して記録することにより得られるフーリエ変換タイプのホログラム記録媒体を作成してもかまわない。この場合、必要に応じて、回折光Ｌ４５の光路上にレンズを設けて集光するようにし、照明効率を向上させるようにしてもよいが、レンズなしでも照明ユニット１００としての機能を十分に果たすことができる。
【０１３４】
＜＜＜ §５．本発明に用いる照明ユニットの変形例 ＞＞＞
これまで、本発明に係るスキャナ装置および物体の三次元形状測定装置を、基本的な実施形態について説明した。この基本的な実施形態の特徴は、図１３に示すような、固有の特徴を有する照明ユニット１００を用いて、物体Ｍに対する照明を行う点にある。
【０１３５】
すなわち、照明ユニット１００を利用して照明を行う場合、まず、線状パターンＵを構成するための散乱体３０の像３５をホログラムとして記録用媒体４０上に記録することによりホログラム記録媒体４５を作成する準備段階を行い、この準備段階で作成したホログラム記録媒体４５を用いて照明ユニット１００を構成する。そして、ホログラム記録媒体４５から得られるホログラムの再生光の照射を受ける位置に物体Ｍを配置した状態で、ホログラム記録媒体４５上にコヒーレントな光ビームＬ６０を照射し、かつ、照射位置が時間的に変化するように光ビームＬ６０をホログラム記録媒体４５上で走査し、物体Ｍ上に線状パターンＵを投影する投影段階と、この線状パターンＵが投影された物体Ｍを所定方向から撮影し、物体Ｍの表面情報を取り込む撮影段階と、を行い、物体Ｍの表面情報を取得すればよい。
【０１３６】
この場合、準備段階では、図５に示すように、コヒーレントな照明光Ｌ１２を散乱体３０に照射し、散乱体３０から得られる散乱光Ｌ３０を物体光Ｌobj として用いる。また、所定光路に沿って記録用媒体４０に照射され、照明光Ｌ１２と同一波長のコヒーレントな光Ｌ２３を参照光Ｌref として用いる。そして、物体光Ｌobj と参照光Ｌref とによって形成される干渉縞を記録用媒体４０に記録することによりホログラム記録媒体４５を作成する。また、投影段階では、図１３に示すように、参照光Ｌref と同一波長（もしくは、ホログラムの再生が可能な近似波長）の光ビームＬ６０が、参照光Ｌref の光路に沿った光路を通ってホログラム記録媒体４５上の照射位置へ向かうように走査を行い（別言すれば、参照光Ｌref と光学的に共役になる方向から光ビームＬ６０を与え）、ホログラム記録媒体４５から得られる、散乱体３０の像３５の再生光を照明光として投影することになる。
【０１３７】
ここでは、上述した基本的な実施形態に係るスキャナ装置および物体の三次元形状測定装置に組み込まれる照明ユニット１００について、いくつかの変形例を述べておく。
【０１３８】
＜５−１＞ 一次元走査を前提としたホログラム記録媒体
図５に示すホログラム記録媒体の作成プロセスでは、平行光束Ｌ２２を凸レンズ２３（収束点Ｃの位置に焦点を有するレンズ）で集光して参照光Ｌref として媒体４０に照射している。すなわち、収束点Ｃを頂点とした円錐（理論的には、互いに半径の異なる円錐が無限に存在する）の側面に沿って、収束点Ｃに三次元的に収束する参照光Ｌref を用いて散乱体３０の像が記録されることになる。
【０１３９】
このように三次元的に収束する参照光Ｌref を用いているのは、図１３に示す照明ユニット１００において、走査基点Ｂから三次元的に発散する光路をとるように、光ビームＬ６０を三次元的に走査すること（反射鏡のＶ軸まわりの回動とＷ軸まわりの回動とを組み合わせてビームを走査すること）を前提としているためである。そして、光ビームＬ６０を三次元的に走査する理由は、ホログラム記録媒体４５上における光ビームの照射位置を二次元的に走査するため（図１６において、横方向の走査と縦方向の走査とを行うため）である。
【０１４０】
ただ、ホログラム記録媒体４５上における光ビームの照射位置の走査は、必ずしも二次元的に行う必要はない。たとえば、図１８には、光ビームを水平方向にのみ走査する例が示されている。このように、光ビームの照射位置を一次元的に走査することを前提とすれば、ホログラム記録媒体も、そのような前提で作成しておく方が合理的である。具体的には、一次元的な走査が前提であれば、図１８に示すようなホログラム記録媒体４５を作成する代わりに、図２０に示すような帯状のホログラム記録媒体８５を作成すれば足りる。
【０１４１】
このホログラム記録媒体８５を用いた場合、光ビーム走査装置６０による走査は、左端の起点領域Ａ１Ｓから右端の終点領域Ａ１Ｅに至る１行分の走査を繰り返せばよい。この場合、左から右へと向かう１行分の走査を繰り返してもよいし、左から右へ走査したら、今度は右から左へ走査する、というような往復運動を行ってもかまわない。用いる光ビームＬ６０が直径１ｍｍの円形断面をもったレーザビームである場合、図２０に示すホログラム記録媒体８５の縦幅は、Ｄｂ＝１ｍｍとすれば十分である。したがって、図１８に示すホログラム記録媒体４５を用いる場合に比べて省スペース化を図ることができ、装置全体を小型化することが可能になる。
【０１４２】
このような一次元走査を前提としたホログラム記録媒体８５は、図５に示す光学系を用いて作成することも可能であるが、その代わりに、図２１に示す光学系を用いて作成することも可能である。この図２１に示す光学系は、図５に示す光学系における凸レンズ２３をシリンドリカルレンズ２４に置き換え、矩形状の平面をもったホログラム感光媒体４０を、細長い帯状の平面をもったホログラム感光媒体８０に置き換えたものであり、その他の構成要素に変わりはない。ホログラム感光媒体８０の横幅Ｄａは、ホログラム感光媒体４０の横幅と同じであるが、その縦幅Ｄｂ（図２１において、紙面に垂直方向の幅）は、光ビームの直径程度（前述の例の場合、１ｍｍ程度）である。
【０１４３】
シリンドリカルレンズ２４は、図２１の紙面に垂直な中心軸を有する円柱の表面を有するレンズであり、図２１において、収束点Ｃを通り紙面に垂直な集光軸を定義した場合に、平行光束Ｌ２２を当該集光軸に集光する機能を果たす。ただ、シリンドリカルレンズの性質上、光の屈折は、紙面に平行な平面内においてのみ生じ、紙面に垂直な方向への屈折は生じない。別言すれば、収束点Ｃを含み、シリンドリカルレンズの円柱の中心軸に直交する平面（図２１の紙面）に着目すれば、当該平面に沿って二次元的に収束する光Ｌ２４が、参照光Ｌref として与えられることになる。
【０１４４】
このように、本願において「光が収束点Ｃに収束する」と言った場合、図５の光学系に示す凸レンズ２３による三次元的な収束のみならず、図２１の光学系に示すシリンドリカルレンズ２４による二次元的な収束も意味するものである。そして、図２０に例示するような一次元走査を前提としたホログラム記録媒体８５を作成する場合は、図２１の光学系に示すように、収束点Ｃを通る所定の集光軸（図の例の場合、収束点Ｃを通り紙面に垂直な軸）に平行な中心軸をもつ円柱面を有するシリンドリカルレンズ２４を用いて、ほぼ平行なコヒーレント光の光束Ｌ２２を当該集光軸上に集光し、収束点Ｃに二次元的に収束する光Ｌ２４を参照光Ｌref として用いて、散乱体３０のホログラム像を記録すればよい。
【０１４５】
＜５−２＞ ＣＧＨからなるホログラム記録媒体
これまで述べたホログラム記録媒体の作成プロセスは、ホログラム感光媒体に実際に光を照射し、そこに生じる干渉縞を感光媒体の化学変化によって固定する、という純然たる光学的な方法をとるものである。これに対して、最近では、このような光学的なプロセスをコンピュータ上でシミュレーションし、演算によって干渉縞の情報を計算し、その結果を何らかの物理的な方法で媒体上に固定する、という手法が確立している。このような手法で作成されたホログラムは、一般に計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）と呼ばれている。
【０１４６】
本発明に用いるホログラム記録媒体に記録されているホログラムは、このような計算機合成ホログラムであってもかまわない。すなわち、§２で述べた光学的なプロセスでホログラム記録媒体を作成する代わりに、仮想の散乱体からの仮想物体光と仮想の参照光とを用いたシミュレーション演算を実行し、仮想の記録面上に生じる干渉縞の情報を求め、この情報を物理的な方法で媒体上に記録して計算機合成ホログラムを作成すればよい。
【０１４７】
図２２は、本発明に係る照明ユニットの構成要素であるホログラム記録媒体を、ＣＧＨの手法で作成する原理を示す側面図であり、図８に示す光学的な現象を、コンピュータ上でシミュレートする方法を示すものである。ここで、図２２に示す仮想の散乱体３０′は、図８に示す実在の散乱体３０に対応し、図２２に示す仮想の記録面４０′は、図８に示す実在のホログラム感光媒体４０に対応する。図示の物体光Ｌobj は、仮想の散乱体３０′から発せられる仮想の光であり、図示の参照光Ｌref は、この物体光Ｌobj と同一波長の仮想の光である。参照光Ｌref が、収束点Ｃに収束する光である点は、これまで述べた方法と全く同じである。記録面４０′上の各点では、この仮想の物体光Ｌobj と参照光Ｌref との干渉縞の情報が演算される。
【０１４８】
なお、仮想の散乱体３０′としては、たとえば、ポリゴンなどで表現された微細な三次元形状モデルを用いることも可能であるが、ここでは、平面上に多数の点光源Ｄを格子状に配列した単純なモデルを用いている。図２３は、図２２に示されている仮想の散乱体３０′の正面図であり、小さな白丸は、それぞれ点光源Ｄを示している。図示のとおり、多数の点光源Ｄが、横方向ピッチＰａ，縦方向ピッチＰｂで格子状に配列されている。ピッチＰａ，Ｐｂは、散乱体の表面粗さを定めるパラメータとなる。
【０１４９】
本願発明者は、点光源ＤのピッチＰａ，Ｐｂをそれぞれ１０μｍ程度の寸法に設定して記録面４０′上に生じる干渉縞の情報を演算し、その結果に基づいて、実在の媒体表面に凹凸パターンを形成し、表面レリーフ型のＣＧＨを作成した。そして、このＣＧＨをホログラム記録媒体４５として用いた照明ユニット１００を構成したところ、スペックルを抑制した良好な照明環境が得られた。
【０１５０】
図２４は、本発明によりスペックルの低減効果が得られた実験結果を示す表である。一般に、受光面Ｒ上に生じたスペックルの程度を示すパラメータとして、スペックルコントラスト（単位％）という数値を用いる方法が提案されている。このスペックルコントラストは、本来は均一の輝度分布をとるべき条件において、実際に生じる輝度のばらつきの標準偏差を、輝度の平均値で除した値として定義される量である。このスペックルコントラストの値が大きければ大きいほど、受光面上のスペックル発生程度が大きいことを意味し、観察者に対して、斑点状の輝度ムラ模様がより顕著に提示されていることになる。
【０１５１】
図２４の表は、図１３に示す照明ユニット１００もしくはこれに対比するための従来の照明ユニットを利用して、載置ステージ２１０を照明する４通りの測定系について、載置ステージ２１０の上面についてのスペックルコントラストを測定した結果を示すものである。測定例１〜３は、いずれも、緑色のレーザ光を射出することが可能な同一のＤＰＳＳレーザ装置を照明ユニット１００内のコヒーレント光源５０として用いた結果である。なお、測定例２，３で用いるホログラム記録媒体の拡散角（ホログラム記録媒体上の点から再生像３５を望む最大角度）は、いずれの場合も２０°に設定されている。
【０１５２】
まず、測定例１として示す測定結果は、図１３に示す照明ユニット１００を用いる代わりに、コヒーレント光源５０からの光ビームＬ５０をビームエキスパンダーで広げて平行光束とし、この平行光束（レーザ平行光）をそのまま載置ステージ２１０に照射する測定系を用いて得られた結果である。この場合、表に示すとおり、スペックルコントラスト２０．１％という結果が得られた。これは、載置ステージ２１０を肉眼観察した場合に、斑点状の輝度ムラ模様がかなり顕著に観察できる状態であり、実用的な三次元形状測定には不適当なレベルである。
【０１５３】
一方、測定例２および３として示す測定結果は、いずれも図１３に示す照明ユニット１００を利用して照明を行った結果である。ここで、測定例２は、ホログラム記録媒体４５として、光学的な方法で作成された体積型ホログラムを利用した結果であり、測定例３は、ホログラム記録媒体４５として、上述した表面レリーフ型ＣＧＨを利用した結果である。いずれも４％に満たないスペックルコントラストが得られており、これは肉眼観察した場合に、輝度ムラ模様がほとんど観察できない極めて良好な状態である（一般に、スペックルコントラスト値が５％以下であれば、観察者に不快感が生じないとされている）。したがって、ホログラム記録媒体４５として、光学的な方法で作成された体積型ホログラムを利用した場合も、表面レリーフ型ＣＧＨを利用した場合も、実用的に十分な三次元形状測定装置を構成することができる。測定例２の結果（３．０％）が、測定例３の結果（３．７％）よりも良好になった理由は、原画像となる実在の散乱体３０の解像度が、仮想の散乱体３０′（図２３に示す点光源の集合体）の解像度よりも高いためと考えられる。
【０１５４】
最後の測定例４として示す測定結果は、照明ユニット１００を用いる代わりに、緑色のＬＥＤ光源からの光をそのまま載置ステージ２１０に照射する測定系を用いて得られた結果である。そもそもＬＥＤ光源は、コヒーレント光源ではないので、スペックルの発生という問題を考慮する必要はなく、表に示すとおり、スペックルコントラスト４．０％という良好な結果が得られた。非コヒーレント光を用いた測定例４の結果が、コヒーレント光を用いた測定例２，３の結果に劣る理由は、ＬＥＤ光源が発する光自体に輝度ムラが生じていたためと考えられる。
【０１５５】
＜５−３＞ 線状パターンＵの走査形態
図３に示す基本的な実施形態に係る物体の三次元形状測定装置には、パターン走査機構２００が設けられている。ここに示すパターン走査機構２００は、物体Ｍを載置する載置ステージ２１０と、この載置ステージ２１０を、線状パターンＵの構成要素となる線に直交する方向に移動させる搬送装置２２０と、によって構成されている。すなわち、図１において、載置ステージ２１０を白矢印の方向に移動させることにより、線状パターンＵによる物体Ｍに対する走査が行われる。
【０１５６】
ただ、パターン走査機構２００の構成は、上例の構成に限定されるものではない。たとえば、搬送装置２２０は、照明ユニット１００と載置ステージ２１０とについて、一方を他方に対して移動させる機能を有していればよい。したがって、載置ステージ２１０を移動させる代わりに、照明ユニット１００を載置ステージ２１０に対して、線状パターンＵの構成要素となる線に直交する方向に移動させるようにしてもよい。
【０１５７】
また、パターン走査機構２００は、必ずしも上例のような機械式走査を行う機構を採用する必要はなく、光学式走査を行う機構を採用してもよい。たとえば、照明ユニット１００から得られるホログラムの再生光の向きを変える光学系（たとえば、ポリゴンミラー）によってパターン走査機構２００を構成すれば、再生光によって投影される線状パターンＵを、その構成要素となる線に直交する方向に光学的に走査することができる。
【０１５８】
物体Ｍに投影される線状パターンＵを走査する別な方法は、予め、ホログラム記録媒体を複数の分割領域に分割しておき、個々の分割領域に、それぞれ異なる位置に線状パターンＵの再生像を生成する異なるホログラムを記録しておく方法である。すなわち、物体Ｍ上に投影される線状パターンＵは、ホログラム記録媒体から得られるホログラムの再生光により形成されるので、予め、それぞれ異なる位置に再生像を生成する複数のホログラムを記録しておき、これを順番に再生してゆけば、実質的に、これまで述べてきたパターン走査機構２００が行う走査と同等の走査が行われることになる。
【０１５９】
図２５は、このような変形例に用いるホログラム記録媒体８８を示す平面図である。図示のとおり、ホログラム記録媒体８８は、複数ｎ個の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎに分割されており、個々の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎには、それぞれ図４に示す線状散乱体３０の像が記録されている。
【０１６０】
既に＜５−１＞で述べたとおり、光ビームによる一次元走査を前提とする場合、図２１に示すシリンドリカルレンズ２４を用いた記録方法で、細長い帯状の平面をもったホログラム感光媒体８０への記録を行い、図２０に示すような縦幅Ｄｂをもった細長いホログラム記録媒体８５を作成することができる。図２５に示すホログラム記録媒体８８は、いわば、図２０に示す帯状のホログラム記録媒体８５をｎ組だけ縦に並べたものに相当する。実際、個々の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎに記録されているホログラムの干渉縞は、図２０に示す帯状のホログラム記録媒体８５に記録されている干渉縞と同じものになる。
【０１６１】
これまで述べてきた基本的実施形態で用いたホログラム記録媒体４５と比べると、図２５に示すホログラム記録媒体８８は、再生像３５の位置に相違が生じる。すなわち、前者について再生を行う場合、図１６に示すように、媒体上のどの位置に光ビームを照射しても、再生像３５が生成される位置は同じである。これは、ホログラム記録媒体４５には、全面に同一の線状散乱体３０の像が記録されているためである。これに対して、後者について再生を行う場合、光ビームを照射する分割領域に応じて、再生像３５が生成される位置が異なる。これは、各分割領域にそれぞれ別個独立した線状散乱体３０の像が記録されているためである。
【０１６２】
図２６は、図２５に示すホログラム記録媒体８８上の光ビームの走査態様を示す平面図である。たとえば、第１の分割領域８８−１について再生を行う場合、この分割領域８８−１内の開始領域Ａ１Ｓから終了領域Ａ１Ｅまで水平方向に走査を行うことになるが、このとき生成される再生像は、図２７に示す第１の線状パターンＵ１を形成する。また、第２の分割領域８８−２について再生を行う場合、この分割領域８８−２内の開始領域Ａ２Ｓから終了領域Ａ２Ｅまで水平方向に走査を行うことになるが、このとき生成される再生像は、図２７に示す第２の線状パターンＵ２を形成する。以下同様であり、最後に、第ｎの分割領域８８−ｎについて再生を行う場合、この分割領域８８−ｎ内の開始領域ＡｎＳから終了領域ＡｎＥまで水平方向に走査を行うことになるが、このとき生成される再生像は、図２７に示す第ｎの線状パターンＵｎを形成する。
【０１６３】
結局、個々の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎから得られるホログラムの再生光により、それぞれ１本の線からなる線状パターンＵ１，Ｕ２，Ｕ３，... ，Ｕｎが投影されることになる。別言すれば、任意の１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンと、別な任意の１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンとが、空間上の異なる位置に形成されるようになっている。
【０１６４】
したがって、図２６に示すように、ホログラム記録媒体８８の全分割領域を光ビームで走査すると、載置ステージ２１０上には、図２７に示すように、ｎ本の線状パターンＵ１，Ｕ２，Ｕ３，... ，Ｕｎからなる統合線状パターンＵが形成されることになるが、実際には、この統合線状パターンＵは同時に現れるパターンではなく、１行ずつ順番に現れるパターンになる。
【０１６５】
そこで、図１３に示す照明ユニット１００において、ホログラム記録媒体４５の代わりに、図２５に示すホログラム記録媒体８８を用い、光ビーム走査装置６０によって、図２６に示すように、第１番目の分割領域８８−１、第２番目の分割領域８８−２、第３番目の分割領域８８−３、... 、というように、所定の順番で光ビームの走査を行うことにする。
【０１６６】
そうすると、光ビームが第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域８８−ｉを走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に第ｉ番目の線状パターンＵｉが投影されることになる。すなわち、第１番目の分割領域８８−１を走査しているときには、図２７に示す第１番目の線状パターンＵ１が現れ、第２番目の分割領域８８−２を走査しているときには、図２７に示す第２番目の線状パターンＵ２が現れ、... というように、１本の線からなる線状パターンＵｉが順番に現れることになる。これは、物体Ｍ上を線状パターンＵｉで走査していることと同じである。
【０１６７】
なお、上例では、個々の分割領域に、それぞれ１本の線状散乱体３０の像を記録しているが、個々の分割領域に、それぞれ複数本の線状散乱体３０の像を記録するようにしてもかまわない。この場合、光ビームが第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域８８−ｉを走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に複数本の線からなる線状パターンＵｉが投影されることになる。
【０１６８】
このように、図２５に示すホログラム記録媒体８８を用い、光ビーム走査装置６０によって、図２６に示すような走査を行うようにすれば、光ビーム走査装置６０が、これまで述べてきた基本的実施形態におけるパターン走査機構２００の役割を兼ねることになる。したがって、パターン走査機構２００を別途設ける必要はなくなる。
【０１６９】
なお、ホログラム記録媒体８８に形成するｎ個の分割領域は、理論上は、それぞれ任意の形状をもった領域でかまわない。ただ、図４に示すような細長い線状散乱体３０の像を記録するためには、実用上、図２５に示す例のように、横方向に細長い複数の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎが、縦方向に並んで配置されるような分割を行い、個々の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎの長手方向と個々の分割領域８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎから得られる再生像３５の長手方向とが平行になるようにホログラムの記録を行うようにするのが好ましい。これは、ホログラム記録媒体上に記録される干渉縞の回折能力（入射光をどの程度大きな角度まで屈曲させられるかを示す能力）には限界があるため、細長い記録領域に細長い現画像を長手方向を一致させて記録した方が効率的であるためである。
【０１７０】
＜５−４＞ 線状パターンＵの形状
上記＜５−３＞では、物体Ｍ上に投影する線状パターンを走査することを前提とした実施形態を述べたが、本発明に係る物体の三次元形状測定装置では、必ずしも線状パターンの走査が必要になるわけではない（もちろん、スペックルを低減させるために光ビームの走査は必要である。本発明において、ホログラム記録媒体上での光ビームの走査と、物体Ｍ上での線状パターンの走査とは、全く別な走査である）。
【０１７１】
そもそも、これまで述べた実施形態において、線状パターンを走査する理由は、線状パターンが１本の線からなるパターンであるという前提で、物体Ｍの全体形状を測定するためである。たとえば、図１に示す例の場合、線状パターンＵの走査を行わないと、半球状の物体Ｍの頂点を通る円周に沿った部分の形状測定しか行うことができない。線状パターンＵを物体Ｍに対して、図の白矢印方向に走査することにより、はじめて物体Ｍの全体形状の測定が可能になる。
【０１７２】
しかしながら、線状パターンは、必ずしも１本の線からなるパターンである必要はない。すなわち、ホログラム記録媒体に、もともと複数の線からなる原画像を記録しておけば、ホログラム再生像も、複数の線からなる線状パターンになるので、物体Ｍ上には複数の線からなる縞模様をした線状パターンが一度に投影されることになる。よって、線状パターンを物体Ｍ上で走査しなくても、物体Ｍの全体形状の測定が可能になる。
【０１７３】
図２８は、このような変形例に用いるホログラム記録媒体に記録する散乱体３０Ａの形状を示す平面図である。これまで述べてきた基本的な実施形態では、図４に示す１本の細長い線状散乱体３０をホログラムとして記録し、その再生像を線状パターンＵとして利用しているが、ホログラムとして記録する散乱体は、必ずしも１本の線状散乱体である必要はなく、複数本の線状散乱体であってもかまわない。
【０１７４】
図２８に示す散乱体３０Ａは、互いに平行な複数ｎ本の線状散乱体３０Ａ−１，３０Ａ−２，３０Ａ−３，... ，３０Ａ−ｎによって構成される横方向格子状散乱体と呼ぶべき集合的な散乱体である。このような散乱体３０Ａをホログラムとして記録しているホログラム記録媒体を用いて再生を行えば、ホログラムの再生光により互いに平行な複数ｎ本の線Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，... ，Ｕｎを有する線状パターンＵを投影することができる。すなわち、図２７に示すような縞模様をした線状パターンＵを、物体Ｍ上に投影することができ、撮影ユニット３００によって、このような縞模様が表面に投影された物体Ｍを撮影することができる。形状解析ユニット４００は、撮影画像上において、物体Ｍ上に投影された縞模様の形状を解析することにより、物体Ｍの全体形状を示す三次元形状データＴを作成する。
【０１７５】
もちろん、図２７に示す縞模様の代わりに、縦横の縞模様が交差した網目格子模様の線状パターンを投影することも可能である。具体的には、ホログラム記録媒体に、図２８に示すように、横方向に伸びるｎ本の線状散乱体３０Ａ−１，３０Ａ−２，３０Ａ−３，，... ，３０Ａ−ｎを互いに平行になるように縦方向に並べた横方向格子状散乱体３０Ａの像と、図２９に示すように、縦方向に伸びるｍ本の線状散乱体３０Ｂ−１，３０Ｂ−２，３０Ｂ−３，，... ，３０Ｂ−ｍを互いに平行になるように横方向に並べた縦方向格子状散乱体３０Ｂの像と、を重畳して記録しておけばよい。
【０１７６】
このように散乱体３０Ａ，３０Ｂをホログラムとして重畳記録しているホログラム記録媒体を用いて再生を行えば、ホログラムの再生光により縦縞と横縞とを重ねた網目格子模様の線状パターンを投影することができる。撮影ユニット３００は、このような網目格子模様が表面に投影された物体Ｍを撮影することができるので、形状解析ユニット４００は、撮影画像上において、物体Ｍ上に投影された網目格子模様の形状を解析することにより、物体Ｍの全体形状を示す三次元形状データＴを作成できる。
【０１７７】
横方向格子状散乱体３０Ａと縦方向格子状散乱体３０Ｂとをホログラムとして重畳記録するには、図５に示すような光学系を用いて、同一のホログラム感光媒体４０に対して、ホログラムを記録するプロセスを２回繰り返して行えばよい。すなわち、１回目には、図２８に示す横方向格子状散乱体３０Ａを記録するプロセスを行い、２回目には、図２９に示す縦方向格子状散乱体３０Ｂを記録するプロセスを行えばよい。あるいは、横方向格子状散乱体３０Ａを記録した層と、縦方向格子状散乱体３０Ｂを記録した層とを別個に作成し、両者を貼り合わせるようにしてもよい。
【０１７８】
網目格子模様の線状パターンを投影する別な方法として、予め、図３０に示すような網目格子状散乱体３０Ｃを用意しておき、ホログラム記録媒体に、この網目格子状散乱体３０Ｃの像を記録するようにしてもよい。この場合も、ホログラムの再生光により、網目格子状の線状パターンが投影されることになる。
【０１７９】
このように、本発明において物体Ｍに投影する線状パターンＵは、必ずしも図１に示すような１本の線からなるパターンである必要はなく、図２７に示すような複数の線からなる縞状のパターンであってもよいし、このような縞状パターンを縦横に重ねて得られる網目格子状のパターンであってもかまわない。そして、縞状パターンや網目格子状パターンを物体Ｍ上に投影するようにすれば、パターン走査機構２００を用いることなしに、物体Ｍの全体形状の測定が可能になる。
【０１８０】
もちろん、必要に応じて、更にパターン走査機構２００を設け、縞状パターンや網目格子状パターンを、物体Ｍ上で走査するようにしてもかまわない。たとえば、図２７に示すような縞模様からなる線状パターンＵを投影した状態において、この線状パターンＵ全体を図の下方に走査して、パターンＵｎの下に走査後の新たなパターンＵ１が来るようにすれば、より広い領域をカバーする線状パターンの投影が可能になる。
【０１８１】
あるいは、図２７に示すｎ本の線を有する線状パターンＵから、偶数番目のパターンＵ２，Ｕ４，Ｕ６，... を間引き、奇数番目のパターンＵ１，Ｕ３，Ｕ５，... のみからなる線状パターンＵを再生するホログラム記録媒体を用意しておき、パターン走査機構２００による走査を行うことにより、間引いた偶数番目のパターンＵ２，Ｕ４，Ｕ６，... の位置に奇数番目のパターンＵ１，Ｕ３，Ｕ５，... を移動させることにより、結果的に、ｎ本の線を有する線状パターンＵの投影を行うようなことも可能である。
【０１８２】
このように、本発明において用いる線状パターンＵは、線の成分を含むパターンであれば、どのようなパターンであってもかまわない。形状解析ユニット４００は、物体Ｍ上に投影された線の成分を解析することにより、三次元形状データＴを作成することができる。
【０１８３】
したがって、ホログラム記録媒体に記録する散乱体も、図４に示すような線状散乱体３０に限定されるものではなく、線状パターンＵとして利用可能な形状であれば、どのような形状の散乱体を用いてもかまわない。図２８に示す散乱体３０Ａ，図２９に示す散乱体３０Ｂ，図３０に示す散乱体３０Ｃは、このような散乱体の一例である。結局、本発明では、線の成分を有する線状パターンＵに対応する形状をもった散乱体の像をホログラム記録媒体に記録しておけばよい。
【０１８４】
なお、図２８〜図３０に示すような形状をもった散乱体３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、図４に示す線状散乱体３０を複数組み合わせて作成することも可能であるが、実用上は、１枚の散乱板（たとえば、オパールガラス板のように、一般に光学的拡散板と呼ばれている板）の上面に、一部の領域の光を遮蔽するマスクを重ねたものを、散乱体の原画像として用いるようにすればよい。
【０１８５】
たとえば、図２８に示す散乱体３０Ａの像を記録するのであれば、図示の線状散乱体３０Ａ−１，３０Ａ−２，３０Ａ−３，... ，３０Ａ−ｎに対応する領域のみ光が透過し、それ以外の領域の光を遮蔽するマスクを用意し、１枚の透光性散乱板の上面に、このマスクを被せた物を、図５に示す散乱体３０として用い、ホログラムの記録を行えばよい。図２９に示す散乱体３０Ｂや図３０に示す散乱体３０Ｃの像を記録する場合も同様である。また、図４に示す線状散乱体３０の像を記録する場合も、１枚の透光性散乱板の上面に、細長いスリット領域のみ光が透過するマスクを重ねて記録を行えばよい。
【０１８６】
＜５−５＞ ホログラム記録媒体作成の幾何学的バリエーション
§２では、図５を参照して、ホログラム感光媒体４０に散乱体３０のホログラム像を記録する方法を説明した。この方法は、収束点Ｃに収束する参照光を用いて反射型のホログラム記録媒体を作成する方法であり、必要な構成要素の幾何学的な配置は、図３１の側面図に示すとおりである。
【０１８７】
図３１に示す例の場合、凸レンズ２３によって、収束点Ｃに向かう収束参照光Ｌref が生成され、媒体４０は、凸レンズ２３と収束点Ｃとの間に配置される。また、媒体４０は図示のとおり斜めに配置され、その下面側に、散乱体３０からの物体光Ｌobj が照射される。このような方法で作成されたホログラム記録媒体は、反射型の媒体となる。すなわち、再生時には、図３２に示すように、再生用照明光Ｌrep として機能する光ビームが媒体４５の下面側に照射され、点Ｐからの反射回折光Ｌdif によって再生像３５が生成されることになる。
【０１８８】
このように、これまで説明した例は、ホログラム記録媒体４５に記録されているホログラムが、反射型ホログラムであり、光ビームの反射回折光を照明光として用いる例である。これに対して、ホログラム記録媒体４５に記録されているホログラムを、透過型ホログラムとし、光ビームの透過回折光を照明光として用いるようにしてもかまわない。
【０１８９】
図３３は、このような透過型ホログラムを作成する場合の幾何学的な配置を示す側面図である。図３１に示す配置との相違点は、媒体４０の向きである。図３１に示す反射型ホログラムの作成方法では、参照光Ｌref を媒体の上面から照射し、物体光Ｌobj を媒体の下面から照射している。このように、参照光と物体光とを逆側の面に照射すると反射型のホログラムが記録できる。これに対して、図３３に示す方法では、参照光Ｌref および物体光Ｌobj の双方が媒体４０の上面に照射されている。このように、参照光と物体光とを同じ側から照射すると透過型のホログラムが記録できる。すなわち、再生時には、図３４に示すように、再生用照明光Ｌrep として機能する光ビームが媒体４５の下面側に照射され、点Ｐからの透過回折光Ｌdif によって再生像３５が生成されることになる。
【０１９０】
また、これまで述べてきた例は、いずれも収束点Ｃに収束する参照光を用いて反射型もしくは透過型のホログラム記録媒体を作成する方法であるが、その代わりに、収束点Ｃから発散する参照光を用いて反射型もしくは透過型のホログラム記録媒体を作成することも可能である。ただ、そのためには、予め、準備用ホログラム記録媒体を作成しておく必要がある。以下、この方法を行うためのプロセスを順に説明しよう。
【０１９１】
まず、図３５に示すように、準備用ホログラム感光媒体９０と散乱体３０とを配置し、媒体９０に対して、図示のとおり、斜め右上から平行な参照光Ｌref を照射する。そして、散乱体３０からの物体光Ｌobj と参照光Ｌref とによって生じる干渉縞を媒体９０に記録する。このように、記録時に、物体光と参照光とを同じ側から照射すると、透過型のホログラムが記録される。ここでは、このような記録が行われた媒体９０を、準備用ホログラム記録媒体９５と呼ぶことにする。
【０１９２】
図３６は、この準備用ホログラム記録媒体９５の再生プロセスを示す側面図である。図示のとおり、媒体９５に対して、斜め左下から平行な再生用照明光Ｌrep を照射すると、透過回折光Ｌdif によって、図の右方に再生像３５が生成される。ここで、再生用照明光Ｌrep の方向は、その延長線が図３５に示す参照光Ｌref の方向に一致する方向であり、再生像３５の生成位置は、図３５に示す散乱体３０の配置位置に一致する。
【０１９３】
続いて、準備用ホログラム記録媒体９５による再生像３５を実物の散乱体３０の代用として、ホログラム感光媒体４０へ散乱体３０の像を記録するプロセスを行う。すなわち、図３７に示すように、準備用ホログラム記録媒体９５の右方にホログラム感光媒体４０を配置し、媒体９５に対して、斜め左下から平行な再生用照明光Ｌrep を照射して、図の右方に再生像３５を生成する。この場合、媒体９５から右方へと射出する光は、再生像３５を再生するための透過回折光Ｌdif であると同時に、媒体４０に対しては、物体光Ｌobj としての機能を果たす。
【０１９４】
一方、図の下方から、媒体４０に対して、発散参照光Ｌref を照射する。この発散参照光Ｌref は、収束点Ｃから発散する光（収束点Ｃに点光源が存在する場合に、この点光源から発せられる光）であり、媒体４０に対しては、円錐状に広がる光線束が照射されることになる。図示の例では、収束点Ｃの位置に焦点をもつ凸レンズ２５によって、平行光束Ｌ１０を収束点Ｃに集光して点光源を生成することにより、発散参照光Ｌref を発生させている。凸レンズ２５として、たとえば、直径１ｍｍ程度のマイクロレンズを用いれば、レーザ光源から発せられる断面径１ｍｍ程度のレーザビームを、そのまま平行光束Ｌ１０として利用して、発散参照光Ｌref を発生させることができる。
【０１９５】
この図３７に示す方法では、物体光Ｌobj は媒体４０の上面に照射され、参照光Ｌref は媒体４０の下面に照射される。このように、参照光と物体光とを逆側の面に照射すると反射型のホログラムが記録できる。したがって、図３７に示す方法で作成されたホログラム記録媒体４５は、実質的に、図３１に示す方法で作成されたホログラム記録媒体４５と同じ反射型ホログラムになる。したがって、再生時には、図３２に示す幾何学的配置をとればよい。
【０１９６】
これに対して、図３８は、発散参照光Ｌref を用いて透過型ホログラムを作成する例を示す側面図である。図３７に示す配置との相違点は、媒体４０の向きである。図３７に示す反射型ホログラムの作成方法では、物体光Ｌobj を媒体の上面から照射し、参照光Ｌref を媒体の下面から照射している。これに対して、図３８に示す方法では、物体光Ｌobj および参照光Ｌref の双方が媒体４０の下面に照射されている。このように、参照光と物体光とを同じ側から照射すると透過型のホログラムが記録できる。この図３８に示す方法で作成されたホログラム記録媒体４５は、実質的に、図３３に示す方法で作成されたホログラム記録媒体４５と同じ透過型ホログラムになる。したがって、再生時には、図３４に示す幾何学的配置をとればよい。
【０１９７】
なお、図３７および図３８に示す記録プロセスでは、準備用ホログラム記録媒体９５として、図３５に示す方法で作成された透過型ホログラムを用いたが、準備用ホログラム記録媒体９５として、図３９に示す方法で作成された反射型ホログラムを用いることも可能である。図３９に示す方法では、準備用ホログラム感光媒体９０の左側から参照光Ｌref を照射し、右側から物体光Ｌobj を照射しているため、作成された準備用ホログラム記録媒体９５は反射型ホログラムになる。
【０１９８】
この反射型の準備用ホログラム記録媒体９５を用いて再生を行う場合は、図４０に示すように、媒体９５の右側から再生用照明光Ｌrep を照射し、得られる反射回折光Ｌdif によって再生像３５を生成することになる。したがって、図３７，図３８に示すプロセスでは、再生用照明光Ｌrep を左側から照射する代わりに、右側から照射することになる。
【０１９９】
＜５−６＞ 光ビームの平行移動走査
これまで述べた実施形態では、照明ユニット１００内の光ビーム走査装置６０が、光ビームを所定の走査基点Ｂで屈曲させ、この屈曲態様（屈曲の方向と屈曲角度の大きさ）を時間的に変化させることにより、屈曲された光ビームを走査する方式をとっていたが、光ビーム走査装置６０の走査方法は、光ビームを走査基点Ｂで屈曲させる方法に限定されるものではない。
【０２００】
たとえば、光ビームを平行移動させるような走査方法を採ることも可能である。ただ、その場合は、ホログラム記録媒体４５に対する散乱体３０の記録方法も変更する必要がある。すなわち、図４１に示す例のように、ホログラム感光媒体４０に対して、平行光束からなる参照光Ｌref を照射し、散乱体３０からの物体光Ｌobj との干渉縞の情報を記録するようにする。別言すれば、こうして作成されたホログラム記録媒体４６には、平行光束からなる参照光Ｌref を用いて散乱体３０の像３５がホログラムとして記録されていることになる。
【０２０１】
図４２は、図４１に示す方法で作成されたホログラム記録媒体４６を用いた照明ユニット１１０の側面図である。図示のとおり、この照明ユニット１１０は、ホログラム記録媒体４６、コヒーレント光源５０、光ビーム走査装置６５によって構成されている。
【０２０２】
ここで、ホログラム記録媒体４６は、図４１に示す方法で作成された媒体であり、平行光束からなる参照光Ｌref を利用して、散乱体３０の像３５がホログラムとして記録されている。また、コヒーレント光源５０は、ホログラム記録媒体４６を作成する際に用いた光（物体光Ｌobj および参照光Ｌref ）の波長と同一波長（もしくは、ホログラムの再生が可能な近似波長）をもつコヒーレントな光ビームＬ５０を発生させる光源である。
【０２０３】
一方、光ビーム走査装置６５は、コヒーレント光源５０が発生した光ビームＬ５０をホログラム記録媒体４６に照射する機能を有するが、このとき、図４１に示す作成プロセスで用いた参照光Ｌref に平行になる方向から光ビームＬ６５がホログラム記録媒体４６に照射されるように走査を行う。より具体的には、光ビームＬ６５を平行移動させながらホログラム記録媒体４６に照射することにより、光ビームＬ６５のホログラム記録媒体４６に対する照射位置が時間的に変化するように走査する。
【０２０４】
このような走査を行う光ビーム走査装置６５は、たとえば、可動反射鏡６６と、この可動反射鏡６６を駆動する駆動機構とによって構成することができる。すなわち、図４２に示すように、コヒーレント光源５０が発生した光ビームＬ５０を受光可能な位置に可動反射鏡６６を配置し、この可動反射鏡６６を光ビームＬ５０の光軸に沿って摺動させる駆動機構を設けておけばよい。なお、実用上は、ＭＥＭＳを利用したマイクロミラーデバイスにより、上記機能と同等の機能をもった光ビーム走査装置６５を構成することができる。あるいは、図１３に示す光ビーム走査装置６０によって走査基点Ｂの位置で屈曲された光ビームＬ６０を、走査基点Ｂに焦点をもつ凸レンズに通すことによっても、平行に移動する光ビームを生成することができる。
【０２０５】
図４２に示す例の場合、可動反射鏡６６で反射した光ビームＬ６５の照射を受けたホログラム記録媒体４６は、記録された干渉縞に基づく回折光を発生し、この回折光によって、散乱体３０の再生像３５が生成される。照明ユニット１１０は、こうして得られる再生像３５の再生光を照明光として利用した照明を行うことになる。
【０２０６】
図４２では、説明の便宜上、時刻ｔ１における光ビームの位置を一点鎖線で示し、時刻ｔ２における光ビームの位置を二点鎖線で示している。すなわち、時刻ｔ１では、光ビームＬ５０は、可動反射鏡６６（ｔ１）の位置で反射し、光ビームＬ６５（ｔ１）としてホログラム記録媒体４６の点Ｐ（ｔ１）に照射されるが、時刻ｔ２では、光ビームＬ５０は、可動反射鏡６６（ｔ２）の位置で反射し（図示の可動反射鏡６６（ｔ２）は、可動反射鏡６６（ｔ１）が移動したものである）、光ビームＬ６５（ｔ２）としてホログラム記録媒体４６の点Ｐ（ｔ２）に照射される。
【０２０７】
図には、便宜上、時刻ｔ１，ｔ２の２つの時点における走査態様しか示されていないが、実際には、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームＬ６５は図の左右に平行移動し、光ビームＬ６５のホログラム記録媒体４６に対する照射位置は、図の点Ｐ（ｔ１）〜Ｐ（ｔ２）へと徐々に移動してゆくことになる。すなわち、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームＬ６５の照射位置は、ホログラム記録媒体４６上において点Ｐ（ｔ１）〜Ｐ（ｔ２）へと走査されることになる。ここでは、光ビームＬ６５を一次元方向（図の左右方向）に平行移動する例を述べたが、もちろん、光ビーム６５を図の紙面に垂直な方向にも平行移動させる機構（たとえば、ＸＹステージ上に反射鏡を配置した機構）を設けておけば、二次元方向に平行移動させることが可能になる。
【０２０８】
ここで、光ビームＬ６５は、図４１に示す作成プロセスで用いた参照光Ｌref に常に平行になるように走査されるので、光ビームＬ６５は、ホログラム記録媒体４６の各照射位置において、そこに記録されているホログラムを再生するための正しい再生用照明光Ｌrep として機能する。
【０２０９】
たとえば、時刻ｔ１では、点Ｐ（ｔ１）からの回折光Ｌ４６（ｔ１）によって、散乱体３０の再生像３５が生成され、時刻ｔ２では、点Ｐ（ｔ２）からの回折光Ｌ４６（ｔ２）によって、散乱体３０の再生像３５が生成される。もちろん、時刻ｔ１〜ｔ２の期間においても、光ビームＬ６５が照射された個々の位置からの回折光によって、同様に散乱体３０の再生像３５が生成される。すなわち、光ビームＬ６５が平行移動走査を受ける限り、ホログラム記録媒体４６上のどの位置に光ビームＬ６５が照射されたとしても、照射位置からの回折光によって、同一の再生像３５が同一位置に生成されることになる。
【０２１０】
結局、この図４２に示す照明ユニット１１０は、図１３に示す照明ユニット１００と同様に、ホログラム再生光によって線状パターンＵを投影する機能を有している。要するに、本発明では、ホログラム記録媒体に、所定光路に沿って照射される参照光を用いて散乱体の像をホログラムとして記録しておき、光ビーム走査装置によって、このホログラム記録媒体に対する光ビームの照射方向が参照光の光路に沿った方向（光学的に共役な方向）になるように、光ビームの走査を行うようにすればよい。
【０２１１】
＜５−７＞ マイクロレンズアレイの利用
これまで述べた実施形態は、散乱体のホログラム像が記録されたホログラム記録媒体を用意し、このホログラム記録媒体に対して、コヒーレント光を走査し、得られる回折光を照明光として利用するものであった。ここでは、このホログラム記録媒体の代わりに、マイクロレンズアレイを利用した変形例を述べる。
【０２１２】
図４３は、このマイクロレンズアレイを利用した変形例の側面図である。この変形例に係る照明ユニット１２０は、マイクロレンズアレイ４８、コヒーレント光源５０、光ビーム走査装置６０によって構成されている。コヒーレント光源５０は、これまで述べてきた実施形態と同様に、コヒーレントな光ビームＬ５０を発生させる光源であり、具体的には、レーザ光源を用いることができる。
【０２１３】
また、光ビーム走査装置６０は、これまで述べてきた実施形態と同様に、コヒーレント光源５０が発生した光ビームＬ５０の走査を行う装置である。より具体的には、光ビームを走査基点Ｂで屈曲させてマイクロレンズアレイ４８に照射する機能を有し、しかも、光ビームＬ５０の屈曲態様を時間的に変化させることにより、光ビームＬ６０のマイクロレンズアレイ４８に対する照射位置が時間的に変化するように走査する。
【０２１４】
一方、マイクロレンズアレイ４８は、多数の個別レンズの集合体からなる光学素子である。このマイクロレンズアレイ４８を構成する個別レンズは、それぞれが、走査基点Ｂから入射した光を屈折させ、所定位置に配置される物体Ｍの近傍面Ｒ（図示の例の場合、物体Ｍが載せられる載置ステージ２１０の上面（図の左面））に照射領域Ｉを形成する機能を有している。
【０２１５】
この照射領域Ｉは、これまで述べてきた実施形態における線状パターンＵを形成する領域であり、ここに示す実施例の場合、図において上下方向に細長い線状の照射領域になる。すなわち、図の紙面に垂直方向の幅が、投影される線状パターンＵの幅になる（あるいは、図の紙面に垂直方向が、投影される線状パターンＵの長手方向となるようにしてもかまわない）。
【０２１６】
ここで重要な点は、いずれの個別レンズによって形成される照射領域Ｉも、当該近傍面Ｒ上において同一の共通領域となるように構成されている点である。別言すれば、いずれの個別レンズを通った光も、近傍面Ｒ上の同一位置に同一の照射領域Ｉを形成することになる。このような機能をもったマイクロレンズアレイとしては、たとえば、「フライアイレンズ」と呼ばれるものが市販されている。
【０２１７】
図４４は、図４３に示す照明ユニット１００の動作原理を示す側面図である。ここでも、説明の便宜上、光ビームＬ６０の時刻ｔ１における屈曲態様を一点鎖線で示し、時刻ｔ２における屈曲態様を二点鎖線で示している。すなわち、時刻ｔ１では、光ビームＬ５０は走査基点Ｂで屈曲し、光ビームＬ６０（ｔ１）としてマイクロレンズアレイ４８の下方に位置する個別レンズ４８−１に入射する。この個別レンズ４８−１は、走査基点Ｂから入射した光ビームについては、これを広げて、物体Ｍの近傍面Ｒ（この例では、載置ステージ２１０の上面）の二次元照射領域Ｉに照射する機能を有する。したがって、当該近傍面Ｒには、図示のように縦方向に細長い照射領域Ｉが形成され、当該照射領域Ｉが線状パターンＵを構成する。
【０２１８】
また、時刻ｔ２では、光ビームＬ５０は走査基点Ｂで屈曲し、光ビームＬ６０（ｔ２）としてマイクロレンズアレイ４８の上方に位置する個別レンズ４８−２に入射する。この個別レンズ４８−２は、走査基点Ｂから入射した光ビームについては、これを広げて、近傍面Ｒ上の二次元照射領域Ｉに照射する機能を有する。したがって、時刻ｔ２においても、近傍面Ｒには、図示のように照射領域Ｉ（線状パターンＵ）が形成される。
【０２１９】
図には、便宜上、時刻ｔ１，ｔ２の２つの時点における動作状態しか示されていないが、実際には、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームの屈曲方向は滑らかに変化し、光ビームＬ６０のマイクロレンズアレイ４８に対する照射位置は、図の下方から上方へと徐々に移動してゆくことになる。すなわち、時刻ｔ１〜ｔ２の期間において、光ビームＬ６０の照射位置は、マイクロレンズアレイ４８上で上下に走査されることになる。もちろん、マイクロレンズアレイ４８として、多数の個別レンズが二次元的に配置されたものを用いた場合は、光ビーム走査装置６０によって、この二次元配列上で光ビームが走査されるようにすればよい。
【０２２０】
上述したマイクロレンズアレイ４８の性質から、光ビームＬ６０がどの個別レンズに入射したとしても、近傍面Ｒ上に形成される二次元照射領域Ｉ（線状パターンＵ）は共通になる。すなわち、光ビームの走査状態にかかわらず、近傍面Ｒには、常に同一の照射領域Ｉ（線状パターンＵ）が形成されることになる。したがって、この照射領域Ｉ内に物体Ｍを配置すれば、その表面には常に線状パターンＵが投影された状態になる。もちろん、必要に応じて、パターン走査機構２００を設けておけば、線状パターンＵを物体Ｍ上で走査することもできる。
【０２２１】
結局、ここに示す照明ユニット１２０の場合、光ビーム走査装置６０は、光ビームＬ６０をマイクロレンズアレイ４８に照射し、かつ、光ビームＬ６０のマイクロレンズアレイ４８に対する照射位置が時間的に変化するように走査する機能をもっている。一方、マイクロレンズアレイ４８を構成する個別レンズは、それぞれが、光ビーム走査装置６０から照射された光を屈折させ、物体Ｍの近傍面Ｒ上に線状の照射領域Ｉを形成する機能を有しており、かつ、いずれの個別レンズによって形成される照射領域Ｉも、この近傍面Ｒ上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されている。このため、この線状の照射領域Ｉを、これまで述べてきた実施形態における線状パターンＵとして利用することができる。
【０２２２】
この照明ユニット１２０の場合も、これまで述べてきた基本的実施形態に係る照明ユニット１００と同様に、近傍面Ｒの各部に照射される光の入射角度は、時間的に多重化されることになり、また、光ビームＬ６０を走査しているため、スペックルの発生が抑制される。
【０２２３】
＜５−８＞ 光拡散素子の利用
これまで、基本的な実施形態として、散乱体３０のホログラム像が記録されたホログラム記録媒体を用いて照明ユニットを構成した例を説明し、上記＜５−７＞では、ホログラム記録媒体の代わりにマイクロレンズアレイを用いて照明ユニットを構成した例を説明した。これらの照明ユニットにおいて、ホログラム記録媒体やマイクロレンズアレイは、結局のところ、入射した光ビームを拡散して所定面上に線状の照射領域を形成する機能を有する光拡散素子の役割を果たしていることになる。しかも、当該光拡散素子は、光ビームの入射位置にかかわらず、形成される照射領域が、物体Ｍの近傍面上において同一の共通領域となる、という特徴を有している。
【０２２４】
したがって、本発明に係る照明ユニットを構成するには、必ずしも上述したホログラム記録媒体やマイクロレンズアレイを用いる必要はなく、一般的に、上記特徴を有する光拡散素子を用いて構成することができる。
【０２２５】
要するに、本発明に係る装置に用いられる照明ユニットは、本質的には、コヒーレントな光ビームを発生させるコヒーレント光源と、この光ビームの向きもしくは位置またはその双方を制御することにより、ビーム走査を行う光ビーム走査装置と、入射した光ビームを拡散して射出する光拡散素子と、を用いることによって構成することができる。
【０２２６】
ここで、光ビーム走査装置は、コヒーレント光源が発生した光ビームを、光拡散素子に向けて射出し、かつ、当該光ビームの光拡散素子に対する入射位置が時間的に変化するように走査する機能を有していればよい。また、光拡散素子は、入射した光ビームを拡散して物体の近傍に位置する特定の近傍面上に線状の照射領域を投影する機能を有し、かつ、光ビームの入射位置にかかわらず、形成される照射領域が、当該近傍面上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されていればよい。
【産業上の利用可能性】
【０２２７】
本発明に係るスキャナ装置は、物体に対して光学的なスキャンを行う用途に広く利用することができる。上記実施例では、このスキャナ装置を、物体の三次元形状測定装置に利用した例を述べたが、このスキャナ装置の用途は、必ずしも三次元形状測定装置に限定されるものではない。たとえば、紙面などの二次元物体上の情報をスキャンする用途にも利用可能である。
【０２２８】
一方、本発明に係る物体の三次元形状測定装置は、様々な物体の三次元形状を非接触で測定することができるため、あらゆる物体を対象として、加工を施す分野や検査する分野など、産業上、広く利用することができる。
【符号の説明】
【０２２９】
１０：コヒーレント光源
１１：反射鏡
１２：ビームエキスパンダー
２０：ビームスプリッタ
２１：反射鏡
２２：ビームエキスパンダー
２３：凸レンズ
２４：シリンドリカルレンズ
２５：凸レンズ
３０：線状散乱体
３０Ａ，３０Ｂ：散乱体
３０Ａ−１〜３０Ａ−ｎ：線状散乱体
３０Ｂ−１〜３０Ｂ−ｍ：線状散乱体
３０Ｃ：網目格子状散乱体
３０′：仮想の散乱板
３５：散乱板の像
４０：ホログラム感光媒体
４０′：仮想の記録面
４５，４６：ホログラム記録媒体
４８：マイクロレンズアレイ
４８−１，４８−２：個別レンズ
５０：コヒーレント光源
６０，６５：光ビーム走査装置
６６：可動反射鏡
８０：ホログラム感光媒体
８５：ホログラム記録媒体
８８：ホログラム記録媒体
８８−１〜８８−ｎ：ホログラム記録媒体の分割領域
９０：準備用ホログラム感光媒体
９５：準備用ホログラム記録媒体
１００，１１０，１２０：照明ユニット
２００：パターン走査機構
２１０：載置ステージ
２２０：搬送装置
３００：撮影ユニット
３０１，３０２，３０３：カメラ
４００：形状解析ユニット
Ａ１，Ａ２：再生用照明光の断面
Ａ１Ｓ，Ａ１Ｅ，Ａ２Ｓ，Ａ２Ｅ，Ａ３Ｓ，Ａ３Ｅ，ＡｎＳ，ＡｎＥ：再生用照明光の断面
ａ１〜ａ４：領域
Ｂ：走査基点
Ｃ：収束点
Ｄ：点光源
Ｄａ：ホログラム記録媒体の横幅
Ｄｂ：ホログラム記録媒体の縦幅
Ｇ：画像
Ｇ（３０１，ｉ）：画像
Ｇ（３０２，ｉ）：画像
Ｇ（３０３，ｉ）：画像
Ｉ：照射領域
Ｌ１０：光ビーム
Ｌ１１：光ビーム
Ｌ１２：平行光束
Ｌ２０：光ビーム
Ｌ２１：光ビーム
Ｌ２２：平行光束
Ｌ２３：参照光
Ｌ２４：参照光
Ｌ３０：散乱光
Ｌ３１〜Ｌ３３：物体光
Ｌ４５，Ｌ４６：回折光
Ｌ５０：光ビーム
Ｌ６０，Ｌ６１，Ｌ６２，Ｌ６５：光ビーム
Ｌdif ：回折光
Ｌobj ：物体光
Ｌref ：参照光
Ｌrep ：再生用照明光
Ｍ：物体
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２：照射点
Ｐａ，Ｐｂ：点光源Ｄのピッチ
Ｑ：着目点
Ｑ１〜Ｑ３：物体点
Ｒ：受光面
Ｓ１，Ｓ２：参照光の断面
Ｔ：三次元形状データ
ｔ１，ｔ２：時刻
Ｕ，Ｕ１〜Ｕｎ：線状パターン
Ｖ，Ｗ：回動軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体（Ｍ）を光の線状パターン（Ｕ）で走査し、前記物体（Ｍ）の表面情報を取り込むスキャナ装置であって、
前記物体（Ｍ）に光の線状パターン（Ｕ）を投影する照明ユニット（１００，１１０）と、
前記線状パターン（Ｕ）の前記物体（Ｍ）に対する投影位置を時間的に変化させるパターン走査機構（２００）と、
前記線状パターン（Ｕ）が投影された前記物体（Ｍ）を所定方向から撮影し、前記物体（Ｍ）の表面情報を取り込むＣＣＤカメラ（３００，３０１〜３０３）と、
を備え、
前記照明ユニット（１００，１１０）が、
コヒーレントな光ビーム（Ｌ５０）を発生させるコヒーレント光源（５０）と、
前記線状パターン（Ｕ）に対応する形状をもった散乱体（３０）の像（３５）が記録されたホログラム記録媒体（４５，４６，８５）と、
前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）を前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に照射し、かつ、前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）の前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置（６０，６５）と、
を有し、
前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）には、所定光路に沿って照射される参照光（Ｌ２３，Ｌref ）を用いて前記散乱体（３０）の像がホログラムとして記録されており、
前記コヒーレント光源（５０）は、前記散乱体の像（３５）を再生することが可能な波長をもった光ビーム（Ｌ５０）を発生させ、
前記光ビーム走査装置（６０，６５）は、前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に対する前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）の照射方向が前記参照光（Ｌ２３，Ｌref ）の光路に沿った方向になるように、前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）の走査を行い、
前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）から得られるホログラムの再生光により前記線状パターン（Ｕ）が投影されることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に、１本もしくは互いに平行な複数本の線状散乱体（３０）の像（３５）が記録されており、ホログラムの再生光により１本もしくは互いに平行な複数本の線を有する線状パターン（Ｕ）が投影されることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のスキャナ装置において、
パターン走査機構（２００）が、
物体（Ｍ）を載置する載置ステージ（２１０）と、
前記載置ステージ（２１０）を、線状パターン（Ｕ）の構成要素となる線に直交する方向に移動させる搬送装置（２２０）と、
を有することを特徴とするスキャナ装置。
【請求項４】
請求項２に記載のスキャナ装置において、
パターン走査機構（２００）が、
物体（Ｍ）を載置する載置ステージ（２１０）と、
照明ユニット（１００，１１０）を前記載置ステージ（２１０）に対して、線状パターン（Ｕ）の構成要素となる線に直交する方向に移動させる搬送装置と、
を有することを特徴とするスキャナ装置。
【請求項５】
請求項２に記載のスキャナ装置において、
パターン走査機構（２００）が、
照明ユニット（１００，１１０）から得られるホログラムの再生光の向きを変える光学系を有し、前記再生光によって投影される線状パターン（Ｕ）を、その構成要素となる線に直交する方向に走査することを特徴とするスキャナ装置。
【請求項６】
請求項１に記載のスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体（８８）が複数の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）に分割されており、個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）には、それぞれ１本もしくは複数本の線状散乱体（３０）の像が記録されており、個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）から得られるホログラムの再生光により、それぞれ１本もしくは複数本の線を有する線状パターンが投影され、かつ、１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンと、別な１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンとが、空間上の異なる位置に形成されることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項７】
請求項６に記載のスキャナ装置において、
光ビーム走査装置（６０，６５）が、第１番目の分割領域、第２番目の分割領域、第３番目の分割領域、... 、というように、所定の順番で光ビームの走査を行い、第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域を走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に第ｉ番目の線状パターンが投影されるようにし、光ビーム走査装置（６０，６５）が、パターン走査機構の役割を兼ねることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載のスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体（８８）が、横方向に細長い複数の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）が縦方向に並んで配置されるように分割されており、個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）の長手方向と個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）から得られる再生像の長手方向とが平行になるようにホログラムの記録が行われていることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のスキャナ装置において、
光ビーム走査装置（６０）が、光ビーム（Ｌ５０）を所定の走査基点（Ｂ）で屈曲させ、屈曲された光ビーム（Ｌ６０）をホログラム記録媒体（４５）に照射し、かつ、前記光ビーム（Ｌ５０）の屈曲態様を時間的に変化させることにより、屈曲された光ビーム（Ｌ６０）の前記ホログラム記録媒体（４５）に対する照射位置を時間的に変化させ、
前記ホログラム記録媒体（４５）には、特定の収束点（Ｃ）に収束する参照光（Ｌ２３）または特定の収束点（Ｃ）から発散する参照光（Ｌ２３）を用いて散乱体（３０）の像がホログラムとして記録されており、
前記光ビーム走査装置（６０）が、前記収束点（Ｃ）を前記走査基点（Ｂ）として光ビーム（Ｌ６０）の走査を行うことを特徴とするスキャナ装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体（４５）に、収束点（Ｃ）を頂点とした円錐の側面に沿って三次元的に収束もしくは発散する参照光を用いて散乱体（３０）の像が記録されていることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項１１】
請求項９に記載のスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体（４５）に、収束点（Ｃ）を含む平面に沿って二次元的に収束もしくは発散する参照光を用いて散乱体（３０）の像が記録されていることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれかに記載のスキャナ装置において、
光ビーム走査装置（６５）が、光ビーム（Ｌ６５）を平行移動させながらホログラム記録媒体（４６）に照射することにより、前記光ビーム（Ｌ６５）の前記ホログラム記録媒体（４６）に対する照射位置を時間的に変化させ、
前記ホログラム記録媒体（４６）には、平行光束からなる参照光（Ｌref）を用いて散乱体（３０）の像（３５）がホログラムとして記録されており、
前記光ビーム走査装置（６５）が、前記参照光（Ｌref）に平行になる方向から光ビーム（Ｌ６５）を前記ホログラム記録媒体（４６）に照射して、光ビーム（Ｌ６５）の走査を行うことを特徴とするスキャナ装置。
【請求項１３】
物体（Ｍ）に光の線状パターン（Ｕ）を投影し、前記物体（Ｍ）の表面情報を取り込む情報取得方法であって、
線状パターン（Ｕ）を構成するための散乱体（３０）の像（３５）をホログラムとして記録用媒体（４０，８０）上に記録することによりホログラム記録媒体（４５，４６，８５）を作成する準備段階と、
前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）から得られるホログラムの再生光の照射を受ける位置に前記物体（Ｍ）を配置した状態で、前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）上にコヒーレントな光ビーム（Ｌ６０）を照射し、かつ、照射位置が時間的に変化するように前記光ビーム（Ｌ６０）を前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）上で走査し、前記物体（Ｍ）上に前記線状パターン（Ｕ）を投影する投影段階と、
前記線状パターン（Ｕ）が投影された前記物体（Ｍ）を所定方向からＣＣＤカメラにより撮影し、前記物体（Ｍ）の表面情報を取り込む撮影段階と、
を有し、
前記準備段階では、コヒーレントな照明光（Ｌ１２）を前記散乱体（３０）に照射し、前記散乱体（３０）から得られる散乱光（Ｌ３０）を物体光として用い、所定光路に沿って前記記録用媒体（４０，８０）に照射され、前記照明光（Ｌ１２）と同一波長のコヒーレントな光（Ｌ２３，Ｌref ）を参照光として用い、前記物体光と前記参照光とによって形成される干渉縞を前記記録用媒体（４０，８０）に記録することにより前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）を作成し、
前記投影段階では、前記散乱体の像（３５）を再生することが可能な波長をもった光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）が、前記参照光（Ｌ２３，Ｌref ）の光路に沿った光路を通って前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）上の照射位置へ向かうように走査を行うことを特徴とする物体の表面情報取得方法。
【請求項１４】
物体（Ｍ）を光の線状パターン（Ｕ）で走査し、前記物体（Ｍ）の表面情報を取り込むスキャナ装置であって、
前記物体（Ｍ）に光の線状パターン（Ｕ）を投影する照明ユニット（１２０）と、
前記線状パターン（Ｕ）の前記物体（Ｍ）に対する投影位置を時間的に変化させるパターン走査機構（２００）と、
前記線状パターン（Ｕ）が投影された前記物体（Ｍ）を所定方向から撮影し、前記物体（Ｍ）の表面情報を取り込むＣＣＤカメラ（３００，３０１〜３０３）と、
を備え、
前記照明ユニット（１２０）が、
コヒーレントな光ビーム（Ｌ５０）を発生させるコヒーレント光源（５０）と、
多数の個別レンズの集合体からなるマイクロレンズアレイ（４８）と、
前記光ビーム（Ｌ５０）を前記マイクロレンズアレイ（４８）に照射し、かつ、前記光ビーム（Ｌ６０）の前記マイクロレンズアレイ（４８）に対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置（６０）と、
を有し、
前記マイクロレンズアレイ（４８）を構成する個別レンズは、それぞれが、前記光ビーム走査装置（６０）から照射された光を屈折させ、前記物体（Ｍ）の近傍面（Ｒ）に線状の照射領域（Ｉ）を形成する機能を有し、かつ、いずれの個別レンズによって形成される照射領域（Ｉ）も、前記近傍面（Ｒ）上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されていることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項１５】
物体（Ｍ）を光の線状パターン（Ｕ）で走査し、前記物体（Ｍ）の表面情報を取り込むスキャナ装置であって、
前記物体（Ｍ）に光の線状パターン（Ｕ）を投影する照明ユニット（１００，１１０，１２０）と、
前記線状パターン（Ｕ）の前記物体（Ｍ）に対する投影位置を時間的に変化させるパターン走査機構（２００）と、
前記線状パターン（Ｕ）が投影された前記物体（Ｍ）を所定方向から撮影し、前記物体（Ｍ）の表面情報を取り込むＣＣＤカメラ（３００，３０１〜３０３）と、
を備え、
前記照明ユニット（１００，１１０，１２０）が、
コヒーレントな光ビーム（Ｌ５０）を発生させるコヒーレント光源（５０）と、
前記光ビーム（Ｌ５０）の向きもしくは位置またはその双方を制御することにより、ビーム走査を行う光ビーム走査装置（６０，６５）と、
入射した光ビームを拡散して射出する光拡散素子（４５，４６，４８）と、
を備え、
前記光ビーム走査装置（６０，６５）は、前記コヒーレント光源（５０）が発生した前記光ビーム（Ｌ５０）を、前記光拡散素子（４５，４６，４８）に向けて射出し、かつ、前記光ビーム（Ｌ６０）の前記光拡散素子（４５，４６，４８）に対する入射位置が時間的に変化するように走査し、
前記光拡散素子（４５，４６，４８）は、入射した光ビームを拡散させて前記物体（Ｍ）の近傍面（Ｒ）上に線状の照射領域（Ｉ）を形成する機能を有し、かつ、光ビームの入射位置にかかわらず、形成される照射領域（Ｉ）が、前記近傍面（Ｒ）上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されていることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項１６】
物体（Ｍ）の三次元形状を測定する装置であって、
前記物体（Ｍ）に光の線状パターン（Ｕ）を投影する照明ユニット（１００，１１０）と、
前記線状パターン（Ｕ）が投影された前記物体（Ｍ）を所定方向から撮影するＣＣＤカメラ（３００，３０１〜３０３）と、
前記ＣＣＤカメラ（３００，３０１〜３０３）による撮影画像（Ｇ）上の前記線状パターン（Ｕ）を解析することにより、前記物体（Ｍ）の三次元形状データ（Ｔ）を作成する形状解析ユニット（４００）と、
を備え、
前記照明ユニット（１００，１１０）が、
コヒーレントな光ビーム（Ｌ５０）を発生させるコヒーレント光源（５０）と、
前記線状パターン（Ｕ）に対応する形状をもった散乱体（３０）の像（３５）が記録されたホログラム記録媒体（４５，４６，８５）と、
前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）を前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に照射し、かつ、前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）の前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置（６０，６５）と、
を有し、
前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）には、所定光路に沿って照射される参照光（Ｌ２３，Ｌref ）を用いて前記散乱体（３０）の像がホログラムとして記録されており、
前記コヒーレント光源（５０）は、前記散乱体の像（３５）を再生することが可能な波長をもった光ビーム（Ｌ５０）を発生させ、
前記光ビーム走査装置（６０，６５）は、前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に対する前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）の照射方向が前記参照光（Ｌ２３，Ｌref ）の光路に沿った方向になるように、前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）の走査を行い、
前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）から得られるホログラムの再生光により前記線状パターン（Ｕ）が投影されることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の測定装置において、
ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に、１本もしくは複数本の線状散乱体（３０）の像（３５）が記録されており、ホログラムの再生光により１本もしくは複数本の線を有する線状パターン（Ｕ）が投影されることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項１８】
請求項１６に記載の測定装置において、
ホログラム記録媒体（８８）が複数の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）に分割されており、個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）には、それぞれ１本もしくは複数本の線状散乱体（３０）の像が記録されており、個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）から得られるホログラムの再生光により、それぞれ１本もしくは複数本の線を有する線状パターンが投影され、かつ、１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンと、別な１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンとが、空間上の異なる位置に形成されることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の測定装置において、
光ビーム走査装置（６０，６５）が、第１番目の分割領域、第２番目の分割領域、第３番目の分割領域、... 、というように、所定の順番で光ビームの走査を行い、第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域を走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に第ｉ番目の線状パターンが投影されるようにし、物体（Ｍ）に対する線状パターン（Ｕ）の投影位置を時間的に変化させることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項２０】
請求項１８または１９に記載の測定装置において、
ホログラム記録媒体（８８）が、横方向に細長い複数の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）が縦方向に並んで配置されるように分割されており、個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）の長手方向と個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）から得られる再生像の長手方向とが平行になるようにホログラムの記録が行われていることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項２１】
請求項１６に記載の測定装置において、
ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に、横方向に伸びる線状散乱体（３０Ａ−１，３０Ａ−２，３０Ａ−３，... ，３０Ａ−ｎ）を互いに平行になるように縦方向に複数並べた横方向格子状散乱体（３０Ａ）の像が記録されており、ホログラムの再生光により、互いに平行な複数の線（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，... ，Ｕｎ）を有する線状パターンが投影されることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項２２】
請求項１６に記載の測定装置において、
ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に、横方向に伸びる線状散乱体（３０Ａ−１，３０Ａ−２，３０Ａ−３，... ，３０Ａ−ｎ）を互いに平行になるように縦方向に複数並べた横方向格子状散乱体（３０Ａ）の像と、縦方向に伸びる線状散乱体（３０Ｂ−１，３０Ｂ−２，３０Ｂ−３，... ，３０Ｂ−ｍ）を互いに平行になるように横方向に複数並べた縦方向格子状散乱体（３０Ｂ）の像と、が重畳して記録されており、ホログラムの再生光により、網目格子状の線状パターンが投影されることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項２３】
請求項１６に記載の測定装置において、
ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に、網目格子状散乱体（３０Ｃ）の像が記録されており、ホログラムの再生光により、網目格子状の線状パターンが投影されることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項２４】
請求項１６〜２３のいずれかに記載の測定装置において、
物体（Ｍ）を載置する載置ステージ（２１０）と、
照明ユニット（１００，１１０）と載置ステージ（２１０）とについて、一方を他方に対して移動させる搬送装置（２２０）と、
を更に備えることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項２５】
請求項１６〜２３のいずれかに記載の測定装置において、
照明ユニット（１００，１１０）から得られるホログラムの再生光の向きを変える光学系を更に有し、前記再生光によって投影される線状パターン（Ｕ）を走査することを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２６】
請求項１６〜２５のいずれかに記載の測定装置において、
ＣＣＤカメラ（３００）として、それぞれ異なる方向から物体（Ｍ）を撮影する複数台のカメラ（３０１〜３０３）を有し、
形状解析ユニット（４００）が、前記複数台のカメラ（３０１〜３０３）によって撮影された撮影画像（Ｇ）上の線状パターン（Ｕ）を解析することにより、前記物体（Ｍ）の三次元形状データ（Ｔ）を作成することを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項１】
物体（Ｍ）を光の線状パターン（Ｕ）で走査し、前記物体（Ｍ）の表面情報を取り込むスキャナ装置であって、
前記物体（Ｍ）に光の線状パターン（Ｕ）を投影する照明ユニット（１００，１１０）と、
前記線状パターン（Ｕ）の前記物体（Ｍ）に対する投影位置を時間的に変化させるパターン走査機構（２００）と、
前記線状パターン（Ｕ）が投影された前記物体（Ｍ）を所定方向から撮影し、前記物体（Ｍ）の表面情報を取り込むＣＣＤカメラ（３００，３０１〜３０３）と、
を備え、
前記照明ユニット（１００，１１０）が、
コヒーレントな光ビーム（Ｌ５０）を発生させるコヒーレント光源（５０）と、
前記線状パターン（Ｕ）に対応する形状をもった散乱体（３０）の像（３５）が記録されたホログラム記録媒体（４５，４６，８５）と、
前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）を前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に照射し、かつ、前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）の前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置（６０，６５）と、
を有し、
前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）には、所定光路に沿って照射される参照光（Ｌ２３，Ｌref ）を用いて前記散乱体（３０）の像がホログラムとして記録されており、
前記コヒーレント光源（５０）は、前記散乱体の像（３５）を再生することが可能な波長をもった光ビーム（Ｌ５０）を発生させ、
前記光ビーム走査装置（６０，６５）は、前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に対する前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）の照射方向が前記参照光（Ｌ２３，Ｌref ）の光路に沿った方向になるように、前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）の走査を行い、
前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）から得られるホログラムの再生光により前記線状パターン（Ｕ）が投影されることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に、１本もしくは互いに平行な複数本の線状散乱体（３０）の像（３５）が記録されており、ホログラムの再生光により１本もしくは互いに平行な複数本の線を有する線状パターン（Ｕ）が投影されることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のスキャナ装置において、
パターン走査機構（２００）が、
物体（Ｍ）を載置する載置ステージ（２１０）と、
前記載置ステージ（２１０）を、線状パターン（Ｕ）の構成要素となる線に直交する方向に移動させる搬送装置（２２０）と、
を有することを特徴とするスキャナ装置。
【請求項４】
請求項２に記載のスキャナ装置において、
パターン走査機構（２００）が、
物体（Ｍ）を載置する載置ステージ（２１０）と、
照明ユニット（１００，１１０）を前記載置ステージ（２１０）に対して、線状パターン（Ｕ）の構成要素となる線に直交する方向に移動させる搬送装置と、
を有することを特徴とするスキャナ装置。
【請求項５】
請求項２に記載のスキャナ装置において、
パターン走査機構（２００）が、
照明ユニット（１００，１１０）から得られるホログラムの再生光の向きを変える光学系を有し、前記再生光によって投影される線状パターン（Ｕ）を、その構成要素となる線に直交する方向に走査することを特徴とするスキャナ装置。
【請求項６】
請求項１に記載のスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体（８８）が複数の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）に分割されており、個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）には、それぞれ１本もしくは複数本の線状散乱体（３０）の像が記録されており、個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）から得られるホログラムの再生光により、それぞれ１本もしくは複数本の線を有する線状パターンが投影され、かつ、１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンと、別な１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンとが、空間上の異なる位置に形成されることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項７】
請求項６に記載のスキャナ装置において、
光ビーム走査装置（６０，６５）が、第１番目の分割領域、第２番目の分割領域、第３番目の分割領域、... 、というように、所定の順番で光ビームの走査を行い、第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域を走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に第ｉ番目の線状パターンが投影されるようにし、光ビーム走査装置（６０，６５）が、パターン走査機構の役割を兼ねることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載のスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体（８８）が、横方向に細長い複数の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）が縦方向に並んで配置されるように分割されており、個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）の長手方向と個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）から得られる再生像の長手方向とが平行になるようにホログラムの記録が行われていることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のスキャナ装置において、
光ビーム走査装置（６０）が、光ビーム（Ｌ５０）を所定の走査基点（Ｂ）で屈曲させ、屈曲された光ビーム（Ｌ６０）をホログラム記録媒体（４５）に照射し、かつ、前記光ビーム（Ｌ５０）の屈曲態様を時間的に変化させることにより、屈曲された光ビーム（Ｌ６０）の前記ホログラム記録媒体（４５）に対する照射位置を時間的に変化させ、
前記ホログラム記録媒体（４５）には、特定の収束点（Ｃ）に収束する参照光（Ｌ２３）または特定の収束点（Ｃ）から発散する参照光（Ｌ２３）を用いて散乱体（３０）の像がホログラムとして記録されており、
前記光ビーム走査装置（６０）が、前記収束点（Ｃ）を前記走査基点（Ｂ）として光ビーム（Ｌ６０）の走査を行うことを特徴とするスキャナ装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体（４５）に、収束点（Ｃ）を頂点とした円錐の側面に沿って三次元的に収束もしくは発散する参照光を用いて散乱体（３０）の像が記録されていることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項１１】
請求項９に記載のスキャナ装置において、
ホログラム記録媒体（４５）に、収束点（Ｃ）を含む平面に沿って二次元的に収束もしくは発散する参照光を用いて散乱体（３０）の像が記録されていることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれかに記載のスキャナ装置において、
光ビーム走査装置（６５）が、光ビーム（Ｌ６５）を平行移動させながらホログラム記録媒体（４６）に照射することにより、前記光ビーム（Ｌ６５）の前記ホログラム記録媒体（４６）に対する照射位置を時間的に変化させ、
前記ホログラム記録媒体（４６）には、平行光束からなる参照光（Ｌref）を用いて散乱体（３０）の像（３５）がホログラムとして記録されており、
前記光ビーム走査装置（６５）が、前記参照光（Ｌref）に平行になる方向から光ビーム（Ｌ６５）を前記ホログラム記録媒体（４６）に照射して、光ビーム（Ｌ６５）の走査を行うことを特徴とするスキャナ装置。
【請求項１３】
物体（Ｍ）に光の線状パターン（Ｕ）を投影し、前記物体（Ｍ）の表面情報を取り込む情報取得方法であって、
線状パターン（Ｕ）を構成するための散乱体（３０）の像（３５）をホログラムとして記録用媒体（４０，８０）上に記録することによりホログラム記録媒体（４５，４６，８５）を作成する準備段階と、
前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）から得られるホログラムの再生光の照射を受ける位置に前記物体（Ｍ）を配置した状態で、前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）上にコヒーレントな光ビーム（Ｌ６０）を照射し、かつ、照射位置が時間的に変化するように前記光ビーム（Ｌ６０）を前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）上で走査し、前記物体（Ｍ）上に前記線状パターン（Ｕ）を投影する投影段階と、
前記線状パターン（Ｕ）が投影された前記物体（Ｍ）を所定方向からＣＣＤカメラにより撮影し、前記物体（Ｍ）の表面情報を取り込む撮影段階と、
を有し、
前記準備段階では、コヒーレントな照明光（Ｌ１２）を前記散乱体（３０）に照射し、前記散乱体（３０）から得られる散乱光（Ｌ３０）を物体光として用い、所定光路に沿って前記記録用媒体（４０，８０）に照射され、前記照明光（Ｌ１２）と同一波長のコヒーレントな光（Ｌ２３，Ｌref ）を参照光として用い、前記物体光と前記参照光とによって形成される干渉縞を前記記録用媒体（４０，８０）に記録することにより前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）を作成し、
前記投影段階では、前記散乱体の像（３５）を再生することが可能な波長をもった光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）が、前記参照光（Ｌ２３，Ｌref ）の光路に沿った光路を通って前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）上の照射位置へ向かうように走査を行うことを特徴とする物体の表面情報取得方法。
【請求項１４】
物体（Ｍ）を光の線状パターン（Ｕ）で走査し、前記物体（Ｍ）の表面情報を取り込むスキャナ装置であって、
前記物体（Ｍ）に光の線状パターン（Ｕ）を投影する照明ユニット（１２０）と、
前記線状パターン（Ｕ）の前記物体（Ｍ）に対する投影位置を時間的に変化させるパターン走査機構（２００）と、
前記線状パターン（Ｕ）が投影された前記物体（Ｍ）を所定方向から撮影し、前記物体（Ｍ）の表面情報を取り込むＣＣＤカメラ（３００，３０１〜３０３）と、
を備え、
前記照明ユニット（１２０）が、
コヒーレントな光ビーム（Ｌ５０）を発生させるコヒーレント光源（５０）と、
多数の個別レンズの集合体からなるマイクロレンズアレイ（４８）と、
前記光ビーム（Ｌ５０）を前記マイクロレンズアレイ（４８）に照射し、かつ、前記光ビーム（Ｌ６０）の前記マイクロレンズアレイ（４８）に対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置（６０）と、
を有し、
前記マイクロレンズアレイ（４８）を構成する個別レンズは、それぞれが、前記光ビーム走査装置（６０）から照射された光を屈折させ、前記物体（Ｍ）の近傍面（Ｒ）に線状の照射領域（Ｉ）を形成する機能を有し、かつ、いずれの個別レンズによって形成される照射領域（Ｉ）も、前記近傍面（Ｒ）上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されていることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項１５】
物体（Ｍ）を光の線状パターン（Ｕ）で走査し、前記物体（Ｍ）の表面情報を取り込むスキャナ装置であって、
前記物体（Ｍ）に光の線状パターン（Ｕ）を投影する照明ユニット（１００，１１０，１２０）と、
前記線状パターン（Ｕ）の前記物体（Ｍ）に対する投影位置を時間的に変化させるパターン走査機構（２００）と、
前記線状パターン（Ｕ）が投影された前記物体（Ｍ）を所定方向から撮影し、前記物体（Ｍ）の表面情報を取り込むＣＣＤカメラ（３００，３０１〜３０３）と、
を備え、
前記照明ユニット（１００，１１０，１２０）が、
コヒーレントな光ビーム（Ｌ５０）を発生させるコヒーレント光源（５０）と、
前記光ビーム（Ｌ５０）の向きもしくは位置またはその双方を制御することにより、ビーム走査を行う光ビーム走査装置（６０，６５）と、
入射した光ビームを拡散して射出する光拡散素子（４５，４６，４８）と、
を備え、
前記光ビーム走査装置（６０，６５）は、前記コヒーレント光源（５０）が発生した前記光ビーム（Ｌ５０）を、前記光拡散素子（４５，４６，４８）に向けて射出し、かつ、前記光ビーム（Ｌ６０）の前記光拡散素子（４５，４６，４８）に対する入射位置が時間的に変化するように走査し、
前記光拡散素子（４５，４６，４８）は、入射した光ビームを拡散させて前記物体（Ｍ）の近傍面（Ｒ）上に線状の照射領域（Ｉ）を形成する機能を有し、かつ、光ビームの入射位置にかかわらず、形成される照射領域（Ｉ）が、前記近傍面（Ｒ）上においてほぼ同一の共通領域となるように構成されていることを特徴とするスキャナ装置。
【請求項１６】
物体（Ｍ）の三次元形状を測定する装置であって、
前記物体（Ｍ）に光の線状パターン（Ｕ）を投影する照明ユニット（１００，１１０）と、
前記線状パターン（Ｕ）が投影された前記物体（Ｍ）を所定方向から撮影するＣＣＤカメラ（３００，３０１〜３０３）と、
前記ＣＣＤカメラ（３００，３０１〜３０３）による撮影画像（Ｇ）上の前記線状パターン（Ｕ）を解析することにより、前記物体（Ｍ）の三次元形状データ（Ｔ）を作成する形状解析ユニット（４００）と、
を備え、
前記照明ユニット（１００，１１０）が、
コヒーレントな光ビーム（Ｌ５０）を発生させるコヒーレント光源（５０）と、
前記線状パターン（Ｕ）に対応する形状をもった散乱体（３０）の像（３５）が記録されたホログラム記録媒体（４５，４６，８５）と、
前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）を前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に照射し、かつ、前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）の前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に対する照射位置が時間的に変化するように走査する光ビーム走査装置（６０，６５）と、
を有し、
前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）には、所定光路に沿って照射される参照光（Ｌ２３，Ｌref ）を用いて前記散乱体（３０）の像がホログラムとして記録されており、
前記コヒーレント光源（５０）は、前記散乱体の像（３５）を再生することが可能な波長をもった光ビーム（Ｌ５０）を発生させ、
前記光ビーム走査装置（６０，６５）は、前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に対する前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）の照射方向が前記参照光（Ｌ２３，Ｌref ）の光路に沿った方向になるように、前記光ビーム（Ｌ６０，Ｌ６５）の走査を行い、
前記ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）から得られるホログラムの再生光により前記線状パターン（Ｕ）が投影されることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の測定装置において、
ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に、１本もしくは複数本の線状散乱体（３０）の像（３５）が記録されており、ホログラムの再生光により１本もしくは複数本の線を有する線状パターン（Ｕ）が投影されることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項１８】
請求項１６に記載の測定装置において、
ホログラム記録媒体（８８）が複数の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）に分割されており、個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）には、それぞれ１本もしくは複数本の線状散乱体（３０）の像が記録されており、個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）から得られるホログラムの再生光により、それぞれ１本もしくは複数本の線を有する線状パターンが投影され、かつ、１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンと、別な１つの分割領域から得られるホログラムの再生光により投影される線状パターンとが、空間上の異なる位置に形成されることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の測定装置において、
光ビーム走査装置（６０，６５）が、第１番目の分割領域、第２番目の分割領域、第３番目の分割領域、... 、というように、所定の順番で光ビームの走査を行い、第ｉ番目（ｉ＝１，２，３，... ）の分割領域を走査しているときに、空間上の第ｉ番目の位置に第ｉ番目の線状パターンが投影されるようにし、物体（Ｍ）に対する線状パターン（Ｕ）の投影位置を時間的に変化させることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項２０】
請求項１８または１９に記載の測定装置において、
ホログラム記録媒体（８８）が、横方向に細長い複数の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）が縦方向に並んで配置されるように分割されており、個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）の長手方向と個々の分割領域（８８−１，８８−２，８８−３，... ，８８−ｎ）から得られる再生像の長手方向とが平行になるようにホログラムの記録が行われていることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項２１】
請求項１６に記載の測定装置において、
ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に、横方向に伸びる線状散乱体（３０Ａ−１，３０Ａ−２，３０Ａ−３，... ，３０Ａ−ｎ）を互いに平行になるように縦方向に複数並べた横方向格子状散乱体（３０Ａ）の像が記録されており、ホログラムの再生光により、互いに平行な複数の線（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，... ，Ｕｎ）を有する線状パターンが投影されることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項２２】
請求項１６に記載の測定装置において、
ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に、横方向に伸びる線状散乱体（３０Ａ−１，３０Ａ−２，３０Ａ−３，... ，３０Ａ−ｎ）を互いに平行になるように縦方向に複数並べた横方向格子状散乱体（３０Ａ）の像と、縦方向に伸びる線状散乱体（３０Ｂ−１，３０Ｂ−２，３０Ｂ−３，... ，３０Ｂ−ｍ）を互いに平行になるように横方向に複数並べた縦方向格子状散乱体（３０Ｂ）の像と、が重畳して記録されており、ホログラムの再生光により、網目格子状の線状パターンが投影されることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項２３】
請求項１６に記載の測定装置において、
ホログラム記録媒体（４５，４６，８５）に、網目格子状散乱体（３０Ｃ）の像が記録されており、ホログラムの再生光により、網目格子状の線状パターンが投影されることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項２４】
請求項１６〜２３のいずれかに記載の測定装置において、
物体（Ｍ）を載置する載置ステージ（２１０）と、
照明ユニット（１００，１１０）と載置ステージ（２１０）とについて、一方を他方に対して移動させる搬送装置（２２０）と、
を更に備えることを特徴とする物体の三次元形状測定装置。
【請求項２５】
請求項１６〜２３のいずれかに記載の測定装置において、
照明ユニット（１００，１１０）から得られるホログラムの再生光の向きを変える光学系を更に有し、前記再生光によって投影される線状パターン（Ｕ）を走査することを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２６】
請求項１６〜２５のいずれかに記載の測定装置において、
ＣＣＤカメラ（３００）として、それぞれ異なる方向から物体（Ｍ）を撮影する複数台のカメラ（３０１〜３０３）を有し、
形状解析ユニット（４００）が、前記複数台のカメラ（３０１〜３０３）によって撮影された撮影画像（Ｇ）上の線状パターン（Ｕ）を解析することにより、前記物体（Ｍ）の三次元形状データ（Ｔ）を作成することを特徴とする三次元形状測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【公開番号】特開２０１２−５８２２６（Ｐ２０１２−５８２２６Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５６１９８（Ｐ２０１１−５６１９８）
【出願日】平成２３年３月１５日（２０１１．３．１５）
【分割の表示】特願２０１０−５４９９５２（Ｐ２０１０−５４９９５２）の分割
【原出願日】平成２２年９月７日（２０１０．９．７）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１５日（２０１１．３．１５）
【分割の表示】特願２０１０−５４９９５２（Ｐ２０１０−５４９９５２）の分割
【原出願日】平成２２年９月７日（２０１０．９．７）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
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