三次元形状計測装置および三次元形状計測方法
【課題】
格子パターンの繰り返しピッチを自在に変更することで多種の被測定対象に対応でき、、また、繰り返しピッチが異なる複数の格子パターンによるコントラストの検出結果を利用して、精度が高い距離検出が可能な三次元形状計測装置および三次元形状計測方法を提供する。
【解決手段】
液晶ストライプ格子の開口を制御して空間上での繰り返しパターンを形成でき、かつ繰り返しパターンの繰り返しピッチを変更できる制御部を備えた液晶装置１１と、液晶ストライプ格子を介して被測定対象に前記繰り返しパターンを投影する光源装置１２と、被測定対象上に投影された前記繰り返しパターンにかかる画像を取得する撮影装置１３と、撮影装置により撮影された画像のコントラスト値を検出し、基準位置から前記被測定対象までの距離を測定する距離測定装置１３と、を有することを特徴とする。
格子パターンの繰り返しピッチを自在に変更することで多種の被測定対象に対応でき、、また、繰り返しピッチが異なる複数の格子パターンによるコントラストの検出結果を利用して、精度が高い距離検出が可能な三次元形状計測装置および三次元形状計測方法を提供する。
【解決手段】
液晶ストライプ格子の開口を制御して空間上での繰り返しパターンを形成でき、かつ繰り返しパターンの繰り返しピッチを変更できる制御部を備えた液晶装置１１と、液晶ストライプ格子を介して被測定対象に前記繰り返しパターンを投影する光源装置１２と、被測定対象上に投影された前記繰り返しパターンにかかる画像を取得する撮影装置１３と、撮影装置により撮影された画像のコントラスト値を検出し、基準位置から前記被測定対象までの距離を測定する距離測定装置１３と、を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶ストライプ格子により形成される繰り返しパターンを被測定対象に投影しこれを撮影して撮影画像のコントラストを検出することで、多種の被測定対象に対応でき、また繰り返しピッチが異なる複数の繰り返しパターンについて上記コントラストを検出することで基準位置から被測定対象までの距離を高精度で計測することができる三次元形状計測装置および三次元形状計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品等の製造工程において、製品の外観検査のための三次元形状計測を行うことが要求されることがある。三次元形状計測では、電子機器の多様化に伴う多種の部品を計測する必要がある。
この種の技術として、たとえば、特許文献１（特開平１１−８３４５４号）に示される技術が知られている。この技術では、液晶により正弦波強度分布を有するストライプ状格子パターンを作成し、この液晶ストライプ格子の背面に配置したランプにより格子パターンを被測定対象に投影する。そして、格子パターンが投影される光軸とは異なる方向から、ＣＣＤカメラ等により被測定対象を撮影し、格子パターンの歪みを検出する。特許文献１の技術は光軸を２つ必要とすることからシステムのコストが高くなる。
【０００３】
また、特許文献２および特許文献３に参照されるような、格子パターンを被測定対象に投影し、投影レンズの焦点位置からのずれをコントラストで評価する技術（フォーカス法）が知られている。この方法では、通常、コントラストと距離との関係を事前に取得しておき、被測定対象のコントラストとの比較を行い、被測定対象の三次元形状をリアルタイムで取得することができる。また、光学系を一軸で構成できることから安価にシステムを構築することができる。
【０００４】
このフォーカス法は、基本的には図９に示すように、投影系９１と観察系９２と計測系９３とから構成されている。投影系９１では光源９１１からの光を格子９１２を介して被測定対象９４に格子パターンとして投影する。この格子パターンは、たとえば空間上に正弦波の強度分布をもつ縞状パターンである。
観察系９２では、被測定対象９４に投影された格子パターンを撮影する。計測系９３では、観察系９２において撮影した画像からコントラストを計測して、被測定対象９４の基準位置からの距離を、コントラスト−距離テーブル９５を参照して検出する。
【特許文献１】特開平１１−８３４５４号
【非特許文献１】“Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｏｂｔａｉｎｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｅｃｔｉｏｎｉｎｇ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ｉｎ ａ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”（Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，）２２（１９９７）１９０５
【非特許文献２】“Ａｂｓｏｌｕｔｅ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｈａｐｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｕｓｉｎｇ ｃｏａｘｉａｌ ａｎｄ ｃｏｉｍａｇｅ ｐｌａｎｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｆｒｉｎｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｆｏｃｕｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ”（Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．，）３９（２０００）６１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
フォーカス法では、被測定対象９４の凹凸形状の状態が変わるとそれにあわせて、格子パターンの繰り返しピッチを変更する必要が生じることがある。図９の装置では、格子パターンの繰り返しピッチを変更するためには、格子９１２を交換しなくてはならず、交換により再度の光学調整が必要になるという問題がある。
【０００６】
また、コントラストは、被測定対象に投影画像の結像点が合致しているときが最も高く、基準位置から外れるにしたがって低下する。低下度合いは、格子パターンの繰り返しピッチが大きくなると緩やかとなり、格子パターンの繰り返しピッチが小さくなると急峻となる。これは、仮に、格子パターンの繰り返しピッチを変化させた場合、コントラストの解像度が異なってしまうことを意味する。
【０００７】
本発明の目的は、格子パターンの繰り返しピッチを自在に変更することで多種の被測定対象に対応できる三次元形状計測装置および三次元形状計測方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、繰り返しピッチが異なる複数の格子パターンによるコントラストの検出結果を利用して、精度が高い距離検出が可能な三次元形状計測装置および三次元形状計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の三次元形状計測装置は、（１）から（８）を要旨とする。
（１）液晶ストライプ格子の開口を制御して空間上での繰り返しパターンを形成でき、かつ前記繰り返しパターンの繰り返しピッチを変更できる制御部を備えた液晶装置と、
前記液晶ストライプ格子を介して被測定対象に前記繰り返しパターンを投影する光源装置と、
前記被測定対象上に投影された前記繰り返しパターンにかかる画像を取得する撮影装置と、
前記撮影装置により撮影された画像のコントラスト値を検出し、基準位置から前記被測定対象までの距離を測定する距離測定装置と、
を有することを特徴とする三次元形状計測装置。
【０００９】
（２）前記液晶ストライプ格子の繰り返しパターンの開口は、正弦波強度分布で空間遷移していることを特徴とする（１）に記載の三次元形状計測装置。
【００１０】
（３）前記距離測定装置は、
前記被測定対象についての、
前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とする関数の値を算出し、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする（２）に記載の三次元形状計測装置。
【００１１】
（４）前記距離測定装置は、
標準測定対象についての、
前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とする関数の値と、前記基準位置から前記被測定対象までの距離との関係が記載されたテーブルを備え、
前記被測定対象についての前記関数の値を前記テーブルで参照することで、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする（３）に記載の三次元形状計測装置。
【００１２】
（５）前記関数の値が（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）であることを特徴とする（４）に記載の三次元形状計測装置。
【００１３】
（６）前記距離測定装置は、
標準測定対象についての、
前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とし、出力値が前記基準位置から前記被測定対象までの距離である関数を備え、
前記関数の演算値により、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする（３）に記載の三次元形状計測装置。
【００１４】
（７）前記関数の値が（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）であることを特徴とする（６）に記載の三次元形状計測装置。
【００１５】
（８）前記光源装置と前記液晶装置との間にコリメートレンズ系を備え、
前記液晶装置と前記被測定対象との間に前記被測定対象の投影光を前記撮像装置に分岐させるビームスプリッタを備え、
前記ビームスプリッタと前記撮像装置との間に被測定対象観察用レンズ系を備えている、
ことを特徴とする（１）から（７）の何れかに記載の三次元形状計測装置。
【００１６】
本発明の三次元形状計測方法は、（９）から（１５）を要旨とする。
（９）液晶ストライプ格子の開口を制御して空間上での繰り返しパターンを形成する繰り返しパターン形成ステップと、
前記液晶ストライプ格子を介して被測定対象に前記繰り返しパターンを投影光として照射する透過光照射ステップと、
前記繰り返しパターンを透過する前記投影光が照射された前記被測定対象の画像を取得する撮影ステップと、
前記撮影ステップにおいて撮影した画像のコントラスト値を検出し、基準位置から前記被測定対象までの距離を測定する距離測定ステップと、
を含むことを特徴とする三次元形状計測方法。
【００１７】
（１０）前記液晶ストライプ格子の繰り返しパターンの開口は、正弦波強度分布で空間遷移していることを特徴とする（９）に記載の三次元形状計測方法。
【００１８】
（１１）前記距離測定ステップでは、
前記被測定対象についての、
前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とする関数の値を算出し、当該関数の値に基づき前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする（９）または（１０）に記載の三次元形状計測方法。
【００１９】
（１２）前記距離測定ステップでは、
標準測定対象についての、
前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とする関数の値と、前記基準位置から前記被測定対象までの距離との関係が記載されたテーブルを参照することで、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする（１１）に記載の三次元形状計測方法。
【００２０】
（１３）前記関数の値が（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）であることを特徴とする（１２）に記載の三次元形状計測方法。
【００２１】
（１４）前記距離測定ステップでは、
標準測定対象についての、
前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とし、出力値が前記基準位置から前記被測定対象までの距離である関数による演算を行い、
前記関数の演算値により、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする（１１）に記載の三次元形状計測方法。
【００２２】
（１５）前記関数の値が（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）であることを特徴とする（１４）に記載の三次元形状計測方法。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、格子パターンの繰り返しピッチを自在に変更することで多種の被測定対象に対応できる三次元形状計測技術を提供することができる。また、本発明によれば、繰り返しピッチが異なる複数の格子パターンによるコントラストの検出結果を利用して、精度が高い距離検出が可能な三次元形状計測技術を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を説明する。本発明では、被測定対象の大きさは、花粉等のミロンオーダの大きさのものから、運送荷物等の数メートルオーダの大きさのものまで測定が可能である。以下の実施形態では、数十ｍｍから数百ｍｍ程度の大きさの三次元形状を測定する場合を説明する。
【００２５】
図１はフォーカス法を用いた三次元形状計測装置１Ａを示す図である。図１において、三次元形状計測装置１Ａは、投影系を構成する液晶装置１１、光源装置１２および投影レンズ１３と、観察系を構成する撮影装置１４と、計測系を構成する距離測定装置１５とを備えている。
【００２６】
液晶装置１１は、液晶ストライプ格子１１１と制御部１１２とからなる。制御部１１２は、液晶ストライプ格子１１１の開口を制御して空間上での繰り返しパターンＲＰを形成でき、かつ繰り返しパターンＲＰの繰り返しピッチＰＴ１を変更できる。液晶ストライプ格子１１１は、透明電極自体がストライプ状をなすものであってもよいし、透明電極がマトリクス状に形成されてものであってもよい。液晶プレートに形成されたストライプ状の透明電極に所定の電圧を印加することにより駆動される。
【００２７】
本実施形態では、液晶ストライプ格子１１１には図２に示すように、幅４２μｍの開口が８μｍピッチで形成されている。このときの開口率は８４％である。液晶ストライプ格子１１１は、動作領域が縦４８ｍｍ、横３８ｍｍのものを使用している。
【００２８】
また、液晶ストライプ格子１１１の繰り返しパターンＲＰの開口は、正弦波強度分布、矩形波強度分布、三角波強度分布で空間遷移するように図示しない透明電極に所定電圧を印加することにより形成できる。本実施形態では、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、繰り返しパターンＲＰを、正弦波強度分布で空間遷移させている。図３（Ａ）は、横軸が液晶ストライプ格子１１１のセルＬＣの位置を示し、縦軸が強度Ｉを示している。また、図３（Ｂ）は液晶ストライプ格子１１１の透過光を視覚的に示している。
【００２９】
光源装置１２は、ハロゲンランプ等の光源１２１と、コリメートレンズ１２２，１２３，１２４と備えている。レンズ１２２は光源１２１からの光を集光するコンデンサレンズである。レンズ１２３は、レンズ１２２により集光された光から赤外波長成分をカットする赤外カット用レンズである。レンズ１２４は、レンズ１２３を透過する光を平行光にするための凸レンズである。
レンズ１２４を通過した光は、液晶ストライプ格子１１１を介して投影レンズ１３に入射され、投影レンズ１３から出射される光が、被測定対象２に図３（Ｂ）に示した繰り返しパターンＰＲを投影する。
【００３０】
撮影装置１４は、ビームスプリッタ１４１と、レンズ１４２と、撮像装置（ＣＣＤカメラからなる）１４３とを備え、被測定対象２上に投影された繰り返しパターンＲＰにかかる画像を取得する。投影レンズ１３，液晶ストライプ格子１１１間の光学距離、レンズ１４２，液晶ストライプ格子１１１間の光学距離は、本実施形態では同じに設定してある。
【００３１】
距離測定装置１５は、コントラスト検出手段１５１と距離測定手段１５２とテーブル１５３を備えている。コントラスト検出手段１５１は、撮像装置１４３により撮影された画像のコントラストを位相シフト法，フーリエ変換法等により検出するもので、ソフトウェア（実質上、ＣＰＵとＲＯＭやＲＡＭに格納されたプログラム）により構成することもできるし、コントラスト検出用のＤＳＰにより構成することもできる。距離測定手段１５２は、コントラスト検出手段１５１の検出結果に基づき、基準位置（Ｚｂから被測定対象２までの距離Ｚを測定する。なお、基準位置Ｚｂは、ビームスプリッタ１４１の中心からストライプの結像点までの距離である。
【００３２】
距離測定手段１５２も、ソフトウェア（実質上、ＣＰＵとＲＯＭやＲＡＭに格納されたプログラム）により構成することもできるし、距離測定用のＤＳＰ（コントラスト検出用のＤＳＰと一体に構成してもよい）により構成することもできる。
【００３３】
図４に、５パターン／１ｍｍでの繰り返しピッチＰＴ１、１パターン／１ｍｍでの繰り返しピッチＰＴ２、２パターン／１ｍｍでの繰り返しピッチＰＴ３について、コントラストと基準位置からの被測定対象までの距離との関係を示す。本実施形態では、図４の負の値を持つ領域が測定領域であり、ゼロ点が基準位置Ｚｂである。したがって、正の値を持つ領域のデータは本実施形態では使用されない（すなわち、テーブル１５３に記憶されていない）。
【００３４】
図４からわかるように、繰り返しパターンＲＰの繰り返しピッチＰＴが小さ過ぎると、サイズが大きい非測定対象２の測定が不能となる。そこで、距離測定手段１５２は、被測定対象２の大きさに応じて、繰り返しパターンＲＰの繰り返しピッチＰＴを変更して、最適化を図ることができる。
【００３５】
すなわち、図５（Ａ）に示すように、被測定対象２の凹凸部分が大きいときは、繰り返しピッチＰＴが大きい繰り返しパターンＲＰを被測定対象２に投影し、被測定対象２の凹凸部分が小さいときは、繰り返しピッチＰＴが小さい繰り返しパターンＲＰを被測定対象２に投影する。なお、図５（Ａ）では、前述したように基準位置Ｚｂをゼロ点で示してある。
【００３６】
このように、測定の精度を高めるためには、単に繰り返しパターンＲＰの繰り返しピッチＰＴを変更するようにしてもよいし次に述べるように、異なる繰り返しピッチＰＴ１，ＰＴ２について第１のコントラストＣ１と第２のコントラスト値Ｃ２を取得し、これらを変数とする関数Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）の値に基づき、基準位置Ｚｂに対する被測定対象２の位置を測定してもよい。
【００３７】
距離測定手段１５２は、被測定対象２についての、第１のコントラスト値Ｃ１と、第２のコントラスト値Ｃ２とを変数とする関数Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）値に基づき、テーブル１５３を参照して、基準位置Ｚｂから被測定対象２までの距離Ｚを測定する。図１では、被測定対象２が、基準位置Ｚｂに位置している場合、基準位置Ｚｂから液晶ストライプ格子１１１に近い側に位置している場合（図１のＺ１参照）、基準位置Ｚｂから液晶ストライプ格子１１１に遠い側に位置している場合（図１のＺ２参照）を示してある。
【００３８】
このテーブル１５３には、関数Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）の値に応じた、基準位置Ｚｂから標準測定対象までの距離Ｚが書き込まれている（標準測定対象についての距離検出は予め行ってある）。
第１のコントラスト値Ｃ１は、液晶装置１１により形成された繰り返しパターンＲＰの第１の繰り返しピッチＰＴ１についてコントラスト検出手段１５１が検出した値である。また、第２のコントラスト値Ｃ２は、第１の繰り返しピッチＰＴ１よりも大きい、液晶装置１１により形成された繰り返しパターンＲＰの第２の繰り返しピッチＰＴ２（ＰＴ２＞ＰＴ１）についてコントラスト検出手段１５１が検出した値である。
【００３９】
本実施形態では、第１の繰り返しピッチＰＴ１は５パターン／１ｍｍ（高周波パターン）であり、第２の繰り返しピッチＰＴ２は１パターン／１ｍｍ（低周波パターン）である（図４参照）。
本実施形態においては、上述したように関数Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）の値に対応する、基準位置Ｚｂから標準測定対象までの距離Ｚがテーブル１５３に書き込まれている。
なお、Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）は、Ｃ１−Ｃ２とすることができるし、（Ｃ１＋Ｃ２）、あるいは（Ｃ１＋Ｃ２）÷２とすることもできる。さらに、異なる繰り返しピッチＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３（ＰＴ２＞ＰＴ３＞ＰＴ１）についてコントラスト値Ｃ１，Ｃ２，Ｃ２を取得し、たとえば、Ｆ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ２）を（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）÷３あるいは{（Ｃ１×Ｃ２＋Ｃ２×Ｃ３＋Ｃ３×Ｃ１}÷（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）とすることもできる。これらの関数Ｆを採用する場合、それぞれに対応して、テーブル１５３は個々に用意しておく必要がある。
【００４０】
図５（Ｂ）に、Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）＝（Ｃ２＋Ｃ１）÷２としたときの値と、基準位置Ｚｂから被測定対象２までの距離Ｚを示す。また、図６に、投影レンズ１３からの距離Ｚ（横軸）に対するコントラスト（縦軸）の実測値を示す。また、図７に投影レンズ１３からの距離Ｚ（横軸）に対する測定値（縦軸）を示す。
【００４１】
図８のフローチャートにより、図１に示した三次元計測装置１を用いた本発明の三次元計測方法の実施形態を説明する。
三次元計測方法は、パターン形成ステップＳ１１０と、透過光照射ステップＳ１２０と、撮影ステップＳ１３０と、コントラスト検出ステップＳ１４０と、繰り返し処理ステップＳ１５０と、距離測定ステップＳ１６０とを含む。
【００４２】
液晶ストライプ格子１１１の開口を制御して空間上での繰り返しパターンを形成する。すでに述べたように、液晶ストライプ格子の繰り返しパターンの開口は、正弦波強度分布で空間遷移している。ここでは、まず、繰り返しパターンＲＰを液晶により形成する（繰り返しパターン形成ステップ：Ｓ１１０）。
【００４３】
次に、液晶ストライプ格子１１１を介して被測定対象２に繰り返しパターンＲＰを投影光として照射する（透過光照射ステップ：Ｓ１２０）。
次いで、繰り返しパターンＲＰを透過する投影光が照射された被測定対象２の画像を取得する（撮影ステップ：Ｓ１３０）。
そして、撮影ステップＳ１３０において撮影した画像の第１のコントラスト値Ｃ１を検出し、所定のメモリに記憶しておく（コントラスト検出ステップ：Ｓ１４０）。
【００４４】
繰り返しパターンＲＰについての処理が終了すると、同様の処理（Ｓ１１０，Ｓ１２０，Ｓ１３０，Ｓ１４０）を繰り返しパターンＲＰについて行い第２のコンストラスト値Ｃ２を求める（繰り返し処理ステップ：Ｓ１５０）。
【００４５】
たとえば第１のコンストラスト値Ｃ１と、基準位置Ｚｂと被測定対象２との距離Ｚ１との関係が書き込まれたテーブルＴ１、第２のコンストラスト値Ｃ２と基準位置Ｚｂと被測定対象２との距離Ｚとの関係が書き込まれたテーブルＴ２を用意しておき、第１のコンストラスト値Ｃ１に基づき求めた距離Ｚ１と、第２のコンストラスト値Ｃ２に基づき求めた距離Ｚ２との平均値を基準位置Ｚｂと被測定対象２との距離Ｚとすることができる。
【００４６】
被測定対象２についての第１のコントラスト値Ｃ１と、第２のコントラスト値Ｃ２とを変数とする関数Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）の値を算出し、関数Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）の値に基づき基準位置Ｚｂから被測定対象２までの距離を測定する（距離測定ステップ：Ｓ１６０）。
【００４７】
第１のコントラスト値Ｃ１は、繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した値であり、第２のコントラスト値Ｃ２は、第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した値である。本実施形態では、第２の繰り返しピッチは第１の繰り返しピッチの５倍としてある。また、距離測定ステップＳ１６０では、標準測定対象２についての、第１のコントラスト値Ｃ１と、第２のコントラスト値Ｃ２とを変数とする関数Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）の値と、基準位置Ｚｂから標準測定対象までの距離との関係が記載されたテーブルを参照することで、基準位置Ｚｂから被測定対象２までの距離を測定する。
ここで関数Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）の値は、（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）の次元を持ち、具体的には第２のコントラスト値Ｃ２と第１のコントラスト値との平均値（Ｃ１＋Ｃ２）／２である。
【００４８】
被測定対象２が、基準位置Ｚｂにあるときは、被測定対象２には鮮明なストライプ画像が投影される。一方、被測定対象２が基準位置Ｚｂにないときは、被測定対象２には投影されるストライプ画像は不鮮明となる。すなわちコントラストが低くなり、いわゆるボケが生じる。
コントラスト値Ｃ１，Ｃ２自体からは、被測定対象２が、基準位置Ｚｂから液晶ストライプ格子１１１に近い側に位置しているのか、基準位置Ｚｂから液晶ストライプ格子１１１に遠い側に位置しているのかを判定することはできない。このため、被測定対象２の凹凸の最も基準位置から液晶ストライプ格子１１１に遠い側の凹となる部位を基準位置Ｚｂに設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の三次元形状計測装置を示す図である。
【図２】図１の三次元形状計測装置に使用される液晶ストライプ格子の構成を示す図である。
【図３】繰り返しパターンを、正弦波強度分布で空間遷移させた場合の説明図であり、（Ａ）は横軸を液晶ストライプ格子のセルとし、縦軸を強度したグラフ、（Ｂ）は液晶ストライプ格子の透過光を視覚的に示す図である。
【図４】複数種の繰り返しピッチについてのコントラストと基準位置からの被測定対象までの距離との関係を示すグラフである。
【図５】（Ａ）は被測定対象の凹凸部分が大きいときに繰り返しピッチＰＴが大きい繰り返しパターンを被測定対象に投影し、被測定対象の凹凸部分が小さいときは、繰り返しピッチが小さい繰り返しパターンを被測定対象に投影する様子を示す図、（Ｂ）は、Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）＝（Ｃ２＋Ｃ１）÷２としたときの値と基準位置から被測定対象までの距離を示す図である。
【図６】関数Ｆを（Ｃ２＋Ｃ１）÷２としたときのＦの値と基準位置から被測定対象までの距離を示す説明図である。
【図７】投影レンズから被測定対象までの距離に対するコントラストの実測結果を示すグラフである。
【図８】図１に示した三次元計測装置を用いた本発明の三次元計測方法を示すフローチャートである。
【図９】従来の三次元計測装置を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 三次元形状計測装置
２ 被測定対象
１１ 液晶装置
１２ 光源装置
１３ 投影レンズ
１４ 撮影装置
１５ 距離測定装置
１１１ 液晶ストライプ格子
１１２ 制御部
１２１ 光源
１２２，１２３，１２４ コリメートレンズ
１４１ ビームスプリッタ
１４２ レンズ
１５１ コントラスト検出手段
１５２ 距離測定手段
１５３ テーブル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶ストライプ格子により形成される繰り返しパターンを被測定対象に投影しこれを撮影して撮影画像のコントラストを検出することで、多種の被測定対象に対応でき、また繰り返しピッチが異なる複数の繰り返しパターンについて上記コントラストを検出することで基準位置から被測定対象までの距離を高精度で計測することができる三次元形状計測装置および三次元形状計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品等の製造工程において、製品の外観検査のための三次元形状計測を行うことが要求されることがある。三次元形状計測では、電子機器の多様化に伴う多種の部品を計測する必要がある。
この種の技術として、たとえば、特許文献１（特開平１１−８３４５４号）に示される技術が知られている。この技術では、液晶により正弦波強度分布を有するストライプ状格子パターンを作成し、この液晶ストライプ格子の背面に配置したランプにより格子パターンを被測定対象に投影する。そして、格子パターンが投影される光軸とは異なる方向から、ＣＣＤカメラ等により被測定対象を撮影し、格子パターンの歪みを検出する。特許文献１の技術は光軸を２つ必要とすることからシステムのコストが高くなる。
【０００３】
また、特許文献２および特許文献３に参照されるような、格子パターンを被測定対象に投影し、投影レンズの焦点位置からのずれをコントラストで評価する技術（フォーカス法）が知られている。この方法では、通常、コントラストと距離との関係を事前に取得しておき、被測定対象のコントラストとの比較を行い、被測定対象の三次元形状をリアルタイムで取得することができる。また、光学系を一軸で構成できることから安価にシステムを構築することができる。
【０００４】
このフォーカス法は、基本的には図９に示すように、投影系９１と観察系９２と計測系９３とから構成されている。投影系９１では光源９１１からの光を格子９１２を介して被測定対象９４に格子パターンとして投影する。この格子パターンは、たとえば空間上に正弦波の強度分布をもつ縞状パターンである。
観察系９２では、被測定対象９４に投影された格子パターンを撮影する。計測系９３では、観察系９２において撮影した画像からコントラストを計測して、被測定対象９４の基準位置からの距離を、コントラスト−距離テーブル９５を参照して検出する。
【特許文献１】特開平１１−８３４５４号
【非特許文献１】“Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｏｂｔａｉｎｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｅｃｔｉｏｎｉｎｇ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ｉｎ ａ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”（Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，）２２（１９９７）１９０５
【非特許文献２】“Ａｂｓｏｌｕｔｅ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｈａｐｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｕｓｉｎｇ ｃｏａｘｉａｌ ａｎｄ ｃｏｉｍａｇｅ ｐｌａｎｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｆｒｉｎｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｆｏｃｕｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ”（Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．，）３９（２０００）６１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
フォーカス法では、被測定対象９４の凹凸形状の状態が変わるとそれにあわせて、格子パターンの繰り返しピッチを変更する必要が生じることがある。図９の装置では、格子パターンの繰り返しピッチを変更するためには、格子９１２を交換しなくてはならず、交換により再度の光学調整が必要になるという問題がある。
【０００６】
また、コントラストは、被測定対象に投影画像の結像点が合致しているときが最も高く、基準位置から外れるにしたがって低下する。低下度合いは、格子パターンの繰り返しピッチが大きくなると緩やかとなり、格子パターンの繰り返しピッチが小さくなると急峻となる。これは、仮に、格子パターンの繰り返しピッチを変化させた場合、コントラストの解像度が異なってしまうことを意味する。
【０００７】
本発明の目的は、格子パターンの繰り返しピッチを自在に変更することで多種の被測定対象に対応できる三次元形状計測装置および三次元形状計測方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、繰り返しピッチが異なる複数の格子パターンによるコントラストの検出結果を利用して、精度が高い距離検出が可能な三次元形状計測装置および三次元形状計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の三次元形状計測装置は、（１）から（８）を要旨とする。
（１）液晶ストライプ格子の開口を制御して空間上での繰り返しパターンを形成でき、かつ前記繰り返しパターンの繰り返しピッチを変更できる制御部を備えた液晶装置と、
前記液晶ストライプ格子を介して被測定対象に前記繰り返しパターンを投影する光源装置と、
前記被測定対象上に投影された前記繰り返しパターンにかかる画像を取得する撮影装置と、
前記撮影装置により撮影された画像のコントラスト値を検出し、基準位置から前記被測定対象までの距離を測定する距離測定装置と、
を有することを特徴とする三次元形状計測装置。
【０００９】
（２）前記液晶ストライプ格子の繰り返しパターンの開口は、正弦波強度分布で空間遷移していることを特徴とする（１）に記載の三次元形状計測装置。
【００１０】
（３）前記距離測定装置は、
前記被測定対象についての、
前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とする関数の値を算出し、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする（２）に記載の三次元形状計測装置。
【００１１】
（４）前記距離測定装置は、
標準測定対象についての、
前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とする関数の値と、前記基準位置から前記被測定対象までの距離との関係が記載されたテーブルを備え、
前記被測定対象についての前記関数の値を前記テーブルで参照することで、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする（３）に記載の三次元形状計測装置。
【００１２】
（５）前記関数の値が（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）であることを特徴とする（４）に記載の三次元形状計測装置。
【００１３】
（６）前記距離測定装置は、
標準測定対象についての、
前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とし、出力値が前記基準位置から前記被測定対象までの距離である関数を備え、
前記関数の演算値により、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする（３）に記載の三次元形状計測装置。
【００１４】
（７）前記関数の値が（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）であることを特徴とする（６）に記載の三次元形状計測装置。
【００１５】
（８）前記光源装置と前記液晶装置との間にコリメートレンズ系を備え、
前記液晶装置と前記被測定対象との間に前記被測定対象の投影光を前記撮像装置に分岐させるビームスプリッタを備え、
前記ビームスプリッタと前記撮像装置との間に被測定対象観察用レンズ系を備えている、
ことを特徴とする（１）から（７）の何れかに記載の三次元形状計測装置。
【００１６】
本発明の三次元形状計測方法は、（９）から（１５）を要旨とする。
（９）液晶ストライプ格子の開口を制御して空間上での繰り返しパターンを形成する繰り返しパターン形成ステップと、
前記液晶ストライプ格子を介して被測定対象に前記繰り返しパターンを投影光として照射する透過光照射ステップと、
前記繰り返しパターンを透過する前記投影光が照射された前記被測定対象の画像を取得する撮影ステップと、
前記撮影ステップにおいて撮影した画像のコントラスト値を検出し、基準位置から前記被測定対象までの距離を測定する距離測定ステップと、
を含むことを特徴とする三次元形状計測方法。
【００１７】
（１０）前記液晶ストライプ格子の繰り返しパターンの開口は、正弦波強度分布で空間遷移していることを特徴とする（９）に記載の三次元形状計測方法。
【００１８】
（１１）前記距離測定ステップでは、
前記被測定対象についての、
前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とする関数の値を算出し、当該関数の値に基づき前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする（９）または（１０）に記載の三次元形状計測方法。
【００１９】
（１２）前記距離測定ステップでは、
標準測定対象についての、
前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とする関数の値と、前記基準位置から前記被測定対象までの距離との関係が記載されたテーブルを参照することで、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする（１１）に記載の三次元形状計測方法。
【００２０】
（１３）前記関数の値が（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）であることを特徴とする（１２）に記載の三次元形状計測方法。
【００２１】
（１４）前記距離測定ステップでは、
標準測定対象についての、
前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とし、出力値が前記基準位置から前記被測定対象までの距離である関数による演算を行い、
前記関数の演算値により、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする（１１）に記載の三次元形状計測方法。
【００２２】
（１５）前記関数の値が（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）であることを特徴とする（１４）に記載の三次元形状計測方法。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、格子パターンの繰り返しピッチを自在に変更することで多種の被測定対象に対応できる三次元形状計測技術を提供することができる。また、本発明によれば、繰り返しピッチが異なる複数の格子パターンによるコントラストの検出結果を利用して、精度が高い距離検出が可能な三次元形状計測技術を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を説明する。本発明では、被測定対象の大きさは、花粉等のミロンオーダの大きさのものから、運送荷物等の数メートルオーダの大きさのものまで測定が可能である。以下の実施形態では、数十ｍｍから数百ｍｍ程度の大きさの三次元形状を測定する場合を説明する。
【００２５】
図１はフォーカス法を用いた三次元形状計測装置１Ａを示す図である。図１において、三次元形状計測装置１Ａは、投影系を構成する液晶装置１１、光源装置１２および投影レンズ１３と、観察系を構成する撮影装置１４と、計測系を構成する距離測定装置１５とを備えている。
【００２６】
液晶装置１１は、液晶ストライプ格子１１１と制御部１１２とからなる。制御部１１２は、液晶ストライプ格子１１１の開口を制御して空間上での繰り返しパターンＲＰを形成でき、かつ繰り返しパターンＲＰの繰り返しピッチＰＴ１を変更できる。液晶ストライプ格子１１１は、透明電極自体がストライプ状をなすものであってもよいし、透明電極がマトリクス状に形成されてものであってもよい。液晶プレートに形成されたストライプ状の透明電極に所定の電圧を印加することにより駆動される。
【００２７】
本実施形態では、液晶ストライプ格子１１１には図２に示すように、幅４２μｍの開口が８μｍピッチで形成されている。このときの開口率は８４％である。液晶ストライプ格子１１１は、動作領域が縦４８ｍｍ、横３８ｍｍのものを使用している。
【００２８】
また、液晶ストライプ格子１１１の繰り返しパターンＲＰの開口は、正弦波強度分布、矩形波強度分布、三角波強度分布で空間遷移するように図示しない透明電極に所定電圧を印加することにより形成できる。本実施形態では、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、繰り返しパターンＲＰを、正弦波強度分布で空間遷移させている。図３（Ａ）は、横軸が液晶ストライプ格子１１１のセルＬＣの位置を示し、縦軸が強度Ｉを示している。また、図３（Ｂ）は液晶ストライプ格子１１１の透過光を視覚的に示している。
【００２９】
光源装置１２は、ハロゲンランプ等の光源１２１と、コリメートレンズ１２２，１２３，１２４と備えている。レンズ１２２は光源１２１からの光を集光するコンデンサレンズである。レンズ１２３は、レンズ１２２により集光された光から赤外波長成分をカットする赤外カット用レンズである。レンズ１２４は、レンズ１２３を透過する光を平行光にするための凸レンズである。
レンズ１２４を通過した光は、液晶ストライプ格子１１１を介して投影レンズ１３に入射され、投影レンズ１３から出射される光が、被測定対象２に図３（Ｂ）に示した繰り返しパターンＰＲを投影する。
【００３０】
撮影装置１４は、ビームスプリッタ１４１と、レンズ１４２と、撮像装置（ＣＣＤカメラからなる）１４３とを備え、被測定対象２上に投影された繰り返しパターンＲＰにかかる画像を取得する。投影レンズ１３，液晶ストライプ格子１１１間の光学距離、レンズ１４２，液晶ストライプ格子１１１間の光学距離は、本実施形態では同じに設定してある。
【００３１】
距離測定装置１５は、コントラスト検出手段１５１と距離測定手段１５２とテーブル１５３を備えている。コントラスト検出手段１５１は、撮像装置１４３により撮影された画像のコントラストを位相シフト法，フーリエ変換法等により検出するもので、ソフトウェア（実質上、ＣＰＵとＲＯＭやＲＡＭに格納されたプログラム）により構成することもできるし、コントラスト検出用のＤＳＰにより構成することもできる。距離測定手段１５２は、コントラスト検出手段１５１の検出結果に基づき、基準位置（Ｚｂから被測定対象２までの距離Ｚを測定する。なお、基準位置Ｚｂは、ビームスプリッタ１４１の中心からストライプの結像点までの距離である。
【００３２】
距離測定手段１５２も、ソフトウェア（実質上、ＣＰＵとＲＯＭやＲＡＭに格納されたプログラム）により構成することもできるし、距離測定用のＤＳＰ（コントラスト検出用のＤＳＰと一体に構成してもよい）により構成することもできる。
【００３３】
図４に、５パターン／１ｍｍでの繰り返しピッチＰＴ１、１パターン／１ｍｍでの繰り返しピッチＰＴ２、２パターン／１ｍｍでの繰り返しピッチＰＴ３について、コントラストと基準位置からの被測定対象までの距離との関係を示す。本実施形態では、図４の負の値を持つ領域が測定領域であり、ゼロ点が基準位置Ｚｂである。したがって、正の値を持つ領域のデータは本実施形態では使用されない（すなわち、テーブル１５３に記憶されていない）。
【００３４】
図４からわかるように、繰り返しパターンＲＰの繰り返しピッチＰＴが小さ過ぎると、サイズが大きい非測定対象２の測定が不能となる。そこで、距離測定手段１５２は、被測定対象２の大きさに応じて、繰り返しパターンＲＰの繰り返しピッチＰＴを変更して、最適化を図ることができる。
【００３５】
すなわち、図５（Ａ）に示すように、被測定対象２の凹凸部分が大きいときは、繰り返しピッチＰＴが大きい繰り返しパターンＲＰを被測定対象２に投影し、被測定対象２の凹凸部分が小さいときは、繰り返しピッチＰＴが小さい繰り返しパターンＲＰを被測定対象２に投影する。なお、図５（Ａ）では、前述したように基準位置Ｚｂをゼロ点で示してある。
【００３６】
このように、測定の精度を高めるためには、単に繰り返しパターンＲＰの繰り返しピッチＰＴを変更するようにしてもよいし次に述べるように、異なる繰り返しピッチＰＴ１，ＰＴ２について第１のコントラストＣ１と第２のコントラスト値Ｃ２を取得し、これらを変数とする関数Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）の値に基づき、基準位置Ｚｂに対する被測定対象２の位置を測定してもよい。
【００３７】
距離測定手段１５２は、被測定対象２についての、第１のコントラスト値Ｃ１と、第２のコントラスト値Ｃ２とを変数とする関数Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）値に基づき、テーブル１５３を参照して、基準位置Ｚｂから被測定対象２までの距離Ｚを測定する。図１では、被測定対象２が、基準位置Ｚｂに位置している場合、基準位置Ｚｂから液晶ストライプ格子１１１に近い側に位置している場合（図１のＺ１参照）、基準位置Ｚｂから液晶ストライプ格子１１１に遠い側に位置している場合（図１のＺ２参照）を示してある。
【００３８】
このテーブル１５３には、関数Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）の値に応じた、基準位置Ｚｂから標準測定対象までの距離Ｚが書き込まれている（標準測定対象についての距離検出は予め行ってある）。
第１のコントラスト値Ｃ１は、液晶装置１１により形成された繰り返しパターンＲＰの第１の繰り返しピッチＰＴ１についてコントラスト検出手段１５１が検出した値である。また、第２のコントラスト値Ｃ２は、第１の繰り返しピッチＰＴ１よりも大きい、液晶装置１１により形成された繰り返しパターンＲＰの第２の繰り返しピッチＰＴ２（ＰＴ２＞ＰＴ１）についてコントラスト検出手段１５１が検出した値である。
【００３９】
本実施形態では、第１の繰り返しピッチＰＴ１は５パターン／１ｍｍ（高周波パターン）であり、第２の繰り返しピッチＰＴ２は１パターン／１ｍｍ（低周波パターン）である（図４参照）。
本実施形態においては、上述したように関数Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）の値に対応する、基準位置Ｚｂから標準測定対象までの距離Ｚがテーブル１５３に書き込まれている。
なお、Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）は、Ｃ１−Ｃ２とすることができるし、（Ｃ１＋Ｃ２）、あるいは（Ｃ１＋Ｃ２）÷２とすることもできる。さらに、異なる繰り返しピッチＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３（ＰＴ２＞ＰＴ３＞ＰＴ１）についてコントラスト値Ｃ１，Ｃ２，Ｃ２を取得し、たとえば、Ｆ（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ２）を（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）÷３あるいは{（Ｃ１×Ｃ２＋Ｃ２×Ｃ３＋Ｃ３×Ｃ１}÷（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）とすることもできる。これらの関数Ｆを採用する場合、それぞれに対応して、テーブル１５３は個々に用意しておく必要がある。
【００４０】
図５（Ｂ）に、Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）＝（Ｃ２＋Ｃ１）÷２としたときの値と、基準位置Ｚｂから被測定対象２までの距離Ｚを示す。また、図６に、投影レンズ１３からの距離Ｚ（横軸）に対するコントラスト（縦軸）の実測値を示す。また、図７に投影レンズ１３からの距離Ｚ（横軸）に対する測定値（縦軸）を示す。
【００４１】
図８のフローチャートにより、図１に示した三次元計測装置１を用いた本発明の三次元計測方法の実施形態を説明する。
三次元計測方法は、パターン形成ステップＳ１１０と、透過光照射ステップＳ１２０と、撮影ステップＳ１３０と、コントラスト検出ステップＳ１４０と、繰り返し処理ステップＳ１５０と、距離測定ステップＳ１６０とを含む。
【００４２】
液晶ストライプ格子１１１の開口を制御して空間上での繰り返しパターンを形成する。すでに述べたように、液晶ストライプ格子の繰り返しパターンの開口は、正弦波強度分布で空間遷移している。ここでは、まず、繰り返しパターンＲＰを液晶により形成する（繰り返しパターン形成ステップ：Ｓ１１０）。
【００４３】
次に、液晶ストライプ格子１１１を介して被測定対象２に繰り返しパターンＲＰを投影光として照射する（透過光照射ステップ：Ｓ１２０）。
次いで、繰り返しパターンＲＰを透過する投影光が照射された被測定対象２の画像を取得する（撮影ステップ：Ｓ１３０）。
そして、撮影ステップＳ１３０において撮影した画像の第１のコントラスト値Ｃ１を検出し、所定のメモリに記憶しておく（コントラスト検出ステップ：Ｓ１４０）。
【００４４】
繰り返しパターンＲＰについての処理が終了すると、同様の処理（Ｓ１１０，Ｓ１２０，Ｓ１３０，Ｓ１４０）を繰り返しパターンＲＰについて行い第２のコンストラスト値Ｃ２を求める（繰り返し処理ステップ：Ｓ１５０）。
【００４５】
たとえば第１のコンストラスト値Ｃ１と、基準位置Ｚｂと被測定対象２との距離Ｚ１との関係が書き込まれたテーブルＴ１、第２のコンストラスト値Ｃ２と基準位置Ｚｂと被測定対象２との距離Ｚとの関係が書き込まれたテーブルＴ２を用意しておき、第１のコンストラスト値Ｃ１に基づき求めた距離Ｚ１と、第２のコンストラスト値Ｃ２に基づき求めた距離Ｚ２との平均値を基準位置Ｚｂと被測定対象２との距離Ｚとすることができる。
【００４６】
被測定対象２についての第１のコントラスト値Ｃ１と、第２のコントラスト値Ｃ２とを変数とする関数Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）の値を算出し、関数Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）の値に基づき基準位置Ｚｂから被測定対象２までの距離を測定する（距離測定ステップ：Ｓ１６０）。
【００４７】
第１のコントラスト値Ｃ１は、繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した値であり、第２のコントラスト値Ｃ２は、第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した値である。本実施形態では、第２の繰り返しピッチは第１の繰り返しピッチの５倍としてある。また、距離測定ステップＳ１６０では、標準測定対象２についての、第１のコントラスト値Ｃ１と、第２のコントラスト値Ｃ２とを変数とする関数Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）の値と、基準位置Ｚｂから標準測定対象までの距離との関係が記載されたテーブルを参照することで、基準位置Ｚｂから被測定対象２までの距離を測定する。
ここで関数Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）の値は、（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）の次元を持ち、具体的には第２のコントラスト値Ｃ２と第１のコントラスト値との平均値（Ｃ１＋Ｃ２）／２である。
【００４８】
被測定対象２が、基準位置Ｚｂにあるときは、被測定対象２には鮮明なストライプ画像が投影される。一方、被測定対象２が基準位置Ｚｂにないときは、被測定対象２には投影されるストライプ画像は不鮮明となる。すなわちコントラストが低くなり、いわゆるボケが生じる。
コントラスト値Ｃ１，Ｃ２自体からは、被測定対象２が、基準位置Ｚｂから液晶ストライプ格子１１１に近い側に位置しているのか、基準位置Ｚｂから液晶ストライプ格子１１１に遠い側に位置しているのかを判定することはできない。このため、被測定対象２の凹凸の最も基準位置から液晶ストライプ格子１１１に遠い側の凹となる部位を基準位置Ｚｂに設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の三次元形状計測装置を示す図である。
【図２】図１の三次元形状計測装置に使用される液晶ストライプ格子の構成を示す図である。
【図３】繰り返しパターンを、正弦波強度分布で空間遷移させた場合の説明図であり、（Ａ）は横軸を液晶ストライプ格子のセルとし、縦軸を強度したグラフ、（Ｂ）は液晶ストライプ格子の透過光を視覚的に示す図である。
【図４】複数種の繰り返しピッチについてのコントラストと基準位置からの被測定対象までの距離との関係を示すグラフである。
【図５】（Ａ）は被測定対象の凹凸部分が大きいときに繰り返しピッチＰＴが大きい繰り返しパターンを被測定対象に投影し、被測定対象の凹凸部分が小さいときは、繰り返しピッチが小さい繰り返しパターンを被測定対象に投影する様子を示す図、（Ｂ）は、Ｆ（Ｃ１，Ｃ２）＝（Ｃ２＋Ｃ１）÷２としたときの値と基準位置から被測定対象までの距離を示す図である。
【図６】関数Ｆを（Ｃ２＋Ｃ１）÷２としたときのＦの値と基準位置から被測定対象までの距離を示す説明図である。
【図７】投影レンズから被測定対象までの距離に対するコントラストの実測結果を示すグラフである。
【図８】図１に示した三次元計測装置を用いた本発明の三次元計測方法を示すフローチャートである。
【図９】従来の三次元計測装置を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 三次元形状計測装置
２ 被測定対象
１１ 液晶装置
１２ 光源装置
１３ 投影レンズ
１４ 撮影装置
１５ 距離測定装置
１１１ 液晶ストライプ格子
１１２ 制御部
１２１ 光源
１２２，１２３，１２４ コリメートレンズ
１４１ ビームスプリッタ
１４２ レンズ
１５１ コントラスト検出手段
１５２ 距離測定手段
１５３ テーブル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶ストライプ格子の開口を制御して空間上での繰り返しパターンを形成でき、かつ前記繰り返しパターンの繰り返しピッチを変更できる制御部を備えた液晶装置と、
前記液晶ストライプ格子を介して被測定対象に前記繰り返しパターンを投影する光源装置と、
前記被測定対象上に投影された前記繰り返しパターンにかかる画像を取得する撮影装置と、
前記撮影装置により撮影された画像のコントラスト値を検出し、基準位置から前記被測定対象までの距離を測定する距離測定装置と、
を有することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項２】
前記液晶ストライプ格子の繰り返しパターンの開口は、正弦波強度分布で空間遷移していることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
【請求項３】
前記距離測定装置は、
前記被測定対象についての、
前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とする関数の値を算出し、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状計測装置。
【請求項４】
前記距離測定装置は、
標準測定対象についての、
前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とする関数の値と、前記基準位置から前記被測定対象までの距離との関係が記載されたテーブルを備え、
前記被測定対象についての前記関数の値を前記テーブルで参照することで、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする請求項３に記載の三次元形状計測装置。
【請求項５】
前記関数の値が（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）であることを特徴とする請求項４に記載の三次元形状計測装置。
【請求項６】
前記距離測定装置は、
標準測定対象についての、
前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とし、出力値が前記基準位置から前記被測定対象までの距離である関数を備え、
前記関数の演算値により、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする請求項３に記載の三次元形状計測装置。
【請求項７】
前記関数の値が（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）であることを特徴とする請求項６に記載の三次元形状計測装置。
【請求項８】
前記光源装置と前記液晶装置との間にコリメートレンズ系を備え、
前記液晶装置と前記被測定対象との間に前記被測定対象の投影光を前記撮像装置に分岐させるビームスプリッタを備え、
前記ビームスプリッタと前記撮像装置との間に被測定対象観察用レンズ系を備えている、
ことを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の三次元形状計測装置。
【請求項９】
液晶ストライプ格子の開口を制御して空間上での繰り返しパターンを形成する繰り返しパターン形成ステップと、
前記液晶ストライプ格子を介して被測定対象に前記繰り返しパターンを投影光として照射する透過光照射ステップと、
前記繰り返しパターンを透過する前記投影光が照射された前記被測定対象の画像を取得する撮影ステップと、
前記撮影ステップにおいて撮影した画像のコントラスト値を検出し、基準位置から前記被測定対象までの距離を測定する距離測定ステップと、
を含むことを特徴とする三次元形状計測方法。
【請求項１０】
前記液晶ストライプ格子の繰り返しパターンの開口は、正弦波強度分布で空間遷移していることを特徴とする請求項９に記載の三次元形状計測方法。
【請求項１１】
前記距離測定ステップでは、
前記被測定対象についての、
前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とする関数の値を算出し、当該関数の値に基づき前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする請求項９または１０に記載の三次元形状計測方法。
【請求項１２】
前記距離測定ステップでは、
標準測定対象についての、
前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とする関数の値と、前記基準位置から前記被測定対象までの距離との関係が記載されたテーブルを参照することで、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする請求項１１に記載の三次元形状計測方法。
【請求項１３】
前記関数の値が（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）であることを特徴とする請求項１２に記載の三次元形状計測方法。
【請求項１４】
前記距離測定ステップでは、
標準測定対象についての、
前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とし、出力値が前記基準位置から前記被測定対象までの距離である関数による演算を行い、
前記関数の演算値により、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする請求項１１に記載の三次元形状計測方法。
【請求項１５】
前記関数の値が（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）であることを特徴とする請求項１４に記載の三次元形状計測方法。
【請求項１】
液晶ストライプ格子の開口を制御して空間上での繰り返しパターンを形成でき、かつ前記繰り返しパターンの繰り返しピッチを変更できる制御部を備えた液晶装置と、
前記液晶ストライプ格子を介して被測定対象に前記繰り返しパターンを投影する光源装置と、
前記被測定対象上に投影された前記繰り返しパターンにかかる画像を取得する撮影装置と、
前記撮影装置により撮影された画像のコントラスト値を検出し、基準位置から前記被測定対象までの距離を測定する距離測定装置と、
を有することを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項２】
前記液晶ストライプ格子の繰り返しパターンの開口は、正弦波強度分布で空間遷移していることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状計測装置。
【請求項３】
前記距離測定装置は、
前記被測定対象についての、
前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とする関数の値を算出し、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状計測装置。
【請求項４】
前記距離測定装置は、
標準測定対象についての、
前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とする関数の値と、前記基準位置から前記被測定対象までの距離との関係が記載されたテーブルを備え、
前記被測定対象についての前記関数の値を前記テーブルで参照することで、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする請求項３に記載の三次元形状計測装置。
【請求項５】
前記関数の値が（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）であることを特徴とする請求項４に記載の三次元形状計測装置。
【請求項６】
前記距離測定装置は、
標準測定対象についての、
前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とし、出力値が前記基準位置から前記被測定対象までの距離である関数を備え、
前記関数の演算値により、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする請求項３に記載の三次元形状計測装置。
【請求項７】
前記関数の値が（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）であることを特徴とする請求項６に記載の三次元形状計測装置。
【請求項８】
前記光源装置と前記液晶装置との間にコリメートレンズ系を備え、
前記液晶装置と前記被測定対象との間に前記被測定対象の投影光を前記撮像装置に分岐させるビームスプリッタを備え、
前記ビームスプリッタと前記撮像装置との間に被測定対象観察用レンズ系を備えている、
ことを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の三次元形状計測装置。
【請求項９】
液晶ストライプ格子の開口を制御して空間上での繰り返しパターンを形成する繰り返しパターン形成ステップと、
前記液晶ストライプ格子を介して被測定対象に前記繰り返しパターンを投影光として照射する透過光照射ステップと、
前記繰り返しパターンを透過する前記投影光が照射された前記被測定対象の画像を取得する撮影ステップと、
前記撮影ステップにおいて撮影した画像のコントラスト値を検出し、基準位置から前記被測定対象までの距離を測定する距離測定ステップと、
を含むことを特徴とする三次元形状計測方法。
【請求項１０】
前記液晶ストライプ格子の繰り返しパターンの開口は、正弦波強度分布で空間遷移していることを特徴とする請求項９に記載の三次元形状計測方法。
【請求項１１】
前記距離測定ステップでは、
前記被測定対象についての、
前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とする関数の値を算出し、当該関数の値に基づき前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする請求項９または１０に記載の三次元形状計測方法。
【請求項１２】
前記距離測定ステップでは、
標準測定対象についての、
前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とする関数の値と、前記基準位置から前記被測定対象までの距離との関係が記載されたテーブルを参照することで、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする請求項１１に記載の三次元形状計測方法。
【請求項１３】
前記関数の値が（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）であることを特徴とする請求項１２に記載の三次元形状計測方法。
【請求項１４】
前記距離測定ステップでは、
標準測定対象についての、
前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第１の繰り返しピッチに基づき検出した第１のコントラスト値と、
第１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第２の繰り返しピッチに基づき検出した第２のコントラスト値と、
・・・
第n−１の繰り返しピッチよりも大きい、前記液晶装置により形成された前記繰り返しパターンの第ｎの繰り返しピッチに基づき検出した第ｎのコントラスト値と、
を変数とし、出力値が前記基準位置から前記被測定対象までの距離である関数による演算を行い、
前記関数の演算値により、前記基準位置から前記被測定対象までの距離を測定することを特徴とする請求項１１に記載の三次元形状計測方法。
【請求項１５】
前記関数の値が（コントラストの単位）n（ｎ＝±１，±２）であることを特徴とする請求項１４に記載の三次元形状計測方法。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図３】
【公開番号】特開２００７−１５５３７９（Ｐ２００７−１５５３７９Ａ）
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３４７５７５（Ｐ２００５−３４７５７５）
【出願日】平成１７年１２月１日（２００５．１２．１）
【出願人】（５０４１３２８８１）国立大学法人東京農工大学 (595)
【出願人】（５０５４４４８３５）有限会社 フジ・オプトテック (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月１日（２００５．１２．１）
【出願人】（５０４１３２８８１）国立大学法人東京農工大学 (595)
【出願人】（５０５４４４８３５）有限会社 フジ・オプトテック (1)
【Ｆターム（参考）】
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