三次元形状測定方法および装置
【課題】三次元形状測定方法および装置において、例えば、ハレーション等の被測定物の表面の反射特性による反射光のノイズ成分を低減し、被測定物の表面の測定不能域を低減することができるようにする。
【解決手段】三次元形状測定装置１００は、被測定物１にパターン光１２ｂを投影するプロジェクタ２と、パターン光１２ｂが投影された被測定物１を撮像して、被測定物１の表面からの反射光画像を取得するＣＣＤカメラ３と、反射光画像から被測定物１の三次元形状を算出する演算部４と、被測定物１とＣＣＤカメラ３との間に配置された偏光フィルタ９と、プロジェクタ２と被測定物１との間に配置された偏光フィルタ７とを備え、偏光フィルタ７、９は、透過軸の方向を調整可能に設けられている。
【解決手段】三次元形状測定装置１００は、被測定物１にパターン光１２ｂを投影するプロジェクタ２と、パターン光１２ｂが投影された被測定物１を撮像して、被測定物１の表面からの反射光画像を取得するＣＣＤカメラ３と、反射光画像から被測定物１の三次元形状を算出する演算部４と、被測定物１とＣＣＤカメラ３との間に配置された偏光フィルタ９と、プロジェクタ２と被測定物１との間に配置された偏光フィルタ７とを備え、偏光フィルタ７、９は、透過軸の方向を調整可能に設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元形状測定方法および装置に関する。例えば、被測定物に形状測定用のパターン光を投影して、被測定物の表面からの反射光による反射光画像を取得し、この反射光画像から被測定物の三次元形状を算出する三次元形状測定方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、三次元形状測定方法および装置には、被測定物に形状測定用のパターン光を投影し、このパターン光が投影された被測定物の表面からの反射光による反射光画像を取得し、三角測量の原理に基づいてこの反射光画像から三次元形状を算出する、というものが知られている。
このような三次元形状測定方法および装置として、例えば、特許文献１には、形状測定用のパターン光としてストライプ状の光パターンたる二値化投影パターンを何種類も投影することにより、当該ストライプ状の光パターンを投影された被測定物上の一点を観察していると、その観察している一点に投影された光線が点滅して符号（コード）形成するようになり、そのコードを利用して被測定物の三次元形状を測定するという、所謂、空間コード化法に基づく三次元形状測定方法および装置が記載されている。
こうした空間コード化法においては，コードが示す値と光線の方向は一対一の関係で対応しており，被測定物上における光点の位置から観察位置の視線の方向が分かり，またその光点のコードが示す値から光線の方向が分かるので，三角測量の原理により被測定物上における全ての光点までの距離を求めることができ、これにより被測定物の三次元形状を非接触で測定することができる。
また、特許文献１には、複数の露光時間パターンで二値化投影パターンによる反射光画像を撮像して、それらの画像を合成することにより、被測定物の表面に輝度値の差が大きい色が混在する場合でもスリットパターンの輝度差が画像全域で得られるようにし、その結果、被測定物の表面色の輝度差に依存しない安定した計測結果を得ることができる三次元形状測定方法および装置も記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３１５８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の三次元形状測定方法および装置には、以下のような問題がある。
特許文献１に記載の技術では、被測定物の表面色の輝度差があっても安定した測定が行えるものの、表面に光沢面が存在する場合に発生するハレーションの影響を除去することはできない。このため、被測定物の光沢面での反射光画像において、十分な輝度差を有するパターン光を取得できず、結果として光沢面の三次元形状を測定することができないという問題がある。
例えば、特許文献１の図２に示された被測定物の人形の写真では、おでこ（額）付近に、光沢面の影響によるハレーションと推測される高輝度部が見受けられるが、特許文献１の図１８に示された対応箇所の測定結果では三次元形状が復元されていない。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、例えば、ハレーション等の被測定物の表面の反射特性による反射光のノイズ成分を低減し、被測定物の表面の測定不能域を低減することができる三次元形状測定方法および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】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の三次元形状測定方法は、被測定物に形状測定用のパターン光を投影して、前記被測定物の表面からの反射光による反射光画像を取得し、該反射光画像から前記被測定物の三次元形状を算出する三次元形状測定方法であって、前記形状測定用のパターン光および前記被測定物の表面からの反射光の少なくともいずれかを偏光光学素子に通してから、前記反射光画像を取得する方法とする。
この発明によれば、形状測定用のパターン光および被測定物の表面からの反射光の少なくともいずれかを偏光光学素子に通してから、反射光画像を取得するので、反射光画像における被測定物の表面での反射によって偏光された成分の反射光の光量を偏光方向によって規制することができる。このため、例えば、被測定物の反射光から、被測定物の光沢面などで反射されることにより偏光された反射光を除去または低減でき、所謂ハレーション等のノイズ成分を除去または低減することができる。
【０００７】
また、本発明の三次元形状測定方法では、前記形状測定用のパターン光に偏光を用い、前記偏光光学素子の透過軸の方向を、前記被測定物の表面で反射されて偏光された反射光の最も大きい光量成分を有する偏光軸の方向と交差するように調整してから、前記反射光画像を取得することが好ましい。
この場合、被測定物の表面で反射され、これにより偏光された反射光の最も大きい光量成分を有する偏光軸の方向の交差するように偏光光学素子の透過軸の方向を調整するので、偏光された反射光を低減することができ、ノイズ成分の影響が低減された反射光画像を取得することができる。
【０００８】
また、本発明の偏光光学素子の透過軸の方向を調整する三次元形状測定方法では、前記偏光光学素子の透過軸の方向と前記被測定物の表面で反射された前記反射光の前記偏光軸の方向とが交差する角度を、９０°に調整することが好ましい。
この場合、被測定物の表面で反射され、これにより偏光された反射光の最も大きい光量成分を有する偏光軸の方向と９０°に交差するように偏光光学素子の透過軸の方向を調整するので、偏光された反射光が除去され、ノイズ成分の影響が最小化された反射光画像を取得することができる。
【０００９】
本発明の三次元形状測定装置は、被測定物に形状測定用のパターン光を投影する投影部と、前記投影部により前記形状測定用のパターン光が投影された被測定物を撮像して、前記被測定物の表面からの反射光による反射光画像を取得する撮像部と、該撮像部が取得した前記反射光画像から前記被測定物の三次元形状を算出する演算部と、前記被測定物と前記撮像部との間に配置され、前記被測定物の表面からの反射光の透過率を偏光方向に応じて規制する偏光光学素子とを備え、該偏光光学素子は、透過軸の方向を調整可能に設けられている構成とする。
この発明によれば、投影部によって、被測定物に形状測定用のパターン光を投影し、被測定物の表面からの反射光を、第１の偏光光学素子の透過軸の方向を調整することによって偏光方向に応じて透過させることができる。このため、被測定物の表面で反射されて偏光された反射光の輝度を調整した状態で、撮像部によって反射光画像を取得することができる。そして、演算部によって、撮像部で取得された反射光画像から被測定物の三次元形状を算出することができる。
【００１０】
また、本発明の三次元形状測定装置では、前記偏光光学素子は、表面に反射防止構造が設けられていることが好ましい。
この場合、偏光光学素子の表面に反射防止構造が設けられているため、偏光光学素子の表面で反射され被測定物側に戻る光を低減することができる。このため、被測定物の表面でノイズとなる光を低減することができる。
【００１１】
本発明の他の三次元形状測定装置は、被測定物に形状測定用のパターン光を投影する投影部と、前記投影部により前記形状測定用のパターン光が投影された被測定物を撮像して、前記被測定物の表面からの反射光による反射光画像を取得する撮像部と、該撮像部が取得した前記反射光画像から前記被測定物の三次元形状を算出する演算部と、前記被測定物と前記撮像部との間に配置され、前記被測定物の表面からの反射光の透過率を偏光方向に応じて規制する第１の偏光光学素子と、前記投影部と前記被測定物との間に配置され、前記被測定物へ投影される投影光の透過率を偏光方向に応じて規制する第２の偏光光学素子とを備え、前記第１の偏光光学素子および前記第２の偏光光学素子のうち少なくともいずれかは、透過軸の方向を調整可能に設けられている構成とする。
この発明によれば、投影部によって、被測定物に向けて形状測定用のパターン光を投影すると、パターン光は第２の偏光光学素子によって偏光されてから被測定物に投影される。そして、被測定物の表面からの反射光を、第１の偏光光学素子の透過軸の方向を調整することによって偏光方向に応じて透過させることができる。このため、被測定物の表面で反射されることで偏光された反射光の輝度を調整した状態で、撮像部によって反射光画像を取得することができる。そして、演算部によって、撮像部で取得された反射光画像から被測定物の三次元形状を算出することができる。
【００１２】
また、本発明の他の三次元形状測定装置では、前記第１および第２の偏光光学素子は、表面に反射防止構造が設けられていることが好ましい。
この場合、第１および第２の偏光光学素子の表面に反射防止構造が設けられているため、第１および第２の偏光光学素子の表面で反射され被測定物側に戻る光を低減することができる。このため、被測定物の表面でノイズとなる光を低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の三次元形状測定方法および装置によれば、被測定物の表面での反射により偏光された反射光の影響を低減した反射光画像を取得できるので、例えば、ハレーション等の被測定物の表面の反射特性による反射光のノイズ成分を低減し、被測定物の表面の測定不能域を低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置の概略構成を示す模式的な構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置の偏光光学素子および透過軸調整機構の正面図、およびそのＡ−Ａ断面図である。
【図３】被測定物の一例を示す写真である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定方法の測定原理を説明する模式図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置によって形状測定用のパターン光が照射された被測定物の一例を示す拡大写真、およびこの被測定物の三次元形状の算出結果を示す画像である。
【図６】比較例の三次元形状測定装置によって形状測定用のパターン光が照射された被測定物の一例を示す拡大写真、およびこの被測定物の三次元形状の算出結果を示す画像である。
【図７】三次元形状測定可能な反射光画像を示す模式図、および三次元形状測定ができない反射光画像を示す模式図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置および比較例の装置によって形状測定用のパターン光が照射された被測定物の他例を示す写真である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る三次元形状測定装置の概略構成を示す模式的な構成図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る三次元形状測定方法の測定原理を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００１６】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置の概略構成を示す模式的な構成図である。図２（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置の偏光光学素子および透過軸調整機構の正面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。
【００１７】
本実施形態の三次元形状測定装置１００は、被測定物に形状測定用のパターン光を投影して、被測定物からの反射光による反射光画像を取得し、この反射光画像から被測定物の三次元形状を算出するものであり、図１に示すように、被測定物１を保持するテーブル５の上方に配置されている。
被測定物１としては、種々の凹凸形状の組合せからなる三次元形状を有する適宜の部材を採用することができる。被測定物１の表面１ａは、散乱面であっても光沢面であってもよい。
例えば、被測定物１として射出成形された樹脂部品を採用して、三次元形状を測定することができる。この場合、樹脂部品の三次元形状を設計に用いた三次元ＣＡＤデータなどと比較して、成形不良の有無などを検査することが可能となる。樹脂部品の金型は、鏡面仕上げされている場合が多いので、多くの樹脂部品の表面は光沢面になっている。また、例えばカバーなどの外装に用いる樹脂部品は表面に塗装等を施して着色したり表面光沢を増したりする場合がある。
【００１８】
三次元形状測定装置１００の概略構成は、テーブル５上に保持された被測定物１に形状測定用のパターン光を投影するプロジェクタ２（投影部）と、プロジェクタ２により形状測定用のパターン光が投影された被測定物１を撮像して被測定物１からの反射光による反射光画像を取得するＣＣＤカメラ３（撮像部）と、プロジェクタ２およびＣＣＤカメラ３の動作を制御するとともにＣＣＤカメラ３で撮像された反射光画像から被測定物１の三次元形状を算出する演算部４とを備える。
ＣＣＤカメラ３および演算部４には、モニタ１５が電気的に接続され、ＣＣＤカメラ３で撮像された画像や、演算部４の演算結果などが表示できるようになっている。
プロジェクタ２の投影光の光軸とＣＣＤカメラ３の撮像光軸とは、一定の角度で斜めに交差されている。
【００１９】
被測定物１とＣＣＤカメラ３との間には、被測定物１からの反射光の透過率を偏光方向に応じて規制する偏光フィルタ９（第１の偏光光学素子）が配置されている。
本実施形態の偏光フィルタ９は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、円板状とされ、被測定物１側の表面には、反射防止構造として反射防止膜９ａが設けられている。
偏光フィルタ９の外周部は、略円環状の偏光フィルタホルダ８の一端側に嵌め込まれて固定されている。偏光フィルタホルダ８の他端側は、ＣＣＤカメラ３に対してその光軸と同軸に設けられた円筒状の回転保持部１１に、回転可能かつ回転位置で停止可能に摩擦嵌合されている。
これにより、例えば、偏光フィルタホルダ８の外周側を手で回すなどして、回転保持部１１に対して偏光フィルタホルダ８を回転させ、適宜位置で回転を停止することできる。この結果、偏光フィルタホルダ８に固定された偏光フィルタ９の透過軸９ｂは、ＣＣＤカメラ３の光軸回りに回転され、偏光フィルタ９に入射する被測定物１からの反射光の偏光軸に対する角度を調整することができるようになっている。
すなわち、本実施形態では、偏光フィルタホルダ８および回転保持部１１は、被測定物１からの反射光の偏光軸に対して、偏光フィルタ９の透過軸９ｂの方向を調整する第１の透過軸調整機構を構成している。
【００２０】
また、プロジェクタ２と被測定物１との間には、プロジェクタ２から被測定物１に投影される投影光の透過率を偏光方向に応じて規制する偏光フィルタ７（第２の偏光光学素子）が配置されている。
本実施形態の偏光フィルタ７は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、円板状とされ、被測定物１側の表面には、反射防止構造として反射防止膜７ａが設けられている。
偏光フィルタ７の外周部は、略円環状の偏光フィルタホルダ６の一端側に嵌め込まれて固定されている。偏光フィルタホルダ６の他端側は、プロジェクタ２に対してその光軸と同軸に設けられた円筒状の回転保持部１０に、回転可能かつ回転位置で停止可能に摩擦嵌合されている。
これにより、例えば、偏光フィルタホルダ６の外周側を手で回すなどして、回転保持部１０に対して偏光フィルタホルダ６を回転させ、適宜位置で回転を停止することできる。この結果、偏光フィルタホルダ６に固定された偏光フィルタ７の透過軸７ｂは、プロジェクタ２の光軸回りに回転され、偏光フィルタ７に入射するプロジェクタ２からの投影光の偏光方向を透過軸７ｂに沿う方向に偏光させ、投影光の偏光軸の方向を調整することができるようになっている。
すなわち、本実施形態では、偏光フィルタホルダ６および回転保持部１０は、偏光フィルタ７の透過軸７ｂの方向を調整する第２の透過軸調整機構を構成している。
【００２１】
演算部４が行う動作制御としては、プロジェクタ２から投影する形状測定用のパターン光のパターン形状の制御と、このパターン光の切り換えタイミングに同期して、ＣＣＤカメラ３で撮像された反射光画像の画像データを取得する制御が挙げられる。
【００２２】
例えば、プロジェクタ２が、液晶表示素子などの空間変調素子を備え、この空間変調素子によって照明光を空間変調して複数の形状測定用のパターン光を形成する場合、空間変調素子に対する複数の変調データを生成して、順次、プロジェクタ２に送出する。
形状測定用のパターン光のパターンの例としては、空間コード化法を用いる場合、被測定物１の画像領域を分割して各画像領域に空間コードを付与できるように、縞ピッチが切り換えられた格子縞パターン群を採用することができる。
なお、形状測定用には使用しないが、プロジェクタ２に変調を無効にする変調データを設定することで、空間的な輝度差のない均一照明のパターン光が生成され、被測定物１を照明することができる。
【００２３】
また、演算部４が行う演算としては、公知技術である空間コード化法、位相シフト法、モアレ法などを用いて被測定物１の三次元形状を算出する演算、およびこの算出結果をモニタ１５上に３Ｄ表示する画像データを生成する演算等を挙げることができる。
空間コード化法により三次元形状を算出する演算としては、公知の適宜の演算を採用することができる。例えば、特開２００７−３１５８６４号公報に開示された演算等を採用することができる。
演算部４の装置構成は、本実施形態では、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース、外部記憶装置などからなるコンピュータで構成される。上記の各制御動作および演算は、このコンピュータにより適宜の制御プログラム、演算プログラムを実行することで実現している。
【００２４】
次に、三次元形状測定装置１００の動作について、本実施形態の三次元形状測定方法とともに説明する。
図３は、被測定物の一例を示す写真である。図４は、本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定方法の測定原理を説明する模式図である。図５（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置によって形状測定用のパターン光が照射された被測定物の一例を示す拡大写真である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す被測定物の三次元形状の算出結果を示す画像である。図６（ａ）は、比較例の三次元形状測定装置によって形状測定用のパターン光が照射された被測定物の一例を示す拡大写真である。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す被測定物の三次元形状の算出結果を示す画像である。図７（ａ）は、三次元形状測定可能な反射光画像を示す模式図である。図７（ｂ）は、三次元形状測定ができない反射光画像を示す模式図である。図８（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置によって形状測定用のパターン光が照射された被測定物の他例を示す写真である。図８（ｂ）は、比較例の三次元形状測定装置によって形状測定用のパターン光が照射された被測定物の他例を示す写真である。
【００２５】
三次元形状測定装置１００によって、被測定物１の三次元形状測定を行うには、まず、図１に示すように、テーブル５上に被測定物１を配置する。
次に、偏光フィルタ９の透過軸９ｂの方向の位置調整を行う。
このため、プロジェクタ２から変調を無効化したパターン光１２ｂを照射し、これを照明としてＣＣＤカメラ３で撮影する。すなわち、プロジェクタ２では、図４に示すように、演算部４からの変調を無効化する変調データに基づき、光源から投射される光を空間変調素子で変調することなく略均一照明となっているパターン光１２ａを、テーブル５上の被測定物１に向けて投射する。
ここで、図４は模式図のため、図示を簡略化し、表面１ａを拡大して平面状に描いている。
【００２６】
パターン光１２ａは、偏光フィルタ７を透過し、偏光フィルタ７の透過軸７ｂに沿う方向に偏光されたパターン光１２ｂとして、被測定物１に投影される。
パターン光１２ｂは、被測定物１の表面１ａの反射特性に応じて、種々の方向に放射状に散乱反射され全体として無偏光の散乱反射光１３ａと、フレネルの法則によって反射されるため偏光された偏光反射光１４とが混在したものとなる。表面１ａの光沢が強いほど、偏光反射光１４の割合が多くなる。
これら散乱反射光１３ａと偏光反射光１４とは、偏光フィルタ９を透過して、偏光フィルタ９の透過軸９ｂに沿う方向の偏光がＣＣＤカメラ３に入射する。ＣＣＤカメラ３に入射した光は、ＣＣＤカメラ３の撮像素子によって光電変換され、被測定物１からの反射光による反射光画像としてモニタ１５に表示される。
【００２７】
一例として、図３には、樹脂成形されてから表面が光沢塗装された部材を組み立てて、全体として凸曲面をなす三次元形状とされたマウスを被測定物１として配置し、プロジェクタ２から変調を無効化したパターン光１２ｂを照射し、これを照明としてＣＣＤカメラ３で撮影した画像を示す。
被測定物１の表面のほとんどは光沢面であるため、例えば、図３のＢ部に顕著に見られるように、一部に高輝度の反射光が集中してぎらつき、白っぽく見えている。このような反射光ノイズは、ハレーションと呼ばれている。
なお、被測定物１上の複数の白丸画像は、三次元形状測定とは異なる目的の実験用に設けられたもので、マウスの製品形状や以下の三次元形状測定とはまったく関係がない。
【００２８】
ここで、偏光フィルタホルダ８を回転させると、透過軸９ｂが回転し、反射光の偏光方向に応じて、モニタ１５に表示される反射光画像が変化する。散乱反射光１３ａは、無偏光であるため、透過軸９ｂが回転しても偏光フィルタ９を透過した散乱反射光１３ｂによる反射光画像は変化しないが、偏光反射光１４は偏光しているので、透過軸９ｂの方向によって偏光フィルタ９に対する透過率が変化する。
そこで、測定者は、モニタ１５に表示される画像を見ながら偏光フィルタホルダ８を回転させ、ハレーションの領域の大きさの変化を確認し、ハレーションの領域が最小となる位置で、偏光フィルタホルダ８の回転を停止する。
特に、透過軸９ｂの方向が、偏光反射光１４の偏光軸の方向と９０°に交差する方向、すなわち、クロスニコルの状態にすると、偏光反射光１４の透過率が略０％となり、偏光反射光１４の影響を略完全に除去することができるため好ましい。
偏光反射光１４の偏光軸の方向が予め分かっている場合には、上記の調整を行うことなく、偏光フィルタホルダ８の回転量を測って、偏光反射光１４の偏光軸と透過軸９ｂとが９０°で交差する方向に合わせておけばよい。
【００２９】
この状態で、一旦、被測定物１およびテーブル５を外し、偏光フィルタホルダ６、８の位置を固定した状態で、従来の三次元形状測定装置と同様に、公知のキャリブレーションを実施する。
その後、再度テーブル５を据え付け、テーブル５の上に被測定物１を固定する。
【００３０】
次に、演算部４は、プロジェクタ２によって一定の形状測定用のパターン光を形成するための変調データをプロジェクタ２に送出する。本実施形態では、ピッチｗ、幅ｗ／２で、直線とスペースが一定方向に反復される格子縞パターンの変調データを送出する。
プロジェクタ２では、演算部４からの変調データに基づき、光源から投射される光を空間変調素子で変調し、図４に示すように、テーブル５上の被測定物１に向けて、格子縞パターンのパターン光１２ａを投射する。
パターン光１２ａは、偏光フィルタ７を透過し、偏光フィルタ７の透過軸７ｂに沿う方向に偏光された格子縞パターンのパターン光１２ｂとして、被測定物１に投影される。
【００３１】
パターン光１２ｂは、散乱反射光１３ａと偏光反射光１４とに分かれ、偏光フィルタ９を透過して、偏光フィルタ９の透過軸９ｂに沿う方向の偏光がＣＣＤカメラ３に入射する。ＣＣＤカメラ３に入射した光は、ＣＣＤカメラ３の撮像素子によって光電変換され、被測定物１からの反射光による反射光画像としてモニタ１５に表示されるとともに、演算部４に送出されて演算処理される。
【００３２】
なお、本実施形態では、偏光フィルタ７、９の被測定物１側の表面には、それぞれ反射防止膜７ａ、９ａが設けられているので、表面１ａからの散乱反射光１３ａ、偏光反射光１４に対する偏光フィルタ７、９の表面の反射率は十分低くなっている。このため、偏光フィルタ７、９の表面から被測定物１側に反射される光が表面１ａで再反射されることによって生じるノイズ光成分は極めて小さい。
【００３３】
例えば、図５（ａ）に示す画像は、透過軸９ｂの方向を偏光反射光１４の偏光軸の方向と９０°に交差する方向に調整して、ハレーションが最小となるように調整したときの被測定物１の反射光画像である。ただし、見易さのため、図３のＢ部の範囲を、図３に示す視点とはややずらした視点から撮影した写真を示している。
このように図５（ａ）のＣ部では、ハレーションがほとんどなく、良好な輝度差を有する格子縞パターンの画像が観察される。
【００３４】
演算部４では、このようにして取得された反射光画像を用いて、被測定物１の三次元形状を算出し、算出結果をモニタ１５に表示する。
空間コード化法では、反射光画像を演算部４に記憶して、各画像領域の明暗を、例えば、０、１などで記録する。そして、次に、形状測定用のパターン光の格子縞ピッチｗをｗ／２、ｗ／４、…というように順次細分化したパターン光１２ｂを生成して、それぞれ上記の作業を繰り返し、各画像領域に０、１の並びからなる空間コードを算出する。
そして、同一の空間コードが付与された画素の座標を調べることで、格子縞の変形を検出する。この変形量は、プロジェクタ２とＣＣＤカメラ３との相対的な位置関係から三角測量の原理を用いて、三次元空間上の位置座標に換算される。
【００３５】
このようにして、算出された被測定物１の三次元形状は、例えば、三次元ＣＡＤデータなどの設計データと比較され、形状検査などに活用することができる。
また、演算部４は、三次元形状を、例えばポリゴンなどの３Ｄ表示技術を用いて、モニタ１５上に表示する。
図５（ｂ）は、三次元形状測定装置１００によって測定された被測定物１の三次元形状の一例である。図示で薄い灰色の曲面が算出された三次元形状を示す。背景色と同じ部分は、パターン光による輝度差を有する反射光画像が取得されないため、三次元形状が算出されなかった箇所である。本例では、このような計算不能箇所は、溝部などの暗部が多いことが分かる。
一方、図３のＢ部のように、強いハレーションが発生している箇所に対応する部分（図５（ｂ）のＤ部参照）では、強いハレーションがあっても良好な測定結果が得られていることが分かる。
【００３６】
本実施形態の効果を評価するため、比較例として、三次元形状測定装置１００から偏光フィルタ７、９を除去した装置によって、上記と同様に三次元形状測定を行った。
図５（ａ）、（ｂ）にそれぞれ対応する被測定物１の反射光による反射光画像、および三次元形状測定結果を、図６（ａ）、（ｂ）に示す。
図６（ｂ）に示すように、比較例の三次元形状測定結果は、図５（ｂ）と比べて灰色部分が格段に少なく、正確に三次元形状が測定されている部分が全体的に少なくなっている。これは、被測定物１の略全体が光沢面であることと関連している。
例えば、光沢面の影響によりハレーションが顕著な図３のＢ部に対応する、Ｃ部を比較すると、図５（ａ）のＣ部では、ハレーションがほとんどなく、良好な輝度差を有する格子縞パターンの画像が観察される。一方、図６（ａ）のＣ部では、ハレーションにより高輝度部が形成され、格子縞がとぎれた画像になっている。
【００３７】
この違いを模式的に表すと、図５（ａ）のＣ部では、図７（ａ）に示すように、ほぼ散乱反射光１３ｂのみによって、等幅ｗ／２の明部であるライン画像Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の間に、等幅ｗ／２の暗部であるスペース画像Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が形成されている。一方、図６（ａ）のＣ部では、図７（ｂ）に示すように、ライン画像Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の一部に偏光反射光１４が重畳されて線幅が太り、この結果、スペース画像Ｓ１、Ｓ４が細り、スペース画像Ｓ２、Ｓ３はとぎれている。
【００３８】
例えば、図７（ａ）、（ｂ）の反射光画像上の点Ｐを考えると、空間コード化の際、図７（ａ）の点Ｐは暗部のため、例えば０が付与され、図７（ｂ）の点Ｐは明部のため、例えば１が付与される。次に、格子縞のピッチを細分化していくと、図７（ａ）では、規則的に明暗が交替して任意の点が空間コード化される。
一方、図７（ｂ）では、点Ｐの近傍の点は、格子縞のピッチを細分化していっても、明部のままなので正しい空間コードを付与することができなくなる。このため、比較例の反射光画像では、点Ｐの近傍のようにハレーションが顕著な部位では三次元形状測定が困難になる。
【００３９】
なお、図５（ａ）、図６（ａ）では、貼り付けた画像の階調不足で潰れて見えるため、より明確な差異が観察できる他例を、図８（ａ）、（ｂ）に示す。この被測定物は、電話機の受話部の外装体である。
本実施形態の三次元形状測定装置１００による反射光画像である図８（ａ）では、全体にわたって、輝度差を有する格子縞パターンの画像が取得されているのに対して、比較例の装置で取得した図８（ｂ）に示す反射光画像では、Ｅ部のように、顕著なハレーションによって、良好な輝度差を有する格子縞パターンの画像が得られていない。
【００４０】
このように、三次元形状測定装置１００では、偏光フィルタ７を用いて形状測定用のパターン光１２ｂに偏光を用い、偏光フィルタ９の透過軸９ｂの方向を、被測定物１で反射されて偏光された偏光反射光１４の偏光軸の方向と交差するように調整してから、反射光画像を取得することで、偏光反射光１４の輝度を低減することができるので、ハレーション等のノイズ成分の影響が低減された反射光画像を取得することができる。これにより、反射光画像が良好な輝度差を有する画像として取得されるので、被測定物１の表面１ａが光沢面であっても測定不能域を低減することができる。
【００４１】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る三次元形状測定装置について説明する。
図９は、本発明の第２の実施形態に係る三次元形状測定装置の概略構成を示す模式的な構成図である。図１０は、本発明の第２の実施形態に係る三次元形状測定方法の測定原理を説明する模式図である。
【００４２】
本実施形態の三次元形状測定装置２００は、図９に示すように、被測定物２１が、例えば、ノートパソコンの外装体などのように全体として多面体状で三次元形状を複数の略平面状の測定領域に分けて測定できる場合に、特に好適となるものである。
三次元形状測定装置２００の構成は、上記第１の実施形態の三次元形状測定装置１００の偏光フィルタ７、偏光フィルタホルダ６を削除してなる。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４３】
三次元形状測定装置２００によって、被測定物２１の三次元形状測定を行うには、まず、図９に示すように、テーブル５上に被測定物２１を配置する。このとき、プロジェクタ２、ＣＣＤカメラ３は、被測定物２１の平面状の測定領域の１つに向けて配置する。
次に、偏光フィルタ９（偏光光学素子）の透過軸９ｂの方向の位置調整を行う。
このため、プロジェクタ２から変調を無効化したパターン光１２ａを照射し、これを照明としてＣＣＤカメラ３で撮影する。すなわち、プロジェクタ２では、図１０に示すように、演算部４からの変調を無効化する変調データに基づき略均一照明となっているパターン光１２ａを、テーブル５上の被測定物２１に向けて投射する。
【００４４】
パターン光１２ａは、被測定物２１の表面２１ａの反射特性に応じて、種々の方向に放射状に散乱反射され全体として無偏光の散乱反射光１３ａと、フレネルの法則によって反射されるため偏光された偏光反射光２４ａとが混在したものとなる。表面２１ａの光沢が強いほど、偏光反射光２４ａの割合が多くなる。
パターン光１２ａが偏光されていない場合でも、偏光された偏光反射光２４ａが発生するのは、光沢面のフレネル反射では、パターン光１２ａと表面２１ａとの法線ベクトルを含む平面内にあるｐ偏光と、ｐ偏光に垂直な面内で振動するｓ偏光とで反射率が異なるためである。
これら散乱反射光１３ａと偏光反射光２４ａとは、偏光フィルタ９を透過して、偏光フィルタ９の透過軸９ｂに沿う方向の偏光成分である散乱反射光１３ｂと偏光反射光２４ｂとがＣＣＤカメラ３に入射する。ＣＣＤカメラ３に入射した光は、ＣＣＤカメラ３の撮像素子によって光電変換され、被測定物１からの反射光による反射光画像としてモニタ１５に表示される。
【００４５】
ここで、上記第１の実施形態と同様に、偏光フィルタホルダ８を回転させると、透過軸９ｂが回転し、反射光の偏光方向に応じて、モニタ１５に表示される反射光画像が変化する。散乱反射光１３ａは、無偏光であるため、透過軸９ｂが回転しても散乱反射光１３ｂによる反射光画像は変化しないが、偏光反射光２４ａは偏光しているので、透過軸９ｂの方向によって偏光フィルタ９に対する透過率が変化し、偏光反射光２４ｂの光量は変化する。
そこで、測定者は、モニタ１５に表示される画像を見ながら偏光フィルタホルダ８を回転させ、ハレーションの領域の大きさの変化を確認し、ハレーションの領域が最小となる位置（偏光反射光２４ｂの光量が最小となる位置）で、偏光フィルタホルダ８の回転を停止する。
ここで、偏光反射光２４ａに多く含まれる偏光の偏光軸と９０°に交差する偏光フィルタ９の透過軸９ｂを調整することにより、偏光反射光２４ｂの光量を最小化することができる。
表面２１ａのように略平面の場合には、偏光反射光２４ａの偏光成分の割合は、表面２１ａの反射特性とパターン光１２ａの入射角とによって決まる。したがって、これらから決まる偏光反射光２４ａに最も多く含まれる偏光成分の偏光軸が予め分かっている場合には、上記の調整を行うことなく、偏光フィルタホルダ８の回転量を測って、偏光反射光２４ａに最も多く含まれる偏光成分の偏光軸と透過軸９ｂとが９０°で交差する方向に合わせておけばよい。
【００４６】
この状態で、一旦、被測定物２１およびテーブル５を外し、偏光フィルタホルダ８の位置を固定した状態で、従来の三次元形状測定装置と同様に、公知のキャリブレーションを実施する。
その後、再度テーブル５を据え付け、テーブル５の上に被測定物２１を固定する。
【００４７】
次に、演算部４は、上記第１の実施形態と同様に、プロジェクタ２によって一定の形状測定用のパターン光、例えば格子縞パターンを形成するための変調データをプロジェクタ２に送出する。
プロジェクタ２では、演算部４からの変調データに基づき、光源から投射される光を空間変調素子で変調し、図１０に示すように、テーブル５上の被測定物２１に向けて、格子縞パターンのパターン光１２ａを投射し、これにより被測定物１に格子縞パターンが投影される。
【００４８】
パターン光１２ａは、散乱反射光１３ａと偏光反射光２４ａとに分かれ、偏光フィルタ９を透過して、偏光フィルタ９の透過軸９ｂに沿う方向の偏光である散乱反射光１３ｂ、偏光反射光２４ｂがＣＣＤカメラ３に入射する。ＣＣＤカメラ３に入射した光は、ＣＣＤカメラ３の撮像素子によって光電変換され、被測定物２１からの反射光による反射光画像としてモニタ１５に表示されるとともに、演算部４に送出されて演算処理される。
ここで、偏光フィルタ９の被測定物２１側の表面には、それぞれ反射防止膜９ａが設けられているので、表面２１ａからの散乱反射光１３ａ、偏光反射光２４ａに対する偏光フィルタ９の表面の反射率は十分低くなっている。このため、偏光フィルタ９の表面から被測定物２１側に反射される光が表面２１ａで再反射されることによって生じるノイズ光成分は極めて小さい。
【００４９】
演算部４では、このようにして取得された反射光画像を用いて、上記第１の実施形態と同様にして、被測定物２１の三次元形状を算出し、算出結果をモニタ１５に表示する。
【００５０】
このように、三次元形状測定装置２００では、ハレーションの要因となる偏光を、偏光フィルタ９の透過軸９ｂの方向を、被測定物２１で反射されて偏光された偏光反射光２４ａの偏光軸の方向と交差するように調整してから、反射光画像を取得することで、偏光反射光２４ｂの輝度を低減することができるので、ハレーション等のノイズ成分の影響が低減された反射光画像を取得することができる。これにより、反射光画像が良好な輝度差を有する画像として取得されるので、被測定物２１の表面２１ａが光沢面であっても測定不能域を低減することができる。
また、三次元形状測定装置２００によれば、偏光光学素子が１つだけでよいので、部品点数を削減し、装置構成を簡素化することができる。
【００５１】
なお、上記の説明では、偏光フィルタ９の透過軸９ｂの方向の位置調整を行う場合に、パターン光１２ａの変調を無効化して、略均一照明光として被測定物に投影する場合の例で説明したが、ハレーション等のノイズ成分を評価できれば、変調データを与えて、形状測定用のパターン光として、被測定物に投影してもよい。
【００５２】
また、上記第１の実施形態の説明では、偏光フィルタ７の透過軸７ｂの位置を固定した状態で、偏光フィルタ９の透過軸９ｂの方向を調整する場合の例で説明したが、まず、偏光フィルタ９を外した状態で、被測定物の反射光画像を取得し、この反射光画像をモニタ１５で見ながら偏光フィルタホルダ６を回転させて、ハレーションの領域が最小となるように偏光フィルタホルダ６の回転量を調整した後に、偏光フィルタ９の透過軸９ｂの方向の調整を行うようにしてもよい。
【００５３】
また、上記の第１の実施形態では、三次元形状測定装置が第１および第２の偏光光学素子を備える場合、上記第２の実施形態では、三次元形状測定装置が第１の偏光光学素子を備える場合の例で説明したが、本発明の三次元形状測定装置は、第２の偏光光学素子のみを備えていてもよい。
例えば、上記第１の実施形態に記載したように、被測定物２１のように略平面状の測定領域でのフレネル反射は、強い偏光を発生させるため、もっぱらこのような被測定物２１を測定する場合には、上記第１の実施形態の三次元形状測定装置１００において、偏光フィルタ９、偏光フィルタホルダ８を削除した構成としてもよい。この場合、偏光光学素子が１つだけでよいので、部品点数を削減し、装置構成を簡素化することができる。
【００５４】
また、上記の説明では、偏光フィルタ７、９は、いずれも反射防止膜７ａ、９ａからなる反射防止構造が設けられた場合の例で説明したが、偏光フィルタ７、９の表面での反射光が被測定物に戻る量が十分少ない場合には、反射防止膜７ａ、９ａは省略してもよい。
【００５５】
また、上記の第１の実施形態の説明では、偏光フィルタ７を用いて、被測定物１に投影するパターン光１２ｂを偏光させた場合の例で説明したが、プロジェクタ２の光源として、直線偏光のレーザ光を用いた構成とすれば、偏光フィルタ７は省略することができる。
また、プロジェクタ２の空間変調素子として、反射型空間変調素子を用いる場合にも反射光の偏光は強くなるので、この場合にも偏光フィルタ７を省略することができる。
【００５６】
また、上記の実施形態、変形例に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１、２１ 被測定物
１ａ、２１ａ 表面
２ プロジェクタ（投影部）
３ ＣＣＤカメラ（撮像部）
４ 演算部
６、８ 偏光フィルタホルダ
７ 偏光フィルタ（第２の偏光光学素子）
７ａ、９ａ 反射防止膜
７ｂ、９ｂ 透過軸
９ 偏光フィルタ（第１の偏光光学素子、偏光光学素子）
１０、１１ 回転保持部
１２ａ、１２ｂ パターン光（形状測定用のパターン光）
１３ａ、１３ｂ 散乱反射光
１４、２４ａ、２４ｂ 偏光反射光
１５ モニタ
１００、２００ 三次元形状測定装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元形状測定方法および装置に関する。例えば、被測定物に形状測定用のパターン光を投影して、被測定物の表面からの反射光による反射光画像を取得し、この反射光画像から被測定物の三次元形状を算出する三次元形状測定方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、三次元形状測定方法および装置には、被測定物に形状測定用のパターン光を投影し、このパターン光が投影された被測定物の表面からの反射光による反射光画像を取得し、三角測量の原理に基づいてこの反射光画像から三次元形状を算出する、というものが知られている。
このような三次元形状測定方法および装置として、例えば、特許文献１には、形状測定用のパターン光としてストライプ状の光パターンたる二値化投影パターンを何種類も投影することにより、当該ストライプ状の光パターンを投影された被測定物上の一点を観察していると、その観察している一点に投影された光線が点滅して符号（コード）形成するようになり、そのコードを利用して被測定物の三次元形状を測定するという、所謂、空間コード化法に基づく三次元形状測定方法および装置が記載されている。
こうした空間コード化法においては，コードが示す値と光線の方向は一対一の関係で対応しており，被測定物上における光点の位置から観察位置の視線の方向が分かり，またその光点のコードが示す値から光線の方向が分かるので，三角測量の原理により被測定物上における全ての光点までの距離を求めることができ、これにより被測定物の三次元形状を非接触で測定することができる。
また、特許文献１には、複数の露光時間パターンで二値化投影パターンによる反射光画像を撮像して、それらの画像を合成することにより、被測定物の表面に輝度値の差が大きい色が混在する場合でもスリットパターンの輝度差が画像全域で得られるようにし、その結果、被測定物の表面色の輝度差に依存しない安定した計測結果を得ることができる三次元形状測定方法および装置も記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３１５８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の三次元形状測定方法および装置には、以下のような問題がある。
特許文献１に記載の技術では、被測定物の表面色の輝度差があっても安定した測定が行えるものの、表面に光沢面が存在する場合に発生するハレーションの影響を除去することはできない。このため、被測定物の光沢面での反射光画像において、十分な輝度差を有するパターン光を取得できず、結果として光沢面の三次元形状を測定することができないという問題がある。
例えば、特許文献１の図２に示された被測定物の人形の写真では、おでこ（額）付近に、光沢面の影響によるハレーションと推測される高輝度部が見受けられるが、特許文献１の図１８に示された対応箇所の測定結果では三次元形状が復元されていない。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、例えば、ハレーション等の被測定物の表面の反射特性による反射光のノイズ成分を低減し、被測定物の表面の測定不能域を低減することができる三次元形状測定方法および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】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の三次元形状測定方法は、被測定物に形状測定用のパターン光を投影して、前記被測定物の表面からの反射光による反射光画像を取得し、該反射光画像から前記被測定物の三次元形状を算出する三次元形状測定方法であって、前記形状測定用のパターン光および前記被測定物の表面からの反射光の少なくともいずれかを偏光光学素子に通してから、前記反射光画像を取得する方法とする。
この発明によれば、形状測定用のパターン光および被測定物の表面からの反射光の少なくともいずれかを偏光光学素子に通してから、反射光画像を取得するので、反射光画像における被測定物の表面での反射によって偏光された成分の反射光の光量を偏光方向によって規制することができる。このため、例えば、被測定物の反射光から、被測定物の光沢面などで反射されることにより偏光された反射光を除去または低減でき、所謂ハレーション等のノイズ成分を除去または低減することができる。
【０００７】
また、本発明の三次元形状測定方法では、前記形状測定用のパターン光に偏光を用い、前記偏光光学素子の透過軸の方向を、前記被測定物の表面で反射されて偏光された反射光の最も大きい光量成分を有する偏光軸の方向と交差するように調整してから、前記反射光画像を取得することが好ましい。
この場合、被測定物の表面で反射され、これにより偏光された反射光の最も大きい光量成分を有する偏光軸の方向の交差するように偏光光学素子の透過軸の方向を調整するので、偏光された反射光を低減することができ、ノイズ成分の影響が低減された反射光画像を取得することができる。
【０００８】
また、本発明の偏光光学素子の透過軸の方向を調整する三次元形状測定方法では、前記偏光光学素子の透過軸の方向と前記被測定物の表面で反射された前記反射光の前記偏光軸の方向とが交差する角度を、９０°に調整することが好ましい。
この場合、被測定物の表面で反射され、これにより偏光された反射光の最も大きい光量成分を有する偏光軸の方向と９０°に交差するように偏光光学素子の透過軸の方向を調整するので、偏光された反射光が除去され、ノイズ成分の影響が最小化された反射光画像を取得することができる。
【０００９】
本発明の三次元形状測定装置は、被測定物に形状測定用のパターン光を投影する投影部と、前記投影部により前記形状測定用のパターン光が投影された被測定物を撮像して、前記被測定物の表面からの反射光による反射光画像を取得する撮像部と、該撮像部が取得した前記反射光画像から前記被測定物の三次元形状を算出する演算部と、前記被測定物と前記撮像部との間に配置され、前記被測定物の表面からの反射光の透過率を偏光方向に応じて規制する偏光光学素子とを備え、該偏光光学素子は、透過軸の方向を調整可能に設けられている構成とする。
この発明によれば、投影部によって、被測定物に形状測定用のパターン光を投影し、被測定物の表面からの反射光を、第１の偏光光学素子の透過軸の方向を調整することによって偏光方向に応じて透過させることができる。このため、被測定物の表面で反射されて偏光された反射光の輝度を調整した状態で、撮像部によって反射光画像を取得することができる。そして、演算部によって、撮像部で取得された反射光画像から被測定物の三次元形状を算出することができる。
【００１０】
また、本発明の三次元形状測定装置では、前記偏光光学素子は、表面に反射防止構造が設けられていることが好ましい。
この場合、偏光光学素子の表面に反射防止構造が設けられているため、偏光光学素子の表面で反射され被測定物側に戻る光を低減することができる。このため、被測定物の表面でノイズとなる光を低減することができる。
【００１１】
本発明の他の三次元形状測定装置は、被測定物に形状測定用のパターン光を投影する投影部と、前記投影部により前記形状測定用のパターン光が投影された被測定物を撮像して、前記被測定物の表面からの反射光による反射光画像を取得する撮像部と、該撮像部が取得した前記反射光画像から前記被測定物の三次元形状を算出する演算部と、前記被測定物と前記撮像部との間に配置され、前記被測定物の表面からの反射光の透過率を偏光方向に応じて規制する第１の偏光光学素子と、前記投影部と前記被測定物との間に配置され、前記被測定物へ投影される投影光の透過率を偏光方向に応じて規制する第２の偏光光学素子とを備え、前記第１の偏光光学素子および前記第２の偏光光学素子のうち少なくともいずれかは、透過軸の方向を調整可能に設けられている構成とする。
この発明によれば、投影部によって、被測定物に向けて形状測定用のパターン光を投影すると、パターン光は第２の偏光光学素子によって偏光されてから被測定物に投影される。そして、被測定物の表面からの反射光を、第１の偏光光学素子の透過軸の方向を調整することによって偏光方向に応じて透過させることができる。このため、被測定物の表面で反射されることで偏光された反射光の輝度を調整した状態で、撮像部によって反射光画像を取得することができる。そして、演算部によって、撮像部で取得された反射光画像から被測定物の三次元形状を算出することができる。
【００１２】
また、本発明の他の三次元形状測定装置では、前記第１および第２の偏光光学素子は、表面に反射防止構造が設けられていることが好ましい。
この場合、第１および第２の偏光光学素子の表面に反射防止構造が設けられているため、第１および第２の偏光光学素子の表面で反射され被測定物側に戻る光を低減することができる。このため、被測定物の表面でノイズとなる光を低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の三次元形状測定方法および装置によれば、被測定物の表面での反射により偏光された反射光の影響を低減した反射光画像を取得できるので、例えば、ハレーション等の被測定物の表面の反射特性による反射光のノイズ成分を低減し、被測定物の表面の測定不能域を低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置の概略構成を示す模式的な構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置の偏光光学素子および透過軸調整機構の正面図、およびそのＡ−Ａ断面図である。
【図３】被測定物の一例を示す写真である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定方法の測定原理を説明する模式図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置によって形状測定用のパターン光が照射された被測定物の一例を示す拡大写真、およびこの被測定物の三次元形状の算出結果を示す画像である。
【図６】比較例の三次元形状測定装置によって形状測定用のパターン光が照射された被測定物の一例を示す拡大写真、およびこの被測定物の三次元形状の算出結果を示す画像である。
【図７】三次元形状測定可能な反射光画像を示す模式図、および三次元形状測定ができない反射光画像を示す模式図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置および比較例の装置によって形状測定用のパターン光が照射された被測定物の他例を示す写真である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る三次元形状測定装置の概略構成を示す模式的な構成図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る三次元形状測定方法の測定原理を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００１６】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置の概略構成を示す模式的な構成図である。図２（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置の偏光光学素子および透過軸調整機構の正面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。
【００１７】
本実施形態の三次元形状測定装置１００は、被測定物に形状測定用のパターン光を投影して、被測定物からの反射光による反射光画像を取得し、この反射光画像から被測定物の三次元形状を算出するものであり、図１に示すように、被測定物１を保持するテーブル５の上方に配置されている。
被測定物１としては、種々の凹凸形状の組合せからなる三次元形状を有する適宜の部材を採用することができる。被測定物１の表面１ａは、散乱面であっても光沢面であってもよい。
例えば、被測定物１として射出成形された樹脂部品を採用して、三次元形状を測定することができる。この場合、樹脂部品の三次元形状を設計に用いた三次元ＣＡＤデータなどと比較して、成形不良の有無などを検査することが可能となる。樹脂部品の金型は、鏡面仕上げされている場合が多いので、多くの樹脂部品の表面は光沢面になっている。また、例えばカバーなどの外装に用いる樹脂部品は表面に塗装等を施して着色したり表面光沢を増したりする場合がある。
【００１８】
三次元形状測定装置１００の概略構成は、テーブル５上に保持された被測定物１に形状測定用のパターン光を投影するプロジェクタ２（投影部）と、プロジェクタ２により形状測定用のパターン光が投影された被測定物１を撮像して被測定物１からの反射光による反射光画像を取得するＣＣＤカメラ３（撮像部）と、プロジェクタ２およびＣＣＤカメラ３の動作を制御するとともにＣＣＤカメラ３で撮像された反射光画像から被測定物１の三次元形状を算出する演算部４とを備える。
ＣＣＤカメラ３および演算部４には、モニタ１５が電気的に接続され、ＣＣＤカメラ３で撮像された画像や、演算部４の演算結果などが表示できるようになっている。
プロジェクタ２の投影光の光軸とＣＣＤカメラ３の撮像光軸とは、一定の角度で斜めに交差されている。
【００１９】
被測定物１とＣＣＤカメラ３との間には、被測定物１からの反射光の透過率を偏光方向に応じて規制する偏光フィルタ９（第１の偏光光学素子）が配置されている。
本実施形態の偏光フィルタ９は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、円板状とされ、被測定物１側の表面には、反射防止構造として反射防止膜９ａが設けられている。
偏光フィルタ９の外周部は、略円環状の偏光フィルタホルダ８の一端側に嵌め込まれて固定されている。偏光フィルタホルダ８の他端側は、ＣＣＤカメラ３に対してその光軸と同軸に設けられた円筒状の回転保持部１１に、回転可能かつ回転位置で停止可能に摩擦嵌合されている。
これにより、例えば、偏光フィルタホルダ８の外周側を手で回すなどして、回転保持部１１に対して偏光フィルタホルダ８を回転させ、適宜位置で回転を停止することできる。この結果、偏光フィルタホルダ８に固定された偏光フィルタ９の透過軸９ｂは、ＣＣＤカメラ３の光軸回りに回転され、偏光フィルタ９に入射する被測定物１からの反射光の偏光軸に対する角度を調整することができるようになっている。
すなわち、本実施形態では、偏光フィルタホルダ８および回転保持部１１は、被測定物１からの反射光の偏光軸に対して、偏光フィルタ９の透過軸９ｂの方向を調整する第１の透過軸調整機構を構成している。
【００２０】
また、プロジェクタ２と被測定物１との間には、プロジェクタ２から被測定物１に投影される投影光の透過率を偏光方向に応じて規制する偏光フィルタ７（第２の偏光光学素子）が配置されている。
本実施形態の偏光フィルタ７は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、円板状とされ、被測定物１側の表面には、反射防止構造として反射防止膜７ａが設けられている。
偏光フィルタ７の外周部は、略円環状の偏光フィルタホルダ６の一端側に嵌め込まれて固定されている。偏光フィルタホルダ６の他端側は、プロジェクタ２に対してその光軸と同軸に設けられた円筒状の回転保持部１０に、回転可能かつ回転位置で停止可能に摩擦嵌合されている。
これにより、例えば、偏光フィルタホルダ６の外周側を手で回すなどして、回転保持部１０に対して偏光フィルタホルダ６を回転させ、適宜位置で回転を停止することできる。この結果、偏光フィルタホルダ６に固定された偏光フィルタ７の透過軸７ｂは、プロジェクタ２の光軸回りに回転され、偏光フィルタ７に入射するプロジェクタ２からの投影光の偏光方向を透過軸７ｂに沿う方向に偏光させ、投影光の偏光軸の方向を調整することができるようになっている。
すなわち、本実施形態では、偏光フィルタホルダ６および回転保持部１０は、偏光フィルタ７の透過軸７ｂの方向を調整する第２の透過軸調整機構を構成している。
【００２１】
演算部４が行う動作制御としては、プロジェクタ２から投影する形状測定用のパターン光のパターン形状の制御と、このパターン光の切り換えタイミングに同期して、ＣＣＤカメラ３で撮像された反射光画像の画像データを取得する制御が挙げられる。
【００２２】
例えば、プロジェクタ２が、液晶表示素子などの空間変調素子を備え、この空間変調素子によって照明光を空間変調して複数の形状測定用のパターン光を形成する場合、空間変調素子に対する複数の変調データを生成して、順次、プロジェクタ２に送出する。
形状測定用のパターン光のパターンの例としては、空間コード化法を用いる場合、被測定物１の画像領域を分割して各画像領域に空間コードを付与できるように、縞ピッチが切り換えられた格子縞パターン群を採用することができる。
なお、形状測定用には使用しないが、プロジェクタ２に変調を無効にする変調データを設定することで、空間的な輝度差のない均一照明のパターン光が生成され、被測定物１を照明することができる。
【００２３】
また、演算部４が行う演算としては、公知技術である空間コード化法、位相シフト法、モアレ法などを用いて被測定物１の三次元形状を算出する演算、およびこの算出結果をモニタ１５上に３Ｄ表示する画像データを生成する演算等を挙げることができる。
空間コード化法により三次元形状を算出する演算としては、公知の適宜の演算を採用することができる。例えば、特開２００７−３１５８６４号公報に開示された演算等を採用することができる。
演算部４の装置構成は、本実施形態では、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェース、外部記憶装置などからなるコンピュータで構成される。上記の各制御動作および演算は、このコンピュータにより適宜の制御プログラム、演算プログラムを実行することで実現している。
【００２４】
次に、三次元形状測定装置１００の動作について、本実施形態の三次元形状測定方法とともに説明する。
図３は、被測定物の一例を示す写真である。図４は、本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定方法の測定原理を説明する模式図である。図５（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置によって形状測定用のパターン光が照射された被測定物の一例を示す拡大写真である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す被測定物の三次元形状の算出結果を示す画像である。図６（ａ）は、比較例の三次元形状測定装置によって形状測定用のパターン光が照射された被測定物の一例を示す拡大写真である。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す被測定物の三次元形状の算出結果を示す画像である。図７（ａ）は、三次元形状測定可能な反射光画像を示す模式図である。図７（ｂ）は、三次元形状測定ができない反射光画像を示す模式図である。図８（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る三次元形状測定装置によって形状測定用のパターン光が照射された被測定物の他例を示す写真である。図８（ｂ）は、比較例の三次元形状測定装置によって形状測定用のパターン光が照射された被測定物の他例を示す写真である。
【００２５】
三次元形状測定装置１００によって、被測定物１の三次元形状測定を行うには、まず、図１に示すように、テーブル５上に被測定物１を配置する。
次に、偏光フィルタ９の透過軸９ｂの方向の位置調整を行う。
このため、プロジェクタ２から変調を無効化したパターン光１２ｂを照射し、これを照明としてＣＣＤカメラ３で撮影する。すなわち、プロジェクタ２では、図４に示すように、演算部４からの変調を無効化する変調データに基づき、光源から投射される光を空間変調素子で変調することなく略均一照明となっているパターン光１２ａを、テーブル５上の被測定物１に向けて投射する。
ここで、図４は模式図のため、図示を簡略化し、表面１ａを拡大して平面状に描いている。
【００２６】
パターン光１２ａは、偏光フィルタ７を透過し、偏光フィルタ７の透過軸７ｂに沿う方向に偏光されたパターン光１２ｂとして、被測定物１に投影される。
パターン光１２ｂは、被測定物１の表面１ａの反射特性に応じて、種々の方向に放射状に散乱反射され全体として無偏光の散乱反射光１３ａと、フレネルの法則によって反射されるため偏光された偏光反射光１４とが混在したものとなる。表面１ａの光沢が強いほど、偏光反射光１４の割合が多くなる。
これら散乱反射光１３ａと偏光反射光１４とは、偏光フィルタ９を透過して、偏光フィルタ９の透過軸９ｂに沿う方向の偏光がＣＣＤカメラ３に入射する。ＣＣＤカメラ３に入射した光は、ＣＣＤカメラ３の撮像素子によって光電変換され、被測定物１からの反射光による反射光画像としてモニタ１５に表示される。
【００２７】
一例として、図３には、樹脂成形されてから表面が光沢塗装された部材を組み立てて、全体として凸曲面をなす三次元形状とされたマウスを被測定物１として配置し、プロジェクタ２から変調を無効化したパターン光１２ｂを照射し、これを照明としてＣＣＤカメラ３で撮影した画像を示す。
被測定物１の表面のほとんどは光沢面であるため、例えば、図３のＢ部に顕著に見られるように、一部に高輝度の反射光が集中してぎらつき、白っぽく見えている。このような反射光ノイズは、ハレーションと呼ばれている。
なお、被測定物１上の複数の白丸画像は、三次元形状測定とは異なる目的の実験用に設けられたもので、マウスの製品形状や以下の三次元形状測定とはまったく関係がない。
【００２８】
ここで、偏光フィルタホルダ８を回転させると、透過軸９ｂが回転し、反射光の偏光方向に応じて、モニタ１５に表示される反射光画像が変化する。散乱反射光１３ａは、無偏光であるため、透過軸９ｂが回転しても偏光フィルタ９を透過した散乱反射光１３ｂによる反射光画像は変化しないが、偏光反射光１４は偏光しているので、透過軸９ｂの方向によって偏光フィルタ９に対する透過率が変化する。
そこで、測定者は、モニタ１５に表示される画像を見ながら偏光フィルタホルダ８を回転させ、ハレーションの領域の大きさの変化を確認し、ハレーションの領域が最小となる位置で、偏光フィルタホルダ８の回転を停止する。
特に、透過軸９ｂの方向が、偏光反射光１４の偏光軸の方向と９０°に交差する方向、すなわち、クロスニコルの状態にすると、偏光反射光１４の透過率が略０％となり、偏光反射光１４の影響を略完全に除去することができるため好ましい。
偏光反射光１４の偏光軸の方向が予め分かっている場合には、上記の調整を行うことなく、偏光フィルタホルダ８の回転量を測って、偏光反射光１４の偏光軸と透過軸９ｂとが９０°で交差する方向に合わせておけばよい。
【００２９】
この状態で、一旦、被測定物１およびテーブル５を外し、偏光フィルタホルダ６、８の位置を固定した状態で、従来の三次元形状測定装置と同様に、公知のキャリブレーションを実施する。
その後、再度テーブル５を据え付け、テーブル５の上に被測定物１を固定する。
【００３０】
次に、演算部４は、プロジェクタ２によって一定の形状測定用のパターン光を形成するための変調データをプロジェクタ２に送出する。本実施形態では、ピッチｗ、幅ｗ／２で、直線とスペースが一定方向に反復される格子縞パターンの変調データを送出する。
プロジェクタ２では、演算部４からの変調データに基づき、光源から投射される光を空間変調素子で変調し、図４に示すように、テーブル５上の被測定物１に向けて、格子縞パターンのパターン光１２ａを投射する。
パターン光１２ａは、偏光フィルタ７を透過し、偏光フィルタ７の透過軸７ｂに沿う方向に偏光された格子縞パターンのパターン光１２ｂとして、被測定物１に投影される。
【００３１】
パターン光１２ｂは、散乱反射光１３ａと偏光反射光１４とに分かれ、偏光フィルタ９を透過して、偏光フィルタ９の透過軸９ｂに沿う方向の偏光がＣＣＤカメラ３に入射する。ＣＣＤカメラ３に入射した光は、ＣＣＤカメラ３の撮像素子によって光電変換され、被測定物１からの反射光による反射光画像としてモニタ１５に表示されるとともに、演算部４に送出されて演算処理される。
【００３２】
なお、本実施形態では、偏光フィルタ７、９の被測定物１側の表面には、それぞれ反射防止膜７ａ、９ａが設けられているので、表面１ａからの散乱反射光１３ａ、偏光反射光１４に対する偏光フィルタ７、９の表面の反射率は十分低くなっている。このため、偏光フィルタ７、９の表面から被測定物１側に反射される光が表面１ａで再反射されることによって生じるノイズ光成分は極めて小さい。
【００３３】
例えば、図５（ａ）に示す画像は、透過軸９ｂの方向を偏光反射光１４の偏光軸の方向と９０°に交差する方向に調整して、ハレーションが最小となるように調整したときの被測定物１の反射光画像である。ただし、見易さのため、図３のＢ部の範囲を、図３に示す視点とはややずらした視点から撮影した写真を示している。
このように図５（ａ）のＣ部では、ハレーションがほとんどなく、良好な輝度差を有する格子縞パターンの画像が観察される。
【００３４】
演算部４では、このようにして取得された反射光画像を用いて、被測定物１の三次元形状を算出し、算出結果をモニタ１５に表示する。
空間コード化法では、反射光画像を演算部４に記憶して、各画像領域の明暗を、例えば、０、１などで記録する。そして、次に、形状測定用のパターン光の格子縞ピッチｗをｗ／２、ｗ／４、…というように順次細分化したパターン光１２ｂを生成して、それぞれ上記の作業を繰り返し、各画像領域に０、１の並びからなる空間コードを算出する。
そして、同一の空間コードが付与された画素の座標を調べることで、格子縞の変形を検出する。この変形量は、プロジェクタ２とＣＣＤカメラ３との相対的な位置関係から三角測量の原理を用いて、三次元空間上の位置座標に換算される。
【００３５】
このようにして、算出された被測定物１の三次元形状は、例えば、三次元ＣＡＤデータなどの設計データと比較され、形状検査などに活用することができる。
また、演算部４は、三次元形状を、例えばポリゴンなどの３Ｄ表示技術を用いて、モニタ１５上に表示する。
図５（ｂ）は、三次元形状測定装置１００によって測定された被測定物１の三次元形状の一例である。図示で薄い灰色の曲面が算出された三次元形状を示す。背景色と同じ部分は、パターン光による輝度差を有する反射光画像が取得されないため、三次元形状が算出されなかった箇所である。本例では、このような計算不能箇所は、溝部などの暗部が多いことが分かる。
一方、図３のＢ部のように、強いハレーションが発生している箇所に対応する部分（図５（ｂ）のＤ部参照）では、強いハレーションがあっても良好な測定結果が得られていることが分かる。
【００３６】
本実施形態の効果を評価するため、比較例として、三次元形状測定装置１００から偏光フィルタ７、９を除去した装置によって、上記と同様に三次元形状測定を行った。
図５（ａ）、（ｂ）にそれぞれ対応する被測定物１の反射光による反射光画像、および三次元形状測定結果を、図６（ａ）、（ｂ）に示す。
図６（ｂ）に示すように、比較例の三次元形状測定結果は、図５（ｂ）と比べて灰色部分が格段に少なく、正確に三次元形状が測定されている部分が全体的に少なくなっている。これは、被測定物１の略全体が光沢面であることと関連している。
例えば、光沢面の影響によりハレーションが顕著な図３のＢ部に対応する、Ｃ部を比較すると、図５（ａ）のＣ部では、ハレーションがほとんどなく、良好な輝度差を有する格子縞パターンの画像が観察される。一方、図６（ａ）のＣ部では、ハレーションにより高輝度部が形成され、格子縞がとぎれた画像になっている。
【００３７】
この違いを模式的に表すと、図５（ａ）のＣ部では、図７（ａ）に示すように、ほぼ散乱反射光１３ｂのみによって、等幅ｗ／２の明部であるライン画像Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の間に、等幅ｗ／２の暗部であるスペース画像Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が形成されている。一方、図６（ａ）のＣ部では、図７（ｂ）に示すように、ライン画像Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の一部に偏光反射光１４が重畳されて線幅が太り、この結果、スペース画像Ｓ１、Ｓ４が細り、スペース画像Ｓ２、Ｓ３はとぎれている。
【００３８】
例えば、図７（ａ）、（ｂ）の反射光画像上の点Ｐを考えると、空間コード化の際、図７（ａ）の点Ｐは暗部のため、例えば０が付与され、図７（ｂ）の点Ｐは明部のため、例えば１が付与される。次に、格子縞のピッチを細分化していくと、図７（ａ）では、規則的に明暗が交替して任意の点が空間コード化される。
一方、図７（ｂ）では、点Ｐの近傍の点は、格子縞のピッチを細分化していっても、明部のままなので正しい空間コードを付与することができなくなる。このため、比較例の反射光画像では、点Ｐの近傍のようにハレーションが顕著な部位では三次元形状測定が困難になる。
【００３９】
なお、図５（ａ）、図６（ａ）では、貼り付けた画像の階調不足で潰れて見えるため、より明確な差異が観察できる他例を、図８（ａ）、（ｂ）に示す。この被測定物は、電話機の受話部の外装体である。
本実施形態の三次元形状測定装置１００による反射光画像である図８（ａ）では、全体にわたって、輝度差を有する格子縞パターンの画像が取得されているのに対して、比較例の装置で取得した図８（ｂ）に示す反射光画像では、Ｅ部のように、顕著なハレーションによって、良好な輝度差を有する格子縞パターンの画像が得られていない。
【００４０】
このように、三次元形状測定装置１００では、偏光フィルタ７を用いて形状測定用のパターン光１２ｂに偏光を用い、偏光フィルタ９の透過軸９ｂの方向を、被測定物１で反射されて偏光された偏光反射光１４の偏光軸の方向と交差するように調整してから、反射光画像を取得することで、偏光反射光１４の輝度を低減することができるので、ハレーション等のノイズ成分の影響が低減された反射光画像を取得することができる。これにより、反射光画像が良好な輝度差を有する画像として取得されるので、被測定物１の表面１ａが光沢面であっても測定不能域を低減することができる。
【００４１】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る三次元形状測定装置について説明する。
図９は、本発明の第２の実施形態に係る三次元形状測定装置の概略構成を示す模式的な構成図である。図１０は、本発明の第２の実施形態に係る三次元形状測定方法の測定原理を説明する模式図である。
【００４２】
本実施形態の三次元形状測定装置２００は、図９に示すように、被測定物２１が、例えば、ノートパソコンの外装体などのように全体として多面体状で三次元形状を複数の略平面状の測定領域に分けて測定できる場合に、特に好適となるものである。
三次元形状測定装置２００の構成は、上記第１の実施形態の三次元形状測定装置１００の偏光フィルタ７、偏光フィルタホルダ６を削除してなる。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４３】
三次元形状測定装置２００によって、被測定物２１の三次元形状測定を行うには、まず、図９に示すように、テーブル５上に被測定物２１を配置する。このとき、プロジェクタ２、ＣＣＤカメラ３は、被測定物２１の平面状の測定領域の１つに向けて配置する。
次に、偏光フィルタ９（偏光光学素子）の透過軸９ｂの方向の位置調整を行う。
このため、プロジェクタ２から変調を無効化したパターン光１２ａを照射し、これを照明としてＣＣＤカメラ３で撮影する。すなわち、プロジェクタ２では、図１０に示すように、演算部４からの変調を無効化する変調データに基づき略均一照明となっているパターン光１２ａを、テーブル５上の被測定物２１に向けて投射する。
【００４４】
パターン光１２ａは、被測定物２１の表面２１ａの反射特性に応じて、種々の方向に放射状に散乱反射され全体として無偏光の散乱反射光１３ａと、フレネルの法則によって反射されるため偏光された偏光反射光２４ａとが混在したものとなる。表面２１ａの光沢が強いほど、偏光反射光２４ａの割合が多くなる。
パターン光１２ａが偏光されていない場合でも、偏光された偏光反射光２４ａが発生するのは、光沢面のフレネル反射では、パターン光１２ａと表面２１ａとの法線ベクトルを含む平面内にあるｐ偏光と、ｐ偏光に垂直な面内で振動するｓ偏光とで反射率が異なるためである。
これら散乱反射光１３ａと偏光反射光２４ａとは、偏光フィルタ９を透過して、偏光フィルタ９の透過軸９ｂに沿う方向の偏光成分である散乱反射光１３ｂと偏光反射光２４ｂとがＣＣＤカメラ３に入射する。ＣＣＤカメラ３に入射した光は、ＣＣＤカメラ３の撮像素子によって光電変換され、被測定物１からの反射光による反射光画像としてモニタ１５に表示される。
【００４５】
ここで、上記第１の実施形態と同様に、偏光フィルタホルダ８を回転させると、透過軸９ｂが回転し、反射光の偏光方向に応じて、モニタ１５に表示される反射光画像が変化する。散乱反射光１３ａは、無偏光であるため、透過軸９ｂが回転しても散乱反射光１３ｂによる反射光画像は変化しないが、偏光反射光２４ａは偏光しているので、透過軸９ｂの方向によって偏光フィルタ９に対する透過率が変化し、偏光反射光２４ｂの光量は変化する。
そこで、測定者は、モニタ１５に表示される画像を見ながら偏光フィルタホルダ８を回転させ、ハレーションの領域の大きさの変化を確認し、ハレーションの領域が最小となる位置（偏光反射光２４ｂの光量が最小となる位置）で、偏光フィルタホルダ８の回転を停止する。
ここで、偏光反射光２４ａに多く含まれる偏光の偏光軸と９０°に交差する偏光フィルタ９の透過軸９ｂを調整することにより、偏光反射光２４ｂの光量を最小化することができる。
表面２１ａのように略平面の場合には、偏光反射光２４ａの偏光成分の割合は、表面２１ａの反射特性とパターン光１２ａの入射角とによって決まる。したがって、これらから決まる偏光反射光２４ａに最も多く含まれる偏光成分の偏光軸が予め分かっている場合には、上記の調整を行うことなく、偏光フィルタホルダ８の回転量を測って、偏光反射光２４ａに最も多く含まれる偏光成分の偏光軸と透過軸９ｂとが９０°で交差する方向に合わせておけばよい。
【００４６】
この状態で、一旦、被測定物２１およびテーブル５を外し、偏光フィルタホルダ８の位置を固定した状態で、従来の三次元形状測定装置と同様に、公知のキャリブレーションを実施する。
その後、再度テーブル５を据え付け、テーブル５の上に被測定物２１を固定する。
【００４７】
次に、演算部４は、上記第１の実施形態と同様に、プロジェクタ２によって一定の形状測定用のパターン光、例えば格子縞パターンを形成するための変調データをプロジェクタ２に送出する。
プロジェクタ２では、演算部４からの変調データに基づき、光源から投射される光を空間変調素子で変調し、図１０に示すように、テーブル５上の被測定物２１に向けて、格子縞パターンのパターン光１２ａを投射し、これにより被測定物１に格子縞パターンが投影される。
【００４８】
パターン光１２ａは、散乱反射光１３ａと偏光反射光２４ａとに分かれ、偏光フィルタ９を透過して、偏光フィルタ９の透過軸９ｂに沿う方向の偏光である散乱反射光１３ｂ、偏光反射光２４ｂがＣＣＤカメラ３に入射する。ＣＣＤカメラ３に入射した光は、ＣＣＤカメラ３の撮像素子によって光電変換され、被測定物２１からの反射光による反射光画像としてモニタ１５に表示されるとともに、演算部４に送出されて演算処理される。
ここで、偏光フィルタ９の被測定物２１側の表面には、それぞれ反射防止膜９ａが設けられているので、表面２１ａからの散乱反射光１３ａ、偏光反射光２４ａに対する偏光フィルタ９の表面の反射率は十分低くなっている。このため、偏光フィルタ９の表面から被測定物２１側に反射される光が表面２１ａで再反射されることによって生じるノイズ光成分は極めて小さい。
【００４９】
演算部４では、このようにして取得された反射光画像を用いて、上記第１の実施形態と同様にして、被測定物２１の三次元形状を算出し、算出結果をモニタ１５に表示する。
【００５０】
このように、三次元形状測定装置２００では、ハレーションの要因となる偏光を、偏光フィルタ９の透過軸９ｂの方向を、被測定物２１で反射されて偏光された偏光反射光２４ａの偏光軸の方向と交差するように調整してから、反射光画像を取得することで、偏光反射光２４ｂの輝度を低減することができるので、ハレーション等のノイズ成分の影響が低減された反射光画像を取得することができる。これにより、反射光画像が良好な輝度差を有する画像として取得されるので、被測定物２１の表面２１ａが光沢面であっても測定不能域を低減することができる。
また、三次元形状測定装置２００によれば、偏光光学素子が１つだけでよいので、部品点数を削減し、装置構成を簡素化することができる。
【００５１】
なお、上記の説明では、偏光フィルタ９の透過軸９ｂの方向の位置調整を行う場合に、パターン光１２ａの変調を無効化して、略均一照明光として被測定物に投影する場合の例で説明したが、ハレーション等のノイズ成分を評価できれば、変調データを与えて、形状測定用のパターン光として、被測定物に投影してもよい。
【００５２】
また、上記第１の実施形態の説明では、偏光フィルタ７の透過軸７ｂの位置を固定した状態で、偏光フィルタ９の透過軸９ｂの方向を調整する場合の例で説明したが、まず、偏光フィルタ９を外した状態で、被測定物の反射光画像を取得し、この反射光画像をモニタ１５で見ながら偏光フィルタホルダ６を回転させて、ハレーションの領域が最小となるように偏光フィルタホルダ６の回転量を調整した後に、偏光フィルタ９の透過軸９ｂの方向の調整を行うようにしてもよい。
【００５３】
また、上記の第１の実施形態では、三次元形状測定装置が第１および第２の偏光光学素子を備える場合、上記第２の実施形態では、三次元形状測定装置が第１の偏光光学素子を備える場合の例で説明したが、本発明の三次元形状測定装置は、第２の偏光光学素子のみを備えていてもよい。
例えば、上記第１の実施形態に記載したように、被測定物２１のように略平面状の測定領域でのフレネル反射は、強い偏光を発生させるため、もっぱらこのような被測定物２１を測定する場合には、上記第１の実施形態の三次元形状測定装置１００において、偏光フィルタ９、偏光フィルタホルダ８を削除した構成としてもよい。この場合、偏光光学素子が１つだけでよいので、部品点数を削減し、装置構成を簡素化することができる。
【００５４】
また、上記の説明では、偏光フィルタ７、９は、いずれも反射防止膜７ａ、９ａからなる反射防止構造が設けられた場合の例で説明したが、偏光フィルタ７、９の表面での反射光が被測定物に戻る量が十分少ない場合には、反射防止膜７ａ、９ａは省略してもよい。
【００５５】
また、上記の第１の実施形態の説明では、偏光フィルタ７を用いて、被測定物１に投影するパターン光１２ｂを偏光させた場合の例で説明したが、プロジェクタ２の光源として、直線偏光のレーザ光を用いた構成とすれば、偏光フィルタ７は省略することができる。
また、プロジェクタ２の空間変調素子として、反射型空間変調素子を用いる場合にも反射光の偏光は強くなるので、この場合にも偏光フィルタ７を省略することができる。
【００５６】
また、上記の実施形態、変形例に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１、２１ 被測定物
１ａ、２１ａ 表面
２ プロジェクタ（投影部）
３ ＣＣＤカメラ（撮像部）
４ 演算部
６、８ 偏光フィルタホルダ
７ 偏光フィルタ（第２の偏光光学素子）
７ａ、９ａ 反射防止膜
７ｂ、９ｂ 透過軸
９ 偏光フィルタ（第１の偏光光学素子、偏光光学素子）
１０、１１ 回転保持部
１２ａ、１２ｂ パターン光（形状測定用のパターン光）
１３ａ、１３ｂ 散乱反射光
１４、２４ａ、２４ｂ 偏光反射光
１５ モニタ
１００、２００ 三次元形状測定装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に形状測定用のパターン光を投影して、前記被測定物の表面からの反射光による反射光画像を取得し、該反射光画像から前記被測定物の三次元形状を算出する三次元形状測定方法であって、
前記形状測定用のパターン光および前記被測定物の表面からの反射光の少なくともいずれかを偏光光学素子に通してから、前記反射光画像を取得することを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項２】
前記形状測定用のパターン光に偏光を用い、
前記偏光光学素子の透過軸の方向を、前記被測定物の表面で反射されて偏光された反射光の最も大きい光量成分を有する偏光軸の方向と交差するように調整してから、前記反射光画像を取得することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定方法。
【請求項３】
前記偏光光学素子の透過軸の方向と前記被測定物の表面で反射された前記反射光の前記偏光軸の方向とが交差する角度を、９０°に調整することを特徴とする請求項２に記載の三次元形状測定方法。
【請求項４】
被測定物に形状測定用のパターン光を投影する投影部と、
前記投影部により前記形状測定用のパターン光が投影された被測定物を撮像して、前記被測定物の表面からの反射光による反射光画像を取得する撮像部と、
該撮像部が取得した前記反射光画像から前記被測定物の三次元形状を算出する演算部と、
前記被測定物と前記撮像部との間に配置され、前記被測定物の表面からの反射光の透過率を偏光方向に応じて規制する偏光光学素子とを備え、
該偏光光学素子は、透過軸の方向を調整可能に設けられていることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項５】
前記偏光光学素子は、表面に反射防止構造が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の三次元形状測定装置。
【請求項６】
被測定物に形状測定用のパターン光を投影する投影部と、
前記投影部により前記形状測定用のパターン光が投影された被測定物を撮像して、前記被測定物の表面からの反射光による反射光画像を取得する撮像部と、
該撮像部が取得した前記反射光画像から前記被測定物の三次元形状を算出する演算部と、
前記被測定物と前記撮像部との間に配置され、前記被測定物の表面からの反射光の透過率を偏光方向に応じて規制する第１の偏光光学素子と、
前記投影部と前記被測定物との間に配置され、前記被測定物へ投影される投影光の透過率を偏光方向に応じて規制する第２の偏光光学素子とを備え、
前記第１の偏光光学素子および前記第２の偏光光学素子のうち少なくともいずれかは、透過軸の方向を調整可能に設けられていることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項７】
前記第１および第２の偏光光学素子は、表面に反射防止構造が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の三次元形状測定装置。
【請求項１】
被測定物に形状測定用のパターン光を投影して、前記被測定物の表面からの反射光による反射光画像を取得し、該反射光画像から前記被測定物の三次元形状を算出する三次元形状測定方法であって、
前記形状測定用のパターン光および前記被測定物の表面からの反射光の少なくともいずれかを偏光光学素子に通してから、前記反射光画像を取得することを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項２】
前記形状測定用のパターン光に偏光を用い、
前記偏光光学素子の透過軸の方向を、前記被測定物の表面で反射されて偏光された反射光の最も大きい光量成分を有する偏光軸の方向と交差するように調整してから、前記反射光画像を取得することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定方法。
【請求項３】
前記偏光光学素子の透過軸の方向と前記被測定物の表面で反射された前記反射光の前記偏光軸の方向とが交差する角度を、９０°に調整することを特徴とする請求項２に記載の三次元形状測定方法。
【請求項４】
被測定物に形状測定用のパターン光を投影する投影部と、
前記投影部により前記形状測定用のパターン光が投影された被測定物を撮像して、前記被測定物の表面からの反射光による反射光画像を取得する撮像部と、
該撮像部が取得した前記反射光画像から前記被測定物の三次元形状を算出する演算部と、
前記被測定物と前記撮像部との間に配置され、前記被測定物の表面からの反射光の透過率を偏光方向に応じて規制する偏光光学素子とを備え、
該偏光光学素子は、透過軸の方向を調整可能に設けられていることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項５】
前記偏光光学素子は、表面に反射防止構造が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の三次元形状測定装置。
【請求項６】
被測定物に形状測定用のパターン光を投影する投影部と、
前記投影部により前記形状測定用のパターン光が投影された被測定物を撮像して、前記被測定物の表面からの反射光による反射光画像を取得する撮像部と、
該撮像部が取得した前記反射光画像から前記被測定物の三次元形状を算出する演算部と、
前記被測定物と前記撮像部との間に配置され、前記被測定物の表面からの反射光の透過率を偏光方向に応じて規制する第１の偏光光学素子と、
前記投影部と前記被測定物との間に配置され、前記被測定物へ投影される投影光の透過率を偏光方向に応じて規制する第２の偏光光学素子とを備え、
前記第１の偏光光学素子および前記第２の偏光光学素子のうち少なくともいずれかは、透過軸の方向を調整可能に設けられていることを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項７】
前記第１および第２の偏光光学素子は、表面に反射防止構造が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の三次元形状測定装置。
【図１】
【図２】
【図４】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図３】
【図５】
【図６】
【図８】
【図２】
【図４】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図３】
【図５】
【図６】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２２４０（Ｐ２０１１−２２４０Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４３１１１（Ｐ２００９−１４３１１１）
【出願日】平成２１年６月１６日（２００９．６．１６）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１６日（２００９．６．１６）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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