格子投影型モアレ装置、及び形状測定方法
【課題】 容易に両格子のピッチを変えることが可能であり、簡単な構成で不要縞の除去や測定対象物の凹凸判定を行うことが可能な格子投影型モアレ装置を提供すること。
【解決手段】 測定対象物の形状を測定するための格子投影型モアレ装置において、第１の液晶格子２６の像を測定対象物４２に投影する投影光学系２０と、測定対象物４２に形成された変形格子像を第２の液晶格子３８上に結像させる結像光学系３０と、前記結像により形成されたモアレ縞を撮像してモアレ縞画像を取得する撮像部３２と、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子パターンを制御する制御部５０と、を含むことを特徴とする。
【解決手段】 測定対象物の形状を測定するための格子投影型モアレ装置において、第１の液晶格子２６の像を測定対象物４２に投影する投影光学系２０と、測定対象物４２に形成された変形格子像を第２の液晶格子３８上に結像させる結像光学系３０と、前記結像により形成されたモアレ縞を撮像してモアレ縞画像を取得する撮像部３２と、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子パターンを制御する制御部５０と、を含むことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の立体形状を測定する格子投影型モアレ装置、及び形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、測定対象物の立体形状を測定するための装置として格子投影型モアレ装置が知られている。この格子投影型モアレ装置は、投影光学系によって投影格子の像を測定対象物に投影することにより測定対象物に形成された変形格子像を、結像光学系によって撮影格子上に結像させ、この結像により形成されるモアレ縞を撮像手段によって撮像してモアレ縞画像を取得し、取得したモアレ縞画像から測定対象物の立体形状を算定するように構成されている。
【０００３】
このような格子投影型モアレ装置では、撮像時間内に投影格子及び撮影格子を両格子間の位相差を変えずに移動させることで、モアレ縞画像に写り込む変形格子像や撮影格子像等の不要縞を除去するものがある。またこのような格子投影型モアレ装置では、位相シフト法を適用して投影格子及び撮影格子の両格子間の位相を変化させ、変化させる毎にモアレ縞画像を取得し、取得した複数のモアレ縞画像から測定対象物の凹凸判定を行うものがある。かかる技術として、例えば特開２００５−１８１２４３号公報に開示される従来技術がある。
【特許文献１】特開２００５−１８１２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら従来の格子投影型モアレ装置では、投影格子と撮影格子の両格子の格子ピッチが固定であるから、ひとつの測定対象物において、形状変化の小さい部分では格子ピッチの細かい投影格子と撮影格子を使用し、形状変化の大きい部分、例えば急峻な形状部分では格子ピッチの粗い投影格子と撮影格子を使用する必要があり、ひとつの測定対象物でも形状によって使用する格子自体を変更しなければならないといった問題点があった。
【０００５】
また従来の格子投影型モアレ装置では、投影格子と撮影格子とを移動機構により物理的に移動させることにより不要縞の除去と測定対象物の凹凸判定を行っているから、この移動機構（可動板、支持板、駆動モータ）を備えることで装置が複雑化するといった問題点があった。
【０００６】
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、容易に両格子のピッチを変えることが可能であり、簡単な構成で不要縞の除去や測定対象物の凹凸判定を行うことが可能な格子投影型モアレ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明は、測定対象物の形状を測定するための格子投影型モアレ装置において、
第１の液晶格子の像を前記測定対象物に投影する投影光学系と、
前記測定対象物に形成された変形格子像を第２の液晶格子上に結像させる結像光学系と、
前記結像により形成されたモアレ縞を撮像してモアレ縞画像を取得する撮像部と、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンを制御する制御部と、
を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、投影格子と撮影格子にそれぞれ液晶格子（第１の液晶格子、第２の液晶格子）を採用することで、簡単な構成で各格子の格子パターンを制御することができる。
【０００９】
（２）また本発明に係る格子投影型モアレ装置では、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンのピッチを変化させる制御を行うことを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、第１の液晶格子及び第２の液晶格子の格子パターンのピッチを変化させる制御を行うことで、測定対象物の形状に応じて容易に格子ピッチを変化させ、最適な格子ピッチでの測定を行うことができる。
【００１１】
（３）また本発明に係る格子投影型モアレ装置では、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンの強度分布を制御することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、第１の液晶格子及び第２の液晶格子の格子パターンの強度分布を制御することで、第１、第２の液晶格子をバイナリ格子や正弦波格子等とすることができ、容易に格子の強度分布を変化させることができる。
【００１３】
（４）また本発明に係る格子投影型モアレ装置では、
前記制御部は、
前記撮像部によって前記モアレ縞画像が取得される期間内に、前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子を、格子と直交する方向に少なくとも格子１ピッチ分の距離を移動させる制御を行うことを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、投影格子と撮影格子を物理的に移動させることなく簡単な構成でモアレ縞画像に写り込む変形格子像や撮影格子像等の不要縞の除去を行うことができる。
【００１５】
（５）また本発明に係る格子投影型モアレ装置では、
前記モアレ縞画像に基づく演算処理により前記測定対象物の形状を測定する演算処理部を更に含むことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【００１６】
本発明によれば、取得したモアレ縞画像から測定対象物の３次元形状を測定することができる。
【００１７】
（６）また本発明に係る格子投影型モアレ装置では、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子のいずれか一方の格子の位相を変化させる制御を行い、
前記撮像部は、
前記制御部によって前記格子の位相が変化される毎に、前記モアレ縞を撮像して複数のモアレ縞画像を取得し、
前記演算処理部は、
位相を変えた前記複数のモアレ縞画像を位相解析し、前記測定対象物の形状を求める演算処理を行うことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【００１８】
本発明によれば、投影格子及び撮影格子のいずれか一方の格子を物理的に移動させることなく簡単な構成で位相シフト法による測定対象物の凹凸判定を行うことができる。
【００１９】
（７）また本発明に係る格子投影型モアレ装置では、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子のいずれか一方の格子の位相をπ／２ずつ変化させる制御を行うことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【００２０】
本発明によれば、簡単な構成で４ステップ位相シフト法による測定対象物の凹凸判定を行うことができる。
【００２１】
（８）また本発明に係る格子投影型モアレ装置では、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンのピッチを変化させる制御を行い、
前記撮像部は、
前記制御部によって前記格子パターンのピッチが変化される毎に、前記モアレ縞を撮像して複数のモアレ縞画像を取得し、
前記演算処理部は、
ピッチを変えた前記複数のモアレ縞画像に基づく演算処理により前記測定対象物の形状を測定することを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、簡単な構成で格子ピッチを変化させた複数のモアレ縞画像から測定対象物の形状を測定することができる。
【００２３】
（９）また本発明は、測定対象物の形状を測定する形状測定方法において、
第１の液晶格子の像を前記測定対象物に投影するステップと、
前記測定対象物に形成された変形格子像を第２の液晶格子上に結像させるステップと、
前記結像により形成されたモアレ縞を撮像してモアレ縞画像を取得するステップと、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンを制御するステップと、
を含むことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１．格子投影型モアレ装置の構成
図１は、本実施形態の格子投影型モアレ装置の構成の一例を示す図である。
【００２５】
格子投影型モアレ装置１０は、投影光学系２０と結像光学系３０と制御装置５０とを含む。そして投影光学系２０は、光源２２、コンデンサーレンズ２４、第１の液晶格子（投影格子）２６、投影レンズ２８とを含む。また結像光学系３０は、ＣＣＤカメラ（撮像部）３２、カメラレンズ３４、リレーレンズ３６、第２の液晶格子（撮影格子）３８、撮影レンズ４０とを含む。
【００２６】
投影レンズ２８及び撮影レンズ４０は、その各光軸ＡＸ１及びＡＸ２が互いに平行になるように配置され、光軸ＡＸ１及びＡＸ２と直交する同一平面上に配置されている。また光源２２及びコンデンサーレンズ２４は、光軸ＡＸ１に対して斜め後方から第１の液晶格子２６を照射するように配置されている。またＣＣＤカメラ３２、カメラレンズ３４、リレーレンズ３６及び第２の液晶格子３８は、光軸ＡＸ２上に配置されている。
【００２７】
第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８は、互いに等しいピッチで縦方向に延びる格子線を有しており、光軸ＡＸ１及びＡＸ２と直交する同一平面上に配置されている。そして第１の液晶格子２６は、第１の液晶格子２６の像が基準面ＳＰに結像されるように配置され、第２の液晶格子３８は、基準面ＳＰの像が第２の液晶格子３８に結像されるように配置されている。なお基準面ＳＰは図１に示すように測定対象物４２に接する位置に設定されることが望ましいが、測定対象物４２と交差する位置、又は測定対象物４２に近接する位置に設定されるようにしてもよい
そして格子投影型モアレ装置１０は、投影光学系２０により第１の液晶格子２６の像を測定対象物４２上に投影するとともに、この投影により測定対象物４２上に形成された変形格子像を結像光学系３０により第２の液晶格子３８上に結像させ、この結像により形成されたモアレ縞をＣＣＤカメラ３２により撮像するように構成されている。
【００２８】
ここで投影レンズ２８及び撮影レンズ４０から基準面ＳＰまでの距離をＬ、投影レンズ２８と撮影レンズ４０間の距離をａ、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８のピッチをｐ、投影レンズ２８の投影倍率をｍ（第１の液晶格子２６と投影レンズ２８間の距離、及び第２の液晶格子３８と撮影レンズ４０間の距離をｂとすると、ｍ＝Ｌ／ｂ）、基準面ＳＰにおける仮想的な投影格子４１のピッチをＰ（Ｐ＝ｍｐ）とすると、基準面ＳＰ（モアレ縞本数を０とする地点）を起点とするモアレ縞本数がＮである地点の高さＨＮは、下式（１）のように求められる。
【００２９】
ＨＮ＝ＬＮＰ／（ａ−ＮＰ） （１）
制御装置５０は、ＣＣＤカメラ３２により撮像されたモアレ縞画像に基づく演算処理により測定対象物４２の形状を測定する処理を行う。また制御装置５０は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子パターンを制御する。
【００３０】
図２は、本実施形態の第１、第２の液晶格子について説明するための図である。
【００３１】
本実施形態の第１、第２の液晶格子２６、３８は、画素が縦方向には連続し、横方向には分離したパターン（横方向にピッチをもつパターン）で構成されている。このため画素が縦方向にも分離したドット型の液晶格子に比べてパターンの連続性がよく光学特性が向上している。またドット型の液晶格子に比べて画素数が少ないため格子パターンの切り替え速度が高速である。
【００３２】
また本実施形態の第１、第２の液晶格子２６、３８は、液晶ドライバを備え、外部からの制御信号により格子ピッチの大小を変化させる制御や、格子パターンを移動させる制御、格子パターンの強度分布を変化させる制御等を行うことができる。例えば図２(Ａ)に示すように格子ピッチを粗くするように制御することもできるし、図２（Ｂ）に示すように格子ピッチを細かくするように制御することもできる。また格子パターンの強度分布を変化させて、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように矩形波状の強度分布を有する格子パターン（バイナリ格子）とすることもできるし、多階調の制御により図２（Ｃ）に示すように正弦波状の強度分布を有する格子パターン（正弦波格子）とすることもできる。第１、第２の液晶格子２６、３８の格子パターンを、正弦波状の強度分布を有するモアレ縞を形成するのに適した強度分布を有する格子パターン（正弦波状に似た強度分布を有する格子パターン）とすることで、後述するモアレ縞の位相解析を行い易くすることができる。
【００３３】
２．機能ブロック
図３は、本実施形態の格子投影型モアレ装置の機能ブロック図の一例である。なお、本実施形態の格子投影型モアレ装置は、図３の構成要素（各部）の一部を省略した構成としてもよい。本実施形態の格子投影型モアレ装置１０は、処理部１００、操作部１４０、記憶部１５０、表示部１６０、撮像部１７０、液晶格子駆動部１８０とを含む。なお、処理部１００、操作部１４０、記憶部１５０及び表示部１６０は、図１に示す制御装置５０を構成する。
【００３４】
操作部１４０は、ユーザがデータを入力するためのものであり、その機能はキーボード、マウス、タッチパネル型ディスプレイなどにより実現できる。
【００３５】
記憶部１５０は、処理部１００のワーク領域となるもので、その機能はＲＡＭなどにより実現できる。
【００３６】
表示部１６０は、本実施形態により生成された画像を出力するものであり、その機能は、ＣＲＴ、ＬＣＤ、タッチパネル型ディスプレイなどにより実現できる。
【００３７】
撮像部１７０は、第２の液晶格子３８上に形成されたモアレ縞を撮像してモアレ縞画像を取得するものであり、その機能は、例えば図１に示すＣＣＤカメラ３２により実現できる。
【００３８】
液晶格子駆動部１８０は、液晶格子制御部１１０からの制御信号に基づき第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子パターンを制御するものであり、その機能は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８のそれぞれに設けられた液晶ドライバにより実現できる。
【００３９】
処理部１００は、操作部１４０からの操作データ、プログラム、撮像部１７０が取得したモアレ縞画像などに基づいて、撮像部１７０や液晶格子駆動部１８０を制御する処理、測定対象物の形状を測定する処理、画像生成処理などの処理を行い、その機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）、ＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などのハードウェアや、プログラムにより実現できる。
【００４０】
本実施形態の処理部１００は、液晶格子制御部１１０、演算処理部１２０、画像生成部１３０とを含む。
【００４１】
液晶格子制御部１１０は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子パターンを制御する。具体的には格子パターンを制御するための制御信号を生成して、生成した制御信号を液晶格子駆動部１８０に対して送信する処理を行う。液晶格子制御部１１０は、液晶格子駆動部１８０と共に制御部を構成している。
【００４２】
また液晶格子制御部１１０は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子パターンのピッチを変化させる制御を行うようにしてもよい。
【００４３】
また液晶格子制御部１１０は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子パターンの強度分布を制御するようにしてもよい。
【００４４】
また液晶格子制御部１１０は、撮像部１７０によってモアレ縞画像が取得される期間内に、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子を、格子と直交する方向に少なくとも格子１ピッチ分の距離を一定の速度で連続的に移動させる制御を行うようにしてもよい。
【００４５】
また液晶格子制御部１１０は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８のいずれか一方の格子の位相を変化させる制御を行うようにしてもよい。
【００４６】
また液晶格子制御部１１０は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８のいずれか一方の格子の位相をπ／２ずつ変化させる制御を行うようにしてもよい。
【００４７】
演算処理部１２０は、撮像部１７０が取得したモアレ縞画像に基づく演算処理により測定対象物の形状を測定する処理（測定対象物の立体形状情報を算出する処理）を行う。
【００４８】
また撮像部１７０は、液晶格子制御部１１０によって前記格子の位相が変化される毎に、前記モアレ縞を撮像して複数のモアレ縞画像を取得し、演算処理部１２０は、位相を変えた前記複数のモアレ縞画像を位相解析し、測定対象物の形状を求める演算処理を行うようにしてもよい。
【００４９】
また撮像部１７０は、液晶格子制御部１１０によって前記格子パターンのピッチが変化される毎に、前記モアレ縞を撮像して複数のモアレ縞画像を取得し、演算処理部１２０は、ピッチを変えた前記複数のモアレ縞画像に基づく演算処理により前記測定対象物の形状を測定するようにしてもよい。
【００５０】
画像生成部１３０は、演算処理部１２０によって算出された立体形状情報に基づいて描画処理を行い、これにより画像を生成し、表示部１６０に出力する。
【００５１】
３．本実施形態の処理
次に、本実施形態の処理の一例について図４、図５のフローチャートを用いて説明する。
【００５２】
図４は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８のいずれか一方の格子の位相を変化させて、位相が変化される度に撮像した複数のモアレ縞画像から測定対象物の形状を測定する場合の処理の一例を示すフローチャートである。
【００５３】
まず、図７（Ａ）に示すように、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子を、両格子の位相差が０となるように制御する（図４のステップＳ１０）。
【００５４】
次に、図６に示すように、撮像部１７０によってモアレ縞画像が取得（撮像）される時間Ｔ（例えば１／６０秒）内に、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子を、両格子の位相差を変えずに格子と直交する方向Ｄに格子１ピッチ（位相２π）分一定の速度で連続的に移動させる制御を行う（図４のステップＳ１２）。そして撮像部１７０は、両格子が移動する期間内にモアレ縞画像を取得（撮像）する。このように両格子間の位相差を変えずに両格子を移動させた場合には、モアレ縞は移動しないのに対して、モアレ縞画像に写り込む変形格子像や撮影格子像等の不要縞のみが一定の速度で連続的に移動することになる。よって不要縞の強度分布を平均化してこれを除去することができる。
【００５５】
次に、撮像部１７０による画像取得回数が４回に達したか否かを判断する（図４のステップＳ１４）。
【００５６】
図４のステップＳ１４において、画像取得回数が４回に達していないと判断した場合には、図７（Ｂ）に示すように、第１の液晶格子２６の格子を、格子と直交する方向Ｄに位相π／２（格子１／４ピッチ）分移動させる（位相シフトする）制御を行う（図４のステップＳ１６）。このとき第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の位相差はπ／２となり、観察されるモアレ縞の位相もπ／２分移動する。そしてステップＳ１２の処理に進み、画像取得期間内に両格子の位相差（π／２）を変えずに格子１ピッチ分移動させる制御を行い２枚目のモアレ縞画像を取得する。以下、画像取得回数が４回に達するまで、第１の液晶格子２６の格子を位相π／２ずつ移動させ（図７参照）、画像取得期間内に両格子の位相差を変えずに格子１ピッチ分移動させるステップＳ１６とステップＳ１２の処理を繰り返し行い、４枚のモアレ縞画像を取得する。取得した各画像においてはモアレ縞が位相π／２ずつ移動し、不要縞は平均化され除去されている。
【００５７】
図４のステップＳ１４において、画像取得回数が４回に達したと判断した場合には、位相がシフトされた４枚のモアレ縞画像に基づき位相解析を行う（図４のステップＳ１６）。位相がシフトされた４枚のモアレ縞画像を１点（１画素）において観察すると輝度が正弦波状に変化する。この輝度変化から各点毎に初期位相の値を求めることができる。図８は位相シフト量と１点における輝度の変化との関係を示す図である。ここで輝度I０、I１、I２、I３はそれぞれ位相シフト量が０、π／２、π、３π／２であるときの１点における輝度を示し、輝度IＨは輝度の最大値を示す。ここで位相シフト量が０であるときの１点における位相φ（初期位相）は下式（２）のように求められる。
【００５８】
【数１】
次に位相解析の結果に基づきモアレ縞の縞本数を算出し、測定対象物の立体形状情報（図１に示す基準面ＳＰからの高さ情報）を算出する（図４のステップＳ２０）。
【００５９】
図５は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子ピッチを変化させて、ピッチが変化される度に撮像した複数のモアレ縞画像から測定対象物の形状を測定する場合の処理の一例を示すフローチャートである。
【００６０】
まず、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子ピッチを粗い（大きい）ピッチＰ１に設定する（ステップＳ３０）。このとき測定範囲（測定対象物の高さ）がモアレ縞の１本（１ピッチ）に収まるような大きさの格子ピッチを設定する。なお第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子ピッチを大きくするほど観察されるモアレ縞のピッチも大きくなる。
【００６１】
次に、画像取得毎に第１の液晶格子２６の位相をシフトし、位相がシフトされた４枚の画像に基づきモアレ縞画像の各点における初期位相を算出する位相解析を行う（ステップＳ３２）。すなわちステップＳ３０において設定した格子ピッチＰ１を変えずに、図４に示すステップＳ１０〜ステップＳ１８の処理を行う。
【００６２】
次に、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子ピッチを細かい（小さい）ピッチＰ２に設定する（ステップＳ３４）。
【００６３】
次に、画像取得毎に第１の液晶格子２６の位相をシフトし、位相がシフトされた４枚の画像に基づきモアレ縞画像の各点における初期位相を算出する位相解析を行う（ステップＳ３６）。すなわちステップＳ３４において設定した格子ピッチＰ２を変えずに、図４に示すステップＳ１０〜ステップＳ１８の処理を行う。
【００６４】
次に、ステップＳ３２における位相解析の結果と、ステップＳ３６における位相解析の結果とに基づきモアレ縞の縞本数を算出し、測定対象物の立体形状情報（図１に示す基準面ＳＰからの高さ情報）を算出する（ステップＳ３６）。
【００６５】
具体的には、図９に示すように、格子ピッチＰ１での位相解析（ステップＳ３２における位相解析）の結果から求めたモアレ縞本数Ｎ１に格子ピッチＰ１、Ｐ２の比をかけて格子ピッチＰ２でのモアレ縞本数の整数部Ｎ２ｉを求め、格子ピッチＰ２での位相解析（ステップＳ３６における位相解析）の結果から格子ピッチＰ２でのモアレ縞本数の小数部Ｎ２ｓを求める。例えば格子ピッチＰ１と格子ピッチＰ２の比が３：１であり、格子ピッチＰ１での位相解析の結果からモアレ縞本数Ｎ１が０．８本と求められた場合には、格子ピッチＰ２でのモアレ縞本数を、０．８本×Ｐ１／Ｐ２＝２．４本と予測し、格子ピッチＰ２でのモアレ縞の整数部Ｎ２ｉを２本として決定する。そして格子ピッチＰ２での位相解析の結果から求めたモアレ縞本数の小数部Ｎ２ｓ（０．４本）を、決定したモアレ縞本数の整数部Ｎ２ｉに加算して格子ピッチＰ２でのモアレ縞本数として２．４本を確定し、基準面ＳＰからの高さを算出する。位相解析による縞本数の測定は縞本数が１本を超えるとそのままでは縞本数の小数部しか求めることができないが、測定範囲（測定対象物の高さ）がモアレ縞の１本（１ピッチ）に収まるような大きさの格子ピッチを用いて測定することで、細かい格子ピッチでのモアレ縞本数の整数部を他の測定点での値に関係なく独立して算出することができる。また小さい格子ピッチを用いて測定することでモアレ縞の小数部をより精度よく算出することができる。
【００６６】
４．変形例
上記実施形態で説明した手法は、一例を示したに過ぎず、上記実施形態の手法と同様の効果を奏する均等な手法を採用した場合においても本発明の範囲に含めることができる。また本発明は、上記実施形態で説明したものに限らず、種々の変形実施が可能である。そして上記実施形態で説明した各種の手法や、変形例として後述する各種の手法は、本発明を実現する手法として適宜組み合わせて採用することができる。
【００６７】
例えば本実施形態では、格子ピッチが変化される度に撮像した複数のモアレ縞画像から測定対象物の形状を測定する例として、格子ピッチを大きいピッチに設定した場合と、小さいピッチに設定した場合のそれぞれについて位相シフト法による測定を行う場合について説明したが、格子ピッチが変化された複数のモアレ縞画像を１点において観察すると輝度が基準面ＳＰからの高さに応じて固有のパターンで変化することに着目して、この輝度変化の周期パターン（周波数）を解析して基準面ＳＰからの高さを算出するようにしてもよい。
【００６８】
また本実施形態では、位相が変化される度に撮像した複数のモアレ縞画像から測定対象物の形状を測定する例として、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８のいずれか一方の格子の位相をπ／２ずつ変化させて位相が変化させる度に撮像した４枚のモアレ縞画像を位相解析する場合について説明したが、いずれか一方の格子の位相を２π／ｎ（ｎは整数）ずつ変化させて、位相が変化される度に撮像したｎ枚のモアレ縞画像を位相解析するようにしてもよい。この場合、ｋ番目の位相シフト量（ｋ＝０のとき位相シフト量０とする）での輝度（モアレ縞感度）をｉｋとし、ｋ番目の位相シフト量をδｋ＝ｋ×２π／ｎとすると、初期位相φは下式（３）のように求められる。
【００６９】
【数２】
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本実施形態の格子投影型モアレ装置の構成の一例を示す図。
【図２】本実施形態の第１、第２の液晶格子について説明するための図。
【図３】本実施形態の格子投影型モアレ装置の機能ブロック図。
【図４】本実施形態の処理の一例を示すフローチャート。
【図５】本実施形態の処理の一例を示すフローチャート。
【図６】第１の液晶格子及び第２の液晶格子の格子を移動させる制御について説明するための図。
【図７】第１の液晶格子の格子の位相を変化させる制御について説明するための図。
【図８】位相シフト量と１点における輝度の変化との関係を示す図。
【図９】格子ピッチを変えてモアレ縞本数を算出する例について説明するための図。
【符号の説明】
【００７１】
１０ 格子投影型モアレ装置
２０ 投影光学系
２６ 第１の液晶格子
３０ 結像光学系
３２ ＣＣＤカメラ
３８ 第２の液晶格子
４２ 測定対象物
５０ 制御部
１００ 処理部
１１０ 液晶格子制御部
１２０ 演算処理部
１３０ 画像生成部
１４０ 操作部
１５０ 記憶部
１６０ 表示部
１７０ 撮像部
１８０ 液晶格子駆動部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の立体形状を測定する格子投影型モアレ装置、及び形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、測定対象物の立体形状を測定するための装置として格子投影型モアレ装置が知られている。この格子投影型モアレ装置は、投影光学系によって投影格子の像を測定対象物に投影することにより測定対象物に形成された変形格子像を、結像光学系によって撮影格子上に結像させ、この結像により形成されるモアレ縞を撮像手段によって撮像してモアレ縞画像を取得し、取得したモアレ縞画像から測定対象物の立体形状を算定するように構成されている。
【０００３】
このような格子投影型モアレ装置では、撮像時間内に投影格子及び撮影格子を両格子間の位相差を変えずに移動させることで、モアレ縞画像に写り込む変形格子像や撮影格子像等の不要縞を除去するものがある。またこのような格子投影型モアレ装置では、位相シフト法を適用して投影格子及び撮影格子の両格子間の位相を変化させ、変化させる毎にモアレ縞画像を取得し、取得した複数のモアレ縞画像から測定対象物の凹凸判定を行うものがある。かかる技術として、例えば特開２００５−１８１２４３号公報に開示される従来技術がある。
【特許文献１】特開２００５−１８１２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら従来の格子投影型モアレ装置では、投影格子と撮影格子の両格子の格子ピッチが固定であるから、ひとつの測定対象物において、形状変化の小さい部分では格子ピッチの細かい投影格子と撮影格子を使用し、形状変化の大きい部分、例えば急峻な形状部分では格子ピッチの粗い投影格子と撮影格子を使用する必要があり、ひとつの測定対象物でも形状によって使用する格子自体を変更しなければならないといった問題点があった。
【０００５】
また従来の格子投影型モアレ装置では、投影格子と撮影格子とを移動機構により物理的に移動させることにより不要縞の除去と測定対象物の凹凸判定を行っているから、この移動機構（可動板、支持板、駆動モータ）を備えることで装置が複雑化するといった問題点があった。
【０００６】
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、容易に両格子のピッチを変えることが可能であり、簡単な構成で不要縞の除去や測定対象物の凹凸判定を行うことが可能な格子投影型モアレ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明は、測定対象物の形状を測定するための格子投影型モアレ装置において、
第１の液晶格子の像を前記測定対象物に投影する投影光学系と、
前記測定対象物に形成された変形格子像を第２の液晶格子上に結像させる結像光学系と、
前記結像により形成されたモアレ縞を撮像してモアレ縞画像を取得する撮像部と、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンを制御する制御部と、
を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、投影格子と撮影格子にそれぞれ液晶格子（第１の液晶格子、第２の液晶格子）を採用することで、簡単な構成で各格子の格子パターンを制御することができる。
【０００９】
（２）また本発明に係る格子投影型モアレ装置では、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンのピッチを変化させる制御を行うことを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、第１の液晶格子及び第２の液晶格子の格子パターンのピッチを変化させる制御を行うことで、測定対象物の形状に応じて容易に格子ピッチを変化させ、最適な格子ピッチでの測定を行うことができる。
【００１１】
（３）また本発明に係る格子投影型モアレ装置では、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンの強度分布を制御することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、第１の液晶格子及び第２の液晶格子の格子パターンの強度分布を制御することで、第１、第２の液晶格子をバイナリ格子や正弦波格子等とすることができ、容易に格子の強度分布を変化させることができる。
【００１３】
（４）また本発明に係る格子投影型モアレ装置では、
前記制御部は、
前記撮像部によって前記モアレ縞画像が取得される期間内に、前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子を、格子と直交する方向に少なくとも格子１ピッチ分の距離を移動させる制御を行うことを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、投影格子と撮影格子を物理的に移動させることなく簡単な構成でモアレ縞画像に写り込む変形格子像や撮影格子像等の不要縞の除去を行うことができる。
【００１５】
（５）また本発明に係る格子投影型モアレ装置では、
前記モアレ縞画像に基づく演算処理により前記測定対象物の形状を測定する演算処理部を更に含むことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【００１６】
本発明によれば、取得したモアレ縞画像から測定対象物の３次元形状を測定することができる。
【００１７】
（６）また本発明に係る格子投影型モアレ装置では、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子のいずれか一方の格子の位相を変化させる制御を行い、
前記撮像部は、
前記制御部によって前記格子の位相が変化される毎に、前記モアレ縞を撮像して複数のモアレ縞画像を取得し、
前記演算処理部は、
位相を変えた前記複数のモアレ縞画像を位相解析し、前記測定対象物の形状を求める演算処理を行うことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【００１８】
本発明によれば、投影格子及び撮影格子のいずれか一方の格子を物理的に移動させることなく簡単な構成で位相シフト法による測定対象物の凹凸判定を行うことができる。
【００１９】
（７）また本発明に係る格子投影型モアレ装置では、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子のいずれか一方の格子の位相をπ／２ずつ変化させる制御を行うことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【００２０】
本発明によれば、簡単な構成で４ステップ位相シフト法による測定対象物の凹凸判定を行うことができる。
【００２１】
（８）また本発明に係る格子投影型モアレ装置では、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンのピッチを変化させる制御を行い、
前記撮像部は、
前記制御部によって前記格子パターンのピッチが変化される毎に、前記モアレ縞を撮像して複数のモアレ縞画像を取得し、
前記演算処理部は、
ピッチを変えた前記複数のモアレ縞画像に基づく演算処理により前記測定対象物の形状を測定することを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、簡単な構成で格子ピッチを変化させた複数のモアレ縞画像から測定対象物の形状を測定することができる。
【００２３】
（９）また本発明は、測定対象物の形状を測定する形状測定方法において、
第１の液晶格子の像を前記測定対象物に投影するステップと、
前記測定対象物に形成された変形格子像を第２の液晶格子上に結像させるステップと、
前記結像により形成されたモアレ縞を撮像してモアレ縞画像を取得するステップと、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンを制御するステップと、
を含むことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１．格子投影型モアレ装置の構成
図１は、本実施形態の格子投影型モアレ装置の構成の一例を示す図である。
【００２５】
格子投影型モアレ装置１０は、投影光学系２０と結像光学系３０と制御装置５０とを含む。そして投影光学系２０は、光源２２、コンデンサーレンズ２４、第１の液晶格子（投影格子）２６、投影レンズ２８とを含む。また結像光学系３０は、ＣＣＤカメラ（撮像部）３２、カメラレンズ３４、リレーレンズ３６、第２の液晶格子（撮影格子）３８、撮影レンズ４０とを含む。
【００２６】
投影レンズ２８及び撮影レンズ４０は、その各光軸ＡＸ１及びＡＸ２が互いに平行になるように配置され、光軸ＡＸ１及びＡＸ２と直交する同一平面上に配置されている。また光源２２及びコンデンサーレンズ２４は、光軸ＡＸ１に対して斜め後方から第１の液晶格子２６を照射するように配置されている。またＣＣＤカメラ３２、カメラレンズ３４、リレーレンズ３６及び第２の液晶格子３８は、光軸ＡＸ２上に配置されている。
【００２７】
第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８は、互いに等しいピッチで縦方向に延びる格子線を有しており、光軸ＡＸ１及びＡＸ２と直交する同一平面上に配置されている。そして第１の液晶格子２６は、第１の液晶格子２６の像が基準面ＳＰに結像されるように配置され、第２の液晶格子３８は、基準面ＳＰの像が第２の液晶格子３８に結像されるように配置されている。なお基準面ＳＰは図１に示すように測定対象物４２に接する位置に設定されることが望ましいが、測定対象物４２と交差する位置、又は測定対象物４２に近接する位置に設定されるようにしてもよい
そして格子投影型モアレ装置１０は、投影光学系２０により第１の液晶格子２６の像を測定対象物４２上に投影するとともに、この投影により測定対象物４２上に形成された変形格子像を結像光学系３０により第２の液晶格子３８上に結像させ、この結像により形成されたモアレ縞をＣＣＤカメラ３２により撮像するように構成されている。
【００２８】
ここで投影レンズ２８及び撮影レンズ４０から基準面ＳＰまでの距離をＬ、投影レンズ２８と撮影レンズ４０間の距離をａ、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８のピッチをｐ、投影レンズ２８の投影倍率をｍ（第１の液晶格子２６と投影レンズ２８間の距離、及び第２の液晶格子３８と撮影レンズ４０間の距離をｂとすると、ｍ＝Ｌ／ｂ）、基準面ＳＰにおける仮想的な投影格子４１のピッチをＰ（Ｐ＝ｍｐ）とすると、基準面ＳＰ（モアレ縞本数を０とする地点）を起点とするモアレ縞本数がＮである地点の高さＨＮは、下式（１）のように求められる。
【００２９】
ＨＮ＝ＬＮＰ／（ａ−ＮＰ） （１）
制御装置５０は、ＣＣＤカメラ３２により撮像されたモアレ縞画像に基づく演算処理により測定対象物４２の形状を測定する処理を行う。また制御装置５０は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子パターンを制御する。
【００３０】
図２は、本実施形態の第１、第２の液晶格子について説明するための図である。
【００３１】
本実施形態の第１、第２の液晶格子２６、３８は、画素が縦方向には連続し、横方向には分離したパターン（横方向にピッチをもつパターン）で構成されている。このため画素が縦方向にも分離したドット型の液晶格子に比べてパターンの連続性がよく光学特性が向上している。またドット型の液晶格子に比べて画素数が少ないため格子パターンの切り替え速度が高速である。
【００３２】
また本実施形態の第１、第２の液晶格子２６、３８は、液晶ドライバを備え、外部からの制御信号により格子ピッチの大小を変化させる制御や、格子パターンを移動させる制御、格子パターンの強度分布を変化させる制御等を行うことができる。例えば図２(Ａ)に示すように格子ピッチを粗くするように制御することもできるし、図２（Ｂ）に示すように格子ピッチを細かくするように制御することもできる。また格子パターンの強度分布を変化させて、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように矩形波状の強度分布を有する格子パターン（バイナリ格子）とすることもできるし、多階調の制御により図２（Ｃ）に示すように正弦波状の強度分布を有する格子パターン（正弦波格子）とすることもできる。第１、第２の液晶格子２６、３８の格子パターンを、正弦波状の強度分布を有するモアレ縞を形成するのに適した強度分布を有する格子パターン（正弦波状に似た強度分布を有する格子パターン）とすることで、後述するモアレ縞の位相解析を行い易くすることができる。
【００３３】
２．機能ブロック
図３は、本実施形態の格子投影型モアレ装置の機能ブロック図の一例である。なお、本実施形態の格子投影型モアレ装置は、図３の構成要素（各部）の一部を省略した構成としてもよい。本実施形態の格子投影型モアレ装置１０は、処理部１００、操作部１４０、記憶部１５０、表示部１６０、撮像部１７０、液晶格子駆動部１８０とを含む。なお、処理部１００、操作部１４０、記憶部１５０及び表示部１６０は、図１に示す制御装置５０を構成する。
【００３４】
操作部１４０は、ユーザがデータを入力するためのものであり、その機能はキーボード、マウス、タッチパネル型ディスプレイなどにより実現できる。
【００３５】
記憶部１５０は、処理部１００のワーク領域となるもので、その機能はＲＡＭなどにより実現できる。
【００３６】
表示部１６０は、本実施形態により生成された画像を出力するものであり、その機能は、ＣＲＴ、ＬＣＤ、タッチパネル型ディスプレイなどにより実現できる。
【００３７】
撮像部１７０は、第２の液晶格子３８上に形成されたモアレ縞を撮像してモアレ縞画像を取得するものであり、その機能は、例えば図１に示すＣＣＤカメラ３２により実現できる。
【００３８】
液晶格子駆動部１８０は、液晶格子制御部１１０からの制御信号に基づき第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子パターンを制御するものであり、その機能は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８のそれぞれに設けられた液晶ドライバにより実現できる。
【００３９】
処理部１００は、操作部１４０からの操作データ、プログラム、撮像部１７０が取得したモアレ縞画像などに基づいて、撮像部１７０や液晶格子駆動部１８０を制御する処理、測定対象物の形状を測定する処理、画像生成処理などの処理を行い、その機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）、ＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などのハードウェアや、プログラムにより実現できる。
【００４０】
本実施形態の処理部１００は、液晶格子制御部１１０、演算処理部１２０、画像生成部１３０とを含む。
【００４１】
液晶格子制御部１１０は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子パターンを制御する。具体的には格子パターンを制御するための制御信号を生成して、生成した制御信号を液晶格子駆動部１８０に対して送信する処理を行う。液晶格子制御部１１０は、液晶格子駆動部１８０と共に制御部を構成している。
【００４２】
また液晶格子制御部１１０は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子パターンのピッチを変化させる制御を行うようにしてもよい。
【００４３】
また液晶格子制御部１１０は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子パターンの強度分布を制御するようにしてもよい。
【００４４】
また液晶格子制御部１１０は、撮像部１７０によってモアレ縞画像が取得される期間内に、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子を、格子と直交する方向に少なくとも格子１ピッチ分の距離を一定の速度で連続的に移動させる制御を行うようにしてもよい。
【００４５】
また液晶格子制御部１１０は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８のいずれか一方の格子の位相を変化させる制御を行うようにしてもよい。
【００４６】
また液晶格子制御部１１０は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８のいずれか一方の格子の位相をπ／２ずつ変化させる制御を行うようにしてもよい。
【００４７】
演算処理部１２０は、撮像部１７０が取得したモアレ縞画像に基づく演算処理により測定対象物の形状を測定する処理（測定対象物の立体形状情報を算出する処理）を行う。
【００４８】
また撮像部１７０は、液晶格子制御部１１０によって前記格子の位相が変化される毎に、前記モアレ縞を撮像して複数のモアレ縞画像を取得し、演算処理部１２０は、位相を変えた前記複数のモアレ縞画像を位相解析し、測定対象物の形状を求める演算処理を行うようにしてもよい。
【００４９】
また撮像部１７０は、液晶格子制御部１１０によって前記格子パターンのピッチが変化される毎に、前記モアレ縞を撮像して複数のモアレ縞画像を取得し、演算処理部１２０は、ピッチを変えた前記複数のモアレ縞画像に基づく演算処理により前記測定対象物の形状を測定するようにしてもよい。
【００５０】
画像生成部１３０は、演算処理部１２０によって算出された立体形状情報に基づいて描画処理を行い、これにより画像を生成し、表示部１６０に出力する。
【００５１】
３．本実施形態の処理
次に、本実施形態の処理の一例について図４、図５のフローチャートを用いて説明する。
【００５２】
図４は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８のいずれか一方の格子の位相を変化させて、位相が変化される度に撮像した複数のモアレ縞画像から測定対象物の形状を測定する場合の処理の一例を示すフローチャートである。
【００５３】
まず、図７（Ａ）に示すように、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子を、両格子の位相差が０となるように制御する（図４のステップＳ１０）。
【００５４】
次に、図６に示すように、撮像部１７０によってモアレ縞画像が取得（撮像）される時間Ｔ（例えば１／６０秒）内に、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子を、両格子の位相差を変えずに格子と直交する方向Ｄに格子１ピッチ（位相２π）分一定の速度で連続的に移動させる制御を行う（図４のステップＳ１２）。そして撮像部１７０は、両格子が移動する期間内にモアレ縞画像を取得（撮像）する。このように両格子間の位相差を変えずに両格子を移動させた場合には、モアレ縞は移動しないのに対して、モアレ縞画像に写り込む変形格子像や撮影格子像等の不要縞のみが一定の速度で連続的に移動することになる。よって不要縞の強度分布を平均化してこれを除去することができる。
【００５５】
次に、撮像部１７０による画像取得回数が４回に達したか否かを判断する（図４のステップＳ１４）。
【００５６】
図４のステップＳ１４において、画像取得回数が４回に達していないと判断した場合には、図７（Ｂ）に示すように、第１の液晶格子２６の格子を、格子と直交する方向Ｄに位相π／２（格子１／４ピッチ）分移動させる（位相シフトする）制御を行う（図４のステップＳ１６）。このとき第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の位相差はπ／２となり、観察されるモアレ縞の位相もπ／２分移動する。そしてステップＳ１２の処理に進み、画像取得期間内に両格子の位相差（π／２）を変えずに格子１ピッチ分移動させる制御を行い２枚目のモアレ縞画像を取得する。以下、画像取得回数が４回に達するまで、第１の液晶格子２６の格子を位相π／２ずつ移動させ（図７参照）、画像取得期間内に両格子の位相差を変えずに格子１ピッチ分移動させるステップＳ１６とステップＳ１２の処理を繰り返し行い、４枚のモアレ縞画像を取得する。取得した各画像においてはモアレ縞が位相π／２ずつ移動し、不要縞は平均化され除去されている。
【００５７】
図４のステップＳ１４において、画像取得回数が４回に達したと判断した場合には、位相がシフトされた４枚のモアレ縞画像に基づき位相解析を行う（図４のステップＳ１６）。位相がシフトされた４枚のモアレ縞画像を１点（１画素）において観察すると輝度が正弦波状に変化する。この輝度変化から各点毎に初期位相の値を求めることができる。図８は位相シフト量と１点における輝度の変化との関係を示す図である。ここで輝度I０、I１、I２、I３はそれぞれ位相シフト量が０、π／２、π、３π／２であるときの１点における輝度を示し、輝度IＨは輝度の最大値を示す。ここで位相シフト量が０であるときの１点における位相φ（初期位相）は下式（２）のように求められる。
【００５８】
【数１】
次に位相解析の結果に基づきモアレ縞の縞本数を算出し、測定対象物の立体形状情報（図１に示す基準面ＳＰからの高さ情報）を算出する（図４のステップＳ２０）。
【００５９】
図５は、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子ピッチを変化させて、ピッチが変化される度に撮像した複数のモアレ縞画像から測定対象物の形状を測定する場合の処理の一例を示すフローチャートである。
【００６０】
まず、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子ピッチを粗い（大きい）ピッチＰ１に設定する（ステップＳ３０）。このとき測定範囲（測定対象物の高さ）がモアレ縞の１本（１ピッチ）に収まるような大きさの格子ピッチを設定する。なお第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子ピッチを大きくするほど観察されるモアレ縞のピッチも大きくなる。
【００６１】
次に、画像取得毎に第１の液晶格子２６の位相をシフトし、位相がシフトされた４枚の画像に基づきモアレ縞画像の各点における初期位相を算出する位相解析を行う（ステップＳ３２）。すなわちステップＳ３０において設定した格子ピッチＰ１を変えずに、図４に示すステップＳ１０〜ステップＳ１８の処理を行う。
【００６２】
次に、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８の格子ピッチを細かい（小さい）ピッチＰ２に設定する（ステップＳ３４）。
【００６３】
次に、画像取得毎に第１の液晶格子２６の位相をシフトし、位相がシフトされた４枚の画像に基づきモアレ縞画像の各点における初期位相を算出する位相解析を行う（ステップＳ３６）。すなわちステップＳ３４において設定した格子ピッチＰ２を変えずに、図４に示すステップＳ１０〜ステップＳ１８の処理を行う。
【００６４】
次に、ステップＳ３２における位相解析の結果と、ステップＳ３６における位相解析の結果とに基づきモアレ縞の縞本数を算出し、測定対象物の立体形状情報（図１に示す基準面ＳＰからの高さ情報）を算出する（ステップＳ３６）。
【００６５】
具体的には、図９に示すように、格子ピッチＰ１での位相解析（ステップＳ３２における位相解析）の結果から求めたモアレ縞本数Ｎ１に格子ピッチＰ１、Ｐ２の比をかけて格子ピッチＰ２でのモアレ縞本数の整数部Ｎ２ｉを求め、格子ピッチＰ２での位相解析（ステップＳ３６における位相解析）の結果から格子ピッチＰ２でのモアレ縞本数の小数部Ｎ２ｓを求める。例えば格子ピッチＰ１と格子ピッチＰ２の比が３：１であり、格子ピッチＰ１での位相解析の結果からモアレ縞本数Ｎ１が０．８本と求められた場合には、格子ピッチＰ２でのモアレ縞本数を、０．８本×Ｐ１／Ｐ２＝２．４本と予測し、格子ピッチＰ２でのモアレ縞の整数部Ｎ２ｉを２本として決定する。そして格子ピッチＰ２での位相解析の結果から求めたモアレ縞本数の小数部Ｎ２ｓ（０．４本）を、決定したモアレ縞本数の整数部Ｎ２ｉに加算して格子ピッチＰ２でのモアレ縞本数として２．４本を確定し、基準面ＳＰからの高さを算出する。位相解析による縞本数の測定は縞本数が１本を超えるとそのままでは縞本数の小数部しか求めることができないが、測定範囲（測定対象物の高さ）がモアレ縞の１本（１ピッチ）に収まるような大きさの格子ピッチを用いて測定することで、細かい格子ピッチでのモアレ縞本数の整数部を他の測定点での値に関係なく独立して算出することができる。また小さい格子ピッチを用いて測定することでモアレ縞の小数部をより精度よく算出することができる。
【００６６】
４．変形例
上記実施形態で説明した手法は、一例を示したに過ぎず、上記実施形態の手法と同様の効果を奏する均等な手法を採用した場合においても本発明の範囲に含めることができる。また本発明は、上記実施形態で説明したものに限らず、種々の変形実施が可能である。そして上記実施形態で説明した各種の手法や、変形例として後述する各種の手法は、本発明を実現する手法として適宜組み合わせて採用することができる。
【００６７】
例えば本実施形態では、格子ピッチが変化される度に撮像した複数のモアレ縞画像から測定対象物の形状を測定する例として、格子ピッチを大きいピッチに設定した場合と、小さいピッチに設定した場合のそれぞれについて位相シフト法による測定を行う場合について説明したが、格子ピッチが変化された複数のモアレ縞画像を１点において観察すると輝度が基準面ＳＰからの高さに応じて固有のパターンで変化することに着目して、この輝度変化の周期パターン（周波数）を解析して基準面ＳＰからの高さを算出するようにしてもよい。
【００６８】
また本実施形態では、位相が変化される度に撮像した複数のモアレ縞画像から測定対象物の形状を測定する例として、第１の液晶格子２６及び第２の液晶格子３８のいずれか一方の格子の位相をπ／２ずつ変化させて位相が変化させる度に撮像した４枚のモアレ縞画像を位相解析する場合について説明したが、いずれか一方の格子の位相を２π／ｎ（ｎは整数）ずつ変化させて、位相が変化される度に撮像したｎ枚のモアレ縞画像を位相解析するようにしてもよい。この場合、ｋ番目の位相シフト量（ｋ＝０のとき位相シフト量０とする）での輝度（モアレ縞感度）をｉｋとし、ｋ番目の位相シフト量をδｋ＝ｋ×２π／ｎとすると、初期位相φは下式（３）のように求められる。
【００６９】
【数２】
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本実施形態の格子投影型モアレ装置の構成の一例を示す図。
【図２】本実施形態の第１、第２の液晶格子について説明するための図。
【図３】本実施形態の格子投影型モアレ装置の機能ブロック図。
【図４】本実施形態の処理の一例を示すフローチャート。
【図５】本実施形態の処理の一例を示すフローチャート。
【図６】第１の液晶格子及び第２の液晶格子の格子を移動させる制御について説明するための図。
【図７】第１の液晶格子の格子の位相を変化させる制御について説明するための図。
【図８】位相シフト量と１点における輝度の変化との関係を示す図。
【図９】格子ピッチを変えてモアレ縞本数を算出する例について説明するための図。
【符号の説明】
【００７１】
１０ 格子投影型モアレ装置
２０ 投影光学系
２６ 第１の液晶格子
３０ 結像光学系
３２ ＣＣＤカメラ
３８ 第２の液晶格子
４２ 測定対象物
５０ 制御部
１００ 処理部
１１０ 液晶格子制御部
１２０ 演算処理部
１３０ 画像生成部
１４０ 操作部
１５０ 記憶部
１６０ 表示部
１７０ 撮像部
１８０ 液晶格子駆動部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の形状を測定するための格子投影型モアレ装置において、
第１の液晶格子の像を前記測定対象物に投影する投影光学系と、
前記測定対象物に形成された変形格子像を第２の液晶格子上に結像させる結像光学系と、
前記結像により形成されたモアレ縞を撮像してモアレ縞画像を取得する撮像部と、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンを制御する制御部と、
を含むことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項２】
請求項１記載の格子投影型モアレ装置において、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンのピッチを変化させる制御を行うことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の格子投影型モアレ装置において、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンの強度分布を制御することを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の格子投影型モアレ装置において、
前記制御部は、
前記撮像部によって前記モアレ縞画像が取得される期間内に、前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子を、格子と直交する方向に少なくとも格子１ピッチ分の距離を移動させる制御を行うことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の格子投影型モアレ装置において、
前記モアレ縞画像に基づく演算処理により前記測定対象物の形状を測定する演算処理部を更に含むことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項６】
請求項５記載の格子投影型モアレ装置において、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子のいずれか一方の格子の位相を変化させる制御を行い、
前記撮像部は、
前記制御部によって前記格子の位相が変化される毎に、前記モアレ縞を撮像して複数のモアレ縞画像を取得し、
前記演算処理部は、
位相を変えた前記複数のモアレ縞画像を位相解析し、前記測定対象物の形状を求める演算処理を行うことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項７】
請求項６記載の格子投影型モアレ装置において、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子のいずれか一方の格子の位相をπ／２ずつ変化させる制御を行うことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項８】
請求項５記載の格子投影型モアレ装置において、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンのピッチを変化させる制御を行い、
前記撮像部は、
前記制御部によって前記格子パターンのピッチが変化される毎に、前記モアレ縞を撮像して複数のモアレ縞画像を取得し、
前記演算処理部は、
ピッチを変えた前記複数のモアレ縞画像に基づく演算処理により前記測定対象物の形状を測定することを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項９】
測定対象物の形状を測定する形状測定方法において、
第１の液晶格子の像を前記測定対象物に投影するステップと、
前記測定対象物に形成された変形格子像を第２の液晶格子上に結像させるステップと、
前記結像により形成されたモアレ縞を撮像してモアレ縞画像を取得するステップと、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンを制御するステップと、
を含むことを特徴とする形状測定方法。
【請求項１】
測定対象物の形状を測定するための格子投影型モアレ装置において、
第１の液晶格子の像を前記測定対象物に投影する投影光学系と、
前記測定対象物に形成された変形格子像を第２の液晶格子上に結像させる結像光学系と、
前記結像により形成されたモアレ縞を撮像してモアレ縞画像を取得する撮像部と、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンを制御する制御部と、
を含むことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項２】
請求項１記載の格子投影型モアレ装置において、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンのピッチを変化させる制御を行うことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の格子投影型モアレ装置において、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンの強度分布を制御することを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の格子投影型モアレ装置において、
前記制御部は、
前記撮像部によって前記モアレ縞画像が取得される期間内に、前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子を、格子と直交する方向に少なくとも格子１ピッチ分の距離を移動させる制御を行うことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の格子投影型モアレ装置において、
前記モアレ縞画像に基づく演算処理により前記測定対象物の形状を測定する演算処理部を更に含むことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項６】
請求項５記載の格子投影型モアレ装置において、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子のいずれか一方の格子の位相を変化させる制御を行い、
前記撮像部は、
前記制御部によって前記格子の位相が変化される毎に、前記モアレ縞を撮像して複数のモアレ縞画像を取得し、
前記演算処理部は、
位相を変えた前記複数のモアレ縞画像を位相解析し、前記測定対象物の形状を求める演算処理を行うことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項７】
請求項６記載の格子投影型モアレ装置において、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子のいずれか一方の格子の位相をπ／２ずつ変化させる制御を行うことを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項８】
請求項５記載の格子投影型モアレ装置において、
前記制御部は、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンのピッチを変化させる制御を行い、
前記撮像部は、
前記制御部によって前記格子パターンのピッチが変化される毎に、前記モアレ縞を撮像して複数のモアレ縞画像を取得し、
前記演算処理部は、
ピッチを変えた前記複数のモアレ縞画像に基づく演算処理により前記測定対象物の形状を測定することを特徴とする格子投影型モアレ装置。
【請求項９】
測定対象物の形状を測定する形状測定方法において、
第１の液晶格子の像を前記測定対象物に投影するステップと、
前記測定対象物に形成された変形格子像を第２の液晶格子上に結像させるステップと、
前記結像により形成されたモアレ縞を撮像してモアレ縞画像を取得するステップと、
前記第１の液晶格子及び前記第２の液晶格子の格子パターンを制御するステップと、
を含むことを特徴とする形状測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１２８０３０（Ｐ２００９−１２８０３０Ａ）
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３００２７２（Ｐ２００７−３００２７２）
【出願日】平成１９年１１月２０日（２００７．１１．２０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１９年６月１２日〜１３日 社団法人応用物理学会・光波センシング技術研究会主催の「第３９回 光波センシング技術研究会」において文書をもって発表
【出願人】（５０４１３２８８１）国立大学法人東京農工大学 (595)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２０日（２００７．１１．２０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１９年６月１２日〜１３日 社団法人応用物理学会・光波センシング技術研究会主催の「第３９回 光波センシング技術研究会」において文書をもって発表
【出願人】（５０４１３２８８１）国立大学法人東京農工大学 (595)
【Ｆターム（参考）】
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